Una banca di condensatori è un gruppo di diversi condensatori della stessa capacità che sono connessi in serie o in parallelo per immagazzinare energia elettrica in un sistema elettrico. I condensatori sono dispositivi che possono immagazzinare carica elettrica creando un campo elettrico tra due piastre metalliche separate da un materiale isolante. Le banche di condensatori vengono utilizzate per vari scopi, come la correzione del fattore di potenza, la regolazione della tensione, il filtraggio armonico e la soppressione dei transitori.
Il fattore di potenza è una misura di quanto efficientemente un sistema di potenza AC (corrente alternata) utilizza la potenza fornita. È definito come il rapporto tra la potenza reale (P) e la potenza apparente (S), dove la potenza reale è la potenza che svolge lavoro utile nel carico, e la potenza apparente è il prodotto della tensione (V) e della corrente (I) nel circuito. Il fattore di potenza può anche essere espresso come il coseno dell'angolo (θ) tra tensione e corrente.
Fattore di potenza = P/S = VI cos θ
Il fattore di potenza ideale è 1, il che significa che tutta la potenza fornita viene convertita in lavoro utile, e non c'è potenza reattiva (Q) nel circuito. La potenza reattiva è la potenza che fluisce avanti e indietro tra la sorgente e il carico a causa della presenza di elementi induttivi o capacitivi, come motori, trasformatori, condensatori, ecc. La potenza reattiva non svolge alcun lavoro, ma causa perdite extra e riduce l'efficienza del sistema.
Potenza reattiva = Q = VI sin θ
Il fattore di potenza di un sistema può variare da 0 a 1, a seconda del tipo e della quantità di carico connesso ad esso. Un basso fattore di potenza indica una alta richiesta di potenza reattiva e una scarsa utilizzazione della potenza fornita. Un alto fattore di potenza indica una bassa richiesta di potenza reattiva e una migliore utilizzazione della potenza fornita.
La correzione del fattore di potenza è il processo di miglioramento del fattore di potenza di un sistema aggiungendo o rimuovendo fonti di potenza reattiva, come banche di condensatori o sincroni condensatori. La correzione del fattore di potenza ha diversi vantaggi sia per l'utilità che per il consumatore, come:
Riduzione delle perdite di linea e miglioramento dell'efficienza del sistema: Un basso fattore di potenza significa un elevato flusso di corrente nel sistema, il che aumenta le perdite resistentive (I2R) e riduce il livello di tensione al carico. Aumentando il fattore di potenza, il flusso di corrente viene ridotto e le perdite sono minime, risultando in un livello di tensione più alto e una migliore performance del sistema.
Aumento della capacità e affidabilità del sistema: Un basso fattore di potenza significa una alta richiesta di potenza apparente dalla sorgente, il che limita la quantità di potenza reale che può essere fornita al carico. Aumentando il fattore di potenza, la richiesta di potenza apparente viene ridotta e può essere fornita più potenza reale al carico, risultando in una maggiore capacità e affidabilità del sistema.
Riduzione delle tariffe e penalità dell'utility: Molte utility applicano tariffe extra o penalità ai consumatori che hanno un basso fattore di potenza, poiché questi causano un maggior carico sulla rete di trasmissione e distribuzione e aumentano i costi operativi. Aumentando il fattore di potenza, queste tariffe o penalità possono essere evitate o ridotte, risultando in bollette elettriche più basse per i consumatori.
Una banca di condensatori funziona fornendo o assorbendo potenza reattiva dal sistema, a seconda del suo modo di connessione e posizione. Esistono due tipi principali di banche di condensatori: banche di condensatori shunt e banche di condensatori in serie.
Le banche di condensatori shunt sono connesse in parallelo con il carico o in punti specifici del sistema, come sottostazioni o alimentatori. Forniscono potenza reattiva in anticipo (positiva Q) per annullare o ridurre la potenza reattiva in ritardo (negativa Q) causata dai carichi induttivi, come motori, trasformatori, ecc. Ciò migliora il fattore di potenza del sistema e riduce le perdite di linea.
Le banche di condensatori shunt presentano diversi vantaggi rispetto ad altri tipi di dispositivi di compensazione della potenza reattiva, come:
Sono relativamente semplici, economici e facili da installare e manutenere.
Possono essere accese o spente in base alla variazione del carico o alle esigenze del sistema.
Possono essere divise in unità o passi più piccoli per fornire maggiore flessibilità e precisione nel controllo della potenza reattiva.
Possono migliorare la stabilità e la qualità della tensione al carico fornendo supporto reattivo locale.
Tuttavia, le banche di condensatori shunt presentano anche alcuni svantaggi o limitazioni, come:
Possono causare problemi di sovratensione o risonanza se non progettate o coordinate correttamente con altri dispositivi del sistema.
Possono introdurre armoniche o distorsioni nel sistema se non filtrate o protette correttamente.
Possono non essere efficaci per lunghe linee di trasmissione o carichi distribuiti.
Le banche di condensatori in serie sono connesse in serie con il carico o la linea di trasmissione, riducendo l'impedenza effettiva del circuito. Forniscono potenza reattiva in ritardo (negativa Q) per annullare o ridurre la potenza reattiva in anticipo (positiva Q) causata dai carichi capacitivi, come lunghi cavi, linee di trasmissione, ecc. Ciò migliora la regolazione e la stabilità della tensione del sistema.
Le banche di condensatori in serie presentano alcuni vantaggi rispetto alle banche di condensatori shunt, come:
Possono aumentare la capacità di trasferimento di potenza ed efficienza delle lunghe linee di trasmissione riducendo le perdite di linea e il calo di tensione.
Possono ridurre la corrente di cortocircuito e il livello di guasto del sistema aumentando l'impedenza del percorso di guasto.
Possono migliorare la risposta transitoria e l'amortizzazione del sistema riducendo la frequenza naturale e le oscillazioni.
Tuttavia, le banche di condensatori in serie presentano anche alcuni svantaggi o limitazioni, come:
Possono causare problemi di sovratensione o risonanza se non progettate o protette correttamente. Ad esempio, durante una condizione di guasto, la tensione attraverso il condensatore può aumentare fino a 15 volte il suo valore nominale, il che può danneggiare il condensatore o altre apparecchiature del sistema.
Possono introdurre armoniche o distorsioni nel sistema se non filtrate o compensate correttamente.
Possono non essere efficaci per tensioni basse o carichi distribuiti.
La dimensione di una banca di condensatori dipende da diversi fattori, come:
Il miglioramento desiderato del fattore di potenza o la compensazione della potenza reattiva
Il livello di tensione e la frequenza del sistema
Il tipo e la posizione della banca di condensatori (shunt o in serie)
