بانک خازنی چیست؟ بررسی کاربردها، روش طراحی و نحوه محاسبه آن

در دنیای امروز، هزینه‌های برق یکی از دغدغه‌های اصلی مدیران صنایع، ساختمان‌های بزرگ و مراکز تجاری به شمار می‌رود. یکی از مؤثرترین راهکارها برای کاهش این هزینه‌ها و بهبود کیفیت انرژی الکتریکی، استفاده از بانک خازنی است. اما بانک خازنی چیست، چه کاربردی دارد و چگونه می‌توان آن را طراحی کرد؟

بانک خازنی مجموعه‌ای از خازن‌ها است که در یک تابلو نصب می‌شود تا توان راکتیو مورد نیاز شبکه را تأمین کرده و ضریب توان (کسینوس فی) را بهبود بخشد. این کار باعث کاهش هدر رفت انرژی، کاهش هزینه‌های برق و جلوگیری از جریمه شرکت‌های برق می‌شود. بانک خازنی در صنایعی مانند فولاد، سیمان، نساجی، غذایی و دارویی و همچنین در ساختمان‌های تجاری و نیروگاه‌ها کاربرد گسترده دارد. اجزای اصلی آن شامل خازن‌های قدرت، رگولاتور، کنتاکتور خازنی، فیوزهای حفاظتی، راکتورهای هارمونیک، شینه‌ها و سیستم تهویه است.

تابلو بانک خازنی چیست؟

تابلو بانک خازنی در واقع به مجموعه‌ای از خازن‌ها گفته می‌شود که به صورت گروهی در یک تابلو نصب می‌گردند و برای بهبود کیفیت برق و کاهش هزینه‌های انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در واقع بانک خازنی، توان راکتیو مورد نیاز شبکه یا مصرف‌کننده را تأمین می‌کند که در عمل برای بهبود ضریب توان (همان کسینوس فی) در سیستم‌های برق صنعتی و تجاری-اداری به کار می‌رود.

در شبکه‌های الکتریکی، بسیاری از بارها به عنوان بار سلفی شناخته می‌شوند؛ مانند موتورهای الکتریکی، ترانسفورماتورها، دستگاه‌های جوش و… باعث مصرف توان راکتیو می‌گردند. این توان، جریان اضافی به شبکه تحمیل کرده و راندمان را کاهش می‌دهد.

با کاهش توان راکتیو (همان توان غیر مصرفی)، میزان تلفات در خطوط انتقال کاهش پیدا می‌کند و این امر تأثیر مستقیمی در کاهش هزینه‌های بهره‌برداری و عملیاتی خواهد داشت.

بهبود ضریب توان به معنای کاهش جریان راکتیو و در نتیجه کاهش تلفات در خطوط انتقال و تجهیزات است. این امر باعث صرفه‌جویی در انرژی و کاهش هزینه‌های بهره‌برداری می‌شود. در این شرایط، با استفاده از بانک خازنی و تأمین توان راکتیو، این نیاز جبران می‌گردد.

کاربردهای بانک خازنی

بانک خازنی تقریباً در همه صنایع بزرگ و متوسط که بارهای الکتریکی القایی دارند و همچنین در سیستم‌های توزیع برق، کاربردهای متعددی دارد که در ادامه به چند نمونه اشاره خواهیم کرد.

• صنایع فولاد و ذوب فلزات
  یکی از صنایعی که کاربرد تابلوهای بانک خازنی در آن بسیار زیاد و حائز اهمیت است، کارخانه‌های فولاد و ذوب می‌باشند. در این صنایع، تجهیزاتی مانند کوره‌های القایی، جرثقیل‌های برقی و موتورهای توان بالا استفاده می‌شوند. در چنین صنایعی مقدار زیادی توان راکتیو مصرف می‌گردد که باعث افزایش تلفات در شبکه و در نهایت افزایش توان راکتیو می‌شود. بانک خازنی در این صنایع کمک می‌کند تا علاوه بر بهبود ضریب توان، پایداری ولتاژ برای تجهیزات حساس نیز حفظ شود.
• صنایع سیمان
  کارخانه‌های سیمان دارای آسیاب‌های بزرگ و موتورهای پرقدرتی برای عملیات خرد کردن سنگ آهک و کلینکر هستند. این موتورها خاصیت القایی شدیدی دارند که باعث افزایش توان غیر مصرفی و کاهش ضریب توان می‌شود. با طراحی درست و استاندارد بانک خازنی می‌توان این توان راکتیو را جبران کرد که در نهایت باعث می‌شود مصرف انرژی کمتر شده و هزینه برق کارخانه به شکل قابل توجهی کاهش پیدا کند.
• صنایع نساجی
  در کارخانه‌های نساجی، تعداد بسیار زیادی موتور با رنج‌های توانی متفاوت از یکدیگر وجود دارند که برای ریسندگی، بافندگی و رنگرزی به طور همزمان کار می‌کنند. اگر بانک خازنی متناسب با میزان توان راکتیو طراحی و راه‌اندازی نشود، جریان بیهوده زیادی در کابل‌ها و ترانسفورماتورها جریان پیدا می‌کند و شبکه دچار هارمونی می‌شود. بانک خازنی این مشکل را برطرف کرده و امکان استفاده بهینه از ظرفیت تجهیزات را فراهم می‌آورد.
• صنایع غذایی و دارویی
  خطوط تولید صنایع غذایی و دارویی معمولاً پر از موتورهای نوار نقاله، پمپ‌ها، دستگاه‌های بسته‌بندی و سیستم‌های سرمایشی بزرگ است. استفاده از بانک خازنی در این محیط‌ها باعث کاهش مصرف برق، آزادسازی ظرفیت ترانسفورماتورها و همچنین کاهش جریمه‌های شرکت برق به دلیل ضریب توان پایین می‌شود.
• ساختمان‌ها و مراکز تجاری بزرگ
  در هتل‌ها، بیمارستان‌ها، مراکز خرید و ادارات بزرگ، تجهیزات تهویه مطبوع (چیلرها، کولرها، فن‌ها) و آسانسورها بار القایی زیادی دارند. بانک خازنی در این مکان‌ها نقش مهمی در کاهش هزینه برق، جلوگیری از جریمه‌های شرکت برق و پایدار نگه داشتن ولتاژ ایفا می‌کند.
• نیروگاه‌ها و واحدهای تولید انرژی: چه در نیروگاه‌های حرارتی و چه در نیروگاه‌های تجدیدپذیر (بادی و خورشیدی)، بانک خازنی به تنظیم ولتاژ و بهبود کیفیت توان کمک می‌کند. در انرژی‌های تجدیدپذیر، به دلیل نوسانات زیاد در تولید، بانک خازنی باعث می‌شود سیستم پایدارتر شده و نوسانات ولتاژ کنترل شوند.

اجزای اصلی بانک خازنی چیست؟

اجزای اصلی بانک خازنی عبارت‌اند از:

خازن‌های قدرت (Power Capacitors)

این قطعات، اصلی‌ترین قسمت تابلوهای بانک خازنی هستند و توان راکتیو لازم برای اصلاح ضریب توان را تأمین می‌کنند. خازن‌های قدرت معمولاً از نوع سه‌فاز خشک یا روغنی با ولتاژ نامی ۴۰۰ یا ۴۴۰ ولت ساخته می‌شوند.

رگولاتور بانک خازنی (Power Factor Controller)

رگولاتور یک کنترلر هوشمند است که با اندازه‌گیری ضریب توان شبکه، بر اساس نیاز سیستم، خازن‌ها را با چینشی خاص وارد مدار می‌کند.

کنتاکتور خازنی (Capacitor Contactor)

کنتاکتوری که در تابلوهای بانک خازن استفاده می‌شود، به اصطلاح کنتاکتور خازنی نامیده می‌شود و وظیفه قطع و وصل خازن‌ها را بر عهده دارد. این نوع کنتاکتورها دارای مقاومت پیش‌شارژ (یا همان مقاومت پیری شارژ) هستند که جهت کنترل جریان هجومی اولیه خازن و جلوگیری از آسیب‌های احتمالی طراحی شده است.

فیوز یا کلید حفاظتی (Fuse / Circuit Breaker)

این تجهیزات برای حفاظت از خازن‌ها و مدار استفاده می‌شوند. معمولاً از فیوزهای HRC یا فیوزهای سکسیونری استفاده می‌گردد تا در صورت بروز اتصال کوتاه یا اضافه جریان، مدار قطع شود.

راکتور یا فیلتر هارمونیک (Detuned Reactors / Filters)

در محیط‌هایی که هارمونیک شبکه وجود دارد (مانند صنایع فولاد، پتروشیمی، یا کارخانه‌هایی که تعداد زیادی درایو دارند)، استفاده از راکتور سری با خازن یک اقدام ضروری است تا از رزونانس و آسیب به خازن‌ها جلوگیری شود.

شینه‌ها و سیم‌کشی قدرت

شینه‌های مسی یا آلومینیومی برای انتقال جریان بین خازن‌ها، کنتاکتورها و کلیدها استفاده می‌شوند. همچنین سیم‌کشی فرمان برای اتصال رگولاتور، کنتاکتورها و تجهیزات کنترلی به کار می‌رود.

سیستم تهویه و خنک‌کاری

از آنجا که خازن‌ها و کنتاکتورها حرارت تولید می‌کنند، در تابلو از فن و دریچه تهویه استفاده می‌شود تا دمای داخل تابلو به نحو مناسبی کنترل گردد.

تجهیزات جانبی

• ترانس جریان (CT) برای اندازه‌گیری جریان و ارسال اطلاعات به رگولاتور
• لامپ‌های سیگنال برای نمایش وضعیت پله‌ها و روشن یا خاموش بودن خازن‌ها
• ولت‌متر و آمپرمتر برای مانیتورینگ مقادیر
• ترمینال‌ها برای اتصال ورودی و خروجی‌ها

محاسبات بانک خازنی چطور انجام می‌شود؟

در ابتدا برای اینکه بتوان محاسبات و طراحی تابلو بانک خازنی را انجام داد به بررسی یک سری مفاهیم پایه می‌پردازیم:

محاسبه توان در حالت تک فاز:

P=V×I

در این حالت P توان در حالت تک فاز، V ولتاژ و I جریان می‌باشد. این فرمول فقط برای جریان مستقیم (DC) یا بارهای کاملاً اهمی (مقاومتی) صدق می‌کند. برای سیستم‌های جریان متناوب (AC)، فرمول تک‌فاز:

P=V×I×COS∅

محاسبه توان در حالت سه فاز:

P=√3×V×I×COS∅

که در این فرمول:

• V ولتاژ در حالت سه فاز
• I جریان
• ∅COS ضریب توان

و برای محاسبه ∅COS از فرمول زیر استفاده می‌کنیم:

COS∅=P/S

P توان اکتیو و S توان ظاهری است.

برای محاسبه توان ظاهری می‌توان از فرمول زیر استفاده کرد:

• P توان اکتیو: توانی که به توان مکانیکی تبدیل می‌شود.
• Q توان راکتیو: توانی که به توان مکانیکی تبدیل نمی‌شود.
• S توان ظاهری: در واقع توان ظاهری از جمع برداری توان اکتیو و توان راکتیو به دست می‌آید.

روش محاسبه بانک خازنی از طریق قبض برق

در نظر داشته باشید که برای محاسبه بانک خازنی از طریق قبض برق همیشه قبضی را که بیش‌ترین مصرف داشته است باید مورد بررسی قرار گیرد.

ابتدا از طریق ضریب زیان موجود در قبض برق کسینوس فی یا همان Power Factor را از طریق فرمول زیر محاسبه می‌کنیم:

COS∅=(0.9)/(1+زیان ضریب)

در نتیجه:

COS∅=(0.9)/(1+0.0796)= 0.83

ضریب توان به دست امده از فرمول بالا، ضریب توان حال حاضر است که در طراحی باید این ضریب توان را تقریبا نزدیک به عدد یک کنیم.

برای محاسبه میزان خازن مورد نیاز از فرمول زیر استفاده می‌کنیم:

QC=P×[tan(∅ BAD)-⁡tan⁡(∅GOOD) ]

در نتیجه با جایگذاری موارد گفته شده مقدار خازن موردنیاز به دست می‌آید.

QC=1024

QC=1024×[tan(34)-⁡tan⁡(0.46)]

QC=1024×(0.19)=194.5 KVAR

در مرحله بعدی انتخاب نوع رگولاتور و نوع پله‌هایی که خازن را وارد مدار می‌کند بسیار مهم است.

به عنوان مثال اگر رگولاتور 1:1:1:1 باشد در هرپله یک خازن وارد مدار می‌شود. اگر میزان توان مصرفی در هرپله متفاوت باشد می‌توان آرایش‌های دیگری انتخاب کرد.

در مرحله بعدی باید مقدار خازن مورد نیاز هرپله را مشخص کنید. برای اینکار ابتدا میزان خازن پله اول را باید مشخص نمایید که برای اینکار باید ضرایب پله را با یکدیگر جمع کنید. در نهایت عدد به دست آمده از مقدار خازن را بر این عدد تقسیم نمایید.

اگر رگولاتور بر روی آرایش 1:1:1:1 تنظیم شده باشد:

1+1+1+1=4

به عنوان مثال اگر ظرفیت خازن مورد نیاز 120 KVAR باشد مقدار خازن پله اول با توجه به فرمول زیر 30 KVAR می‌شود.

QC/4= 120/4=30 KVAR

اگر نحوه‌ی پله بندی 1:2:4:8 باشد و مقدار ظرفیت پله اول 20 KVAR باشد مقدار ظرفیت در پله های بعدی:

1 : 2 : 4 : 8
20 : 40 : 80 : 160

رگولاتورها بسته به اینکه چطور خازن‌ها را وارد مدار می‌کند و در چند مرحله این عملیات را انجام می‌دهد به انواع مختلفی تقسیم بندی می‌گردد.

به عنوان مثال یک رگولاتور ۷/۴ چهار پله خازن را در ۷ مرحله وارد مدار می‌کند.

برای درک بهتر به مثال زیر توجه کنید:

در یک پروژه 75 KVAR خازن در نظر گرفته شده است و رگولاتوری که برای این تابلو در نظر گرفته ایم ۷/۴ است.

مرحله	قدرت خازن ۱	قدرت خازن ۲	قدرت خازن ۴	قدرت خازن ۸	مجموع توان
	5 KVAR	10 KVAR	20 KVAR	40 KVAR
مرحله ۱	*				5 KVAR
مرحله ۲		*			10 KVAR
مرحله ۳	*	*			15 KVAR
مرحله ۴		*	*		30 KVAR
مرحله ۵	*	*	*		35 KVAR
مرحله ۶		*	*	*	70 KVAR
مرحله ۷	*	*	*	*	75 KVAR

با توجه به جدول بالا با توجه به میزان مصرف توان راکتیو ابتدا در مرحله اول 5 KVAR خازن وارد مدار می‌شود اگر میزان مصرف توان راکتیو افزایش یابد در مرحله دوم 10 KVAR ‌ به همین صورت در مرحله سوم 15 KVAR به همین ترتیب تا مرحله هفتم ادامه پیدا می‌کند.

نسبت C/K‌ در رگولاتور بانک خازنی

نسبت C به K نسبتی است که رگولاتور بر مبنای آن پله‌های خازن را وارد مدار می‌کند. اصطلاحا به آن خطای تنظیم رگولاتور نیز می‌گویند که از فرمول زیر محاسبه می‌شود.

 = 0.65

که در این فرمول Q ‌ توان راکتیو پله اول و K نسبت تبدیل ترانس جریان است.

محاسبه جریان فیوزها و کلید اصلی در بانک خازنی

برای محاسبه جریان انتخابی برای فیوز می‌توان به استاندارد FADE0100 مراجعه کرد و یا از طریق فرمول زیر می‌توان محاسبه کرد.

I=

که در فرمول بالا QC ظرفیت پله اول می‌باشد. در نهایت عدد به دست آمده را در 1.6 و یا 2 ضرب می‌کنیم (به علت جریان هجومی خازن) تا مقدار جریان هر پله خازن به دست آید.

برای به دست آوردن سایز کلید اصلی نیز از همین فرمول می‌توان استفاده کرد؛ فقط به جای ظرفیت پله اول از ظرفیت کل خازن‌ها در صورت فرمول باید استفاده کرد.