بانک خازن: تعریف، کاربردها و مزایا
بانک خازنی گروهی از چندین خازن با همان ظرفیت است که به صورت سری یا موازی متصل می‌شوند تا انرژی الکتریکی را در سیستم قدرت الکتریکی ذخیره کنند. خازن‌ها دستگاه‌هایی هستند که می‌توانند شار الکتریکی را با ایجاد یک میدان الکتریکی بین دو صفحه فلزی جدا شده با یک ماده عایق ذخیره کنند. بانک‌های خازنی برای اهداف مختلفی مانند اصلاح ضریب توان، تنظیم ولتاژ، فیلتر کردن هارمونیک و سرکوب ترانزیانت‌ها استفاده می‌شوند.
ضریب توان چیست؟
ضریب توان معیاری از آن است که چقدر یک سیستم قدرت AC (جریان متناوب) از قدرت تامین شده به طور موثر استفاده می‌کند. این ضریب به عنوان نسبت قدرت حقیقی (P) به قدرت ظاهری (S) تعریف می‌شود، که قدرت حقیقی قدرتی است که کار مفیدی را در بار انجام می‌دهد و قدرت ظاهری حاصل ضرب ولتاژ (V) و جریان (I) در مدار است. ضریب توان را می‌توان به صورت کسینوس زاویه (θ) بین ولتاژ و جریان نیز بیان کرد.
ضریب توان = P/S = VI cos θ
ضریب توان ایده‌آل ۱ است که به این معناست که تمام قدرت تامین شده به کار مفید تبدیل می‌شود و هیچ قدرت واکنشی (Q) در مدار وجود ندارد. قدرت واکنشی قدرتی است که بین منبع و بار به دلیل وجود عناصر القایی یا خازنی مانند موتورها، ترانسفورماتورها، خازن‌ها و غیره جریان می‌یابد. قدرت واکنشی هیچ کاری انجام نمی‌دهد، اما باعث ایجاد تلفات اضافی و کاهش کارایی سیستم می‌شود.
قدرت واکنشی = Q = VI sin θ
ضریب توان یک سیستم می‌تواند از ۰ تا ۱ متغیر باشد، بسته به نوع و مقدار بار متصل به آن. یک ضریب توان پایین نشان‌دهنده تقاضای بالایی برای قدرت واکنشی و استفاده ضعیف از قدرت تامین شده است. یک ضریب توان بالا نشان‌دهنده تقاضای کم برای قدرت واکنشی و استفاده بهتر از قدرت تامین شده است.
چرا اصلاح ضریب توان مهم است؟
اصلاح ضریب توان فرآیند بهبود ضریب توان یک سیستم با افزودن یا حذف منابع قدرت واکنشی مانند بانک‌های خازنی یا مخازن همزمان است. اصلاح ضریب توان مزایای متعددی برای هر دو طرف تأمین‌کننده و مصرف‌کننده دارد، مانند:
کاهش تلفات خط و بهبود کارایی سیستم: یک ضریب توان پایین به معنای جریان بالایی در سیستم است که تلفات مقاومتی (I2R) را افزایش می‌دهد و سطح ولتاژ در انتهای بار را کاهش می‌دهد. با افزایش ضریب توان، جریان کاهش می‌یابد و تلفات به حداقل می‌رسد، که نتیجتش سطح ولتاژ بالاتر و عملکرد بهتر سیستم است.
افزایش ظرفیت و قابلیت اطمینان سیستم: یک ضریب توان پایین به معنای تقاضای بالایی برای قدرت ظاهری از منبع است که مقدار قدرت حقیقی که می‌تواند به بار تحویل داده شود را محدود می‌کند. با افزایش ضریب توان، تقاضای قدرت ظاهری کاهش می‌یابد و مقدار بیشتری از قدرت حقیقی می‌تواند به بار تحویل داده شود، که نتیجه‌اش ظرفیت و قابلیت اطمینان سیستم بالاتر است.
کاهش هزینه‌های تأمین‌کننده و جریمه‌ها: بسیاری از تأمین‌کنندگان برای مصرف‌کنندگانی که ضریب توان پایینی دارند، هزینه‌های اضافی یا جریمه‌هایی تعیین می‌کنند، چون آن‌ها بار بیشتری را روی شبکه انتقال و توزیع و هزینه‌های عملیاتی آن‌ها ایجاد می‌کنند. با افزایش ضریب توان، این هزینه‌ها یا جریمه‌ها می‌توانند اجتناب یا کاهش یابند، که نتیجه‌اش کاهش قبض برق برای مصرف‌کنندگان است.
بانک خازنی چگونه کار می‌کند؟
بانک خازنی با ارائه یا جذب قدرت واکنشی از یا به سیستم، بسته به حالت اتصال و موقعیت خود کار می‌کند. دو نوع اصلی بانک خازنی وجود دارد: بانک‌های خازنی شانتل و بانک‌های خازنی سری.
بانک‌های خازنی شانتل
بانک‌های خازنی شانتل به صورت موازی با بار یا در نقاط خاصی از سیستم مانند زیرстанیون‌ها یا خطوط تغذیه متصل می‌شوند. آن‌ها قدرت واکنشی مثبت (Q مثبت) را ارائه می‌دهند تا قدرت واکنشی منفی (Q منفی) ناشی از بارهای القایی مانند موتورها، ترانسفورماتورها و غیره را کاهش یا حذف کنند. این کار ضریب توان سیستم را بهبود می‌بخشد و تلفات خط را کاهش می‌دهد.
بانک‌های خازنی شانتل مزایای متعددی نسبت به دیگر انواع دستگاه‌های جبران قدرت واکنشی دارند، مانند:
آن‌ها نسبتاً ساده، ارزان و آسان برای نصب و نگهداری هستند.
آن‌ها می‌توانند بر اساس تغییرات بار یا نیاز سیستم روشن یا خاموش شوند.
آن‌ها می‌توانند به واحدهای کوچک‌تر یا مرحله‌های کوچک‌تر تقسیم شوند تا کنترل دقیق‌تر و انعطاف‌پذیرتر قدرت واکنشی فراهم شود.
آن‌ها می‌توانند ثبات و کیفیت ولتاژ در انتهای بار را با ارائه پشتیبانی محلی قدرت واکنشی بهبود بخشند.
با این حال، بانک‌های خازنی شانتل نیز محدودیت‌ها یا م Dezavantages دارند، مانند:
آن‌ها ممکن است مشکلات اضافه ولتاژ یا رزونانس ایجاد کنند اگر به درستی طراحی یا هماهنگی با دیگر دستگاه‌های سیستم نشده باشند.
آن‌ها ممکن است هارمونیک‌ها یا تحریف‌ها را به سیستم اضافه کنند اگر به درستی فیلتر یا محافظت نشده باشند.
آن‌ها ممکن است برای خطوط انتقال بلند یا بارهای پخش شده مؤثر نباشند.
بانک‌های خازنی سری
بانک‌های خازنی سری به صورت سری با بار یا خط انتقال متصل می‌شوند و مقاومت مؤثر مدار را کاهش می‌دهند. آن‌ها قدرت واکنشی منفی (Q منفی) را ارائه می‌دهند تا قدرت واکنشی مثبت (Q مثبت) ناشی از بارهای خازنی مانند کابل‌های بلند، خطوط انتقال و غیره را کاهش یا حذف کنند. این کار تنظیم و ثبات ولتاژ سیستم را بهبود می‌بخشد.
بانک‌های خازنی سری مزایایی نسبت به بانک‌های خازنی شانتل دارند، مانند:
آن‌ها می‌توانند توانایی انتقال قدرت و کارایی خطوط انتقال بلند را با کاهش تلفات خط و کاهش ولتاژ افزایش دهند.
آن‌ها می‌توانند جریان کوتاه‌مداری و سطح خطا را با افزایش مقاومت مسیر خرابی کاهش دهند.
آن‌ها می‌توانند پاسخ ترانزیانت و دمپینگ سیستم را با کاهش فرکانس طبیعی و نوسانات بهبود بخشند.
با این حال، بانک‌های خازنی سری نیز محدودیت‌ها یا م Dezavantages دارند، مانند:
آن‌ها ممکن است مشکلات اضافه ولتاژ یا رزونانس ایجاد کنند اگر به درستی طراحی یا محافظت نشده باشند. به عنوان مثال، در حالت خرابی، ولتاژ روی خازن ممکن است تا ۱۵ برابر مقدار اسمی خود افزایش یابد که می‌تواند خازن یا دیگر تجهیزات سیستم را آسیب ببیند.
آن‌ها ممکن است هارمونیک‌ها یا تحریف‌ها را به سیستم اضافه کنند اگر به درستی فیلتر یا جبران نشده باشند.
آن‌ها ممکن است برای ولتاژ پایین یا بارهای پخش شده مؤثر نباشند.
