چکیده
با افزایش روز افزون نقش برق در صنعت ، بارهای راکتیو و تلفات ناشی از افزایش بارهای راکتیو به معضلی برای صاحبان صنعت و شرکتهای توزیع برق تبدیل شده است . لذا کاهش بارهای راکتیو نه تنها موجب کاهش جرائم ضرر و زیان ناشی از آن می شود موجب افزایش ظرفیت کابلها و ترانسها نیز می شود .
مقدمه
مصرف کنندگان AC از نظر مصرف انرژی به دو دسته تقسیم می شوند :
1- مصرف کننده های اکتیو (مقاومتی)
مصرف کنندگان اکتیو با تبدیل انرژی الکتریکی به شکل دیگری از انرژی، آن را مصرف می کنند. مانند : (لامپ های رشته ای و بخاری های برقی و اجاق برقی و …) توان آن توان حقیقی یا توان اکتیو (P) بوده و با وات (W) نشان داده می شود.
2- مصرف کننده های راکتیو (خازنی یا سلفی)
مصرف کنندگان راکتیو بجای مصرف انرژی الکتریکی آن را ذخیره می کنند و با کاهش یافتن روند تغذیه بار، انرژی ذخیره شده خود را به مدار باز می گردانند. مانند : (خازنها، ، سلف ها ، الکتروموتورها، ترانسفورماتورهای القایی و…) توان آن ، توان راکتیو (Q) و با (VAR) نشان داده می شود.
بارهای راکتیو
در شبکه های توزیع همیشه با پس افت جریان از ولتاژ و در نتیجه مصرف بار راکتیو توأم می باشد . لذا در تمامی مواقع بارگیری، بخشی از انرژی مصرفی به صورت بار راکتیو از چرخه مصرف خارج می شود. هر چقدر مصرف توان راکتیو در شبکه بیشتر باشد ضریب توان کمتر می شود . این کاهش به میزان بار راکتیو شبکه بستگی دارد .
در سیم پیچی ها به علت خاصیت ذخیره سازی انرژی الکتریکی به صورت میدان مغناطیسی همواره انرژی بین شبکه و سلف رد و بدل می شود. سلف در یک چهارم زمان تناوب توان دریافت می کند و در یک چهارم بعدی زمان تناوب ، توان را به شبکه پس میدهد یعنی عدم مصرف انرژی، زیرا توان داده شده به سلف با توان دریافت شده از آن برابر است. اما در عمل این اتفاق رخ نمی دهد، زیرا توان پس داده شده به شبکه امکان استفاده را برای مولد ایجاد نمی کند و این توان در هر حالتی از مولد دریافت شده است و برای رسیدن به مصرف کننده اهمی سلفی از شبکه توزیع شامل: سیمها و کابل ها و … عبور کرده است.
نتیجه اینکه این توان قابل استفاده نیست و در مسیر عبور تلف می شود. این توان برای شبکه زیان های زیر را در بردارد:
1- اضافه شدن جریان منبع و در نتیجه نیاز به منابع با توان های بیشتر
2- اضافه شدن جریان باعث نیاز به سیم ها و کابل های با سطح مقطع بالاتر می شود که این امر باعث افزایش هزینه ها می شود.
3- اتلاف انرژی در شبکه های توزیع به صورت حرارت روی می دهد. نتیجه این اتلاف توان، افزایش دمای سیم ها و کابل ها و کاهش ولتاژ مصرف کننده می باشد که این موضوع راندمان مصرف کننده را پایین می آورد.
4- انتقال انرژی راکتیو، انتقال جریان الکتریکی است و انتقالش نیازمند به کابل با سطح مقطع بزرگتر، دکل های فشار قوی مقاومتر و در نتیجه هزینه های مازاد است. همچنین افزایش تلفات الکتریکی و کاهش راندمان شبکه را نیز به همراه دارد. در مواردی مانند کاربردهای الکترونیک قدرت و متعادل سازی بارهای نامتعادل، حتی انتقال انرژی راکتیو هم کارساز نبوده و باید این انرژی در محل تولید گردد.
ضریب توان
نسبت توان واقعی به توان ظاهری را ضریب توان گویند و مقداری بین صفر تا یک دارد. کم بودن ضریب توان در یک مدار موجب بالا رفتن جریان و در نتیجه بالا رفتن تلفات می شود. بدین معنی که یک مدار با ضریب توان پایین در مقایسه با یک مدار ضریب توان بالا نیازمند جریان بیشتری برای ایجاد مقدار ثابتی از توان واقعی است. ضریب توان صفر، بدین معناست که تمام انرژی فرستاده شده بوسیله منبع انرژی کاملاً ذخیره و مجدداً به منبع انرژی باز می گردد.
ضریب توان یک، بدین معناست که تمام انرژی فرستاده شده بوسیله منبع ، کاملاً مصرف می شود. در بیشتر کشورها استاندارد ضریب توان مصرف کنندگان عددی مابین 9/0 تا 95/0 می باشد.در کشور ایران ، شرکتهای توزیع برق این رقم را 0.9 محاسبه می کنند و برای ارقام پایین تر از آن جرائم بدی مصرف اعمال می شود . همچنین در مدارهای پرمصرف ضریب توان پایین موجب افزایش جریان در هادیها شده و هزینه انتخاب هادی را افزایش می دهد و باعث کاهش طول عمر تجهیزات تولید کننده و مصرف کننده انرژی الکتریکی نیز می شود. عدم ترمیم ضریب توان موجب اعمال هزینه اقتصادی مستقیم به مصرف کنندگان می شود. اغلب بارهای صنعتی دارای ضریب توان پس فاز هستند، یعنی توان راکتیو جذب می کنند. بنابراین جریان بار، مقدارش از آنچه که برای تأمین توان واقعی ضروری است بیشتر خواهد بود. تنها توان واقعی است که سرانجام در تبدیل انرژی مفید بوده و جریان اضافی نشان دهنده اتلاف انرژی است که مشتری نه تنها بایستی بهاء آن را بپردازد، بلکه به دلیل پایین بودن ضریب توان از سوی شرکتهای توزیع برق شامل جریمه نیز می شود.
ضرورت جبران سازی
ماهیت بارهای راکتیوی باعث می شود علاوه بر توان اکتیو ، توان راکتیو نیز مصرف کنند با افزایش توان راکتیو ، ضریب توان کاهش یافته و جریان آن افزایش می یابد این امر موجب افت ولتاژ و افزایش شدید تلفات خواهد شد و باعث اشغال و پر شدن ظرفیت خطوط انتقال ، توزیع و ترانسفورماتورها می شود.
انتقال انرژی راکتیو ، انتقال جریان الکتریکی است و انتقالش نیازمند به کابل با سطح مقطع بزرگتر ، دکلهای فشار قوی مقاوم تر و در نتیجه هزینه های مازاد است همچنین افزایش تلفات الکتریکی و کاهش راندمان شبکه را نیز به همراه خواهد داشت . انتقال انرژی راکتیو هم کارساز نبوده و باید انرژی در محل تولید گردد .
به منظور اصلاح ضریب توان و کاهش تلفات خطوط انتقال ، توزیع وحتی ترانسفورماتورها و آزاد سازی ظرفیت شبکه و تولید نیاز به جبران سازی است سطح ولتاژ هم به نحو موثری بهبود خواهد یافت .
با مقایسه هزینه های جبران سازی و هزینه های سنگین احداث نیرو گاهها و شبکه های انتقال و توزیع و افزایش ظرفیت ترانسها می توان به ضرورت جبران سازی بشرح ذیل اشاره نمود:
1- افزایش ولتاژ انتهایی خطوط بدون نیاز به افزایش ولتاژ ابتدایی خطوط
2- کاهش جریان ناشی از بارهای راکتیو از شبکه
3-کاهش توان راکتیو و در نتیجه کاهش تلفات اکتیو ناشی از آن
4- عدم نیاز به احداث نیرو گاهها و خطوط انتقال جدید یا افزایش ظرفیت آنها
5- عدم نیاز به افزایش ظرفیت ترانسهای توزیع و فوق توزیع
6- کاهش خروجی های (قطعی های) خطوط و فیدرهای پر بار در اثر افزایش توان راکتیو
7- جلوگیری از کاهش طول عمر مفید الکترو موتورها در اثر کاهش ولتاژ شبکه
توضیح : افت ولتاژ موجب افزایش جریان دریافتی در الکتروموتورها و گرم شدن زیاد سیم پیچ الکتروموتورها و در نتیجه کاهش عمر مفید آنها می شود .
جبران سازی توان راکتیو
جبران بار عبارتست از مدیریت توان راکتیو که به منظور بهبود بخشیدن به کیفیت تغذیه در سیستم های قدرت AC انجام می گیرد اصطلاح جبران بار در جایی استعمال می شود که مدیریت توان راکتیو برای یک بار متغییر با ثابت انجام می گیرد و جبران سازها معمولا در محلی که در تملک مصرف کننده قرار داد ودر نزدیک بار نصب می شود.
اهداف جبران سازی
- اصلاح ضریب توان
- اصلاح ولتاژ
1-اصلاح ضریب توان
بدین معناست که توان راکتیو مورد نیاز بار بجای آن که از منابع تولید برق تامین گردد در محل بار تولید گردد. اغلب بارهای صنعتی دارای ضریب توان پس فاز هستند یعنی توان راکتیو جذب می نمایند لذا جریان بار مقدارش از آنچه که برای تامین توان واقعی ضروری است بیشتر خواهد بود تنها توان واقعی است که سرانجام در تبدیل انرژی مفید بوده و جریان اضافی نشان دهنده اتلاف است که مشتری نه تنها بایستی بهاء هزینه اضافی کابلی که آن را انتقال می دهد بپردازد بلکه تلفات ژولی اضافه ایجاد شده در کابل تغذیه را نیز می پردازد.
اصلاح ضریب توان بر این اصل استوار است که بایستی توان راکتیو جبران شود. یعنی با موازی کردن یک جبران ساز با بار مصرفی ، توان راکتیو مورد نیاز در محل فراهم شود. در این حالت جریان تغذیه کمترین مقدار را داشته و قادر است توان واقعی را با ولتاژ ثابت تغذیه کند و جریان با ولتاژ هم فاز شده و ضریب توان این مجموعه یک یا نزدیک یک شود.
هر چه ضریب توان به یک نزدیک شود، توان واقعی با توان ظاهری یکسان می شود.
با عنایت به اینکه ژنراتورها و شبکه های توزیع در ضریب بهره کامل کار نمی کنند و کنترل ولتاژ در سیستم تغذیه بسیار مشکل است. لذا قادر به انتقال توان راکتیو نمی باشند .
لذا شرکتهای توزیع برق مشترکین صنعتی را به واسطه پائین بودن ضریب توان کمتر از 0.9 با اعمال جرائم بدی مصرف یا همان جرائم ضرر وزیان جریمه می نمایند .
به منظور اصلاح ضریب توان بایستی توان راکتیو جبران شود بدین منظور که با موازی کردن یک جبران ساز با مصرف کننده یا بار ، توان راکتیو مورد نیاز در محل فراهم شود در این حالت جریان با ولتاژ هم فاز بوده و ضریب توان به یک نزدیک تر می شود دراین حالت جریان کمترین مقدار را دارد .
به منظور جبران کامل توان راکتیو ، مقدار نامی توان راکتیو جبران ساز با توان P بوسیله رابطه زیر بدست می آید
Qc = P Tag
2- تنظیم ولتاژ
تنظیم ولتاژ درحضور بارهای که توان راکتیو مصرفی آنها تغییر می کند منجربه تغییرات ولتاژ در نقطه تغذیه می گردد. واین تغییرات ولتاژ برعملکرد مفید و موثر کلیه تجهیزات الکتریکی متصل به نقطه تغذیه مداخله نموده و منجربه تداخل در بارهای مصرف کننده های مختلف می گردد بطوری که گاها موتورهای نزدیک به این نقطه به علت پایین بودن ولتاژ با مشکل راه اندازی مواجه می شوند به منظور جلو گیری ازاین مساله تولید کنندگان برق موظف به اصلاح تغییرات ولتاژ می باشند بهترین وبا صرفه ترین روش برای بهبود ولتاژ ، استفاده از جبران سازها برای کاهش توان راکتیو می باشد .جبران سازها نقش اساسی در نگه داشتن ولتاژ در محدوده مورد نظر را دارا می باشند. و ضریب توان میانگین را در مقدار واحد نگهداری می کنند. جبران سازها دقیقاً مقدار صحیح توان راکتیو را جذب یا تولید و باعث تثبیت ولتاژ در برابر بارهای متغیر می نماید.
تنظیم ولتاژ به صورت نسبت تغییر مقدار ولتاژ تغذیه در ازاء تغییر معینی از جریان بار( از بی باری تا بار کامل ) تعریف می شود تنظیم ولتاژ به واسطه افت ولتاژ حاصل در امپدانس سیستم تغذیه ( دراثر عبور جریان بار) ایجاد می گردد .
باتوجه به اینکه مقدار ولتاژ بار مصرفی نسبت به ولتاژ تغذیه ، تابعی از مقدار جریان بار هستند به عبارت دیگر تغییر ولتاژ ، هم به توان راکتیو و هم توان ظاهری بار بستگی دارد با اضافه کردن یک جبران ساز به موازات بار می توان ولتاژ بار را با ولتاژ تغذیه برابر نمود یعنی تغییرات ولتاژ را به صفر رساند.
پس می توان نتیجه گرفت
تغییرات حاصل از ولتاژ تغذیه را که در اثر توان ظاهری و توان راکتیو بار به وجود می آید را می توان با یک جبران ساز راکتیو خالص خذف نمود .
در صورتی که توان راکتیو یک جبران ساز بتواند بطور پیوسته در یک رنج کافی ( در جهت پس فاز و پیش فاز ) و در یک میزان تغییرات کافی کنترل شود. جبران ساز می تواند به عنوان رگلاتور ولتاژ ایده آل عمل نماید
*توجه شود که فقط مقدار ولتاژ کنترل می شود و جریان آن بطور پیوسته با جریان بار تغییر می کند.
جبران سازهای توان راکتیو خالص نمی تواند در یک زمان هم ولتاژ را ثابت نگهدارند وهم ضریب توان را اصلاح نمایند ولی می توانند با اصلاح ضریب توان تا حدود زیادی نسبت به اصلاح ولتاژ اقدام نمایند .
جبران سازها بایستی دقیقا مقدار صحیح توان راکتیو جذبی را تولید نماید تا مقدار ولتاژ تغذیه را در برابر تغییرات بار ثابت نگه دارد .
جبران سازها حساسیت ولتاژ نقطه تغذیه نسبت به توان راکتیو بار را تغییر می دهد. علاوه بر اصلاح ولتاژ نقطه تغذیه با کاهش بار راکتیو و افزایش ولتاژ نیاز به کاهش جبران سازی احساس می شود . در غیر این صورت ولتاژ نقطه تغذیه به صورت غیر معقول در حالت بی باری افزایش می یابد.
تنظیم ولتاژ با بار القایی متغییر
اگر بار سه فاز ، متعادل بوده و تغییرات آن کند باشد طوری که معادلات تک فاز را بتوان بکار برد در این حالت با افزایش بار راکتیو ، ولتاژ در نقطه تغذیه کاهش می یابد.
اگر توان راکتیو جبران ساز به طریقی نماید که مقدار بار راکتیو مجموع ثابت باشد ولتاژ تغذیه ثابت می ماند دراین حالت بار راکتیو تولیدی جبران ساز با توان راکتیو بار برابر شده و ولتاژ عدد ثابتی خواهد بود.
با افزایش توان راکتیو بار ، توان راکتیو جذب شده توسط جبران ساز کاهش می یابد . بطوری که مجموع آن عدد ثابت می ماند وقتی توان راکتیو بار صفر می شود که جبران ساز حداکثر مقدار توان راکتیو را جذب کند در این حالت ولتاژ بار ثابت بوده و جبران سازی کامل نامیده می شود .اگر چنانچه مقدار نامی توان راکتیو جبران کننده برابر ویا بیشتر از توان راکتیو بار باشد تغیرات ولتاژ در حد صفر خواهد بود در غیر این صورت جبران سازی جزئی یا ناقص خواهد بود وجبران ساز تمام توان راکتیو بار را جذب نمی کند . و وقتی توان راکتیو بار با توان راکتیو کل برابر باشد یعنی جبران ساز قطع شده و از مدار خارج می باشد دراین حالت تغییرات ولتاژ حداکثر خواهد بود .
جبران سازهای ایده آل
جبران ساز های ایده آل در نقطه تغذیه وبه موازات بار متصل می شوند وظیفه اصلاح ضریب توان و تنظیم ولتاژ ومتعادل کردن جریان های یا ولتاژ های سه فاز را بر عهد دارند وتلفات مصرفی آنها صفر خواهد بود
خصوصیات جبران کننده های ایده آل
1- متناسب با نوع بار، مقدار متغییر و قابل کنترل راکتیو را بدون تاخیر فراهم نماید .
2- در هنگام ورود ، ولتاژ مشخصی را اصلاح نماید.
3- قادر باشد که سه فاز بطور مستقل عمل نماید.
4- مسولیت اصلاح ضریب توان ومتعادل کردن جریان بار را برعهده دارند.
بارها ییکه به جبران سازی نیازمند هستند
1- بارهائی که ، ضریب توان آنها رقم پایین می باشد اکثر بارهای صنعتی بزرگ با ضریب توان کمتر از 0.9 می باشند و نیاز به اصلاح ضریب توان دارند .
2-بارهائی که منجربه تغییرات سریع ولتاژ تغذیه می شوند ونیاز مبرم به تنظیم ولتاژ واصلاح ضریب توان دارند . مانند موتورهای القائی با ضریب توان زیر 0.9 وموتورهای آسنکرون
موتورهای سنکرون قادرند مقدار قابل کنترل توان راکتیو را وارد شبکه ویا از آن جذب کنند و می توانند سیستم تغذیه رادر موقع افزایش ناگهانی بار حمایت کنند .
3-بارهائی که جریانهای استارت اولیه بالائی دارند وباعث افت ولتاژ شدید در لحظه استارت می شوند.
اصلاح ضریب توان براین اصل استوار است که بایستی توان راکتیو جبران شود به این معنا که با موازی کردن یک جبران ساز با بار، توان راکتیو مورد نیاز در محل فراهم شود در این حالت جریان یا ولتاژ هم فاز بوده وضریب توان نزدیک به یک می باشد در این حالت جریان تغذیه کمترین مقدار را دارد
بهبود ضریب توان
برای تنظیم ولتاژ ایده آل و همچنین ضریب توان میانگین واحد، نیاز به جبران سازی از طریق خازن می باشد خازنها قادرند به مقدار باری که جذب می کنند بار راکتیو تولید نمایند در این صورت جبران ساز را خازن خالص می نامند اگر خازن به عنوان تنظیم ولتاژ استفاده می شود. نیازی به اصلاح کامل ضریب توان نیست در این حالت ضریب توان نیز به صورت کامل اصلاح نشده کسینوس فی عدد یک نخواهد بود زیرا توان دارای تغییرات لحظه ای است وضریب توان نیز تابع از بار راکتیو خواهد بود.
اگر توان راکتیو قادر باشد از پیش فاز تا پس فاز تغییر نماید آنگاه بایستی مشخصه تنظیم شده ولتاژ و ضریب توان جبران گردد این عمل با استفاده از خازن موازی میسر خواهد بود اگر خازن موازی متناسب با بار راکتیو باشد ضریب توان در حد مطلوب افزایش می یابد در این حالت ولتاژ در حد تثبیت شده می باشد این خازنها با کنترل جریان کار می کنند.
نتیجه گیری
از نظر اقتصادی بهتر است که اندازه جبران کننده طوری باشد که فقط با تغییرات توان راکتیو بارمنطبق باشد تا ضریب توان میانگین مورد نظر حاصل شود. با تصحیح ضریب توان، ولتاژبهبود می گردد.
جبران سازها دقیقا مقدار صحیح توان راکتیو را جذب یا تولید می کند تا مقدار ولتاژ نقطه تغذیه را در برابر تغییرات بار ثابت نگه دارد.
با اصلاح ضریب توان ، ولتاژ نیز به طور قابل ملاحظه ای بهبود می شود جبران سازها می توانند به عنوان وسیله فراهم کننده توان راکتیو مورد نیاز بار ، ضریب توان را اصلاح نمایند جبران ساز ها دقیقا مقدار صحیح توان راکتیو را تولید می کنند تا مقدار ولتاژ نقطه تغذیه را در برابر تغییرات بار ثابت نگه دارند .