تصور کنید به تازگی و با بررسی تمام جوانب یک واحد صنعتی را راه‌اندازی کرده‌اید. اما با آمدن اولین قبض برق، از مقدار زیاد توان راکتیو در شبکه و هزینه بالای برق مصرفی شوکه می‌شوید. حال چاره چیست؟ باید به خاطر هزینه‌های بالای کارگاه از ادامه کار آن جلوگیری کنید؟ یا به اداره برق جریمه بپردازید؟
چاره کار شما استفاده از تابلو برق بانک خازنی است که هزینه‌های برق را تا ۵۰ درصد کاهش می‌دهد. در این بلاگ، این سیستم فوق‌العاده سودمند را معرفی می‌کنیم و در مورد انواع بانک خازنی، کاربردها و نحوه عملکرد آن توضیحاتی می‌دهیم.
پیشنهاد می‌کنم با این مقاله از آکادمی ماهر همراه باشید و برای اطلاعات بیشتر آموزش ۰ تا ۱۰۰ طراحی، مونتاژ و راه‌اندازی بانک خازنی را تهیه کنید.
منظور از بانک خازنی چیست؟
برای درک ضرورت وجود بانک خازنی ابتدا باید مروری روی توان‌های مصرفی در شبکه داشته باشیم. توان‌های مصرفی در هر شبکه برق به دو دسته تقسیم می‌شوند: توان اکتیو (توان مفید) و توان راکتیو (توان غیر‌مفید).
توان اکتیو برای انجام عملیات (کارهای مکانیکی، تولید نور و …) در مدار مصرف می‌شود. اما توان راکتیو اصلا به کار مفید تبدیل نمی‌شود. این انرژی توسط تمام تجهیزاتی که دارای سلف و سیم‌پیچ هستند، مصرف شده و باعث اعمال بار اضافی به شبکه توزیع می‌شود.
بسیاری از دستگاه‌های AC مانند الکتروموتورها برای راه‌اندازی به توان راکتیو هم نیاز دارند. وجود این توان برای عملکرد صحیح دستگاهها ضروری است. برای دریافت توان راکتیو، باید جریان بیشتری از شبکه دریافت کرد.
در نتیجه، هزینه برق مصرفی افزایش پیدا می‌کند. با زیادتر شدن تبادل جریان بین مدار و شبکه برق، فشار روی شبکه هم بیشتر می‌شود. در چنین شرایطی، استفاده از بانک خازنی، بهترین راهکار برای حل مشکل است.
بانک خازنی، مجموعه‌ای از خازن‌ها با رتبه‌بندی ولتاژ یکسان هستند که به صورت سری و موازی به هم متصل می‌شوند. اگر بانک خازنی را به همراه تجهیزات دیگری در یک تابلو قرار دهیم، تابلوی بانک خازنی تشکیل می‌شود.
این تابلو که ظاهری شبیه به تابلو برق دارد، در ورودی کارخانه یا کارگاه صنعتی و دقیقا بعد از تابلوی توزیع اصلی قرار می‌گیرد. بانک خازنی توان راکتیو ایجاد شده توسط تجهیزات سلفی کارخانه را تأمین می‌کند و به این صورت مصرف‌کننده‌های سلفی توان راکتیو را به جای شبکه از بانک خازنی دریافت می‌کنند.
این‌طور، جریان دریافتی از شبکه و هزینه برق مصرفی کمتر شده و به شبکه برق فشار وارد نمی‌شود. هر چه ظرفیت توان راکتیو خازن‌ها در تابلو بانک خازنی بیشتر شود، ظرفیت انرژی قابل تأمین توسط مدار بانک خازنی هم افزایش پیدا می‌کند.
بیشتر بدانید
منظور از رتبه‌بندی ولتاژ در خازن، بیشترین مقدار ولتاژی است که هر خازن پشتیبانی می‌کند. این مقدار بر روی پلاک خازن نوشته شده است و با واحد ولت (v) نشان داده می‌شود.
نحوه عملکرد بانک خازنی
عملکرد خازن، درست برخلاف عملکرد سلف است. به این معنی که جریان سلف نسبت به ولتاژ آن عقب‌تر (پس‌فاز) است در حالی که در خازن، جریان نسبت به ولتاژ جلوتر (پیش‌فاز) است.
اختلاف فاز ایجاد شده بین سیگنال ولتاژ و جریان سلف که منجر به پیدایش مولفه راکتیو در توان آن می‌شود را می‌توان با استفاده از خازن خنثی کرد و توان مصرفی راکتیو را به حداقل رساند. این روش با عنوان اصلاح ضریب توان (قدرت) شناخته می‌شود.
نحوه عملکرد تابلو برق بانک خازنی دقیقا به همین شکل است. این مدار، انرژی الکتریکی و توان غیر مفید ناشی از عملکرد تجهیزاتی مانند موتورها، ترانس‌‌ها و کوره‌های القایی را با اعمال توان راکتیو خازنی به شبکه حذف می‌کند.
بنابراین باعث بهینه‌سازی بازده سیستم می‌شود، تبادل سلف با مدار را کاهش می‌دهد و با هموارسازی سطح انرژی از افت یا افزایش ولتاژ نامطلوب که به تجهیزات الکتریکی آسیب می‌رساند، جلوگیری می‌کند.
ضریب توان چیست؟
یکی از اصلی‌ترین کاربردهای بانک خازنی، اصلاح ضریب توان است که بالاتر به آن اشاره کردیم. اما منظور از ضریب توان چیست؟ هر مصرف‌کننده دارای توان اکتیو و راکتیو است که جمع برداری آن‌ها، توان ظاهری را به وجود می‌آورد.
ضریب توان که با کسینوس فی (COSφ) نشان داده می‌شود، نسبت توان اکتیو به توان ظاهری است. مقدار این ضریب توان برای بار سلفی همواره بین صفر و یک است و هر چه به عدد یک نزدیک‌تر باشد، بهتر است.
در واقع مقدار این ضریب به ما نشان می‌دهد که چه مقدار از توان الکتریکی مصرف شده، به کار مفید تبدیل‌شده است. هر چه زاویه φ کوچک‌تر شود یا میزان توان راکتیو کمتر شود، توان مفید سیستم به توان ظاهری (اسمی) نزدیک‌تر می‌شود و مقدار ضریب توان به عدد یک نزدیک‌تر می‌شود.
در نتیجه کیفیت عملکرد سیستم بالاتر می‌رود. بانک خازنی با اصلاح ضریب توان و نزدیک کردن آن به عدد یک، همین کار را انجام می‌دهد. برای فهم بهتر این موضوع، به تصویر زیر دقت کنید. در تصویر زیر به جای φ از Ө استفاده شده است.
تابلو بانک خازنی از چه اجزایی تشکیل شده است؟
شما که انتظار ندارید تمام بانکهای خازنی شبیه به هم باشند؟ هر تابلو بانک خازنی با توجه به نوع و کاربردی که دارد، از بخش‌های متفاوتی تشکیل‌شده است. اما برخی از اجزا در بیشتر بانکهای خازنی مشترک هستند. در ادامه، اصلی‌ترین اجزای تابلو برق بانک خازنی را معرفی می‌کنیم.
رگولاتور بانک خازنی (Capacitor Bank Regulator)
رگولاتور در لغت به معنای تنظیم‌کننده است. اما در واقعیت، قطعه‌ای است که در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی برای تنظیم ولتاژ استفاده می‌شود. رگولاتور بانک خازنی که با نام رگولاتور تصحیح ضریب قدرت هم شناخته می‌شود، توان راکتیو خازنی مورد نیاز شبکه برای اصلاح ضریب توان را تنظیم می‌کند.
نحوه عملکرد این محصول به این صورت است که متناسب با توان راکتیو، فرمان قطع یا وصل را برای کنتاکتورهای خازنی صادر می‌کند. همچنین ترتیب ورود و خروج خازن‌ها به مدار در یک بانک خازنی را با توجه به ظرفیت‌شان تعیین می‌کند.
به طور خلاصه، رگولاتور وظیفه دارد بهترین خازن ممکن برای بهینه‌سازی ضریب توان را انتخاب کند و در مدار بگذارد. این محصول هوشمند، برای به دست آوردن ضریب توان موجود شبکه و تعیین میزان توان راکتیو مورد نیاز از جریان و ولتاژ ورودی به سیستم نمونه‌برداری می‌کند. در نهایت، ضریب توان (cosφ) را روی مقدار مطلوبی که در تنظیمات رگولاتور تعیین شده (مثلا ۰.۹ یا ۰.۹۵) تنظیم می‌کند.
خازن سه‌فاز (Three-phase Capacitor)
خازِن یک قطعه بسیار پرکاربرد در مدارهای الکتریکی است که در ظرفیت‌های متنوع تولید می‌شود. این قطعه، از دو صفحه رسانا و موازی تشکیل شده است. فاصله این دو صفحه با هوا یا عایق پر می‌شود. خازن به محض وصل شدن به مدار، انرژی یا بار الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند؛ هنگام دشارژ نیز آن را به مدار انتقال می‌دهد.
خازن‌های مورد استفاده در بانک خازنی سه‌فاز هستند؛ معمولا به شکل استوانه (Cylinder) یا مکعب (Box) طراحی می‌شوند و در انواع گازی، خشک و روغنی به فروش می‌رسند.
کنتاکتور خازنی (Capacitor Contactor)
کنتاکتور وظیفه قطع و وصل جریان برق تک‌فاز و سه‌فاز در مدار را بر عهده دارد. با اتصال بانک خازنی به مدار، جریان بالایی از خازن‌ها عبور می‌کند که می‌تواند به تیغه‌های کنتاکتور معمولی آسیب وارد کند. به همین خاطر در تابلو برق بانک خازنی از کنتاکتورهای خازنی استفاده می‌شود.
کنتاکتور خازنی از یک کنتاکتور معمولی، کنتاکت‌های کمکی و شش تکه سیم با مقاومت‌‌بالا تشکیل شده است. کنتاکتور و کنتاکت‌های کمکی به هم می‌چسبند و با سیم‌کشی، با هم موازی می‌شوند.
فیلتر هارمونیک (Harmonic Filter)
در بسیاری از تابلوهای بانک خازنی از فیلتر هارمونیک استفاده می‌شود؛ زیرا خازن‌ها در برابر هارمونیک به شدت آسیب‌پذیر هستند.
هارمونیک‌ها مؤلفه‌هایی با فرکانس بالاتر از فرکانس اصلی ولتاژ یا جریان در مدار هستند. این‌ها باعث می‌شوند شکل موج مؤلفه اصلی، از حالت خود خارج شود. در واقع به صورت نویز یا اعوجاج، تغییراتی در عملکرد مؤلفه اصلی به وجود می‌آورند. هارمونیک‌ها به صورت ناخواسته در مدار تولید می‌شوند.
منبع تولید آن‌ها بارهای غیرخطی مانند کوره‌های القایی و تجهیزات الکترونیکی در مدار است. فیلتر هارمونیک با حذف و اصلاح هارمونیک‌های وارد شده به شبکه، کیفیت جریان و ولتاژ را افزایش می‌دهد. این فیلترها معمولا توان ۲۰ کیلووار به بالا دارند و به صورت سری با خازن، در تابلو برق نصب می‌شوند.
فیوز و کلید اتوماتیک
بدون شک با فیوز و عملکرد آن آشنا هستید. در تابلو بانک خازنی، فیوزها بین شبکه و کنتاکتورهای خازنی قرار می‌گیرند تا در برابر اضافه بار و اتصال کوتاه ناشی از اضافه جریان از آن‌ها محافظت کنند.
کلید اتوماتیک (MCCB) نیز یک کلید حفاظتی است که قبل از فیوز در مدار قرار می‌گیرد. وظیفه آن حفاظت از مدار بانک خازنی است. پیش از تهیه کلید اتوماتیک دقت کنید که این تجهیز متناسب با رنج جریان تابلو بانک خازنی انتخاب شود.
مزایا و کاربردهای بانک خازنی
اصلی‌ترین مزیت تابلوی بانک خازنی، کاهش هزینه برق مصرفی است. اما این تجهیز فوق‌العاده مزایا و کاربردهای دیگری هم دارد که در ادامه آن‌ها را نام می‌بریم:
- کاهش تاثیر بار و خاصیت سلفی در مدار
- بالا بردن بازده سیستم و جلوگیری از خرابی آن
- تنظیم و ثابت نگه‌داشتن ولتاژ
- جلوگیری از افت ولتاژ
- جبران توان راکتیو مورد نیاز
- اصلاح ضریب توان و افزایش مقدار آن
- استفاده از سیم‌هایی با سطح مقطع کمتر (به دلیل کاهش جریان مصرفی از طریق اصلاح ضریب توان و حذف توان راکتیو)
- قابلیت تزریق سریع انرژی به مدار
از کاربردهای این محصول می‌توان به قابلیت استفاده در تمام کارگاه‌ها و کارخانه‌ها، شبکه‌های انتقال انرژی، پست‌های سوئیچینگ، بیمارستان‌ها، ساختمان‌های مسکونی و سیستم‌های نورپردازی اشاره کرد.
هر کجا که یک سیستم برق نیاز به بهبود کیفیت داشته باشد، می‌توان از بانک خازنی استفاده کرد. البته در صورتی که فضای لازم برای نصب تابلو بانک موجود باشد.
معایب بانک خازنی
استفاده از مدار بانک خازنی در کنار فوایدی که برای سیستم دارد می‌تواند مشکلاتی و محدودیت‌هایی نیز ایجاد کند. تا این بخش از بلاگ تنها از قابلیت‌های مثبت بانک خازنی گفتیم. در ادامه، چند مورد از مشکلات ناشی از به‌کارگیری این تجهیز را هم بررسی می‌کنیم.
- استفاده از بانک خازنی می‌تواند باعث ایجاد نوسان‌های ولتاژ شود و جریان هارمونیک را افزایش دهد.
- خازن‌های به کار رفته در تابلو بانک خازنی پس از مدتی خراب می‌شوند و باید تعویض شوند.
- برای نصب این تابلوها به فضای زیادی نیاز است. نصب آن‌ها در فضای محدود امکان‌پذیر نیست.
- استفاده از این تابلوها، حرارت سیستم قدرت را بالا می‌برد. بهتر است پس از نصب تابلو به خرید خنک‌کننده مناسب هم فکر کنید.
انواع بانک خازنی
برای انتخاب بهترین بانک خازنی برای سیستم، ابتدا باید انواع آن‌ها را بشناسید. سپس با توجه به انتظاراتی که از دستگاه دارید، مناسب‌ترین نوع را خریداری یا طراحی کنید. این تجهیزات با توجه به چگونگی جبران توان راکتیو و نوع کاربرد به انواع زیر تقسیم می‌شوند.
بانک خازنی ثابت
در این تابلوها، خازن‌ها همواره در جای خود ثابتند و به صورت مستقیم به مصرف‌کننده متصل می‌شوند. تنها در صورتی می‌توانید این خازن‌ها را از جایگاه خود خارج کنید که تابلو بانک را به صورت دستی خاموش کنید. برای این کار می‌توانید از کلید قرار داده شده روی آن استفاده کنید.
خازن‌های موجود در این نوع بانک خازنی، بدنه فولادی دارند و به شکل مکعب مستطیل ساخته می‌شوند. تغییرات جریان الکتریکی در بانک خازنی ثابت بسیار کم است. این تابلوها بیشتر در الکتروموتورها، ترانسفورماتورها، پمپ‌های چاه کشاورزی و موتورهای القایی استفاده می‌شوند.
بانک خازنی اتوماتیک
این تجهیزات به رگولاتور، سیستم‌های کنترل و مانیتورینگ ولتاژ مجهز هستند. رگولاتور، ضریب توان موجود شبکه را اندازه‌گیری می‌کند و خازن‌ها را به صورت اتوماتیک و متناسب با توان راکتیو مورد نیاز در مدار قرار می‌دهد. از این نوع بانک خازنی در سیستم‌های توزیع برق، صنایع، کارخانه‌های بزرگ و انواع مجتمع‌ها استفاده می‌شود.
بانک خازنی فوق فشار قوی
از دیگر انواع بانک خازنی، می‌توان به بانکهای فوق فشار قوی اشاره کرد. در این سیستم‌های اصلاح ضریب توان، چندین خازن به یک‌دیگر متصل می‌شوند تا یک بانک خازنی با ظرفیت بالا تولید کنند.
این محصولات می‌توانند روی یک بستر از قبل آماده‌شده قرار بگیرند؛ یا روی ستون‌های فولادی نصب شوند. بانکهای خازنی فوق فشار قوی در تاسیسات بزرگ صنعتی، رادارها و سیستم‌های ارتباطی به کار گرفته می‌شوند.
بانک خازنی هوایی (روی تیر برق)
این بار که برای قدم زدن به خیابان رفتید حتما نگاهی به تیرهای برق محله‌تان بیندازید. با کمی دقت متوجه تجهیزات عظیمی می‌شوید که روی برخی از تیرهای برق قرار گرفته‌اند. این تجهیزات، بانکهای خازنی هوایی هستند. این نوع از بانک‌ها در برابر اشعه‌های الکترومغناطیسی مقاومت بالایی دارند و در سیستم‌های قدرت و ارتباطات مثل رادیو و تلویزیون استفاده می‌شوند.
بانک خازنی متصل در سمت فشار قوی یا فشار ضعیف ترانس
این نوع بانک خازنی از چند خازن الکترولیتی با ظرفیت بالا تشکیل شده‌است. این سیستم‌ها در یک جعبه یا قفسه قرار گرفته و به سیستم کنترلی وصل می‌شوند. ولتاژ بانک خازنی متصل در سمت فشار ضعیف از ولتاژ تجهیزی که در سمت فشار قوی ترانس نصب می‌شود، کمتر است.
با این حال، هر دو آن‌ها برای جبران توان راکتیو و کاهش نوسان‌ها در سیستم‌های قدرت استفاده می‌شوند. این بانک‌ها به صورت دائمی یا موقتی در سیستم قرار می‌گیرند. ظرفیت و ولتاژ آن‌ها هم قابل تنظیم است.
بانک خازنی درون تابلو
این تجهیزات یکی از رایج‌ترین انواع بانک خازنی هستند و در مراکز صنعتی، بیمارستان‌ها، ساختمان‌ها و مراکز تجاری به کار می‌روند. در این نوع از سیستم‌های اصلاح توان، بانک‌ها را در یک محفظه فلزی یا یونیت قرار داده و به صورت تابلوهایی ایستاده، روی زمین یا دیوار نصب می‌کنند.
بانک خازنی سیار
برای استفاده موقت از خازن شنت (Shunt Capacitor) در سیستم توزیع برق، از بانک خازنی سیار (بانک خازنی موبایل) استفاده می‌شود. این بانک‌ها که به صورت یونیت‌های تک‌فاز و سه‌فاز تولید می‌شوند، مشکل اضافه بار به وجود آمده در سیستم را از بین می‌برند تا نصب سایر تجهیزات نهایی شود.
نقشه الکتریکی بانک خازنی
می‌دانستید یکی از راه‌های آشنایی با نحوه عملکرد سیستم‌ها، مطالعه نقشه سیم‌کشی آن‌هاست؟ با مطالعه نقشه‌ها، اطلاعات زیادی مانند اجزای هر سیستم و نحوه ارتقا دستگاه به دست می‌آید؛ عیب‌یابی آن‌ها هم ساده‌تر می‌شود. در ادامه؛ تصویری از مدار سیم‌کشی بانک خازنی که توسط شرکت ABB طراحی شده است را می‌گذاریم. خوب به آن دقت کنید.
قیمت بانک خازنی
این محصولات بسیار متنوع هستند و در انواع مختلف ساخته می‌شوند. به همین دلیل نمی‌توان یک قیمت ثابت برای آن‌ها تعیین کرد؛ اما با یک حساب سرانگشتی می‌توان حدس زد که پیاده‌سازی بانک خازنی ارزان نیست.
قیمت هر تابلو برق بانک خازنی، با توجه به تجهیزات به کار رفته در آن، تک فاز یا سه فاز بودن، میزان آمپر و نوع بانک تعیین می‌شود. طراحی، راه‌اندازی و نگهداری از این تجهیزات هم هزینه جداگانه‌ای دارد. البته با توجه به کاهش هزینه مصرف انرژی، استفاده از تابلو بانک خازنی در میان‌مدت مقرون‌به‌صرفه است.
سخن پایانی
تابلو برق بانک خازنی یکی از پرکاربردترین تجهیزات در سیستم‌های قدرت و صنایع است که با کنترل توان راکتیو، باعث اصلاح ضریب توان و کاهش مصرف برق می‌شود. در این مقاله، بانک خازنی، مفاهیمی مانند ضریب توان و توان راکتیو را معرفی کردیم؛ انواع تابلو بانک را نام بردیم و در مورد اجزای تشکیل‌دهنده این تجهیزات بحث کردیم.
به نظر شما با وجود معایب بانک خازنی، استفاده از آن‌ها در صنایع کار درستی است؟
نظرات خود را در زیر همین مقاله بنویسید.
سوالات متداول
- بله، تمام سیستم‌هایی که با برق متناوب کار می‌کنند مانند الکتروموتورها برای راه‌اندازی و کارکرد به توان راکتیو نیاز دارند.
خیر، اگر توان راکتیو مورد نیاز سیستم را از راهی غیر از شبکه برق فراهم کنید، سیستم هیچ آسیبی نمی‌بیند. بانک خازنی، گزینه مناسبی برای انجام این کار است.
منابع
https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/capacitor-banks-benefit-an-energy-focused-world
https://www.linkedin.com/pulse/understanding-capacitor-bank-its-purpose-becker-global-america
