بهینه سازی مصرف انرژی الکتریکی در کارگاههای صنعتی

مقدمه:
اغلب دستگاهها و مصرف كنندگان الكتريكي براي انجام كار مفيد نيازمند مقداري راكتيو براي مهيا كردن شرايط لازم براي كار هستند بعنوان مثال موتورهاي الكتريكي AC براي تبديل انرژي الكتريكي به انرژي مكانيكي، نيازمند توليد شار مغناطيسي در فاصله هوايي موتور هستند. ايجاد شار تنها توسط توان راكتيو امكان پذير است و با افزايش بار مكانيكي موتور مقدار توان راكتيو بيشتري مصرف مي گردد.

عمده مصرف كنندگان انرژي راكتيو عبارتند از:
۱)- سيم هاي الكترونيك قدرت
الف) مبدلهاي AC/DC (RecTifier )
ب) مبدلهاي DC/AC (INVERTER )
ج) مبدلهاي AC/AC (Converter )

۲) مصرف كنندگان يا تجهيزاتي كه داراي منتخه غير خطي هستند:
۳) متعادل سازهاي بارهاي نا متعادل.
۴) تثبيت كنندهاي ولتاژ
۵) كوره هاي القايي
۶) كوره هاي قوس الكتريكي
۷) سيستم هاي جوشكاري AC/DC

-انتقال انرژي راكتيو، انتقال جريان الكتريكي است و انتقالش نيازمند به كابل با سطح مقطع بزرگ تر دكل هاي فشار قوي مقاومتر، و در نتيجه هزينه هاي مازاداست، و همچنين افزايش تلفات الكتريكي وكاهش راندمان شبكه را نيز همراه دارد. و در مواردي مانند كاربردهاي الكترونيك قدرت و متعادل سازي بارهاي نا متعادل حتي انتقال انرژي راكتيو هم كار ساز نبوده و بايد انرژي در محل توليد نشود.

خازن بعنوان توليد كننده انرژي راكتيواست اما خازن توان راكتيو را توليد نكرده بلكه مصرف كننده آن نيز مي باشد. فقط در زمان كه ملف در خود انرژي ذخيره مي نمايد (توان راكتيو كه از شبكه مي كشد)، خازن، انرژي ذخيره خود را به شبكه تحويل مي دهد. و در زماني كه علف و خازن در كنار همديگر قرار گيرند موجبات تبادل انرژي بين علف و خازن گشته و ديگر تبادل انرژي بين مصرف كننده و شبكه صورت نمي گيرد.

تثبيت ولتاژ:
مورد استفاده ديگر خازن، تثبيت ولتاژ محل تغذيه باراست افزايش بار به معني افزايش دامنه جريان كشيده نشده از شبکه زدياد افت ولتاژ در محل تغذيه است.
۱) تقويت شبكه:ب
تقويت شبكه به معني كاهش امپرانس معادل شبكه در محل تغذيه مي باشد انجام اين مهم با افزايش ولتاژ شبكه و با تغذيه چند سوبه بار امكان پذير است كه براي اكثر مصرف كنندگان امكان پذير نيست.

۲) كاهش بار:
افت ولتاژ از حد مجاز را با تقليل دادن بار و تنظيم متوالي زماني بهره برداري دستگاهها مي توان جبران نمود.
۳) استفاده از خازن
با تزريق كردن Q وار تتوان راكتيو به شبكه در محل مصرف ولتاژ از U1 به U2 افزايش پيدا كرد. كه ولتاژ U2 از فرمول تقريبي زير به دست مي آيد:

قدرت اتصال كوتاه شبكه در محل مصرف: S
قدرت راكتيو پياده سازي شده : Q
با استفاده از ويژگي فوق مي توان به تثبيت ولتاژ پرداخت. البته بايد دانست كه تثبيت ولتاژ و تنظيم ضريب توان بصورت همزمان امكان پذير نيست.
تمامي خازنها بصورت تكفاز بسته مي شوند و در ولتاژهاي پايين سه خازن تكفاز بصورت ستاره يا مثلث به متصل مي شوند.

ضريب توان:
ضريب توان معياري براي سنجش ميزان توان راكتيو مورد نياز دستگاههاي براي تبديل انرژي مي باشند. ضريب توان طبق تعريف عبارت است از نسبت توان اكتيو به كل توان الكتريكي
با اتصال خازن به بار، ضريب قدرت كل مجموعه مصرف كننده و خازن تغيير مي كند چرا كه بخشي از انرژي راكتيو مورد نياز به مصرف كننده را خازن تامين مي كند و تنها نياز به دريافت جزء باقيمانده از شبكه مي باشد.
با اتصال Q وار خازن به مصرف كننده اي با ضريب توان ضريب توان مجموعه خازن و بار به تغيير پيدا مي كند كه را از رابطه مقابل مي توان محاسبه كرد.

رگولاتور:
رگلاتور اصلاح ضريب قدرت يكي از اساسي ترين بانكهاي خازني با قدمتي تقريبا برابر با قدمت خازن مي باشد
طبق تعريف رگلاتور دستگاهي است كه با اندازه گيري ضريب توان بار، به مقدار مورد نياز خازن به مدار وارد مي نمايد.
اصول كار رگلاتور:
فرض كنيم مي خواهيم به صورت دستي و بويد دستگاههاي اندازه گيري توان اكتيو و راكتيو، ضريب توان را اصلاح كنيم همچنين فرض كنيم كه ۵ عدد خازن هم ظرفيت q كيلوواري در اختيار داريم روند تنظيم به شرح زير مي باشد:
مرحله۱) اندازه گيري توان اكتيو و راكتيو.
مرحله۲) محاسبه ضريب توان با استفاده از فرمول
مرحله۳) محاسبه توان راكتيو مورد نياز براي رسيدن به ضريب توان مطلوب
مرحله۴) تفريق Q كيلووار راكتيو به مدار.

در اين جا دو حالت پيش مي آيد:
حالت الف: Q كيلووار معادل ۳۰۸q مي باشد يعني ۳ پله واحد و ۰٫۸ پله را وارد مدار نمائيم حال دو انتخاب وجود دارد:
وارد كردن ۳ پله (به ضريب توان مطلوب نمي رسيم)
وارد كردن ۴ پله (ضريب توان بزرگ تر از مقدار مطلوب مي شود)
حال بايد بپذيريم كه:
در هر حال مقداري خطا وجود دارد اين ميزان خطا چقدر است؟ به چه عواملي بستگي دارد؟ و چگونه مي توان آنرا كنترل نمود؟

پاسخ به دو سوال آخر آسان است: ظرفيت كوچكترين پله چون كل راكتيو مورد نياز به مضربي از كوچك ترين پله گرد مي شود. و هر چه اين عدد كوچك تر باشد خطا كمتر است. ولي كوچك ساختن پله اول موجب استهلاك قطعات، افزايش تعداد قطع و وصل ها ايجاد شوك و تنش هاي الكترومكانيكي مي شود.
نسبت C/K در واقع تنظيم كننده دقت يا خطاي تنظيم است. و معمولا ميزان خطا متناسب است با ۰٫۵ الي ۰٫۶۵ كوچكترين پله بانك خازن.

در رگلاتوري كه مبناي خطا ۰٫۶۵ كوچك ترين پله است بجاي ۵٫۶۷ برابر كوچك ترين پله (۰٫۶۵*q)، ۶ برابر كوچكترين پله يعني ۶*q وارد مدار مي شود و بجاي ۵٫۴ برابر كوچك ترين پله، S برابر كوچكترين پله يعني ۵*q وارد مدار مي شود.
پس هر خطا به صورت زير فرمول بندي مي شود.
نسبت تبديل ترانس جريان = K
محاسبه خازن گذاري:
همانطور كه گفته شد اهميت خازن در سيستم هاي صنعتي كاملا متهود مي باشد. ضريب توان كل سيستم برابر با ۰٫۷۹۶۶ مي باشد. حالت مطلوب براي ما، بودن ضريب تواني برابر با ۰٫۹۵ مي باشد.

مرحله اول كه اندازه گيري توان اكتيو و راكتيو و مرحله دوم كه محاسبه ضريب توان مي باشد انجام نشده است.
حال مرحله سوم كه محاسبه توان راكتيو مورد نياز براي رسيدن به ضريب توان مطلوب است را انجام مي دهيم:

بانك خازن ۴۲۵KVAR به عنوان بانك خازني در نظر گرفته مي شود.