بانک خازن (100%کاربردی)

بانک خازن

بانک خازن Capacitor Bank مجموعه‌ای از خازن‌ها است که به‌صورت سری یا موازی به هم متصل می‌شوند تا ظرفیت کل بالاتری برای جبران توان راکتیو در سیستم‌های برق صنعتی و تجاری فراهم کنند. استفاده از بانک‌های خازنی در شبکه‌های برق باعث افزایش پایداری و کارایی سیستم، کاهش تلفات توان و بهبود ضریب توان (Power Factor) می‌شود.

انواع بانک‌های خازنی

1.بانک خازنی ثابت: این نوع بانک‌ها به طور دائم به سیستم متصل هستند و برای جبران بارهای ثابت استفاده می‌شوند.

2.بانک خازنی اتوماتیک (قابل‌تنظیم): این نوع بانک‌ها به‌صورت خودکار وارد مدار می‌شوند و بسته به نیاز سیستم، خازن‌های بیشتری را وارد یا خارج مدار می‌کنند.

3.بانک‌های خازنی سری و موازی: بسته به نیاز سیستم، بانک‌های خازنی می‌توانند به صورت سری یا موازی به هم متصل شوند تا ظرفیت مناسب برای جبران توان راکتیو فراهم شود.

کاربردها

1. افزایش راندمان شبکه‌های برق: بانک‌های خازنی با جبران توان راکتیو به کاهش جریان اضافی و بهبود ضریب توان کمک می‌کنند.
2. کاهش هزینه‌های انرژی: با کاهش تلفات انرژی، بهره‌وری سیستم افزایش می‌یابد و هزینه‌های برق کاهش می‌یابد.
3. پایداری ولتاژ: بانک‌های خازنی به تنظیم و پایداری ولتاژ شبکه کمک می‌کنند.

مدار بانک خازنی

مجموعه‌ای از خازن‌ها است که برای بهبود ضریب توان (Power Factor Correction) و جبران توان راکتیو در سیستم‌های الکتریکی به کار می‌رود. این بانک‌ها به صورت سری یا موازی بسته می‌شوند و برای کاربردهای مختلف مانند صنایع سنگین، سیستم‌های توزیع برق و نیروگاه‌ها استفاده می‌شوند.

اجزای اصلی مدار بانک خازنی

1.خازن‌ها: این خازن‌ها اغلب از نوع قدرت هستند و توانایی تحمل ولتاژ و جریان بالا را دارند.2.کلیدهای قطع و وصل (سوئیچ‌ها): برای کنترل و مدیریت زمان‌بندی اتصال و قطع بانک خازنی استفاده می‌شوند. این سوئیچ‌ها ممکن است مکانیکی (کلیدهای قطع و وصل دستی) یا الکترونیکی (کلیدهای خودکار یا رله‌ها) باشند.

3.رله حفاظتی: برای محافظت از خازن‌ها در برابر جریان‌های هجومی، اضافه ولتاژ یا اضافه بار به کار می‌روند.

4.کنترلر بانک خازنی: این بخش، وظیفه کنترل وضعیت عملکرد خازن‌ها را بر عهده دارد و بر اساس بار متصل به سیستم، تعداد خازن‌های فعال را تنظیم می‌کند.

5.فیوزها یا مدارهای حفاظتی: برای جلوگیری از خرابی در اثر اضافه جریان یا اتصال کوتاه.

6.فیلترهای هارمونیکی: به منظور کاهش هارمونیک‌ها و جلوگیری از تداخل آن‌ها با عملکرد بانک خازنی استفاده می‌شوند.

عملکرد مدار بانک خازنی

بانک خازنی با تزریق توان راکتیو به شبکه الکتریکی، باعث می‌شود جریان غیرضروری کاهش یابد و در نتیجه توان ظاهری بهبود پیدا کند. این کار به صرفه‌جویی در مصرف انرژی، کاهش تلفات و افزایش بهره‌وری تجهیزات الکتریکی کمک می‌کند.

نحوه اتصال خازن‌ها در بانک خازنی

1. اتصال ستاره (Y-Connection) در بانک خازنی:

در اتصال ستاره، خازن‌ها به نحوی متصل می‌شوند که یک سر آن‌ها به یک نقطه مشترک (نول) وصل می‌شود و سر دیگر آن‌ها به سه فاز وصل می‌گردد.

مزایا:

• کاهش ولتاژ هر خازن: ولتاژ اعمال‌شده به هر خازن در این نوع اتصال برابر با ولتاژ فاز است که کمتر از ولتاژ خط است. این باعث می‌شود خازن‌ها تحت ولتاژ کمتری کار کنند و عمر بیشتری داشته باشند.
• امنیت بیشتر: چون ولتاژ کاری هر خازن کمتر است، خطر اضافه ولتاژ کاهش می‌یابد.
• استفاده در سیستم‌های سه‌فاز با نول: در سیستم‌های سه‌فاز که نول وجود دارد، اتصال ستاره بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

معایب:

• اگر در نقطه نول مشکل ایجاد شود، ممکن است منجر به عدم توازن ولتاژ در فازها شود.

2. اتصال مثلث (Delta-Connection) در بانک خازنی:

در اتصال مثلث، خازن‌ها بین هر دو فاز به‌صورت مستقیم قرار می‌گیرند و ولتاژ کامل خط به خازن‌ها اعمال می‌شود.

مزایا:

• افزایش کارایی: به دلیل این‌که در اتصال مثلث، ولتاژ خط به هر خازن اعمال می‌شود، ظرفیت توان راکتیو بانک خازنی بیشتر می‌شود.
• بدون نیاز به نقطه نول: این اتصال در سیستم‌هایی که نول وجود ندارد و تنها از سه فاز استفاده می‌کنند، مناسب است.
• توان بالاتر: به دلیل استفاده از ولتاژ خط، توان راکتیو بیشتری از خازن‌ها استخراج می‌شود که به بهبود بیشتر ضریب توان کمک می‌کند.

معایب:

• • ولتاژ بالاتر بر روی خازن‌ها: این ولتاژ بالاتر می‌تواند عمر خازن‌ها را کوتاه‌تر کند و نیاز به انتخاب خازن‌های با ولتاژ تحملی بالاتر وجود دارد.
  • در معرض خرابی بیشتر: در صورت ناپایداری ولتاژ، خطر آسیب به خازن‌ها بیشتر است.

کاربرد مدار بانک خازنی

• اصلاح ضریب توان: بهبود ضریب توان در سیستم‌های صنعتی و تجاری.
• کاهش هزینه‌های برق: با کاهش مصرف توان راکتیو و بهبود کارایی.
• پایداری ولتاژ: کاهش افت ولتاژ در سیستم‌های توزیع.
• حفاظت از تجهیزات: جلوگیری از تلفات حرارتی در موتورهای الکتریکی و تجهیزات حساس.

مزایا:

• کاهش تلفات انرژی
• بهبود کیفیت توان
• کاهش هزینه‌های برق صنعتی

بانک‌های خازنی در انواع مختلفی مانند تک فاز و سه فاز طراحی و استفاده می‌شوند که بر اساس نیازهای بار و سیستم انتخاب می‌شوند.

روابط ضریب توان 

توان ظاهری (S):

توان ظاهری کل توانی است که توسط سیستم از منبع دریافت می‌شود و به صورت زیر محاسبه می‌شود:

که در آن:

S توان ظاهری است (بر حسب ولت_آمپر یا VA)

P توان اکتیو یا توان واقعی است (بر حسب وات یا W)

Q توان راکتیو است (بر حسب ولت_آمپر راکتیو یا VAR)

2. ضریب توان (PF):

طبق تعریف، «ضریب توان» (Power Factor) برابر با نسبت توان اکتیو به توان ظاهری است. ضریب توان با به دست آوردن زاویه θ در شکل بالا محاسبه می‌شود. در اینجا، θ زاویه بین توان حقیقی و توان ظاهری است. در نتیجه، طبق قانون کسینوس ها (ضلع مجاور بر وتر)، ضریب توان را می‌توان به عنوان نسبت توان حقیقی به توان ظاهری محاسبه کرد. فرمول محاسبه ضریب توان به صورت زیر است:

​

در صورتِ معلوم بودن توان حقیقی و ضریب توان، با طرفین وسطین فرمول بالا توان ظاهری به دست می‌آید.

که در آن:

• PF ضریب توان است.
• P توان اکتیو (بر حسب وات) است.
• S توان ظاهری (بر حسب ولت-آمپر) است.

3. رابطه بین توان اکتیو و توان ظاهری:

رابطه بین توان اکتیو (P) و توان ظاهری (S) در سیستم‌های الکتریکی توسط ضریب توان (PF) مشخص می‌شود. این رابطه به صورت زیر است:توضیحات:

• توان اکتیو (P): توانی که به کار مفید تبدیل می‌شود و واحد آن وات (W) است.
• توان ظاهری (S): مجموع توان‌های اکتیو و راکتیو که واحد آن ولت-آمپر (VA) است.
• ضریب توان (PF): نسبت توان اکتیو به توان ظاهری و نشان‌دهنده‌ی کارایی سیستم است. ضریب توان مقداری بین 0 و 1 است که به زاویه فاز (ϕ) بین ولتاژ و جریان نیز وابسته است:

بنابراین، با افزایش ضریب توان، توان اکتیو سیستم نسبت به توان ظاهری بیشتر می‌شود که نشان‌دهنده بهره‌وری بالاتر سیستم است.

4. توان راکتیو (Q):

توان راکتیو (Q) به کمک زاویه فاز (ϕ) بین ولتاژ و جریان و توان ظاهری (S) قابل محاسبه است:

توضیحات

• توان ظاهری (S): مجموع توان‌های اکتیو و راکتیو، که بر حسب ولت‌آمپر (VA) است.
• زاویه فاز (ϕ): زاویه‌ای که بین موج ولتاژ و جریان وجود دارد و ناشی از خصوصیات خازنی و القایی مدار است.
• ضریب توان راکتیو: معیاری از نسبت توان راکتیو به توان ظاهری است و نشان‌دهنده میزان انرژی غیرفعال در سیستم می‌باشد.

توان راکتیو در شبکه‌های صنعتی باعث افت ولتاژ و تلفات توان می‌شود، به همین دلیل از بانک‌های خازنی برای اصلاح ضریب توان استفاده می‌کنند تا توان راکتیو کاهش یافته و کارایی سیستم بهبود یابد.