تصور کنید مدیر یک شرکت کوچک صنعتی هستید که فاصله زیادی با ورشکستگی ندارد. اولین کاری که برای نجات شرکت خود انجام می‌دهید، چیست؟ از نظر نویسنده این مقاله، بهترین کار این است که یک سرپرست هوشمند استخدام کنید که با بررسی توانایی کارکنان شرکت، آن‌ها را در جایگاه مناسب‌شان قرار دهد و برای انجام تمام کارهایی که بازده شرکت را بهبود می‌دهند، برنامه‌ریزی کند. رگولاتور بانک خازنی، دقیقا همین نقش را در تابلوی بانک خازنی ایفا می‌کند. تابلوهای بانک خازنی به منظور اصلاح ضریب توان و تامین توان راکتیو مورد نیاز شبکه، طراحی می‌شوند و به این صورت، هزینه‌های برق مصرفی را به میزان زیادی کاهش می‌دهند. اما برای انجام این کار، به یک مغز متفکر و تنظیم‌کننده نیاز دارند. این وظیفه بر عهده رگولاتور بانک خازنی است. برای آشنایی بیشتر با رگولاتور بانک خازنی، انواع و نحوه عملکرد آن، با این مقاله از آکادمی ماهر همراه باشید.
منظور از بانک خازنی چیست؟
برای آن‌که به خوبی با عملکرد رگولاتور بانک خازنی و کاربرد آن آشنا شوید، لازم است در مورد تابلوی بانک خازنی و ساختار داخلی آن اطلاعات داشته باشید. همان‌طور که می‌دانید بیشتر بارها در مدار و صنعت، از نوع سلفی هستند. تجهیزاتی مانند موتور الکتریکی و ترانس، با مصرف توان راکتیو، باعث ایجاد خاصیت سلفی در مدار شده و نیاز به دریافت توان راکتیو از شبکه را افزایش می‌دهند. در چنین شرایطی، بانک خازنی می‌تواند توان راکتیو مورد نیاز مدار را تامین کند و با اصلاح ضریب توان، عملکرد سیستم را بهبود دهد. هر بانک خازنی از چند پله تشکیل شده است که در هر کدام، یک یا چند خازن موازی قرار می‌گیرد. پلهها به کنتاکتور خازنی و فیوز یا کلید مینیاتوری متصل می‌شوند تا از مدار در برابر اضافه جریان و اتصال کوتاه محافظت شود.
رگولاتور بانک خازنی چیست و عملکرد آن چگونه است؟
رگولاتور بانک خازنی (Capacitor Bank Regulator)، یک تجهیز الکترونیکی است که وظیفه کنترل بانک خازنی را بر عهده دارد. این دستگاه هوشمند یکی از اصلی‌ترین اجزای بانک خازنی است و با نمونه‌برداری از جریان و ولتاژ ورودی به شبکه، ضریب توان آن را به طور مستمر اندازه‌گیری می‌کند. رگولاتور با قطع و وصل پله‌های تابلوی بانک خازنی توسط کنتاکتورها، تعیین می‌کند کدام خازن‌ها با چه ظرفیتی به مدار وارد، یا از آن خارج شوند تا توان راکتیو مورد نیاز به دست بیاید. با استفاده از این تجهیز که به عنوان مغز متفکر بانک خازنی شناخته می‌شود، اصلاح ضریب توان به ساده‌ترین شکل انجام شده و امکان تنظیم cosφ روی مقداری خاص فراهم می‌شود. رگولاتور خازنی به صورت تک‌فاز و سه‌فاز تولید می‌شود و قابلیت‌های فراوانی دارد؛ از جمله، تشخیص سلفی یا خازنی بودن توان راکتیو شبکه.
رگولاتور بانک خازنی با چه نام‌های دیگری شناخته می‌شود؟
رگولاتور بانک خازنی علاوه بر این نام، با اسامی دیگری هم شناخته می‌شود که متخصصان برق باید با آن‌ها آشنا باشند. در ادامه، به چند مورد از رایج‌ترین اسم‌های رگولاتور بانک خازنی که در مقالات، نقشه‌ها و سایت‌های متنوع ایرانی و خارجی دیده می‌شود، اشاره می‌کنیم.
- رگولاتور اصلاح ضریب قدرت
- رله اصلاح ضریب قدرت
- کنترل‌کننده توان راکتیو
- ARPF) Automatic relay PF)
- VCR
- Power Factor Control Relay
- Power Factor Correction Relay
- Power Factor Correction Regulator
- Power Factor Controller
اساس کار رگولاتور خازنی
رگولاتورهای هوشمند از محاسبات پیچیده ریاضی برای اندازه‌گیری انواع پارامترها مانند توان اکتیو، راکتیو و دامنه هارمونیک استفاده می‌کنند. این تجهیزات با استفاده از ترانسفورماتورهای جریان (CT)، از جریان و ولتاژ شبکه نمونه‌برداری می‌کنند و با بهره‌گیری از محاسبات ریاضی، ضریب توان شبکه را به دست می‌آورند. سپس با در نظر گرفتن ضریب توان مطلوب که در تنظیمات رگولاتور ثبت شده است، تعداد پله خازنی مورد نیاز را محاسبه کرده و در مدار قرار می‌دهند تا اصلاح ضریب توان انجام شود. در فرمول بالا، P نشان‌دهنده توان اکتیو و Q توان راکتیو است. توان راکتیو مورد نیاز برای رسیدن به ضریب توان هدف نیز از فرمول زیر محاسبه می‌شود.
در محاسبه تعداد پله‌های خازنی، رگولاتور به روش جالبی عمل می‌کند که با یک مثال، آن را بیان می‌کنیم. فرض کنید توان راکتیو به دست آمده، ۳.۸ کیلووار است. پس اگر توان هر پله یک کیلووار و نسبت پلهها با هم ۱:۱ باشد، باید ۳ پله و ۰.۸ یک پله خازنی وارد مدار شوند. در چنین شرایطی، توان راکتیو به مقداری نزدیک به توان مورد نیاز به سمت بالا گرد می‌شود؛ برای مثال، به جای ۳.۸ پله، ۴ پله خازنی وارد مدار می‌شوند. در نتیجه در اصلاح ضریب توان با رگولاتور همواره مقداری خطا وجود دارد. میزان خطا یا دقت ضریب اصلاح قدرت در رگولاتور، با فرمول «جریان پاسخ C/K» مشخص می‌شود.
بیشتر بداینم
ریان پاسخ C/K نشان‌دهنده میزان دقت و خطا در تنظیمات رگولاتور است. بیشتر رگولاتورها هنگام محاسبه تعداد پله‌های خازنی، این پارامتر را به صورت خودکار به همراه ظرفیت خازن اندازه‌گیری می‌کنند. در صورتی که رگولاتور از این قابلیت برخوردار نباشد، می‌توان مقدار آن را به صورت دستی و از طریق فرمول زیر محاسبه کرد.
در این فرمول، Q ظرفیت کوچک‌ترین پله بانک خازنی، V ولتاژ شبکه، K1 نسبت تبدیل ترانس جریان و K2 نسبت تبدیل ترانس ولتاژ (در صورت وجود) است.
پارامترهای قابل‌تنظیم در رگولاتورهای بانک خازنی
احتمالا اولین سوالی که پس از تهیه این تجهیز برای شما پیش می‌آید، این است که چه پارامترهایی در آن قابل تنظیم هستند؟ برای آشنایی با مهم‌ترین پارامترهای قابل تنظیم در این رله هوشمند، به موارد زیر دقت کنید.
تعداد پله‌های ثابت
گاهی لازم است تعدادی از پله‌های خازنی همیشه در مدار ثابت بمانند و تعدادی دیگر با توجه به مصرف شبکه و میزان توان راکتیو، فعال یا غیرفعال شوند. تعداد این پلهها لازم است پیش از شروع به کار رگولاتور تعیین و در تنظیمات دستگاه ثبت شود.
ضریب توان مطلوب
منظور از ضریب توان مطلوب، همان ضریب توان یا cosφ است که انتظار دارید توسط بانک خازنی برای مدار ایجاد شود. مقدار این پارامتر بسیار حساس است و برای به دست آوردن آن، لازم است محاسبات مهندسی انجام شود. بیش از اندازه بالا بودن این پارامتر درست مانند کم بودن آن، می‌تواند به سیستم شما آسیب وارد کند. معمولا بهترین مقدار برای ضریب توان هدف، بازه ۰.۹ تا ۰.۹۵ است.
نکته
زمان تخلیه خازن
پله‌های خازنی پس از قطع از مدار، نباید بلافاصله به مدار وصل شوند. زیرا وصل شدن ناگهانی خازن‌ها به مدار، به فیوزها و کنتاکتورها آسیب می‌زند. بهترین حالت این است که خازن‌ها قبل از وصل مجدد، به مقدار ۱۰ درصد از ولتاژ نامی خود، تخلیه شده باشند. رگولاتور بانک خازنی این وظیفه را انجام می‌دهد و پس از قطع هر پله، تا زمانی که تخلیه خازن‌ها به مقدار لازم انجام نشده باشد، آن‌ها را وارد مدار نمی‌کند. مدت‌زمان تخلیه خازن تا ده درصد از ولتاژ نامی، در این نوع رله‌ها قابل‌تنظیم است.
مهم‌ترین ویژگی‌های رگولاتور خازنی
مهم‌ترین ویژگی رگولاتور خازنی، کارکرد اتوماتیک آن است. رگولاتور، با استفاده از اطلاعاتی که در تنظیمات آن ثبت شده، اختلاف توان راکتیو شبکه و میزان مطلوب برای سیستم را اندازه‌گیری کرده و برای جبران آن، بار را بین پله‌های مختلف بانک خازنی تقسیم می‌کند. این‌طور، به هیچ خازنی فشار بیش از حد وارد نمی‌شود. جالب است بدانید که حتی اگر پله‌ای خراب شود، به طور خودکار از مدار خارج می‌شود و بار، روی سایر پلهها تقسیم می‌شود. رگولاتورهای هوشمند دارای صفحه نمایش دیجیتال LCD هستند و به دلیل وزن سبک و ابعاد کوچک، به راحتی روی هر تابلوی بانک خازنی نصب می‌شوند. هر رگولاتور استاندارد، دارای ۴ تا ۱۲ ترمینال خروجی است هر پله با دریافت فرمان از یکی از این ترمنیال‌ها کنترل می‌شود. البته در صنعت برق، رگولاتورهای شش‌پله و دوازده‌پله رایج‌تر هستند.
از دیگر ویژگی‌های رگولاتور بانک خازنی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.
- به دست آوردن مقدار توان اکتیو، توان راکتیو، جریان کل عبوری از شبکه و ضریب توان شبکه
- تشخیص هارمونیک پنجم، هفتم، یازدهم و سیزدهم و فیلتر کردن آن‌ها
- دادن هشدار به کاربر در صورت اختلال در شبکه
- دارای توابع حفاظتی ولتاژ و جریان
- رگولاتورهای بانک خازنی با قابلیت Auto tuning، می‌توانند پله‌های خازنی، قطب‌های ترانس جریان و مقدار جریان پاسخ C/K را به طور خودکار، تنظیم کنند.
در صورتی که با مفهوم هارمونیک در سیستم قدرت آشنا نیستید مقاله زیر را در سایت ماهر مطالعه کنید.
انواع رگولاتور بانک خازنی
رگولاتور اصلاح ضریب قدرت، با توجه به قابلیت‌ها، نوع کاربری و پشتیبانی از برق تک‌فاز یا سه‌فاز، به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شود. در ادامه، انواع مختلف این تجهیز را معرفی می‌کنیم.
رگولاتور خازنی تک‌فاز
فرض کنید سیستم شما سه‌فاز است و رگولاتور تک‌فاز، تنها از یکی از فازها نمونه‌برداری می‌کند. به نظر شما آیا نتایج، به خوبیِ زمانی هستند که نمونه‌برداری از هر سه فاز انجام می‌شود؟ درست حدس زدید؛ داده‌های به دست آمده توسط این نوع رگولاتورهای بانک خازنی، خطای زیادی دارند. این خطا به دلیل عدم تقارن با شبکه سه‌فاز به وجود می‌آید. علاوه بر آن، رگولاتورهای تک‌فاز قابلیت نمایش سایر پارامترها مانند جریان عبوری از شبکه را ندارند. برای فهم بهتر این موضوع و آشنایی با نحوه اتصال رگولاتور تک‌فاز به مدار، به نقشه الکتریکی زیر دقت کنید. در مدار شکل ۴، بانک‌های خازنی به صورت مثلث در دو واحد قرار گرفته‌اند. بوبین کنتاکتورها نیز از رگولاتور تغذیه می‌شود. همان‌طور که می‌بینید، رگولاتور فقط از ولتاژ‌و جریان یک فاز نمونه‌برداری کرده است.
رگولاتور بانک خازنی سه‌فاز
رگولاتور بانک خازنی سه‌فاز همان‌طور که از نامش مشخص است، از هر سه فاز نمونه‌برداری می‌کند. در نتیجه، اندازه‌گیری‌ها دقیق‌تر است. استفاده از این قطعات در مدار باعث افزایش طول عمر خازن‌ها و کاهش تعداد سوئیچینگ می‌شود. در رگولاتورهای سه‌فاز، پارامترهایی مانند ضریب توان مطلوب، ضریب C/K، تعداد پله‌های ثابت و زمان تخلیه خازن قابل تنظیم است. رگولاتورهای سه‌فاز کنترل خوبی روی میزان برق مصرفی دارند و مقدار پارامترهای مختلف را نمایش می‌دهند. نقشه اتصال یک نمونه رگولاتور سه‌فاز به مدار را در شکل ۵ مشاهده می‌کنید.
هرچند در مدار شکل ۵ از جریان و ولتاژ هر سه فاز نمونه‌برداری شده است، اما در برخی مدل‌های دیگر ممکن است نمونه‌گیری جریان فقط از یکی از فازها انجام شود؛ یا به جای سه فاز از دو فاز نمونه ولتاژ گرفته شود. نحوه نمونه‌گیری به مدل رگولاتور و نقشه سیم‌بندی آن بستگی دارد.
رگولاتور بانک خازنی آنالوگ و دیجیتال
از دیگر انواع رگولاتور بانک خازنی، می‌توان به رگولاتورهای آنالوگ و دیجیتال اشاره کرد. رگولاتورهای آنالوگ تعداد پارامتر کمتری را اندازه‌گیری می‌کنند و برای استفاده در شبکه‌های پیچیده مناسب نیستند. این قطعات روش کار ساده‌ای دارند و خازن‌ها را از اولین پله تا آخرین پله، به ترتیب وارد مدار می‌کنند. اما رگولاتورهای دیجیتال، پله‌های خازنی را با توجه به شرایط شبکه انتخاب کرده و بدون ترتیب خاصی وارد مدار می‌کنند تا ضریب توان مطلوب به دست بیاید. برای مثال، می‌توانند ۵ خازن را در ۲۳ حالت مختلف به مدار وارد کنند. این تجهیزات دارای قابلیت تنظیم ظرفیت دقیق خازن هستند و جریان پاسخ C/K را به طور خودکار اندازه‌گیری می‌کنند.
قابلیت‌های جانبی رگولاتور بانک خازنی
بعضی از مدل‌های رگولاتور بانک خازنی قابلیت‌های ویژه‌ای دارند. برای مثال، برخی از آن‌ها به کامپیوتر متصل می‌شوند؛ برخی به سیستم آلارم مجهز هستند که در صورت ایجاد اختلال در شبکه، کاهش یا افزایش ولتاژ و کمبود ظرفیت خازن‌ها به کاربر اطلاع می‌دهند.
رگولاتور اصلاح ضریب قدرت چه مزایایی دارد؟
جذاب‌ترین مزیت رگولاتور هوشمند در نحوه عملکرد خودکار آن است. برای اصلاح ضریب توان توسط بانک خازنی و بدون استفاده از رگولاتور، باید محاسبات دقیق مهندسی انجام شود و پله‌های بانک خازنی به صورت دستی و با استفاده از سلکتور سوئیچ‌های قرار گرفته روی تابلوی بانک خازنی تغییر داده شوند. انجام این کار نه تنها دشوار است، بلکه احتمال خطای بالایی دارد. با توجه به این موضوع، می‌توان مزایای رگولاتور بانک خازنی را در موارد زیر خلاصه کرد.
پایداری ولتاژ
تنظیم ولتاژ خروجی و ضریب توان در یک بازه مشخص، از دیگر مزایای رله اصلاح ضریب قدرت است. مشاهده شده است که با وجود تغییرات شبکه و افزایش بار در سیستم، مقدار ولتاژ خروجی پس از تنظیم در رگولاتور همواره ثابت و پایدار است.
سرعت واکنش بالا و ابعاد کوچک
این تجهیز هوشمند سرعت واکنش بالایی دارد. به محض احساس کوچک‌ترین تغییر در ورودی‌های شبکه، دستور قطع و وصل پله‌های خازنی را به گونه‌ای صادر می‌کند که ضریب توان همچنان پایدار باقی بماند. از دیگر مزایای این تجهیز، ابعاد کوچک و وزن سبک آن است. سایز کوچک رگولاتور باعث می‌شود در فضاهای محدود و تابلوهای کوچک هم قابل نصب باشد.
قابلیت تنظیم
در ابتدای مقاله، استفاده از رگولاتور را به استخدام یک سرپرست حرفه‌ای و کاربلد تشبیه کردیم. ارزش کار این سرپرست زمانی بیشتر می‌شود که از نظرات شما هم به عنوان مدیر مجموعه استفاده کند و برنامه‌ها را به دلخواه شما تنظیم کند. رگولاتور نیز با داشتن قابلیت تنظیم، به کاربر این امکان را می‌دهد که پارامترها را مطابق با اهداف خود تنظیم کند. این قابلیت باعث می‌شود که رگولاتور بانک خازنی برای استفاده در سیستم‌هایی با ولتاژ خروجی متغیر هم مناسب باشد. یعنی کاربر را در چگونگی استفاده از سیستم، محدود نمی‌کند.
قیمت رگولاتور بانک خازنی
حدس می‌زنید قیمت یک رگولاتور بانک خازنی چقدر باشد؟ با توجه به تنوع بالای این تجهیز در انواع و قابلیت‌ها، نمی‌توان قیمت ثابتی برای آن‌ها تعیین کرد. قیمت این تجهیزات با توجه به برند سازنده، تعداد پلهها و داشتن قابلیت‌هایی مانند اتصال به کامپیوتر متفاوت است؛ از سه میلیون تومان شروع شده و تا رقم‌های بالا نزدیک به ۳۰ میلیون تومان ادامه دارد. فراموش نکنید که کیفیت رگولاتور خازنی از قیمت آن اهمیت بیشتری دارد و اگر به درستی انتخاب شود، هزینه‌های برق مصرفی را به میزان زیادی کم می‌کند. پیش از خرید رگولاتور خازنی، مشخصات بانک خازنی را در نظر بگیرید و اعتبار برند سازنده رگولاتور را بررسی کنید.
نحوه تست و بررسی کیفیت رگولاتور خازنی
برای آن که از کیفیت رگولاتور هوشمند و عملکرد مناسب آن مطمئن شوید، عوامل زیر را بررسی کنید:
- طراحی سخت‌افزاری رگولاتور به خوبی انجام شده باشد.
- در ساخت آن از قطعات با کیفیت استفاده شده باشد.
- دستگاه دارای نرم‌افزار مناسب با الگوریتم کنترل صحیح باشد.
- نصب رگولاتور و تنظیمات آن به درستی انجام شده باشد.
برای مثال دقت کنید ولتاژ نامی رگولاتور با ولتاژ شبکه برابر باشد. مقدار C/K بیشتر یا کمتر از میزان تنظیم‌شده نباشد؛ زیرا بیشتر بودن جریان پاسخ C/K از مقدار تنظیم‌شده، خطا در سیستم را افزایش می‌دهد و کمتر بودن آن، باعث نوسان و قطع و وصل متوالی پله‌های خازنی می‌شود. همچنین بررسی کنید که برای تغذیه رگولاتور، ترانسفورماتور جریان در ورودی شبکه اصلی برق قرار بگیرد. در این صورت، نه تنها جریان خازن، بلکه جریان بار سیستم را اندازه‌گیری می‌کند.
سخن پایانی
رگولاتور بانک خازنی یکی از اصلی‌ترین تجهیزات بانک خازنی است که نقشی اساسی در جهت اصلاح ضریب توان بر عهده دارد. در این بلاگ، رگولاتور خازنی را معرفی کردیم و در مورد نحوه عملکرد این تجهیز، انواع و مزایای آن توضیحاتی دادیم. اگر با مطالعه این مقاله سوالات جدیدی در مورد رگولاتور و بانک خازنی در ذهن‌تان شکل گرفته یا به این موضوعات بیشتر علاقمند شدید، پیشنهاد می‌کنیم دوره بانک خازنی آکادمی ماهر را تهیه کنید. با گذراندن این دوره، به تمام سوالات شما در مورد بانک خازنی پاسخ داده می‌شود. به نظر شما وجود رگولاتور برای اصلاح ضریب توان توسط بانک خازنی ضروری است؟ اگر پاسخ شما بله است، پس چرا بانک‌های خازنی ثابت که رگولاتور ندارند هنوز هم در صنعت برق کاربرد دارند؟
سوالات متداول
رگولاتور خازنی وظیفه کنترل کنتاکتورها و از طریق آن‌ها قطع و وصل پله‌های خازنی را بر عهده دارد.
رگولاتور سه‌فاز به دلیل نمونه‌برداری از سه فاز شبکه، خطای کمتری دارد؛ به همین دلیل برای استفاده در مدار مناسب‌تر است. رگولاتورهای خازنی با قابلیت اتصال به کامپیوتر نیز بررسی و تحلیل داده‌ها را برای شما ساده‌تر می‌کنند.
منابع
پرسش:
آیا تا به حال تجربه استفاده از رگولاتور بانک خازنی برای پروژه‌هایتان داشته‌اید؟
تجربیات و سوالات خود را در مورد رگولاتور بانک خازنی با ما در میان بگذارید!