الکتروتکنیک-برق صنعتی

ظرفیت خازن  عبارت است از  مقدار بار الکتریکی که باید روی یکی از صفحات خازن جمع شود تا پتانسیل آن نسبت به صفحه دیگر به اندازه یک ولت افزایش یابد به عبارت دیگر خارج قسمت بار الکتریکی Q ذخیره شده روی هر یک از صفحات خازن بر اختلاف پتانسیل U میاندو صفحه را ظرفیت خازن می نامیم که با حرف C نشان میدهند و واحد آن فاراد است و آن عبارتست از نسبت یک کولن ( 10²⁸ × 28/6 الکترون ) بار ذخیره شده در هر یک از صفحات خازنی به اختلاف پتانسیل یک ولت ؛به عبارت دیگر فاراد ظرفیت خازنی است که اگر به منبع ولتاژ یک ولتی وصل شود در آن یک آمپر ثانیه ( کولن ) بار الکتریکی ذخیره گردد . فاراد برای یک خازن بسیار بزرگ است و معمولاً از واحد های کوچکتری مانند میلی فاراد ، میکرو فاراد و نانو فاراد استفاده می شود .   

C = Q/ V

 - عوامل موثر بر ظرفیت خازن : 

 الف ) مساحت صفحات .

ب ) فاصله بین صفحات .

ج ) دی الکتریک استفاده شده .

بر طبق موارد بالا فرمول اندازه گیری ظرفیت خازن بدین شکل خواهد بود :

C = ( K × A ×ε₀ ) / d

که در آن : C – ظرفیت خازن بر حسب فاراد   

و ....

A - سطح موثر هادی ها

 K – ضریب دی الکتریک عایق

   d  - ضخامت عایق یا فاصله بین صفحات

 - ضریب تناسب که وابسته به واحد ها می باشد که اگر A بر حسب متر مربع ، d بر حسب متر و C بر حسب فاراد باشد ،  آنگاه : ε₀ = 0.885 × 10 ^{– 11}

 انرژی ذخیره شده در خازن ها ( W ) به صورت زیر است :

W =( Q × U ) / 2 

 ثابت زمانی خازن :

اگر خازنی را به اختلاف پتانسیلی وصل کنیم به سرعت شارژ می شود ، شارژ سریع خازن به خاطر آنست که مقاومتی در مسیر شارژ وجود ندارد . حال اگر مقاومتی را در مسیر قرار دهیم زمان شارژ بیشتر خواهد شد . مقدار دقیق زمان شارژ به مقدار مقاومت قرار گرفته در مسیر شارژ و ظرفیت خازن بستگی دارد . ثابت زمانی بر حسب ثانیه است و با ζ نمایش می دهند .

(R×C = ζ) ثابت زمانی خازن عبارتست از مدت زمانی که طول می کشد تا ولتاژ دو سر خازن به 2/63% ولتاژ ماکزیمم دو سر خود ( ولتاژ منبع ) برسد . شارژ یک خازن در حدود 5 ثابت زمانی طول می کشد و خالی شدن آن نیز در حدود 5 ثابت زمانی انجام می گیرد . 

- خازن در جریان متناوب :

خازن جریانهای متناوب را از خود عبور می دهد و مقاومتی را که در این جریان از خود نشان  می دهد با فرکانس جریان و ظرفیت خازن نسبت عکس دارد ، این  مقاومت را با X_C  نشان می دهند . ( این مقاومت در مقابل عبور جریان خازنها مخالفت می کند ) .

X_C = 1 / ( 2ΠFC)

-           X_C بر حسب اهم است ( کاپاسیتانس ) .

-           C ظرفیت بر حسب فاراد .

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

خازن در جریان متناوب باعث میشود جریان به اندازه نود درجه از ولتاژ جلو بیفتد . توان مصرفی مفید خازن صفر است و آنچه که از شبکه می گیرد یک توان راکتیو است . جریان متناوب بعلت فرکانس سبب تغییر پلاریته دو سر خازن شده و جریان متناوب از خازن به راحتی عبور می کند ولی خازن در جریان مستقیم مانند یک عایق عمل می کند . ولتاژ خازن با ولتاژ منبع همیشه 180 درجه اختلاف فاز دارد ، جریان عبوری از خازن با فرکانس ولتاژ داده شده نسبت مستقیم دارد . خازن همیشه با تغییرات ولتاژ مخالفت می کند . 

- اتصال خازن ها :

الف ) اتصال سری خازنها :

در اتصال سری خازنها ، فاصله موثر بین صفحات بیشتر شده و ظرفیت معادل مجموعه خازنی کاهش می یابد . در اتصال سری تنها دو صفحه ابتدایی و انتهایی از  مجموعه خازنی که به مولد بسته شده اند از مولد بار الکتریکی دریافت می کند و صفحات دیگر از طریق القا دارای بار الکتریکی می شوند  بنابر این میزان بار الکتریکی همه خازن ها یکی است ولی اختلاف پتانسیل دو سر مجموعه برابر حاصل جمع اختلاف پتانسیل های دو سر خازن هاست .

Q_T = Q₁ = Q₂ = ….= Q_n

U_t = U₁ + U₂ + …+U_n

خازنهای متوالی پهنه کاربرد کمی دارند و آن بخاطر مسائل خاص مربوط به هر کاربرد آن است که باید تحقیقات مهندسی پیچیده ای انجام شود . همچنین بعلت دشواری حفاظت خازنها در جریانهای عیبکرد سیستم و فرو تشدید ترانسفورماتورها و تشدید زیر سنکرون در طی راه اندازی موتور ، کاربرد زیادی در سیستم های قدرت ندارند . خازن متوالی یک راکتانس منفی ( خازنی ) است که با راکتانس مثبت ( القایی ) مدار متوالی میشود و همه یا بخشی از آنرا جبران می کند . بنابراین اثر اصلی خازن متوالی کاستن یا حذف افت ولتاژ ناشی از راکتانس القایی مدار است ، حتی میتوان در نظر داشت که خازن متوالی یک تنظیم گر ولتاژ است و برافزایی ولتاژی متناسب با اندازه و ضریب توان جریان تامین می کند ، بنابراین خازن متوالی افزایش ولتاژی بوجود می آورد که خود به خود و همزمان با رشد بار زیاد میشود ، همچنین خازن متوالی در ضریب توانهای کمتر که افت ولتاژ بیشتر است افزایش ولتاژی خالصی بیشتر از خازن موازی پدید می آورد ، ولی خازنهای متوالی ضریب توان سیستم را بسیار کمتر از خازن های موازی بهبود می بخشند و اثر کمتری در جریان سیستم دارند . 

ب ) اتصال موازی خازن ها :

در اتصال موازی خازن ها سطح موثر صفحات زیاد تر شده و ظرفیت معادل افزایش می یابد ، در این حالت اختلاف پتانسیل آنها با هم برابر اما بار الکتریکی آنها مختلف است و بار الکتریکی کل برابر  با مجموع بار هاست .

Q_t = Q₁ + Q₂ + ….+ Q_n

U_t = U₁ = U₂ = …= U_n

C = C₁ + C₂ + …+ C_n

خازنهای موازی  به موازات خط ها بسته میشوند . خازنهای موازی توان یا جریان نوع راکتیو را تامین می کنند تا مولفه نا همفاز جریان مورد نیاز یک بار القایی را جبران کند . از جهتی خازنهای موازی با کشیدن جریان پیش فاز که بخشی یا همه مولفه پس فاز جریان بار القایی را در نقطه نصب ، خنثی می کند  مشخصه آن را اصلاح می کند . بنابراین خازن موازی همان اثر خازن سنکرون یعنی ژنراتور یا موتور سنکرون ( همزمان ) پر تحریک را دارد .

با بکار گیری خازن موازی می توان جریان بار را کم کرد و ضریب توان مدار را بهبود بخشید ولی خازنهای موازی اثری بر جریان یا ضریب توان مدار بعد از نقطه نصب خود را ندارند.وظیفه اصلی خازن ها چه بصورت متوالی و چه بصورت موازی عبارتست از تنظیم ولتاژ و گذر توان اکتیو در محل نصب آنها . خازنهای موازی این کار را با تغییر ضریب توان بار انجام می دهند و خازنهای متوالی راکتانس القایی را جبران می کنند ، به عبارت دیگر خازن متوالی یک راکتانس منفی ( خازنی ) است که با راکتانس مثبت ( القایی ) مدار متوالی میشود و همه یا بخشی از آن را جبران می کند ؛ بطور کلی خازن ها را میتوان در هر تراز ولتاژی بکار برد ، می توان خازن ها را به موازات یکدیگر اضافه کرد تا ظرفیت کیلو واری مطلوب بدست آید و می توان آنها را به توالی کنار هم گذاشت تا کیلو ولت ولتاژ مورد نظر بدست آید .

می دانیم که بار سیستمهای برق رسانی دارای دو مولفه توان اکتیو و وتوان راکتیو است ؛ توان اکتیو را باید در نیروگاهها تولید کرد در حالی که توان راکتیو را نیز می توان در نیروگاهها تولید کرد ، این واقعیت عیان است که خازنهای قدرت موازی ، اقتصادی ترین منبع تامین توان راکتیو لازم بارهای القایی آن دسته از خط های انتقال اند که در ضریب توان پس فاز کار می کنند .

هنگامی که فقط در نیروگاهها توان راکتیو تولید کنیم ، اندازه همه اجزای سیستم ( یعنی ترانسفورماتورها ، خطوط انتقال و توزیع و..) بایئ متناسباً افزایش یابد . خازنها می توانند با کاهش تقاضای توان راکتیو در پشت خود تا ژنراتور ، این شرایط را تعدیل کنند ؛ جریان خط از پشت سر خازن تا تجهیزات تولید کاهش می یابد در نتیجه ، اتلاف های خطوط توزیع ، ترانسفورماتورهای پست و    خط های انتقال کاهش می یابد . 

بطور کلی منافع اقتصادی حاصل از نصب خازن را می توان چنین خلاصه کرد :

-           آزاد سازی ظرفیت تولید

-           آزاد سازی ظرفیت انتقال

-           آزاد سازی ظرفیت پست توزیع

-           آزاد سازی ظرفیت در سیستم های توزیع

-           کاهش اتلاف انرژی در مس

-           کاهش افت ولتاژ

باید توجه داشت که محل مناسب خازنها و میزان کیلو وار انتخابی و نحوه اتصال خازنها به هم و به شبکه از موضوعاتی است که نیاز به بررسی و محاسبه بیشتر دارد تا حد اکثر استفاده از این سیستم انجام گیرد .

تصحیح ضریب توان :

در سیستم برق رسانی ، بخصوص در فصول پر مصرف ، بار راکتیو با ضریب توان حدود 80% تولید خواهد شد ؛ بنابراین طبق شکل صفحه بعد قسمت "الف" در بار ، جریان نسبت به ولتاژ پس فاز خواهد بود . کسینوس زاویه بین جریان و ولتاژ را ضریب توان مدار می گویند . اگر مولفه های جریان را در ولتاژ سر مصرف کننده ضرب کنیم ، رابطه حاصل را می توان روی مثلث  توان ( قسمت "ب" شکل ) نشان داد . این شکل رابطه موجود بین کیلو وات و کیلو ولت آمپر و کیلو وار را نمایش می دهد . با افزودن خازن می توان مولفه توان راکتیو (Q) ،  توان ظاهری بار (S) را کم یا کلاً حذف نمود .

خازنهای موازی نیز به چند طریق با بار بصورت موازی قرار می گیرد که در بیشتر پستهای فوق توزیع بصورت ستاره زمین نشده است که برای ترانس با توانهای بالاتر از دو ستاره که نوترالهای آن بهم وصل شده اند استفاده می گردد .در محل اتصال دو نوترال معمولا از ترانس جریان برای حفاظت از تعادل ظرفیت خازنها استفاده میشود تا عدم تعادل در ظرفیت موجب آسیب به خازنهای دیگر نگردد . علاوه بر آن برای جلوگیری از جریانات هجومی بروی خازنها نیز راکتور های کوچکی نصب می گردد که توسط جریان هوا خنک خواهد شد  ، همچنین فیوزهای کات اوت نیز در مسیر خازنها قرار خواهد داشت .

مجموعه خازنها نیز به چند طریق وارد مدار خواهند شد که معمول آن در پستهای فوق توزیع با توجه به میزان توان راکتیو و ولتاژ ثانویه ورودی ترانس خواهد بود که امکان در مدار بودن یا خارج شدن را صادر می نماید