جستجو در تالارهای گفتگو

خازن چیست؟ مقدمه: خازن‌ عبارتست از دو صفحهٔ موازی فلزی که در میان آن لایه‌ای از هوا یا عایق قرار دارد. خازن‌ها انرژی الکتریکی را نگهداری می‌کنند و به همراه مقاومت‌ها، در مدارات تایمینگ استفاده می‌شوند. همچنین از خازن‌ها برای صاف کردن سطح تغییرات ولتاژ مستقیم استفاده می‌شود. از خازن‌ها در مدارات به‌عنوان ***** هم استفاده می‌شود. زیرا خازن‌ها به راحتی سیگنالهای غیر مستقیم AC را عبور می‌دهند ولی مانع عبور سیگنالهای مستقیم DC می‌شوند . ظرفیت ظرفیت معیاری برای اندازه گیری توانایی نگهداری انرژی الکتریکی است. ظرفیت زیاد بدین معنی است که خازن قادر به نگهداری انرژی الکتریکی بیشتری است. واحد اندازه گیری ظرفیت فاراد است. 1 فاراد واحد بزرگی است و مشخص کننده ظرفیت بالا می‌باشد. باید گفت که ظرفیت خازن ها یک کمیت فیزیکی هست و به ساختمان خازن وابسته است و به مدار و اختلاف پتانسیل بستگی ندارد. بنابراین استفاده از واحدهای کوچک‌تر نیز در خازنها مرسوم است. میکروفاراد µF، نانوفاراد nF و پیکوفاراد pF واحدهای کوچک‌تر فاراد هستند. µ means 10-6 (millionth), so 1000000µF = 1F n means 10-9 (thousand-millionth), so 1000nF = 1µF p means 10-12 (million-millionth), so 1000pF = 1nF خازن المان الکتریکی است که می‌تواند انرژی الکتریکی را توسط میدان الکترواستاتیکی (بار الکتریکی) در خود ذخیره کند. انواع خازن در مدارهای الکتریکی بکار می‌روند. خازن را با حرف C که ابتدای کلمه capacitor است نمایش می‌دهند. ساختمان داخلی خازن از دو قسمت اصلی تشکیل می‌شود: الف – صفحات هادی ب – عایق بین هادیها (دی الکتریک) ساختمان خازن هرگاه دو هادی در مقابل هم قرار گرفته و در بین آنها عایقی قرار داده شود، تشکیل خازن می‌دهند. معمولاً صفحات هادی خازن از جنس آلومینیوم ، روی و نقره با سطح نسبتاً زیاد بوده و در بین آنها عایقی (دی الکتریک) از جنس هوا ، کاغذ ، میکا ، پلاستیک ، سرامیک ، اکسید آلومینیوم و اکسید تانتالیوم استفاده می‌شود. هر چه ضریب دی الکتریک یک ماده عایق بزرگ‌تر باشد آن دی الکتریک دارای خاصیت عایقی بهتر است. به عنوان مثال ، ضریب دی الکتریک هوا 1 و ضریب دی الکتریک اکسید آلومینیوم 7 می‌باشد. بنابراین خاصیت عایقی اکسید آلومینیوم 7 برابر خاصیت عایقی هوا است. انواع خازن الف- خازنهای ثابت • سرامیکی • خازنهای ورقه‌ای • خازنهای میکا • خازنهای الکترولیتی o آلومینیومی o تانتالیوم ب- خازنهای متغیر • واریابل • تریمر انواع خازن بر اساس شکل ظاهری آنها 1. مسطح 2. کروی 3. استوانه‌ای انواع خازن بر اساس دی الکتریک آنها 1. خازن کاغذی 2. خازن الکترونیکی 3. خازن سرامیکی 4. خازن متغییر کاربرد خازنها در مدارات دیجیتال و انالوگ: در مدارات دیجیتال از خازنها به عنوان عنصر ذخیره کننده انرژی استفاده می‌کنند که در یک لحظه شارژ و در لحظه دیگر دشارژ می‌شود ولی در مدارات انالوگ از خازن جهت ایزوله کردن(جداساختن)دو منبع متناوب و مستقیم استفاده می‌شود خازن در برابر ولتاژ متناوب مثل اتصال کوتاه عمل می‌کند و اجازه ورود یا خروج می‌دهد ولی در مقابل ولتاژ مستقیم همانند سد عمل می‌کند و اجازه ورود و یا خارج شدن ولتاژ مستقیم از مدار را به قسمت تحت ایزوله خود نمی‌دهد. خازن کروی خازن مسطح (خازن تخت) دو صفحه فلزی موازی که بین آنها عایقی به نام دی الکتریک قرار دارد، مانند (هوا ، شیشه). با اتصال صفحات خازن به یک مولد می‌توان خازن را باردار کرد. اختلاف پتانسیل بین دو سر صفحات خازن برابر اختلاف پتانسیل دو سر مولد خواهد بود. ظرفیت خازن © نسبت مقدار باری که روی صفحات انباشته می‌شود بر اختلاف پتانسیل دو سر باتری را ظرفیت خازن گویند؛ که مقداری ثابت است. C = kε0 A/d C = ظرفیت خازن بر حسب فاراد Q = بار ذخیره شده برحسب کولن V = اختلاف پتانسیل دو سر مولد برحسب ولت ε0 = قابلیت گذر دهی خلا است که برابر است با: 8.85 × 12-10 _ C2/N.m2 k (بدون یکا) = ثابت دی الکتریک است که برای هر ماده‌ای فرق دارد. تقریباً برای هوا و خلأ 1=K است و برای محیطهای دیگر مانند شیشه و روغن 1 ماده گذردهی عایق ماده گذردهی عایق هوا 1.0006 میکا 6-8 کهربا 2.8 پارافین 2.3 سفال (برای مهندسی رادیو)تا 80 کوارتز 4.5 کائوچو 3 آب خالص 81 شیشه 4-7 A = سطح خازن بر حسب m2 d =فاصله بین دو صفه خازن بر حسب m

آشنایی با بانک های خازنی می دانیم در شبکه های جریان متناوب توان ظاهری که از مولدها دریافت می شود به دو بخش توان مفید و غیر مفید تقسیم می شود . نحوه این تقسیم به شرایط مدار بستگی دارد به این معنی که هر قدر ضریب توان CosΦ به يك نزدیکتر باشد سهم توان مفید بیشتراست . این اتفاق در مدارتی رخ می دهد که مصارف اهمی آن بیشتر است .مانند سیستمهای روشنایی یا تولید گرما توسط انرژی برق . اما می دانیم که سهم عمده مصارف شبکه ها را مصرف کننده های (اهمی – سلفی ) دریافت می کنند . مانند الکتروموتورها – ترانسفورماتورهای توزیع – چوکها و .... که درآنها سیم پیچ یا سلف نقش اصلی را ایفا می کند . در سیمپیچها به علت خاصیت ذخیره سازی انرژی الکتریکی بصورت میدان مغناطیسی توان همواره 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 ، توان را به شبکه پس می دهد . می دانیم در شبکه های جریان متناوب توان ظاهری که از مولدها دریافت می شود به دو بخش توان مفید و غیر مفید تقسیم می شود . نحوه این تقسیم به شرایط مدار بستگی دارد به این معنی که هر قدر ضریب توان CosΦ به يك نزدیکتر باشد سهم توان مفید بیشتراست . این اتفاق در مدارتی رخ می دهد که مصارف اهمی آن بیشتر است .مانند سیستمهای روشنایی یا تولید گرما توسط انرژی برق . اما می دانیم که سهم عمده مصارف شبکه ها را مصرف کننده های (اهمی – سلفی ) دریافت می کنند . مانند الکتروموتورها – ترانسفورماتورهای توزیع – چوکها و .... که درآنها سیم پیچ یا سلف نقش اصلی را ایفا می کند . در سیمپیچها به علت خاصیت ذخیره سازی انرژی الکتریکی بصورت میدان مغناطیسی توان همواره 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 ، توان را به شبکه پس می دهد . درست است که نتیجه ریاضی این عمل یعنی عدم مصرف انرژی زیرا توان داده شده به سلف با توان دریافت شده از ان 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 – کابلها و ... عبور کرده است. نتیجه اینکه سلف توانی را از مولد دریافت می کند اما این توان را به شبکه پس می دهد . این توان قابل استفاده نیست و در مسیر عبور تلف می شود . پس مقدار از توان تلف می شود . مصرف کننده های فوق برای انجام اینکار به توان مذکور نیاز دارند اما این توان برای شبکه مضر است و زیانهای زیر را در پی دارد : -اضافه شدن جریان مولد و درنتیجه نیاز به مولدهایی با توانهای بیشتر - چون جریان شبکه زیاد می شود به سیمها و کابلهایی با سطح مقطع بالاتر برای کاهش افت ولتاژ نیاز است که این موضوع هزینه اولیه شبکه را افزایش می دهد . - اتلاف توان در شبکه های توزیع بصورت حرارت روی می دهد در نتیجه هر کاری کنید نمی توانید از این اتلاف جلوگیری کنید . نتیجه این اتلاف توان ،کاهش ولتاژ مصرف کننده می باشد که این موضع راندمان مصرف کننده را پایین می آورد . - نمی توان این توان را به مصرف کننده های اهمی سلفی تحویل نداد زیرا کار آنها مختل می شود . خازن ناجی شبکه های تولید و توزیع توان هم در خازنها بصورت توان غیر مفید است درست مانند سلفها در یک چهارم پریود موج متناوب ،توان دریافت می کنند و در یک چهارم بعدی توان را تحویل می دهند پس خازنها هم مانند سلفها باعث افرایش توان راکیتو ( غیر مفید ) شبکه می شوند اما اتفاق بامزه زمانی روی می دهد که خازن و سلف با هم در شبکه قرار گیرند. این دو برعکس هم عمل می کنند . یعنی زمانی که سلف توان می گیرد خازن توان می دهد و زمانی که سلف توان می دهد خازن توان می گیرد . پس توانهای غیر مفید این دو فقط یکبار از شبکه دریافت می شود و در زمانهای بعد بین آنها تبادل می شود بدون اینکه مولد این توان را تحمل کند . پس مصرف کننده های اهمی سلفی توان راکتیو خود را دریافت می کنند و مولد و شبکه توزیع آنرا تولید و پخش نمی کنند زیرا این کار را خازن انجام می دهد . این خازنها از حالا به بعد ، خازنهای اصلاح ضریب توان نام می گیرند و وظیفه آنها تامین توان راکتیو مورد نیاز مصرف کننده های اهمی سلفی است . اتصال خازن به شبکه خازنهای اصلاح ضریب توان باید در شبکه بصورت موازی قرار گیرند . برای اینکار در شبکه های تکفاز باید به فاز و نول وصل شوند و در شبکه های سه فاز پس از اتصال بصورت ستاره یا مثلث آنگاه به سه فاز متصل می شوند . این خازنها باید از انواعی انتخاب شوند که بتوانند دایمی در مدار قرار گیرند پس باید بتوانند ولتاژ شبکه را تحمل کنند در محاسبه خازن از انواعی استفاده می شود که ولتاژ مجاز آنها 15% بیشتر از ولتاژ شبکه باشد . محاسبه خازن نقش خازن در شبکه کاهش توان راکتیو مصرف کنند های اهمی – سلفی از دید مولدها است . با این اتفاق ضریب توان مفید به یک نزدیک می شود . پس با کنترل ضریب توان امکان کنترل توان راکتیو وجود دارد . این کار بکمک یک کسینوس فی متر صورت می گیرد . یعنی بکمک کسینوس فی متر می توان دریافت که ضریب توان و در نتیجه توان راکتیو در چه وضعیتی قرار دارد . خازن مذکور باید برابر نیاز شبکه باشد در غیر اینصورت خود توان راکتیو از مولد دریافت می کند و همچنین سبب افزایش ولتاژ آن می شود . پس باید خازن مطابق نیاز شبکه محاسبه شود . پرسش : شبکه به چه مقدار خازن نیاز دارد ؟ پاسخ : مقداری که ضریب توان را به یک نزدیک کند . این مقدار خازن خود توان راکتیوی ایجاد می کند که توان راکتیو مصرف کننده اهمی – سلفی را جبران می کند . پس مقدار خازن به مقدار توان راکتیو مدار بستگی دارد . هر قدر این توان قبل از خازن گذاری بیشتر باشد ، اندازه خازن نیز بزرگتر خواهد بود . با توجه به مطالب گفته شده باید برای محاسبه خازن سه مقدار مشخص شود : یک – مقدار ضریب توان شبکه قبل از خازن گذاری دو – مقدار ضریب توان شبکه بعد از خازن گذاری که انتظار داریم شبکه به آن برسد سه - اندازه توان اکتیو پس از تعیین این مقادیرمراحل زیر را پی می گیریم . برای مقدار ضریب توان مطلوب مثلا عدد 9/0 مقدار خوبی است . حال دو مقدار ضریب توان داریم یکی ضریب توان شبکه قبل از خازن گذاری و دیگری ضریب توان مطلوب که می خواهیم با گذاردن خازن به آن برسیم . بکمک رابطه زیر مقدار توان راکتیو مورد نظر را که با آمدن خازن تامین می شود محاسبه می کنیم . ( توجه : در خرید خازنهای اصلاح ضریب توان بجای فارد برای تعیین ظرفیت خازن از میزان توان راکتیو آن خازن سخن گفته می شود).

بانكهاي خازني (capacitor bank) كم كردن تلفات انرژي الكتريكي و افت ولتاژ در يك سيستم انتقال و توزيع همواره مطلوب است . يكي از نشانه هاي بالا بودن تلفات انرژي يك سيستم الكتريكي كم بودن ضريب توان آن است . براي استفاده بهينه از سيستم ضريب توان كه با نسبت توان حقيقي به توان ظاهري مورد لزوم تعريف مي شود بايد نزديك به عدد يك باشد . اكثر ماشينهاي الكتريكي داراي ضريب توان كم هستند . جبران توان رآكتيو از طريق خازن موازي جهت كم كردن بار عبوري كاذب از شبكه ، جلوگيري از تلفات بيشتر ، بالا بردن ظرفيت انتقال و در نهايت بهبود ضريب قدرت از خازنهاي موازي استفاده مي شود بحث نحوه محاسبه و لزوم تعبيه خازن و مقادير آن از محاسبات شبكه بدست مي آيد كه خارج از چارچوب موضوع اين مقال مي باشد . فرض براين است كه اين محاسبات قبلاً انجام بر شده و مشخصات فني و ظرفيت خازنها توسط طراح پروژه اعلام و در اسناد مناقصه درج گرديده است . مزاياي خازن مزاياي خازن نسبت به ساير جبران كننده ها از قرار زيرند : - قيمت كمتر - نصب و تعمير و نگهداري و عملكرد ساده تر - سطح آلودگي صوتي بسيار پائين تر - تلفات انرژي كمتر - جابجايي با امكان تغيير ظرفيت ساده تر - امكان نصب در فضاي بيروني و داخلي ( حتي داخل تابلو ) بطوركلي جهت بهبود ضريب قدرت اقتصادي ترين راه استفاده از خازنهاي موازي مي باشد . آرايش خازنها جهت رسيدن به بار رآكتيو مورد نظر خازنها معمولاً به صورت موازي و سري نصب مي گردند . دليل اين كار محدوديت بالا بردن ظرفيت kvar در واحدهاي توليدي خازن است . ظرفيتهاي استاندارد بين 100 الي 200 كيلووار مي باشد گرچه تا 900 كيلووار هم ساخته شده اند . علاوه بر محدوديت توليد ، تعيين ظرفيت بهينه مي تواند با در نظر گرفتن : - امكان توليد - جابجايي آسان - افزايش و كاهش نيز انجام پذيرد . ظرفيت كل سيستم از تركيبهاي مختلف بلوك خازنها بدست مي آيد . تركيب اين بلوكها را با همديگر بانك خازني مي نامند . بانك خازني از تركيب مجموعه واحدهاي خازني به صورت سري و موازي ايجاد مي شود . محل نصب خازنهاي موازي معمولاً نزديك به نقاط مصرف و يا ايستگاههاي طرف مصرف كننده نصب مي شوند . در سيستمهاي فشار قوي خازنها در طرف 20 ، 33 و يا 11 كيلوولت نصب مي گردند در مجتمع هاي صنعتي خازنها بسته به مورد در طرف 6/6 كيلوولت و يا 400 ولت نصب مي شوند . اين امر باعث مي شود كه جريمه سنگين توان رآكتيو ناشي از مصرف كننده هاي صنعتي به ميزان زيادي كاهش يابد . در هر حال لزوم نصب خازن بايستي طي محاسبات اقتصادي – فني و با توجه به مساله تنظيم ولتاژ بهينه مشخص گردد . بنابراين نصب خازن يك سرمايه گذاري است كه درآمد آن صرفه جويي در مصرف توان حقيقي است . تجهيزات جنبي در پستهاي انتقال جهت كار بهينه خازنها علاوه بر خود بانكهاي خازني تجهيزات زير نيز بايد مدنظر قرار گيرند : - رآكتور سري جهت حفاظت بانكهاي خازني سري از جريان هجومي - ترانس جريان بين بانكهاي سري - رله هاي حفاظتي ( كه در بحث حفاظت بحث خواهد شد ) - وسايل كنترل ( قطع و وصل دستي ) و اتوماسيون ( افزايش يا كاهش بانكها با تغييرات ولتاژ و جريان ) - فيوزهاي حفاظتي ( داخلي و يا خارجي ) قطع و وصل خازنها كليدخانه اي كه قطع و وصل خازن را انجام مي دهد بايستي علاوه بر تطبيق با مشخصات عمومي شبكه ، هماهنگ مشخصات خازن نيز باشد . در طراحيهاي بسيار مدرن مي توان جهت كاهش و يا افزايش بار خازني روي شبكه و قطع و وصل خازنها از scr و يا svc استفاده نمود . در طرح كليدخانه معمولي ، كليد بايد قادر به قطع و وصل جريانهاي هجومي ، جريانهاي پس ماند و جريانهاي اتصال كوتاه خازني باشد . علاوه بر آن اگر كنترل توان رآكتيو به صورت اتوماتيك طراحي شده باشد اين كليدها بسته به تغييرات ولتاژ قطع و وصل هاي متعددي را در پيش رو خواهند داشت . حفاظت خازن ارزيابي حفاظت پستها در گزارش جداگانه اي آمده است . در اينجا به صورت اختصار بايد به حفاظتهاي لازم زير اشاره نمود : - حفاظت اضافه جريان - حفاظت اضافه ولتاژ - حفاظت قطع ولتاژ - حفاظت عدم تعادل بانك خازني - حفاظت عدم تعادل در فازها ملاكهاي ارزيابي ملاكهاي ارزيابي خازني را مي توان به صورت زير خلاصه نموده و جزئيات آن را در جدول ارزيابي پيوست مشاهده نمود : الف – اطلاعات ورودي در مشخصات فني : (اجباري بوده و امتيازي ندارند) - كيلووار خروجي - ولتاژ نامي و ماكزيمم سيستم - فركانس نامي - تعداد فازها - شرايط محيطي - كلاس خازن ( محوطه و يا فضاي بسته ) - نحوه اتصال به شبكه - لزوم تعبيه برق گير - نوع طرح حفاظتي - نوع قطع و وصل - نوع فيوز ( داخلي يا خارجي ) - نوع تركيب مقره ها - مشخصات ترانس جريان و يا ولتاژ - مشخصات رآكتور سري ب- اطلاعات خروجي ( گارانتي شده ) پيمانكار جهت هر واحد خازن : - نام سازنده - كشور سازنده - ساختار بانكها و اجزا آنها - نوع عايق مورد استفاده - نوع روغن داخل خازن - مشخصات روغن از نقطه نظر محيط زيست - داشتن فيوز ، داخلي و يا خارجي بودن آن - نشان دهنده وضعيت فيوز - تلفات الكتريكي برحسب وات و يا وار ( يا نسبت آنها ) - حداكثر افزايش دما - افزايش دما در داغ ترين نقطه - وزن هر واحد خازن - ابعاد هر واحد خازن - وزن و ابعاد با بوشينگهاي سوار شده ج – اطلاعات گارانتي بانك : - ابعاد كلي بانك خازني - ابعاد و مشخصات مقره هاي پايه ( در صورت لزوم ) - مشخصات تراسهاي جريان و رآكتورها - مشخصات ترانس هاي ولتاژ در صورت لزوم - نحوه تخليه خازن در حالت بي برقي و تعميرات - سوالات متفرقه در مورد نحوه اتصالات و عايق بندي و وصل به باسبار و تهيه آنها از طرف پيمانكار 10- نتيجه گيري : بر اساس آمار بدست آمده از پستهاي اجرا شده در سطح كشور ، نسبت ارزش قيمتي بانكهاي خازني به قيمت كل پست در محدوده 1-5 درصد ميباشد ، كه در پستهاي 63 و 132 كيلولت اين ميزان بيشتر بوده و در سطوح ولتاژي بالاتر اين نسبت كاهش مي يابد. از لحاظ اهميت نيز ، اين بخش در همه انواع پستها داراي اهميت متوسطي مي باشد.