コンデンサバンク：定義、使用目的と利点
コンデンサバンクは、同じ定格の複数のコンデンサを直列または並列に接続して電力システムで電気エネルギーを蓄積する装置です。コンデンサは、絶縁材によって分離された2つの金属板間に電界を作り出すことによって電荷を蓄積できるデバイスです。コンデンサバンクは、様々な目的で使用され、例えば力率補正、電圧調整、高調波フィルタリング、および過渡現象抑制などがあります。
力率とは何ですか？
力率は、交流（Alternating Current）電力システムが供給された電力をどれだけ効率的に使用しているかの尺度です。これは実効電力（P）と視在電力（S）の比として定義され、実効電力は負荷で有用な仕事を行う電力であり、視在電力は回路の電圧（V）と電流（I）の積です。力率はまた、電圧と電流の間の角度（θ）の余弦としても表現できます。
力率 = P/S = VI cos θ
理想的な力率は1であり、これは供給された全ての電力が有用な仕事に変換され、回路に無効電力（Q）がないことを意味します。無効電力は、モーターやトランスフォーマー、コンデンサなどの誘導性または容量性要素の存在により、ソースと負荷の間を行き来する電力です。無効電力は実際に仕事を行いませんが、追加の損失を引き起こし、システムの効率を低下させます。
無効電力 = Q = VI sin θ
システムの力率は、接続されている負荷の種類と量によって0から1の範囲で変化します。低い力率は高い無効電力需要と供給された電力の利用が不十分であることを示しています。高い力率は低い無効電力需要と供給された電力のより良い利用を示しています。
なぜ力率補正が重要なのか？
力率補正は、コンデンサバンクや同期コンデンサーなどの反応電力源を追加または削除することでシステムの力率を改善するプロセスです。力率補正には、電力会社と消費者の両方にとっていくつかの利点があります。
線損の減少とシステム効率の向上：低い力率はシステム内の高い電流流れを意味し、これにより抵抗損失（I2R）が増加し、負荷端での電圧レベルが低下します。力率を上げることで、電流流れが減少し、損失が最小限に抑えられ、より高い電圧レベルとより良いシステム性能が得られます。
システム容量と信頼性の向上：低い力率はソースからの高い視在電力需要を意味し、負荷に供給できる実効電力が制限されます。力率を上げることで、視在電力需要が減少し、負荷により多くの実効電力を供給でき、結果としてシステム容量と信頼性が向上します。
電力料金と罰金の削減：多くの電力会社は、低い力率を持つ消費者に対して追加料金や罰金を課します。これは、送電・配電ネットワークへの負担が増え、運営コストが増加するためです。力率を上げることで、これらの料金や罰金を避けるか、または削減でき、結果として消費者の電気料金が低くなります。
コンデンサバンクの仕組み
コンデンサバンクは、その接続モードと位置に応じて、システムに反応電力を提供または吸収することによって動作します。主に2種類のコンデンサバンクがあります：シャントコンデンサバンクとシリーズコンデンサバンクです。
シャントコンデンサバンク
シャントコンデンサバンクは、負荷または特定のポイント（例えば、変電所や給電線）に並列に接続されます。モーター、トランスフォーマーなどの誘導負荷によって引き起こされる遅延反応電力（負のQ）をキャンセルまたは削減するために先行反応電力（正のQ）を提供します。これにより、システムの力率が向上し、線損が減少します。
シャントコンデンサバンクは、他のタイプの反応電力補償装置と比較して以下の利点があります。
比較的単純で安価であり、設置と維持が容易です。
負荷の変動またはシステム要件に応じてオンオフすることができます。
小さなユニットまたはステップに分割して、反応電力制御の柔軟性と精度を高めることができます。
ローカルの反応サポートを提供することにより、負荷端での電圧の安定性と品質を向上させることができます。
しかし、シャントコンデンサバンクにはいくつかの欠点や制限もあります。
適切に設計または他のデバイスとの調整が行われていない場合、過電圧または共振問題を引き起こす可能性があります。
適切にフィルタリングまたは保護されていない場合、系統に高調波または歪みを引き起こす可能性があります。
長距離の送電線または分散負荷には効果的ではない場合があります。
シリーズコンデンサバンク
シリーズコンデンサバンクは、負荷または送電線に直列に接続され、回路の有効インピーダンスを減少させます。長いケーブルや送電線などの容量負荷によって引き起こされる先行反応電力（正のQ）をキャンセルまたは削減するために遅延反応電力（負のQ）を提供します。これにより、システムの電圧調整と安定性が向上します。
シリーズコンデンサバンクは、シャントコンデンサバンクと比較して以下の利点があります。
線損と電圧降下を減少させることで、長距離送電線の送電能力と効率を向上させることができます。
障害パスのインピーダンスを増加させることで、システムの短絡電流と障害レベルを削減できます。
自然振動数と振動を減少させることで、システムの過渡応答と減衰を改善できます。
しかし、シリーズコンデンサバンクにもいくつかの欠点や制限があります。
適切に設計または保護されていない場合、過電圧または共振問題を引き起こす可能性があります。例えば、障害条件では、コンデンサの電圧は定格値の15倍まで上昇することがあり、これがコンデンサやシステム内の他の機器を損傷させる可能性があります。
適切にフィルタリングまたは補償されていない場合、系統に高調波または歪みを引き起こす可能性があります。
低電圧または分散負荷には効果的ではない場合があります。
コンデンサバンクのサイズをどのように計算するか？
コンデンサバンクのサイズは、以下のような要因によって決まります。
目標とする力率の改善または反応電力補償
システムの電圧レベルと周波数
コンデンサバンクの種類と位置（シャントまたはシリーズ）
負荷特性と変動
コンデンサユニットのコストと入手可能性
シャントコンデンサバンクのサイズを計算する基本的な式は以下の通りです。
