Condensatorbank: Definitie, Toepassingen en Voordelen
Een condensatorbank is een groep van verschillende condensatoren met dezelfde waarden die in serie of parallel zijn verbonden om elektrische energie op te slaan in een elektrisch energiesysteem. Condensatoren zijn toestellen die elektrische lading kunnen opslaan door een elektrisch veld te creëren tussen twee metalen platen die gescheiden zijn door een isolerend materiaal. Condensatorbanken worden gebruikt voor verschillende doeleinden, zoals cosinus phi-correctie, spanningsregeling, harmonische filtering en tijdelijke onderdrukking.
Wat is cosinus phi?
Cosinus phi is een maat voor hoe efficiënt een wisselstroom (alternating current) systeem de geleverde stroom gebruikt. Het wordt gedefinieerd als het verhouding van werkelijke vermogen (P) tot schijnbaar vermogen (S), waarbij het werkelijke vermogen het vermogen is dat nuttig werk verricht in de belasting, en het schijnbare vermogen het product is van spanning (V) en stroom (I) in het circuit. Cosinus phi kan ook worden uitgedrukt als de cosinus van de hoek (θ) tussen spanning en stroom.
Cosinus phi = P/S = VI cos θ
De ideale cosinus phi is 1, wat betekent dat alle geleverde stroom wordt omgezet in nuttig werk, en er geen reactief vermogen (Q) in het circuit is. Reactief vermogen is het vermogen dat heen en weer stroomt tussen de bron en de belasting door de aanwezigheid van inductieve of capacitive elementen, zoals motoren, transformators, condensatoren, etc. Reactief vermogen verricht geen werk, maar veroorzaakt extra verliezen en vermindert de efficiëntie van het systeem.
Reactief vermogen = Q = VI sin θ
De cosinus phi van een systeem kan variëren van 0 tot 1, afhankelijk van het type en de hoeveelheid belasting die eraan is verbonden. Een lage cosinus phi geeft een hoge reactieve vermogensvraag en een slechte benutting van de geleverde stroom aan. Een hoge cosinus phi geeft een lage reactieve vermogensvraag en een betere benutting van de geleverde stroom aan.
Waarom is cosinus phi-correctie belangrijk?
Cosinus phi-correctie is het proces om de cosinus phi van een systeem te verbeteren door reactieve vermogensbronnen toe te voegen of te verwijderen, zoals condensatorbanken of synchrone condensers. Cosinus phi-correctie heeft verschillende voordelen voor zowel de energieleverancier als de consument, zoals:
Verkleining van lijnverliezen en verbetering van systeemefficiëntie: Een lage cosinus phi betekent een hoge stroomstroom in het systeem, wat de resistentieverliezen (I2R) verhoogt en de spanning bij de belasting verlaagt. Door de cosinus phi te verhogen, wordt de stroomstroom verlaagd en de verliezen geminimaliseerd, wat resulteert in een hogere spanning en betere systeemprestaties.
Verhoging van systeemcapaciteit en betrouwbaarheid: Een lage cosinus phi betekent een hoge vraag naar schijnbaar vermogen van de bron, wat de hoeveelheid werkelijk vermogen beperkt die aan de belasting kan worden geleverd. Door de cosinus phi te verhogen, wordt de vraag naar schijnbaar vermogen verlaagd, en kan meer werkelijk vermogen aan de belasting worden geleverd, wat resulteert in een hogere systeemcapaciteit en betrouwbaarheid.
Verkleining van energierekeningen en boetes: Veel energieleveranciers berekenen extra kosten of leggen boetes op voor consumenten die een lage cosinus phi hebben, omdat ze een grotere belasting opleggen aan het transport- en distributienetwerk en de operationele kosten verhogen. Door de cosinus phi te verhogen, kunnen deze kosten of boetes worden vermeden of verlaagd, wat resulteert in lagere elektriciteitsrekeningen voor consumenten.
Hoe werkt een condensatorbank?
Een condensatorbank werkt door reactief vermogen toe te voeren of op te nemen uit het systeem, afhankelijk van de verbindingsschakeling en locatie. Er zijn twee hoofdtypen condensatorbanken: shuntcondensatorbanken en serieschakelingscondensatorbanken.
Shuntcondensatorbanken
Shuntcondensatorbanken zijn verbonden parallel met de belasting of op specifieke punten in het systeem, zoals transformatorstations of voeders. Ze leveren voortlopend reactief vermogen (positieve Q) om het achterlopende reactieve vermogen (negatieve Q) veroorzaakt door inductieve belastingen, zoals motoren, transformators, etc., te compenseren of te verlagen. Dit verbetert de cosinus phi van het systeem en vermindert lijnverliezen.
Shuntcondensatorbanken hebben verschillende voordelen ten opzichte van andere types reactieve vermogenscompensatieapparatuur, zoals:
Ze zijn relatief eenvoudig, goedkoop en gemakkelijk te installeren en te onderhouden.
Ze kunnen worden ingeschakeld of uitgeschakeld volgens de belastingsvariatie of systeemvereiste.
Ze kunnen worden verdeeld in kleinere eenheden of stappen om meer flexibiliteit en nauwkeurigheid in de regeling van reactief vermogen te bieden.
Ze kunnen de spanning stabiliteit en kwaliteit bij de belasting verbeteren door lokale reactieve ondersteuning te bieden.
Echter, shuntcondensatorbanken hebben ook enkele nadelen of beperkingen, zoals:
Ze kunnen overspanning of resonantieproblemen veroorzaken als ze niet goed zijn ontworpen of gecoördineerd met andere apparatuur in het systeem.
Ze kunnen harmonischen of vervormingen in het systeem introduceren als ze niet goed gefilterd of beschermd zijn.
Ze kunnen niet effectief zijn voor lange overdrachtlijnen of verspreide belastingen.
Serieschakelingscondensatorbanken
Serieschakelingscondensatorbanken zijn in serie verbonden met de belasting of de overdrachtlijn, waardoor de effectieve impedantie van het circuit wordt verlaagd. Ze leveren achterlopend reactief vermogen (negatieve Q) om het voortlopende reactieve vermogen (positieve Q) veroorzaakt door capacitive belastingen, zoals lange kabels, overdrachtlijnen, etc., te compenseren of te verlagen. Dit verbetert de spanningregeling en stabiliteit van het systeem.
Serieschakelingscondensatorbanken hebben enkele voordelen ten opzichte van shuntcondensatorbanken, zoals:
Ze kunnen de vermogensoverdrachtvermogen en efficiëntie van lange overdrachtlijnen verhogen door lijnverliezen en spansingsval te verlagen.
Ze kunnen de kortsluitstroom en foutniveau van het systeem verlagen door de impedantie van het foutpad te verhogen.
Ze kunnen de transient respons en demping van het systeem verbeteren door de natuurlijke frequentie en oscillaties te verlagen.
Echter, serieschakelingscondensatorbanken hebben ook enkele nadelen of beperkingen, zoals:
Ze kunnen overspanning of resonantieproblemen veroorzaken als ze niet goed zijn ontworpen of beschermd. Bijvoorbeeld, tijdens een storing kan de spanning over de condensator tot 15 keer de nominale waarde stijgen, wat de condensator of andere apparatuur in het systeem kan beschadigen.
Ze kunnen harmonischen of vervormingen in het systeem introduceren als ze niet goed gefilterd of gecompenseerd zijn.
Ze kunnen niet effectief zijn voor lage spanning of verspreide belastingen.
Hoe bereken je de grootte van een condensatorbank?
De grootte van een condensatorbank hangt af van verschillende factoren, zoals:
