جبران سازی توان رآکتیو در تأسیسات الکتریکی و همچنین شبکه برق بالا دست بسیار حائز اهمیت است. لذا ضروری است که یک مهندس طراح تأسیسات الکتریکی تقریباً در کلیه طراحی های خود از یک یا چند بانک خازن استفاده نماید.
مقدمه
در تحلیل مدارات الکتریکی معمولاً از سیستم فازور یا تحلیل برداری استفاده می شود.
همانطور که می دانیم هر کمیت برداری و از جمله بردارهای ولتاژ و جریان دارای دو مؤلفه دامنه و زاویه می باشد که با مرجع قرار دادن یکی از آنها (معمولاً ولتاژ) بردار جریان نسبت به آن چهار حالت می تواند داشته باشد:
همفاز : زمانیکه بار مصرف کننده اهمی خالص باشد مانند یک هیتر برقی یا لامپ رشته ای که آن را با R نمایش می دهیم.
90 درجه پیشفاز: زمانیکه بار مصرف کننده خازنی خالص باشد مانند بانک خازن که آن را با Xc نمایش می دهیم.
90 درجه پسفاز: زمانیکه بار مصرف کننده القائی خالص باشد مانند یک بوبین یاسیم پیچ آیده آل که آن را با Xl نمایش می دهیم.
حالت چهارم که بیشتر مصرف کننده های خانگی یا صنعتی از این نوع می باشند زمانی رخ میدهد که بار مصرفی ترکیبی از 3 حالت فوق باشد و لذا زاویه بین دو بردار جریان و ولتاژ بین دو مقدار مرزی 0 و 90 درجه پیشفاز یا پسفاز (99% مواقع) خواهد بود.
به منظور دسترسی آسان کاربران گرامی در سایت پاورکامپ یک ماژول محاسبه بانک خازن پیش بینی شده است که با سرعت و دقت مناسب در طراحی بانک خازن به مهندسین طراح گرامی کمک شایانی می نماید.
توان الکتریکی مصرف کننده
هر مصرف کننده الکتریکی که از ولتاژ نامی تغذیه کند و جریانی را از شبکه بکشد، مقداری توان یا قدرت الکتریکی مصرف می کند که این قدرت متناسب است با حاصلضرب مقادیر جریان مصرفی و ولتاژ نامی آن و اصطلاحاً به آن قدرت ظاهری(S) می گویند؛ واحد قدرت ظاهری ولت آمپر (VA) است.
در سیستمهای سه فاز قدرت ظاهری با رابطه زیر محاسبه می شود:
که در رابطه (1)، φ زاویه بین جریان و ولتاژ است. کسینوس زاویه مذکور کمیت مهمی است که به عنوان ضریب قدرت شناخته می شود. ضریب قدرت را توسط وسیله ای به نام کسینوس فی متر میتوان مستقیماً در دو سر بار اندازه گیری نمود.
همانطور که ملاحظه می شود توان ظاهری در فرمول فوق از لحاظ تحلیل ریاضی کمیتی مختلط است که دارای دو بخش حقیقی و موهومی می باشد و از نظر فیزیکی (الکتریکی) نیز این دو مقدار وجود خارجی داشته و قابل اندازه گیری هستند.
بخش حقیقی از قدرت ظاهری را توان مفید یا اکتیو می نامیم که واحد آن وات (w) می باشد و بخش موهومی قدرت ظاهری را توان غیر حقیقی یا رآکتیو می نامیم و واحد آن وار (var) می باشد.
تذکر: با توجه باینکه معمولاً مقادیر انواع توان الکتریکی اعداد بزرگی هستند جهت سهولت، عموماً از واحدهای بزرگتر مانند کیلو ولت آمپر (kva)، کیلو وات یا کیلووار (kw) استفاده می شود.
جبران سازی قدرت راکتیو
میتوان اثبات کرد که از دو مقدار توانهای اکتیو و رآکتیو تنها توان اکتیو در مصرف کننده های الکتریکی مصرف شده و به انرژی مفید تبدیل می شود و توان رآکتیو کار مفیدی برای ما انجام نمی دهد و اگر خودمان بتوانیم در محل پروژه مقدار توان رآکتیو مورد نیاز پروژه را تأمین کنیم در اینصورت دیگر نیازی نیست که از شبکه برق شهری توان رآکتیو بخریم و در اینصورت علاوه بر صرفه جوئی اقتصادی باعث آزاد شدن ظرفیت تجهیزات الکتریکی تأسیسات داخلی مانند ترانسفورماتورهای قدرت، کابلها و وسایل کنترل و حفاظت خواهیم شد.
تذکر: تحلیل نقش توان رآکتیو در تأسیسات الکتریکی و دلیل تولید و انتقال آن در سیستمهای قدرت از حوصله این مقاله خارج است.
خوشبختانه مکانیزم تولید توان رآکتیو در محل پروژه ساده بوده و به راحتی میتوان از محاسن حذف ورود توان رآکتیو از شبکه بیرونی به داخل پروژه بهره مند شد.
با تولید توان رآکتیو محلی (داخل پروژه) آنچه که دستگاههای اندازه گیری توان در بدو ورود به پروژه اندازه گیری خواهند نمود، عمدتاً توان مفید (اکتیو) بوده و لذا دامنه توان رآکتیو و به تبع آن توان ظاهری کاهش خواهد یافت.
به فرآیند تولید توان رآکتیو محلی و حذف یا تقلیل توان رآکتیو ورودی از شبکه بالادست اصطلاحاً جبران سازی توان رآکتیو می گویند.
روش جبران سازی بانک خازن
از عمده ترین روشهای جبران سازی توان رآکتیو در صنعت استفاده از موتورهای سنکرون (ژنراتور سنکرون) و در پروژه های غیر صنعتی، استفاده از بانکهای خازنی می باشد.
در هر بار خازنی (بانک خازن) همانطور که قبلاً اشاره شد، بردار جریان نسبت به ولتاژ جلوتر یا اصطلاحاً پیشفاز است و در بقیه مصرف کننده های پروژه عمدتاً جریان نسبت به ولتاژ تأخیر دارد (پسفاز است).
با توجه به اینکه در شبکه های الکتریکی جریان کلیه مصرف کننده ها بصورت برداری با هم جمع می شوند و جریان کل (یا توان کل) را تشکیل می دهند، بنابراین با جمع برداری مصارف خازنی و سلفی (یا اهمی-سلفی) مؤلفه پیشفاز و پسفاز توانهای رآکتیو یکدیگر را خنثی کرده و باعث کوچک شدن دامنه توان ظاهری میشوند.
مؤلفه حقیقی توان ظاهری را با P و مؤلفه موهومی آن را با Q نشان می دهند.
بنابراین :
تعیین ظرفیت بانک خازن
همانطور که گفته شد هدف از جبران سازی بار الکتریکی تولید تمام یا بخشی از توان رآکتیو مورد نیاز در محل پروژه به وسیله بانکهای خازنی می باشد.
منظور از ظرفیت بانک خازن مورد نیاز در واقع میزان توان رآکتیو Qc مورد نیازی است که وقتی بصوت موازی با بار مصرفی قرار گیرد، باعث افزایش ضریب قدرت دو سر بار از (1φ)Cos به (2φ)Cos و لذا کاهش توان رآکتیو از 1Q به 2Q شود، زیرا (2φ)Sin(2φ) >Sin (فرمول 1 ملاحظه گردد).
بنابراین پس از تعیین ضریب قدرت (1φ)Cos و توان حقیقی بار مصرفی 1P بایستی تصمیم بگیریم که ضریب توان مورد نیاز بار مصرفی پس از جبران سازی [(2φ)Cos] چند خواهد بود؟
با دانستن اطلاعات فوق و با استفاده از روابط زیر، ظرفیت بانک خازن مورد نیاز قابل محاسبه است:
