خازن هاي فشار قوي - high voltage capacitors

[saghar... 6666]

خازنها المانهايي هستند كه مي توانند مقداري الكتريسيته را بصورت يك ميدان الكترواستاتيكي در خود ذخيره نمايد. خازن مجموعه اي است از دو صفحه هادي كه نسبت به هم عايق هستند . متداول ترين نوع خازن ، خازن مسطح است كه از دو صفحه هادي و عايقي به نام دي الكتريك بين آنها قرار دارد تشكيل مي شوند . دي الكتريك ماده عايقي است كه انواع مختلفي دارد و با ضريب مخصوصي كه نسبت به هوا سنجيده ميشود معرفي مي گردد . اين ضريب را ضريب دي الكتريك گفته و معمولاً با "K " نمايش مي دهند.

وقتي خازني شارژ مي شود يك صفحه آن داراي بار مثبت و صفحه ديگر داراي بار منفي ميشود و چون بارها مخالف هم هستند الكترونهاي صفحه منفي تمايل به طرف مثبت دارند اما عايق دي الكتريك اين اجازه را نمي دهد و بدين صورت بين دو صفحه نيروي ميدان الكتريكي بوجود مي آيد و هر چه شارژ بيشتر باشد نيروي الكتريكي قوي تر و جاذبه بين صفحات بزرگتر خواهد بود .

 

 

 

ظرفيت خازن عبارت است از مقدار بار الكتريكي كه بايد روي يكي از صفحات خازن جمع شود تا پتانسيل آن نسبت به صفحه ديگر به اندازه يك ولت افزايش يابد به عبارت ديگر خارج قسمت بار الكتريكي Q ذخيره شده روي هر يك از صفحات خازن بر اختلاف پتانسيل U ميان دو صفحه را ظرفيت خازن مي ناميم كه با حرف C نشان ميدهند و واحد آن فاراد است و آن عبارتست از نسبت يك كولن ( 10²⁸ × 28/6 الكترون ) بار ذخيره شده در هر يك از صفحات خازني به اختلاف پتانسيل يك ولت ؛به عبارت ديگر فاراد ظرفيت خازني است كه اگر به منبع ولتاژ يك ولتي وصل شود در آن يك آمپر ثانيه ( كولن ) بار الكتريكي ذخيره گردد . فاراد براي يك خازن بسيار بزرگ است و معمولاً از واحد هاي كوچكتري مانند ميلي فاراد ، ميكرو فاراد و نانو فاراد استفاده مي شود . C = Q/ V- عوامل موثر بر ظرفيت خازن :

 

الف ) مساحت صفحات .

ب ) فاصله بين صفحات .

ج ) دي الكتريك استفاده شده .

بر طبق موارد بالا فرمول اندازه گيري ظرفيت خازن بدين شكل خواهد بود :C = ( K × A ×ε₀ ) / dكه در آن : C – ظرفيت خازن بر حسب فاراد A - سطح موثر هادي ها K – ضريب دي الكتريك عايق d - ضخامت عايق يا فاصله بين صفحات - ضريب تناسب كه وابسته به واحد ها مي باشد كه اگر A بر حسب متر مربع ، d بر حسب متر و C بر حسب فاراد باشد ، آنگاه :

ε₀ = 0.885 × 10 ^{– 11}

انرژي ذخيره شده در خازن ها ( W ) به صورت زير است :

 

W =( Q × U ) / 2

 

ثابت زماني خازن :اگر خازني را به اختلاف پتانسيلي وصل كنيم به سرعت شارژ مي شود ، شارژ سريع خازن به خاطر آنست كه مقاومتي در مسير شارژ وجود ندارد . حال اگر مقاومتي را در مسير قرار دهيم زمان شارژ بيشتر خواهد شد . مقدار دقيق زمان شارژ به مقدار مقاومت قرار گرفته در مسير شارژ و ظرفيت خازن بستگي دارد . ثابت زماني بر حسب ثانيه است و با ζ نمايش مي دهند .

 

(R×C = ζ) ثابت زماني خازن عبارتست از مدت زماني كه طول مي كشد تا ولتاژ دو سر خازن به 2/63% ولتاژ ماكزيمم دو سر خود ( ولتاژ منبع ) برسد . شارژ يك خازن در حدود 5 ثابت زماني طول مي كشد و خالي شدن آن نيز در حدود 5 ثابت زماني انجام مي گيرد .- خازن در جريان متناوب :خازن جريانهاي متناوب را از خود عبور مي دهد و مقاومتي را كه در اين جريان از خود نشان مي دهد با فركانس جريان و ظرفيت خازن نسبت عكس دارد ، اين مقاومت را با X_Cنشان مي دهند . ( اين مقاومت در مقابل عبور جريان خازنها مخالفت مي كند ) .

 

X_C = 1 / ( 2ΠFC)- X_C

 

بر حسب اهم است ( كاپاسيتانس ) .

 

- C ظرفيت بر حسب فاراد .

 

_ I_C = 2π × F × C × U_C è I_C = ω × C × V

 

خازن در جريان متناوب باعث ميشود جريان به اندازه نود درجه از ولتاژ جلو بيفتد . توان مصرفي مفيد خازن صفر است و آنچه كه از شبكه مي گيرد يك توان راكتيو است . جريان متناوب بعلت فركانس سبب تغيير پلاريته دو سر خازن شده و جريان متناوب از خازن به راحتي عبور مي كند ولي خازن در جريان مستقيم مانند يك عايق عمل مي كند . ولتاژ خازن با ولتاژ منبع هميشه 180 درجه اختلاف فاز دارد ، جريان عبوري از خازن با فركانس ولتاژ داده شده نسبت مستقيم دارد . خازن هميشه با تغييرات ولتاژ مخالفت مي كند .

 

- اتصال خازن ها :

 

الف ) اتصال سري خازنها :در اتصال سري خازنها ، فاصله موثر بين صفحات بيشتر شده و ظرفيت معادل مجموعه خازني كاهش مي يابد . در اتصال سري تنها دو صفحه ابتدايي و انتهايي از مجموعه خازني كه به مولد بسته شده اند از مولد بار الكتريكي دريافت مي كند و صفحات ديگر از طريق القا داراي بار الكتريكي مي شوند بنابر اين ميزان بار الكتريكي همه خازن ها يكي است ولي اختلاف پتانسيل دو سر مجموعه برابر حاصل جمع اختلاف پتانسيل هاي دو سر خازن هاست

 

.Q_T = Q₁ = Q₂ = ….= Q_nU_t = U₁ + U₂ + …+U_n

 

خازنهاي متوالي پهنه كاربرد كمي دارند و آن بخاطر مسائل خاص مربوط به هر كاربرد آن است كه بايد تحقيقات مهندسي پيچيده اي انجام شود . همچنين بعلت دشواري حفاظت خازنها در جريانهاي عيبكرد سيستم و فرو تشديد ترانسفورماتورها و تشديد زير سنكرون در طي راه اندازي موتور ، كاربرد زيادي در سيستم هاي قدرت ندارند . خازن متوالي يك راكتانس منفي ( خازني ) است كه با راكتانس مثبت ( القايي ) مدار متوالي ميشود و همه يا بخشي از آنرا جبران مي كند .

 

بنابراين اثر اصلي خازن متوالي كاستن يا حذف افت ولتاژ ناشي از راكتانس القايي مدار است ، حتي ميتوان در نظر داشت كه خازن متوالي يك تنظيم گر ولتاژ است و برافزايي ولتاژي متناسب با اندازه و ضريب توان جريان تامين مي كند ، بنابراين خازن متوالي افزايش ولتاژي بوجود مي آورد كه خود به خود و همزمان با رشد بار زياد ميشود ، همچنين خازن متوالي در ضريب توانهاي كمتر كه افت ولتاژ بيشتر است افزايش ولتاژي خالصي بيشتر از خازن موازي پديد مي آورد ، ولي خازنهاي متوالي ضريب توان سيستم را بسيار كمتر از خازن هاي موازي بهبود مي بخشند و اثر كمتري در جريان سيستم دارند .

 

ب ) اتصال موازي خازن ها :در اتصال موازي خازن ها سطح موثر صفحات زياد تر شده و ظرفيت معادل افزايش مي يابد ، در اين حالت اختلاف پتانسيل آنها با هم برابر اما بار الكتريكي آنها مختلف است و بار الكتريكي كل برابر با مجموع بار هاست .

 

Q_t = Q₁ + Q₂ + ….+ Q_nU_t = U₁ = U₂ = …= U_nC = C₁ + C₂ + …+ C_n

 

خازنهاي موازي به موازات خط ها بسته ميشوند . خازنهاي موازي توان يا جريان نوع راكتيو را تامين مي كنند تا مولفه نا همفاز جريان مورد نياز يك بار القايي را جبران كند . از جهتي خازنهاي موازي با كشيدن جريان پيش فاز كه بخشي يا همه مولفه پس فاز جريان بار القايي را در نقطه نصب ، خنثي مي كند مشخصه آن را اصلاح مي كند . بنابراين خازن موازي همان اثر خازن سنكرون يعني ژنراتور يا موتور سنكرون ( همزمان ) پر تحريك را دارد .با بكار گيري خازن موازي مي توان جريان بار را كم كرد و ضريب توان مدار را بهبود بخشيد ولي خازنهاي موازي اثري بر جريان يا ضريب توان مدار بعد از نقطه نصب خود را ندارند.وظيفه اصلي خازن ها چه بصورت متوالي و چه بصورت موازي عبارتست از تنظيم ولتاژ و گذر توان اكتيو در محل نصب آنها .

 

خازنهاي موازي اين كار را با تغيير ضريب توان بار انجام مي دهند و خازنهاي متوالي راكتانس القايي را جبران مي كنند ، به عبارت ديگر خازن متوالي يك راكتانس منفي ( خازني ) است كه با راكتانس مثبت ( القايي ) مدار متوالي ميشود و همه يا بخشي از آن را جبران مي كند ؛ بطور كلي خازن ها را ميتوان در هر تراز ولتاژي بكار برد ، مي توان خازن ها را به موازات يكديگر اضافه كرد تا ظرفيت كيلو واري مطلوب بدست آيد و مي توان آنها را به توالي كنار هم گذاشت تا كيلو ولت ولتاژ مورد نظر بدست آيد .مي دانيم كه بار سيستمهاي برق رساني داراي دو مولفه توان اكتيو و وتوان راكتيو است ؛ توان اكتيو را بايد در نيروگاهها توليد كرد در حالي كه توان راكتيو را نيز مي توان در نيروگاهها توليد كرد ، اين واقعيت عيان است كه خازنهاي قدرت موازي ، اقتصادي ترين منبع تامين توان راكتيو لازم بارهاي القايي آن دسته از خط هاي انتقال اند كه در ضريب توان پس فاز كار مي كنند .

 

هنگامي كه فقط در نيروگاهها توان راكتيو توليد كنيم ، اندازه همه اجزاي سيستم ( يعني ترانسفورماتورها ، خطوط انتقال و توزيع و..) بايئ متناسباً افزايش يابد . خازنها مي توانند با كاهش تقاضاي توان راكتيو در پشت خود تا ژنراتور ، اين شرايط را تعديل كنند ؛ جريان خط از پشت سر خازن تا تجهيزات توليد كاهش مي يابد در نتيجه ، اتلاف هاي خطوط توزيع ، ترانسفورماتورهاي پست و خط هاي انتقال كاهش مي يابد .بطور كلي منافع اقتصادي حاصل از نصب خازن را مي توان چنين خلاصه كرد :

 

- آزاد سازي ظرفيت توليد- آزاد سازي ظرفيت انتقال- آزاد سازي ظرفيت پست توزيع- آزاد سازي ظرفيت در سيستم هاي توزيع- كاهش اتلاف انرژي در مس- كاهش افت ولتاژبايد توجه داشت كه محل مناسب خازنها و ميزان كيلو وار انتخابي و نحوه اتصال خازنها به هم و به شبكه از موضوعاتي است كه نياز به بررسي و محاسبه بيشتر دارد تا حد اكثر استفاده از اين سيستم انجام گيرد .

 

تصحيح ضريب توان :در سيستم برق رساني ، بخصوص در فصول پر مصرف ، بار راكتيو با ضريب توان حدود 80% توليد خواهد شد ؛ بنابراين طبق شكل صفحه بعد قسمت "الف" در بار ، جريان نسبت به ولتاژ پس فاز خواهد بود . كسينوس زاويه بين جريان و ولتاژ را ضريب توان مدار مي گويند .

 

اگر مولفه هاي جريان را در ولتاژ سر مصرف كننده ضرب كنيم ، رابطه حاصل را مي توان روي مثلث توان ( قسمت "ب" شكل ) نشان داد . اين شكل رابطه موجود بين كيلو وات و كيلو ولت آمپر و كيلو وار را نمايش مي دهد . با افزودن خازن مي توان مولفه توان راكتيو (Q) ، توان ظاهري بار (S) را كم يا كلاً حذف نمود .خازنهاي موازي نيز به چند طريق با بار بصورت موازي قرار مي گيرد كه در بيشتر پستهاي فوق توزيع بصورت ستاره زمين نشده است كه براي ترانس با توانهاي بالاتر از دو ستاره كه نوترالهاي آن بهم وصل شده اند استفاده مي گردد .

 

در محل اتصال دو نوترال معمولا از ترانس جريان براي حفاظت از تعادل ظرفيت خازنها استفاده ميشود تا عدم تعادل در ظرفيت موجب آسيب به خازنهاي ديگر نگردد . علاوه بر آن براي جلوگيري از جريانات هجومي بروي خازنها نيز راكتور هاي كوچكي نصب مي گردد كه توسط جريان هوا خنك خواهد شد ، همچنين فيوزهاي كات اوت نيز در مسير خازنها قرار خواهد داشت .

 

مجموعه خازنها نيز به چند طريق وارد مدار خواهند شد كه معمول آن در پستهاي فوق توزيع با توجه به ميزان توان راكتيو و ولتاژ ثانويه ورودي ترانس خواهد بود كه امكان در مدار بودن يا خارج شدن را صادر مي نمايد.