به گزارش شهر و صنعت، در بیشتر کارخانه‌ ها و ساختمان‌ های بزرگ، موتورهای الکتریکی و تجهیزات صنعتی مقدار زیادی توان راکتیو مصرف می‌ کنند. این موضوع باعث می‌ شود ضریب توان پایین بیاید؛ اتفاقی که در عمل باعث افزایش هزینه انرژی، فشار بیشتر روی ترانس، گرم شدن کابل‌ ها و حتی جریمه از طرف شرکت برق می‌ شود.

به همین دلیل بسیاری از مجموعه‌ ها از خازن برق سه فاز برای «اصلاح ضریب توان» استفاده می‌ کنند؛ کاری که اگر درست انجام شود، هم هزینه‌ ها را کاهش می‌ دهد و هم عملکرد شبکه برق را بهتر می‌ کند.

اما سؤال اصلی اینجاست:

«چطور باید ظرفیت خازن مناسب را محاسبه کرد؟ آیا فرمول خاصی دارد؟ از کجا بفهمیم چند کیلووار برای سیستم ما لازم است؟»

در این مقاله قدم‌ به‌ قدم و خیلی ساده توضیح می‌ دهیم که محاسبه خازن سه فاز دقیقا چگونه انجام می‌ شود، چه فرمول‌ هایی دارد، چه اشتباهاتی نباید انجام دهیم و در نهایت چطور بهترین انتخاب را برای سیستم برق مجموعه خود داشته باشیم.

ضریب توان در سیستم‌ های سه فاز دقیقا چه مفهومی دارد؟

در سیستم‌ های برق سه فاز، تمام توان دریافتی از شبکه به مصرف مفید نمی‌ رسد. این توان به سه بخش تقسیم می‌ شود:

۱- توان اکتیو (P) همان توان مفید سیستم است که مستقیما به کار واقعی تبدیل می‌ شود؛ مانند انرژی موردنیاز برای چرخش موتور، تولید گرما در المنت‌ ها یا روشنایی در سیستم‌ های روشنایی. این توان معمولا با واحد کیلووات (kW) بیان می‌ شود.

۲- در مقابل، توان راکتیو (Q) توانی است که برای ایجاد میدان‌ های مغناطیسی در تجهیزات سلفی مانند موتورهای القایی و ترانسفورماتورها مصرف می‌ شود. این توان کار مفیدی انجام نمی‌ دهد و به‌ صورت رفت‌ و برگشتی بین منبع و مصرف‌ کننده در گردش است. واحد اندازه‌ گیری آن کیلووار (kVAR) است.

۳- مجموع برداری توان اکتیو و توان راکتیو، توان ظاهری (S) را تشکیل می‌ دهد که نشان‌ دهنده کل توان دریافتی از شبکه است و با واحد کیلوولت‌ آمپر (kVA) نمایش داده می‌ شود.

ضریب توان، نسبت توان مفید به توان دریافتی از شبکه است و به‌ صورت زیر تعریف می‌ شود:

cosφ = P / S

این رابطه به‌ طور ساده نشان می‌ دهد چه سهمی از توان ظاهری واقعا به توان مفید تبدیل می‌ شود. هرچه مقدار cosφ به عدد ۱ نزدیک‌ تر باشد، سیستم برق عملکرد بهینه‌ تری دارد.

در اغلب واحدهای صنعتی سه فاز، به دلیل وجود بارهای سلفی، مقدار ضریب توان معمولا در بازه ۰٫۶ تا ۰٫۸۵ قرار دارد. این مقدار پایین‌ تر از حد مطلوب شرکت‌ های برق است و همین موضوع، ضرورت اصلاح ضریب توان و استفاده از خازن‌ های سه فاز را به‌ خوبی نشان می‌ دهد.

چرا اصلاح ضریب توان با خازن سه فاز انجام می‌ شود؟

خازن سه فاز به این دلیل در اصلاح ضریب توان استفاده می‌ شود که می‌ تواند توان راکتیو موردنیاز بارهای سلفی را به‌ صورت محلی تامین کند. در این حالت، شبکه دیگر مجبور نیست این توان راکتیو را تامین کند و جریان عبوری از سیستم کاهش می‌ یابد.

با اضافه شدن خازن، اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان کمتر شده و ضریب توان به مقدار مطلوب نزدیک می‌ شود. این روش ساده‌ ترین راه برای بهبود ضریب توان است، زیرا بدون تغییر در بار مصرف‌ کننده، شرایط الکتریکی شبکه را اصلاح می‌ کند.

نتیجه استفاده از خازن سه فاز در اصلاح ضریب توان:

• کاهش جریان مصرفی در خطوط سه فاز
• بهبود شرایط کاری تجهیزات بدون تغییر در بار
• کاهش تلفات حرارتی کابل‌ها و تابلو برق
• رسیدن ضریب توان به محدوده استاندارد شبکه

فرمول‌ ها و روش محاسبه خازن سه فاز برای اصلاح ضریب توان

ظرفیت خازن باید دقیقا متناسب با شرایط الکتریکی بار، مقدار توان اکتیو و ضریب توان موجود محاسبه شود. در غیر این صورت، یا اصلاح ضریب توان به‌ طور کامل انجام نمی‌ شود، یا سیستم دچار اضافه‌ خازنی خواهد شد.

در این بخش، ابتدا فرمول‌ های اصلی محاسبه خازن سه فاز معرفی می‌ شود و سپس روش محاسبه ظرفیت خازن به‌ صورت مرحله‌ به‌ مرحله توضیح داده خواهد شد تا بتوان بر اساس داده‌ های واقعی، مقدار خازن موردنیاز را به‌ طور دقیق تعیین کرد.

فرمول اصلی محاسبه توان راکتیو خازن سه فاز (Qc)

پس از مشخص شدن شرایط بار، مقدار توان راکتیو خازن سه فاز از رابطه زیر محاسبه می‌ شود:

Qc = P × (tanφ۱ − tanφ۲)

در این فرمول:

P: توان اکتیو بار (kW)
φ۱: زاویه فاز متناظر با ضریب توان اولیه
φ۲: زاویه فاز متناظر با ضریب توان بعد از اصلاح
Qc: توان راکتیو خازن موردنیاز (kVAR)

زاویه‌ های فاز از رابطه زیر به دست می‌ آیند:

φ = cos⁻¹(PF)

که در آن PF همان ضریب توان است.

مراحل محاسبه به‌ صورت خلاصه

برای انجام صحیح محاسبه خازن سه فاز، مراحل زیر به‌ ترتیب انجام می‌ شود:

1. تعیین توان اکتیو مصرف‌ کننده از روی پلاک تجهیزات یا قبض برق
2. مشخص کردن ضریب توان اولیه سیستم
3. انتخاب ضریب توان هدف (معمولا بین ۰٫۹۵ تا ۰٫۹۹)
4. محاسبه مقدار تانژانت زاویه فاز برای ضریب توان اولیه و ضریب توان نهایی
5. محاسبه توان راکتیو خازن موردنیاز بر حسب کیلووار (Qc)
6. تبدیل توان راکتیو محاسبه‌ شده به ظرفیت خازن سه فاز

پس از به‌ دست آمدن مقدار Qc، ظرفیت خازن سه فاز معمولا بر حسب kVAR انتخاب می‌ شود. در عمل:

• اگر عدد به‌ دست‌آمده دقیق نباشد، نزدیک‌ ترین ظرفیت استاندارد بالاتر انتخاب می‌ شود
• ظرفیت نهایی می‌ تواند به‌ صورت خازن ثابت یا بانک خازنی پله‌ ای اجرا گردد

مثال عددی کامل محاسبه ظرفیت خازن سه فاز

فرض کنید یک واحد صنعتی دارای مشخصات زیر است:

• توان اکتیو مصرف‌ کننده: ۱۰۰ کیلووات
• ضریب توان اولیه سیستم: ۰٫۷۵
• ضریب توان مطلوب پس از اصلاح: ۰٫۹۵

هدف، محاسبه ظرفیت خازن سه فاز موردنیاز برای اصلاح ضریب توان این سیستم است.

گام اول: محاسبه تانژانت زاویه فاز اولیه و نهایی

برای ضریب توان اولیه ۰٫۷۵، مقدار تانژانت زاویه فاز به‌ صورت تقریبی برابر است با:

Tanφ۱ ≈ ۰٫۸۸

برای ضریب توان هدف ۰٫۹۵، مقدار تانژانت زاویه فاز برابر است با:

Tanφ۲ ≈ ۰٫۳۳

(این مقادیر معمولا از جدول ضریب توان یا ماشین حساب مهندسی به دست می‌ آیند.)

گام دوم: محاسبه توان راکتیو خازن موردنیاز

فرمول محاسبه توان راکتیو خازن سه فاز:

Qc = P × (Tanφ۱ − Tanφ۲)

جایگذاری اعداد:

Qc = 100 × (۰٫۸۸ − ۰٫۳۳)

Qc = 100 × ۰٫۵۵

Qc = 55 kVAR

بنابراین، توان راکتیو خازن موردنیاز سیستم برابر با ۵۵ کیلووار است.

گام سوم: انتخاب ظرفیت استاندارد خازن سه فاز

از آنجا که خازن‌ ها در ظرفیت‌ های استاندارد تولید می‌ شوند، در عمل:

• نزدیک‌ ترین ظرفیت استاندارد بالاتر انتخاب می‌ شود
• در این مثال، خازن ۶۰ kVAR سه فاز گزینه مناسب خواهد بود

در صورتی که بار متغیر باشد، می‌ توان این ظرفیت را به‌ صورت بانک خازنی پله‌ ای (مثلا ۲۰ + ۲۰ + ۲۰ کیلووار) اجرا کرد.

جمع‌ بندی مثال محاسباتی

• توان اکتیو مصرف‌ کننده: ۱۰۰ kW
• ضریب توان قبل از اصلاح: ۰٫۷۵
• ضریب توان بعد از اصلاح: ۰٫۹۵
• ظرفیت خازن موردنیاز: حدود ۵۵ kVAR
• ظرفیت انتخابی عملی: ۶۰ kVAR

نکات مهم و خطاهای رایج در محاسبه خازن ۳ فاز

در محاسبه خازن سه فاز، بعضی اشتباهات رایج باعث می‌ شود اصلاح ضریب توان به‌ درستی انجام نشود یا حتی سیستم دچار مشکل شود. توجه به نکات زیر از بروز این خطاها جلوگیری می‌ کند:

• محاسبه ظرفیت خازن بر اساس توان اسمی تجهیزات به‌ جای توان واقعی مصرفی
• انتخاب ضریب توان هدف غیرواقعی (مثلا بالاتر از ۰٫۹۹)
• عدم توجه به تغییرات بار و استفاده از خازن ثابت برای بارهای متغیر
• انتخاب ظرفیت دقیق بدون در نظر گرفتن رنج‌ های استاندارد خازن
• بی‌ توجهی به اضافه‌ خازنی که می‌ تواند باعث افزایش ولتاژ و آسیب تجهیزات شود

در پروژه‌ های صنعتی، این موارد معمولا منجر به انتخاب نادرست خازن و کاهش راندمان اصلاح ضریب توان می‌ شوند.

خازن ثابت یا بانک خازنی اتوماتیک؛ کدام مناسب‌ تر است؟

انتخاب نوع سیستم اصلاح ضریب توان به شرایط بار بستگی دارد:

خازن سه فاز ثابت

• مناسب برای بارهای تقریبا ثابت و یکنواخت
• ساختار ساده و هزینه اولیه کمتر
• عدم توانایی در تطبیق با تغییرات بار

بانک خازنی اتوماتیک

• مناسب برای بارهای متغیر و صنعتی
• تنظیم خودکار ظرفیت خازن بر اساس ضریب توان لحظه‌ ای
• جلوگیری از اضافه‌ خازنی و نوسان ولتاژ
• هزینه اولیه بیشتر، اما عملکرد دقیق‌ تر

در بیشتر کاربردهای صنعتی، استفاده از بانک خازنی اتوماتیک انتخاب مطمئن‌ تری محسوب می‌ شود.

جمع‌ بندی

محاسبه خازن ۳ فاز، اساس اصلاح اصولی ضریب توان در سیستم‌ های صنعتی است. با تعیین توان اکتیو مصرفی، ضریب توان اولیه و ضریب توان هدف، می‌ توان ظرفیت خازن موردنیاز را به‌ صورت دقیق محاسبه و نزدیک‌ ترین ظرفیت استاندارد را انتخاب کرد. انجام صحیح این محاسبات باعث کاهش تلفات برق، جلوگیری از جریمه‌ های انرژی و افزایش عمر تجهیزات الکتریکی می‌ شود. برای بارهای متغیر، استفاده از بانک خازنی اتوماتیک انتخابی مطمئن‌ تر و ایمن‌ تر خواهد بود.

انتهای پیام/