بانک‌های خازنی اصلاح ضریب توان در تابلوهای توزیع نیرو، برخلاف تصور رایج، بیشتر از تنش ولتاژ از تنش حرارتی آسیب می‌بینند. جریان ریپل ناشی از هارمونیک‌های شبکه، تلفات داخلی خازن را افزایش می‌دهد و اگر این گرما به‌درستی دفع نشود، عمر عایق و ضریب توان بانک به‌سرعت کاهش می‌یابد. در این مقاله، با تمرکز بر شرایط عملیاتی صنایع داخل کشور، روش محاسبه تلفات حرارتی، معیارهای انتخاب خازن و اقدامات نصب برای کنترل دما بررسی می‌شود.
منابع تنش حرارتی در بانک خازنی
جریان عبوری از بانک خازنی در حالت ایده‌آل تنها شامل جریان نامی در فرکانس شبکه است. اما در تأسیسات دارای درایوهای فرکانس‌متغیر، کوره‌های قوسی و منابع تغذیه سوئیچینگ، جریان بانک شامل مؤلفه‌های هارمونیکی قابل توجهی می‌شود. این هارمونیک‌ها تلفات دی‌الکتریک و تلفات ESR را به‌صورت درجه دوم با فرکانس افزایش می‌دهند؛ برای نمونه، تلفات مؤلفه هارمونیک پنجم می‌تواند چند برابر تلفات مؤلفه اصلی باشد.
عامل دوم، دمای محیط داخل تابلو است. در تابلوهای فلزی بسته با تراکم بالای تجهیزات، دمای داخلی می‌تواند ۱۰ تا ۱۵ درجه سلسیوس از دمای سالن بالاتر رود. در اقلیم گرم و در تابستان، دمای هوای داخل تابلو به بالای ۵۰ درجه سلسیوس می‌رسد که به‌تنهایی نیاز به کاهش بار مجاز خازن را الزامی می‌کند.
الزامات خازن بر اساس تنش حرارتی
برای انتخاب خازن مناسب، ابتدا باید جریان مؤثر کل (RMS) شامل مؤلفه‌های هارمونیکی محاسبه شود. این مقدار نباید از جریان نامی خازن تجاوز کند؛ در حضور هارمونیک‌های شدید، خازن با ولتاژ نامی بالاتر و جریان نامی بیشتر انتخاب می‌شود. مشخصه‌های کلیدی که در دیتاشیت باید بررسی شوند عبارت‌اند از:
- جریان ریپل مجاز در محدوده دمای نامی (بر حسب آمپر)؛
- مقدار ESR در فرکانس ۱۰ کیلوهرتز یا بیشتر؛
- کلاس دمایی و دمای مجاز سطح بدنه؛
- منحنی کاهش بار بر حسب دمای محیط (که معمولاً از ۴۵ درجه سلسیوس شروع می‌شود)؛
- مقاومت مکانیکی پایانه‌ها و نوع عایق برای نصب در تابلو.
برای خازن‌های اصلاح ضریب توان با دی‌الکتریک پلی‌پروپیلن، مقدار ESR معمولاً پایین است، اما در بانک‌های با توان بالا، مجموع تلفات چند خازن در یک محفظه می‌تواند حرارت قابل توجهی ایجاد کند. در این حالت، باید تعداد خازن در هر ردیف و فاصله بین آن‌ها طوری تنظیم شود که جریان هوا به‌صورت طبیعی یا اجباری عبور کند.
مقادیر راهنمای محاسبه تلفات و انتخاب
جدول زیر مقادیر معمول برای طراحی اولیه یک بانک خازنی را نشان می‌دهد؛ این مقادیر برای برآورد اولیه به‌کار می‌روند و در گام نهایی باید از دیتاشیت سازنده تأیید شوند.
| پارامتر | مقدار راهنما | نکته کاربردی |
|---|---|---|
| افزایش دمای مجاز بدنه نسبت به محیط | حداکثر ۱۰ درجه سلسیوس | در دمای محیط ۴۵ درجه، بدنه نباید از ۵۵ درجه تجاوز کند |
| ضریب کاهش بار در دمای ۵۰ درجه | ۸۵-۹۰ درصد جریان نامی | برای خازن با کلاس دمایی ۵۵/۷۰ |
| حداکثر THD مجاز جریان بانک | ۱۰ درصد | بالاتر از این مقدار نیاز به فیلتر هارمونیک دارد |
| فاصله عمودی بین خازن‌ها | حداقل ۲۵ میلی‌متر | برای جریان هوای طبیعی |
| سرعت هوای اجباری در کانال خنک‌کننده | ۲ تا ۴ متر بر ثانیه | با فن محوری یا دمنده |
نصب، خنک‌سازی و تست پذیرش
چیدمان بانک خازنی باید از پایین به بالا با مسیر باز برای عبور هوا طراحی شود. قرار دادن خازن‌ها به‌صورت افقی با بدنه کاملاً چسبیده به شاسی، دفع گرما را کاهش می‌دهد و باید از آن اجتناب شود. برای تابلوهای بسته، نصب فن با ترموستات تنظیم‌شده روی ۴۰ درجه سلسیوس و خروجی هوا در بالای تابلو معمول است.
در مرحله تست پذیرش، اندازهگیری دمای بدنه خازن با دماسنج تماسی یا تصویرگر حرارتی در بار نامی انجام می‌شود. اگر اختلاف دمای بین خازن‌های مختلف یک بانک از ۵ درجه سلسیوس بیشتر باشد، نشانه توزیع نامتوازن جریان یا کیفیت ناهمسان قطعات است. همچنین اندازهگیری جریان هر فاز با کلمپ جریان و مقایسه با جریان نامی، شاخص اولیه سلامت بانک است.
نکته مهم دیگر، بررسی دوره‌های تبادل حرارتی در کارکرد پله‌ای بانک است. خازنی که در چرخه‌های وصل و قطع سریع کار می‌کند، حتی با جریان نامی پایین، تنش حرارتی بیشتری نسبت به کارکرد پیوسته دارد؛ بنابراین در طراحی بانک با سوئیچینگ مکرر، ضریب کاهش بار اضافی در نظر گرفته می‌شود.
در شرایط اقلیمی گرم، حداکثر دمای محفظه تابلو معیار پذیرش است؛ نه دمای سالن. بدون اندازهگیری دمای داخل تابلو، هیچ تخمین عمری برای بانک خازنی قابل اعتماد نیست.
جمع‌بندی اینکه کنترل دمای بانک خازنی نیازمند سه اقدام همزمان است: انتخاب خازن با جریان ریپل کافی و ESR پایین، طراحی چیدمان با مسیر هوای مناسب، و پایش دمایی دوره‌ای در بهره‌برداری. انجام این سه اقدام، عمر مفید بانک را افزایش می‌دهد و هزینه توقف خط ناشی از خرابی ناگهانی را کاهش می‌دهد.