خازن

در این مطلب قصد داریم ابتدا به توضیحی درباره ی این موضوع بپردازیم که خازن چیست ؟ و در ادامه نیز توضیحاتی در زمینه انواع خازن ها و رایج ترین کاربرد خازن ها در صنعت، مطرح می شود.

خازن چیست

خازن یک قطعه الکتریکی است که می تواند انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کند به همین دلیل می توان از خازن جهت ایجاد میدان الکتریکی یکنواخت و پایدار در مدار استفاده کرد. همچنین خازن به عنوان فیلتر در مدار مورد استفاده قرار می گیرد زیرا خازن سیگنال های متناوب را عبور می دهد و از عبور سیگنال های DC جلوگیری می کند.

انواع خازن های صنعتی

به طور کلی انواع خازن های صنعتی به دو دسته تقسیم می شود:

1.  خازن های فشار ضعیف 

2.  منظور از فشار ضعیف، سطح ولتاژ کمتر از 1000 ولت می باشد. خازن های فشار ضعیف معمولا به صورت سیلندری (خشک) ، به دو صورت سه فاز و تکفاز ساخته می شوند. ظرفیت خازن های فشار ضعیف از 2.5 کیلووار الی 30 کیلووار است، البته در خازن های تکفاز 1 کیلووار نیز تولید می شود. این خازن ها جهت اصلاح ضریب قدرت در شبکه برق فشار ضعیف مورد استفاده قرار می گیرند.

3.  

4.  خازن های فشار متوسط

5.  منظور از فشار متوسط، سطح ولتاژ بیشتر از 1000 ولت می باشد. خازن های فشار متوسط معمولا به صورت روغنی و در طراحی تکفاز و سه فاز می باشند. مهم ترین مشخصه های خازن ، کیلو وار، ولتاژ و فرکانس نامی می باشد. خازن روغنی در سه نوع خازن کتابی، خازن استوانه ای و خازن سیلندری تولید می شود.

کار خازن چیست

در این بخش سعی داریم به معرفی کاربرد خازن در صنعت بپردازیم . مهم ترین و رایج ترین کاربرد خازن در صنعت، استفاده به عنوان تولید کننده بار راکتیو به منظور تنظیم ،کنترل ولتاژ ، جلوگیری از نوسانات قدرت در شبکه‌ها و اصلاح ضریب توان در مصرف کننده‌ها می باشد.

خازن اصلاح ضریب قدرت

قبل از توضیح خازن اصلاح ضریب قدرت، آشنایی با چند کمیت ضروری می باشد:

1. انواع مصرف کننده های الکتریکی:

   1. مصرف کننده های مقاومتی (اکتیو):

   2. مصرف کننده های مقاومتی از عناصر و اجزای مقاومتی خالص تشکیل شده اند(مانند لامپ‌های رشته‌ای، بخاری‌های برقی، اجاق‌های برقی و ...) و در شرایط ایده آل، همه توان تزریقی به آن ها کار انجام می دهد( این توان، توان اکتیو نامیده می شود (شکل موج ولتاژ و جریان همفاز است))

   •  

   1. مصرف کننده های راکتیو :

   2. مصرف کننده های راکتیو ( مانند خازن‌ها، موتورها، ترانسفورماتورها و...) باعث افت ولتاژ می شوند و از منبع، جریان می کشند و توانی که از منبع می کشند کار انجام نمی دهد و آن توان را به منبع باز می گردانند. (شکل موج ولتاژ و جریان اختلاف فاز دارد). مصرف کننده های راکتیو به دو دسته تقسیم می شوند:

      1. 1- مصرف کننده های سلفی: در مصرف کننده های سلفی توان کشیده شده از منبع، بدون انجام کار مستقیم، شار مغناطیسی را ایجاد می کند.( جریان نسبت به ولتاژ پسفاز است)

      2. 2- مصرف کننده های خازنی: در مصرف کننده های خازنی توان صرف شارژ خازن می شود و مستقیما کاری انجام نمی دهد.( جریان نسبت به ولتاژ پیشفاز است)

1. انواع توان در سیستم های الکتریکی

2. به طور کلی در سیستم های الکتریکی سه نوع توان مطرح است : توان اکتیو و راکتیو و توان ظاهری

   1.  توان اکتیو

   2.  توان اکتیو مولفه ای از توان است که باعث تولید انرژی حرارتی، نوری، مکانیکی و ... در مصرف کننده می شود. به اصطلاح توان اکتیو کار انجام می دهد. توان اکتیو با P نشان داده می شود و واحد آن وات (Watt) است.

   3.  

   4. توان راکتیو

   5. توان راکتیو در مصرف کننده های راکتیو وجود دارد. به دلیل اختلاف فاز بین شکل موج ولتاژ و جریان در مصرف کننده های راکتیو، انرژی مصرف شده راکتیو کاری انجام نمی دهد. توان راکتیو با Q نشان داده می شود و واحد آن وار (VAR) است.
   6.  

   7. توان ظاهری

   8. سیستم های الکتریکی معمولا از ترکیب مصرف کننده های مقاومتی و راکتیو تشکیل شده اند. بنابراین در یک سیستم الکتریکی توان کل (توان ظاهری) ترکیبی از مولفه های توان اکتیو و توان راکتیو است. توان ظاهری با S نشان داده می شود و واحد آن ولت-آمپر(VA)  است.

فرمول محاسبه ضریب توان :

Power factor=cosՓ=P/S
فرمول ضریب توان نشان می‌دهد که وجود مصرف کننده های راکتیو زیاد(در نتیجه افزایش توان راکتیو)، سبب افزایش توان ظاهری و در نتیجه افزایش زاویه Փ  می‌شود. این افزیش زاویه منجر به ضریب توان کمتر خواهد شد. در طرف مقابل، کاهش مصرف کننده های راکتیو (توان راکتیو) موجب افزایش ضریب توان می شود. ضریب توان عددی بین 0 و 1 است و هرچه مقدار ضریب توان به 1 نزدیکتر باشد، بازده سیستم بالاتر خواهد بود. اگر مقدار ضریب توان کم باشد، به این معنی است که انرژی منبع به طور کامل به کار مفید تبدیل نمی‌شود. این امر باعث اضافه ‌بار در سیستم توزیع می‌شود زیرا توان مورد نیاز بار هم اکتیو است و هم راکتیو که سیستم باید آن را تامین کند.

اصلاح ضریب توان

اصلاح ضریب توان، فرآیند تعدیل ضریب توان از مقادیر کوچکتر از 1 به مقادیر نزدیک 1 است. اصلاح ضریب توان با عبارت PFC نمایش داده می‌شود.
بهبود و اصلاح ضریب توان در شبکه عمدتا با اضافه کردن بارهای راکتیو خازنی در محلی نزدیک به مصرف کننده ها صورت می گیرد. این بارها به صورت موازی با ﻣﺼﺮف ﻛﻨﻨﺪﮔﺎن ﺗﻮان راﻛﺘﻴﻮ نصب می شوند و به اصلاح ضریب توان می پردازند.

خازن اصلاح ضریب قدرت

ﺧﺎزن ﻫﺎ ﻫﻢ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺳﻠﻒ ﻫﺎ ﺑﺎﻋﺚ اﻓزاﻳﺶ ﺗﻮان راکتیو (ﻏﻴﺮ ﻣﻔﻴﺪ) ﺷﺒﻜﻪ ﻣﻲ ﺷﻮﻧﺪ اما وقتی خازن و سلف با هم در شبکه قرار می گیرند، برعکس هم عمل می کنند، یعنی زﻣﺎﻧﻲ ﻛﻪ ﺳﻠﻒ ﺗﻮان ﻣﻲ ﮔﻴﺮد ﺧﺎزن ﺗﻮان ﻣﻲ دﻫﺪ و زﻣﺎﻧﻲ ﻛﻪ ﺳﻠﻒ ﺗﻮان ﻣﻲ دﻫﺪ ﺧﺎزن ﺗﻮان ﻣﻲ ﮔﻴﺮد بنابراین ﺗﻮان راکتیو اﻳﻦ دو ﻓﻘﻂ ﻳﻜﺒﺎر از ﺷﺒﻜﻪ درﻳﺎﻓﺖ ﻣﻲ ﺷﻮد و در زﻣﺎﻧﻬﺎی ﺑﻌﺪ ﺑﻴﻦ آﻧﻬﺎ ﺗﺒﺎدل ﻣﻲ ﺷﻮد ﺑﺪون اﻳﻨﻜﻪ ﻣﻮﻟﺪ اﻳﻦ ﺗﻮان را ﺗﺤﻤﻞ ﻛﻨﺪ. در این صورت مصرف کننده های سلفی توان راکتیو مورد نیاز خود را دریافت می کنند بدون اینکه نیاز باشد شبکه توزیع آن را تولید و پخش کند. به خازن هایی که توان راکتیو مصرف کننده های سلفی را فراهم میکنند، خازن اصلاح ضریب قدرت یا خازن اصلاح ضریب توان می گویند.

بانک خازنی

بانک خازنی مجموعه ای از خازن ها می باشد که به منظور اصلاح ضریب توان شبکه مورد استفاده قرار می گیرند. بانک خازنی معمولا در شبکه های انتقال انرژی، در پست‌های سوئیچینگ، شبکه توزیع، مراکز صنعتی و ... مورد استفاده قرار می گیرد. بطور کلی مهم ترین دلایل استفاده از خازن یا بانک خازنی را می توان در دو مورد خلاصه کرد:
1.    اصلاح ضریب توان بار در جهت کاهش تلفات در شبکه و صرفه جویی مصرف توان
2.    تنظیم ولتاژ و ثابت نگه داشتن آن جهت جلوگیری از وارد شدن خسارت به دستگاه ها

خازن راه اندازی موتور

جهت ایجاد گشتاور و راه اندازی موتورهای تکفاز القایی نیاز به یک اختلاف فاز جریانی بین سیم پیچ کمکی و اصلی موتور وجود دارد. اختلاف فاز مورد نیاز را با استفاده از خازن های راه اندازی ایجاد می کنند. خازن های راه انداز دارای ظرفیت خازنی بزرگی هستند. این خازن ها به صورت موقت در مدار قرار می گیرند. ( اگر در زمان طولانی تحت جریان قرار داشته باشند آسیب خواهند دید). جهت جلوگیری از آسیب دیدن خازن از یک کلید گریز از مرکز ستفاده می شود که پس از راه اندازی این خازن را از مدار خارج خواهد کرد.

تفاوت خازن دائم کار و خازن راه اندازی

خازنهای دائمی جهت کنترل ولتاژ و جریان سیم پیچ به صورت دائمی مورد استفاده قرار می گیرند و معمولا نسبت به خازن راه انداز مقدار ظرفیت خازنی بسیار کمتری دارند.
خازنهای راه انداز مقدار زیادی از ظرفیت خازنی مورد نیاز برای راه اندازی موتور را در یک بازه زمانی کوتاه (چند ثانیه) دارا هستند. خازن های راه انداز کارکرد دوره¬ ای دارند و اگر به صورت پیوسته در مدار تحت ولتاژ باشند خیلی سریع خراب می شوند.

روش تست خازن

در این بخش به توضیح روش تست خازن های صنعتی می پردازیم.
جهت تست خازن، اولین گام قطع کردن برق مدار است. پس از اطمینان از قطع برق، خازن را از مدار جدا کنید و با استفاده از یک تیغه فلزی با دسته عایق ولتاژ ذخیره شده در خازن را دشارژ کنید. این کار با اتصال کوتاه کردن ترمینال های خازن انجام می شود. (ممکن است در هنگام دشارژ کردن خازن صدا یا جرقه ای تولید شود.)

اکثر مولتی مترهای دیجیتال، امکان اندازه¬ گیری مقدار ظرفیت خازنی را در حالت تست خازن دارند. برای این منظور، پروبهای مولتی متر را به ترمینال های خازن وصل می کنیم  و مولتی متر را روی حالت تست خازن تنظیم می کنیم, عدد نمایش داده شده با اختلاف کمی (در حد 10 درصد و یا کمتر) ظرفیت خازن را نمایش می دهد که می توانید با عدد نوشته شده بر روی خازن مقایسه کنید. معمولا مقدار ظرفیت خازن های فرسوده افت می کند بنابراین وقتی مولتی متر عددی کمتر از مقدار ذکر شده را نمایش داد، زمان تعویض خازن فرارسیده است.