چکیده:

در این پروژه در مورد نقش توان راکتیو در شبکه های انتقال و فوق توزیع بحث شده است و شامل 5 فصل
می باشد که در فصل اول در مورد جبران بار و بارهایی که به جبران سازی نیاز دارند و اهداف جبران بار و جبران کننده های اکتیو و پاسیو و از انواع اصلی جبران کننده ها و جبران کننده های استاتیک بحث شده است و در فصل دوم در مورد وسایل تولید قدرت راکتیو بحث گردیده و درمورد خازنها و ساختمان آنها و آزمایش های انجام شده روی آنها بحث گردیده است و در فصل سوم در مورد خازنهای سری و کاربرد آنها در مدارهای فوق توزیع و ظرفیت نامی آنها اشاره شده است و در فصل چهارم در مورد جبران کننده های دوار شامل ژنراتورها و کندانسورها و موتورهای سنکرون صحبت شده است و در فصل پنجم ترجمه متن انگلیسی که از سایتهای اینترنتی در مورد خازنهای سری می باشد که در مورد UPFC می باشد.

فصل اول:

جبران بار

مقدمه

توان راکتیو یکی از مهمترین عواملی است که در طراحی و بهره برداری از سیستم های قدرت AC منظور می گردد علاوه بر بارها اغلب عناصر یک شبکه مصرف کننده توان راکتیو هستند بنابراین باید توان راکتیو در بعضی نقاط سیستم تولید و سپس به محل‌های موردنیاز منتقل شود.

در فرمول شماره (1-1) ملاحظه می گردد

قدرت راکتیو انتقالی یک خط انتقال به اختلاف ولتاژ ابتدا و انتها خط بستگی دارد همچنین با افزایش دامنه ولتاژ شین ابتدائی قدرت راکتیو جدا شده از شین افزایش می‌یابد و در فرمول شماره (2-1) مشاهده می گردد که قدرت راکتیو تولید شده توسط ژنراتور به تحریک آن بستگی داشته و با تغییر نیروی محرکه ژنراتور می توان میزان قدرت راکتیو تولیدی و یا مصرفی آن را تنظیم نمود در یک سیستم به هم پیوسته نیز با انجام پخش بار در وضعیت های مختلف می‌توان دید که تزریق قدرت راکتیو با یک شین ولتاژ همه شین ها را بالا می برد و بیش از همه روی ولتاژ همه شین تأثیر می گذارد. لیکن تأثیر زیادی بر زاویه ولتاژ شین ها و فرکانس سیستم ندارد بنابراین قدرت راکتیو و ولتاژ در یک کانال کنترل می شود که آنرا کانال QV قدرت راکتیو- ولتاژ یا مگادار- ولتاژ می گویند در عمل تمام تجهیزات یک سیستم قدرت برای ولتاژ مشخص ولتاژ نامی طراحی می شوند اگر ولتاژ از مقدار نامی خود منحرف شود ممکن است باعث صدمه رساندن به تجهیزات سیستم یا کاهش عمر آنها گردد برای مثال گشتاور یک موتور القایئ یک موتور با توان دوم و ولتاژ ترمینالهای آن متناسب است و یا شارنوری که لامپ مستقیماً با ولتاژ آن تغییر می نماید بنابراین تثبیت ولتاژ نقاط سیستم از لحاظ اقتصادی عملی نمی باشد از طرف دیگر کنترل ولتاژ در حد کنترل فرکانس ضرورت نداشته و در بسیاری از سیستم ها خطای ولتاژ در محدوده 5% تنظیم می شود. توان راکتیو مصرفی بارها در ساعات مختلف در حال تغییر است لذا ولتاژ و توان راکتیو باید دائماً کنترل شوند در ساعات پربار بارها قدرت راکتیو بیشتری مصرف می کنند و نیاز به تولید قدرت راکتیو زیادی در شبکه می باشد اگر قدرت راکتیو موردنیاز تأمین نشود اجباراً ولتاژ نقاط مختلف کاهش یافته و ممکن است از محدوده مجاز خارج شود. نیروگاه های دارای سیستم کنترل ولتاژ هستند که کاهش ولتاژ را حس کرده فرمان کنترل لازم را برای بالا بردن تحریک ژنراتور و درنتیجه افزایش ولتاژ ژنراتور تا سطح ولتاژ نامی صادر می کند با بالا بردن تحریک (حالت کار فوق تحریک) قدرت راکتیو توسط ژنراتورها تولید می شود لیکن قدرت راکتیو تولیدی ژنراتورها به خاطر مسائل حرارتی سیم پیچ ها محدود بوده و ژنراتورها به تنهایی نمی تواند در ساعات پربار تمام قدرت راکتیو موردنیاز سیستم را تأمین کنند بنابراین در این ساعات به وسایل نیاز است که بتواند در این ساعات قدرت راکتیو اضافی سیستم را مصرف نمایند نیاز می باشد. وسائلی را که برای کنترل توان راکتیو و ولتاژ بکار می روند «جبران کننده» می نامیم.

همانطوری که ملاحظه می شود توازن قدرت راکتیو در سیستم تضمینی بر ثابت بودن ولتاژ و کنترل قدرت راکتیو به منزله کنترل ولتاژ می باشد.

به طور کلی کنترل قدرت راکتیو ولتاژ از سه روش اصلی زیر انجام می گیرد.

1- با تزریق قدرت راکتیو سیستم توسط جبران کننده هائی که به صورت موازی متصل می شوند مانند خازن- راکتیو کندانسور کردن و جبران کننده های استاتیک

2- با جابجا کردن قدرت راکتیو در سیستم توسط ترانسفورماتورهای متغیر ازقبیل پی و تقویت کننده ها

3- از طریق کم کردن راکتانس القائی خطوط انتقال با نصب خازن سری

خازنها و راکتورهای نشت و خازنهای سری جبرانسازی غیر فعال را فراهم می آورند این وسایل با به طور دائم به سیستم انتقال و توزیع وصل می شوند یا کلید زنی می شوند که با تغییر دادن مشخصه های شبکه به کنترل ولتاژ شبکه کمک می کنند.

کندانسورهای سنکرون و SVC ها جبرانسازی فعال را تأمین می کنند توان راکتیو تولید شده یا جذب شده به وسیله آنها به طور خودکار تنظیم می شود به گونه ای که ولتاژ شینهای متصل با آنها حفظ شود به همراه واحدهای تولید این وسایل ولتاژ را در نقاط مشخصی از سیستم تثبیت می کنند ولتاژ در محلهائی دیگر سیستم باتوجه به توانهای انتقالی حقیقی و راکتیو از عناصر گوناگون دارد ازجمله وسایل جبرانسازی غیرفعال تعیین می شود.

خطوط هوائی بسته به جریان بار توان راکتیو را جذب یا تغذیه می کنند در بارهای کمتر از بار طبیعی (امپدانس ضربه ای) خطوط توان راکتیو خالص تولید می کنند و در بارهای بیشتر از بار طبیعی خطوط توان راکتیو جذب می نمایند کابلهای زیرزمینی به علت ظرفیت بالای خازنی، دارای بارهای طبیعت بالا هستند این کابلها همیشه زیر بار طبیعی خود بارگذاری می شوند و بنابراین در تمام حالتهای کاری توان راکتیو جذب می کنند ترانسفورمرها بی توجه به بارگذاری همیشه توان راکتیو جذب می کنند در بی باری تأثیر راکتانس مغناطیس کننده شنت غالب است و در بار کامل تأثیر اندوکتانس نشتی سری اثر غالب را دارد بارها معمولاً توان راکتیو جذب می کنند یک شین نوعی بار که از یک سیستم قدرت تغذیه می شود از تعداد زیادی وسایل تشکیل شده که بسته به روز فصل و وضع آب و هوایی ترکیب وسایل متغیر است معمولاً مصرف کننده های صنعتی علاوه بر توان حقیقی به دلیل توان راکتیو نیز باید هزینه بپردازند این موضوع آنها را به اصلاح ضریب توان با استفاده از خازنها شنت ترغیب می کند معمولاً جهت تغذیه یا جذب توان راکتیو و در نتیجه کنترل تعادل توان راکتیو به نحوه مطلوب وسایل جبرانگر اضافه
می شود.

1- جبران بار

1-1- اهداف درجبران بار:

جبران بارعبارتست از مدیریت توان راکتیوکه به منظور بهبود بخشیدن به کیفیت تغذیه در سیستم های قدرت متناوب انجام می گیرد.اصطلاح جبران بار در جایی استعمال می شود که مدیریت توان راکتیو برای یک بار تنها (یا گروهی از بارها ) انجام می گیرد و وسیله جبران کننده معمولا در محلی که در تملک مصرف کننده قرار دارد , در نزدیک بار نصب می شود. پاره ای از اهداف و روشهای به کار گرفته شده در جبران بار با آنچه که در جبران شبکه های وسیع تغذیه (جبران انتقال) مورد نظر است , به طور قا بل ملاحظه ای تفاوت دارد. در جبران بار اهداف اصلی سه گانه زیر مورد نظر است.

1-اصلاح ضریب توان

2- بهبود تنظیم ولتاژ

3- متعادل کردن بار

خاطر نشان می کنیم که اصلاح ضریب توان ومتعادل کردن بار حتی درمواقعی که ولتاژ تغذیه فوق العاده((محکم)) است (یعنی ثابت و مستقل از بار است ) مطلوب خواهند بود.

اصلاح ضریب توان به این معنا ست که توان راکتیو مورد نیاز به جای آنکه از نیروگاه دور تامین گردد, در محل نزدبک بار تولید گردد. اغلب بارهای صنعتی دارای ضریب توان پس فاز هستند. یعنی توان راکتیو جذب می نمایند. بنا براین جریان بار مقدارش از آنچه که برای تامین توان واقعی ضروری است بیشتر خواهد بود. تنها توان واقعی است که سر انجام در تبدیل انرژی مفید بوده و جریان اضافی نشان دهنده اتلاف است که مشتری نه تنها بایستی بها هزینه اضافی کابلی که آن را انتقال می دهد بپردازد .بلکه تلفات ژولی اضافی ایجاد شده در کابل تغذیه را نیز می پردازد.موسسات تولید کننده همچنین دلیل کافی برای عدم ضرورت انتقال توان راکتیو غیر ضروری از ژنراتورها به بار, را دارند و آن این است که ژنراتورها و شبکه های توزیع قادر نخواهند بود در ضریب بهره کامل کار کنند و کنترل ولتاژ در سیستم تغذیه بسیار مشکل خواهد شد. تعرفه های برق تقریباٌ همواره مشتریان صنعتی را به واسط بارهای با ضریب توان پایین آنها جریمه می نمایند. و این عمل سالیان متمادی انجام گرفته و در نهایت منجر به توسعه گسترده کاربرد سیستم های اصلاح ضریب توان در مراکز صنعتی شده است . تنظیم ولتاژ در حضور بارهایی که توان راکتیو مصرفی آنها تغییر می کند, یک موضوع مهم ودر مواردی یک مساله بحرانی خواهد بود. توان راکتیو مصرفی کلیه بارها تغییر می کند , گر چه مقدار و میزان تغییرات آنها کاملا متفاوت است. این تغییرات توان راکتیو در تمامی موارد منجر به تغییرات ولتاژ (یا تنظیم ولتاژ)در نقطه تغذیه می گردد.و این تغییرات ولتاژ بر عملکرد مفید و مؤثر کلیه وسایل متصل به نقطه تغذیه مداخله نموده ومنجر به امکان تداخل در بارهای مصرف کننده های مختلف می گردد .به منظور جلوگیری از این مساله موسسات تولید کننده برق معمولا موظف می شوند که ولتاژ تغذیه را در یک حد قانونی نگاه دارند. امکان دارد این حد از مقدار مثلا %5+ میانگین در یک فاصله زمانی چند دقیقه یا چند ساعت تا یک مقدار بسیار محدودتر تغییر نماید این مقدار محدودتر از ناحیه بارهای بزرگ و دارای تغییرات سریع که منجر به ایجاد فرورفتگی در ولتاژ و اثر نامطلوب بر عملکرد وسایل حفاظتی یا چشمک زدن لامپ و آزار چشم می گردد, تحمیل می شود . وسایل جبران کننده نقش اساسی را در نگاهداشتن ولتاژ در محدوه مورد نظر بازی
می کنند .

بدیهی ترین روش بهبود ولتاژ ((قوی تر کردن ))سیستم قدرت به کمک افزایش اندازه و تعداد واحد های تولید کننده برق وبا هر چه متراکم کردن شبکه های به هم پیوسته , می باشد این روش عموماٌ غیر اقتصادی بوده ومنجربه افزایش سطح اتصال کوتاه و مقادیر نامی کلیدها می شود . راه عملی تر و با صرفه تر این است که اندازه سیستم قدرت بر حسب ماکزیمم تقاضای توان واقعی طراحی شود و توان راکتیو به وسیله جبران کننده ها- که دارای قابلیت انعطاف بیش از مولدها بوده و در تغییر سطح اتصال کوتاه دخالت ندارند-فراهم گردد.

مساله سومی که در جبران بار مد نظر است متعادل کردن بار است . اکثر سیستمهای قدرت متناوب سه فاز بوده و برای عملکرد متعادل طراحی می شوند. عملکرد نامتعادل منجر به ایجاد مولفه های جریان توالی صفر ومنفی می گردد. اینگونه مولفه های جریان اثرات نامطلوبی چون ایجاد تلفات اضافی در موتورها ومولدها , گشتاور نوسانی در ماشین متناوب افزایش ریپل در یکسو کننده ها , عملکرد غلط انواع تجهیزات , اشباع ترانسفورماتورها وجریان اضافی سیم زمین را به دنبال خواهند داشت.انواع خاصی از وسایل (منجمله تعدادی از انواع جبران کننده)در عملکرد متعادل, هارمونیک سوم را کاهش می دهند. در شرایط کار نا متعادل این هارمونی نیز درسیستم قدرت ظاهر
می شود محتوی هارمونیک در شکل موج ولتاژ تغذیه پارامتر مهمی در کیفیت تغذیه محسوب می شوداما این مساله ای است که به واسطه این حقیقت که طیف تغییرات کاملا بالاتر از فرکانس پایه است, مستلزم توجه خاص جداگانه
می گردد.

هارمونیک ها معمولا به وسیله فیلتر ها- که دارای اصول طراحی متفاوتی با جبران کننده ها هستند- حذف
می گردند. با وجود این مسائل هارمونیک اغلب همراه با مسائل جبران پیش می آیند و همواره مساله هارمونیک و فیلتر کردن مورد توجه خواهند بود . به علاوه , تعداد زیادی از جبران کننده ها ذاتاٌ تولید هارمونیک می کنند که بایستی به روش داخلی یا فیلتر خارجی تضعیف شوند .

2-1- جبران کننده ایده ال

با معرفی اجمالی اهداف اصلی در جبران بار, هم اکنون می توان مفهوم جبران کننده ایده ال را بیان کرد . جبران کننده ایده ال وسیله ای است که در نقطه تغذیه (یعنی به موازات بار)متصل و وظایف سه گا نه زیر را به عهده
می گیرد:

1- ضریب توان را به مقدار واحد تصحیح می کند

2- تنظیم (تغییر)ولتاژرا حذف می کند و یا مقدارش را تا سطح قابل قبولی کاهش می دهد .

3- جریان های یا ولتاژ سه فاز را متعادل می کند .

جبران کننده ایده ال در حذف اعواج ناشی از هارمونیک که در جریان یا ولتاژ های تغذیه موجود است,,نقشی ندارد (این عمل به عهده فیلتر مناسب می باشد), لیکن جبران کننده ایده ال خودش نبایستی تولید هارمونی اضافی نماید. از خواص دیگر جبران کننده ایده ال توانائیش در پاسخ لحظه ای است که می تواند نقش سه گانه فوق را انجام دهد . مفهوم پاسخ لحظه ای, تعریف کردن ضریب توان لحظه ای و عدم تعادل فاز لحظه ای را ایجاب می کند. جبران کننده ایده ال همچنین توان متوسط را مصرف نمی کند یعنی بدون تلفات در نظر گرفته می شود .

عملیات اصلی سه گانه جبران کننده ایده ال مستقل از یکدیگر هستند .البته , اصلاح ضریب توان و متعادل کردن فازها خود به خود منجر به بهبود در وضع تنظیم ولتاژ می گردد .در حقیقت در بعضی از موارد, مخصوصاٌ وقتی که تغییرات بار کند یا وقوع آن کم است, جبران کننده ای که برای اصلاح ضریب توان و یا متعادل کردن فاز ها طراحی شده است لازم نیست که عمل خاصی را به منظور تنظیم ولتاژ انجام دهد.

3-1- ملا حظات عملی

1-3-1- بارهائیکه به جبران سازی نیاز دارند.

مساله اینکه آیا یک بار معین در شرایط پایدار نیاز به اصلاح ضریب توان دارد یا خیر, یک مساله اقتصادی است که جواب آن به عوامل مختلفی از آن جمله تعرفه برق, اندازه بار و ضریب توان جبران نشده بستگی دارد . برای بارهای صنعتی بزرگ با ضریب توان جبران نشده کمتر از 0.8 اصلاح ضریب توان از نظر اقتصادی مقرون به صرفه خواهد بود .

بارهای که منجر به تغییرات سریع ولتاژ تغذیه می شوند بایستی برای اصلاح ضریب توان و همچنین تنظیم ولتاژ جبران شوند .

نمونه بارهائیکه مستلزم جبران هستند عبارتند از کوره های الکتریکی, کوره های القائی, دستگاه جوش الکتریکی, دستگاه جوش القائی, انواع دستگاه غلطک برای شکل دادن فلزات به کار می رود . موتور های بزرگ (بخصوص آنهائی که به کرات روشن و خاموش می شوند) ,دستگاه چوب بری, دستگاههای مثل سینکروترون که نیاز به منبع تغذیه با قدرت بالای پالسی دارند .این بارها را می‌توان به بار های که ذاتاٌ رفتار غیر خطی دارند و بارهائی که با قطع و وصل آنها ایجاد اغتشاش می شود, طبقه بندی کرد . بارهای غیر خطی معمولاٌ علاوه بر تولید هارمونیک باعث تغییرات ولتاژ فرکانس پایه می گردند .که برای حذف هارمونیک ها از فیلتر مناسب استفاده می کنند.

در صورتی که تعدادی از محرک های موجود در مراکز صنعتی به جای موتور القائی از نوع موتور سنکرون باشند, در ضریب توان و تنظیم ولتاژ بهبود حاصل می شود,زیرا موتور سنکرون قادر است که مقدار قابل کنترل توان راکتیو را وارد شبکه یا از آن جذب نماید. موتور سنکرون همچنین به واسطه داشتن قسمت گردان, انرژی جنبشی را در خود ذخیره کرده و می تواند سیستم تغذیه را در موقع افزایش ناگهانی بار حمایت کند .

4-1- مشخصا ت یک جبران کننده بار :

پارامترها و فاکتورهائی که بایستی در تعریف یک جبران کننده بار در نظر گرفت, در لیست زیر به طور اجمال آمده است . منظور ارائه لیست کامل نیست بلکه هدف ارائه یک ایده از نوع عملی جبران کننده و در نظر گرفتن ملاحظات مهم است.

1-حداکثر توان راکتیو پیوسته مورد لزوم که بایستی جذب یا تولید گردد .

2-مقدار نامی اضافه بار و مدت زمان آن

3-ولتاژ نامی و حدود ولتاژ که مقدار نامی توان راکتیو نبایستی از آن حدود تجاوز نماید .

4-فرکا نس وتغییرات آن

5-دقت لازم در تنظیم ولتاژ

6-زمان پاسخ جبران کننده در مقابل یک اغتشاش معین

7-نیازمندی های کنترل ویژه

8-حفاظت جبران کننده و هماهنگی آن با حفاظت سیستم و در نظر گرفتن محدودیت توان راکتیو در صورت لزوم

9-حداکثر اعوجاج ناشی از هارمونیک با در نظر گرفتن جبران کننده

10-اقدامات مربوط به انرژی دار کردن و اقدامات احتیاطی

11-نگهداری, قطعات یدکی, پیش بینی برای توسعه و آرایش جدید سیستم در آینده

12-عوامل محیطی, سطح نویز, نصب تاسیسات در محیط باز یا بسته, درجه حرارت , رطوبت, آلودگی هوا, باد وعوامل زلزله, نشتی در ترانس ها, خازن ها, سیستم خنک کننده

13-رفتار و عملکرد در معرض ولتاژ تغذیه نامتعادل و یا بارهای نا متعادل

14-نیازمندی های کابل کشی و طرح بندی وآرایش اجزاء, قابل دسترسی بودن, محصور بودن, زمین کردن

15-قابلیت اعتماد و خارج از سرویس(یدکی)بودن اجزا

5-1- تئوری اسا سی جبران

1-5-1- اصلاح ضریب توان و تنظیم ولتاژ در سیستم تکفاز :

سیستم تغذیه, بار و جبران کننده را می توان به روش های مختلف مشخص یا مدل کرد . بنابراین سیستم تغذیه را می توان به صورت مدار معادل تونن با ولتاژ مدار باز همراه با امپدانس سری و جریانش و یا همراه با توان واقعی و توان راکتیوش (با ضریب توان ) مدل کرد .

جبران کننده را می توان به صورت امپدانس متغیر یا منبع جریان راکتیو متغیر ویا منبع توان راکتیو متغیر مدل کرد . انتخاب مدل برای هر یک از اجزاء و بر حسب نیازمندی ها تغییر می کند .

شکل 1- الف الی (ت) اصلاح ضریب توان

2-5-1- ضریب توان و اصلاح آن :

فرمول (4-1)

شکل1الف یک بار تکفاز با ادمیتا نس معادله (3-1) که از ولتاژ vتغذیه می شود را نشان میدهد . جریان بار وبرابرست با :

I_L= V (G_L+JB_L)=VG_L+JVB_L=I_R+JI_X

V,I_L هر دو فازور هستند وفرمول (4) در دیاگرام فازور شکل 2 ب که درآنV به عنوان مرجع انتخاب شده است, نشان داده شده است.جریان بار دارای مولفه اهمیI_R همفاز با V و مولفه راکتیوI_X=VB_L که با V اختلاف فاز 90درجه دارد. در این مثال I_x منفی و I_l پس فاز وبار القائی است (حالتی که عمومیت دارد )زاویه بین V, I_l برابر o است. توان ظاهری که به بار داده می شود برابرست با:

فرمول (5-1)

بنابراین توان ظاهری دارای مولفه حقیقیP_l (یعنی توان مفیدی که به حرارت, کار مکانیکی, نور و یا اشکال دیگر انرژی تبدیل می شود ) و یک مولفه راکتیو Q_l (توانی که به اشکال مفید انرژی تبدیل نمی شود اما با وجود این , وجودش ضرورت ذاتی بار است )است.به عنوان مثال در یک موتور القائی, Q_l نشانگر توان راکتیو مغناطیس کننده است. رابطه بین S_l,,P_l,,Q_l در شکل 1پ نشان داده شده است برای بارهای پس فاز (القائی)بر حسب قراردادB_l منفی وQ_l مثبت است .

جریانIs=Il که از طرف سیستم فراهم می شود مقدارش از آنچه برای تامین توان واقعی ضروری است واندازه ضریب زیر بزرگتر است .

فرمول (6-1)

در این جا ضریب توان و برابر است با :

فرمول (7-1)

یعنی عبارتست از کسری از توان ظاهری که به اشکال مفید انرژی تبدیل می شود.

تلفات ژولی در کابل های سیستم تغذیه با ضریب افزایش می یابد .

از این رو مقادیر نامی کابل بایستی افزایش یابد و بهای آن به وسیله مشتری پرداخت شود .

اصلاح ضریب توان بر این اصل استوار است که بایستی توان راکتیو جبران شود به این معنا که با موازی کردن یک جبران کننده با بار (که دارای ادمیتانس راکتیو خالص JB_L – می باشد ), توان راکتیو مورد نیاز در محل فراهم شود . بنابراین جریانی که از طریق سیستم به ترکیب بار و جبران کننده داده می شود برابر خواهد بود با :

فرمول (8-1)

Is=I_l+I_r

=V(G_l+JB_l)-V(JB_l)=VG_l=I_R

که این جریان با ولتاژ V همفاز بوده و ضریب توان این مجموعه برابر 1 می شود شکل 1 ت روابط فازوری را نشان می دهد.حال جریان تغذیه Is کمترین مقدار را داشته و قادر است توان کل P_l در ولتاژ V را تغذیه نماید و تمام توان راکتیو مورد نیاز بار توسط جبران کننده در محل فراهم می شود, بنابراین بار تماماٌ جبران می شود. سیستم تغذیه در این صورت ظرفیت بیشتری شده که می تواند بارهای دیگر را تغذیه نماید .

جریان جبران کننده از رابطه زیر بدست می آید :

Ir=Vyr=-jVB_l

توان ظاهری که با سیستم تغذیه تبادل شده است برابرست با:

فرمول شماره (10-1)

بنابراین Pr =0 و Qr=VB_l=-Q_l است .

جبران کننده به توان مکانیکی ورودی نیاز ندارد. اغلب بارها القائی بوده و نیاز به جبران خازنی دارند (Br مثبت Qr منفی است ).

در شکل 1 پ ملاحظه می شود که به منظور جبران کامل توان راکتیو ,مقدار نامی توان راکتیو جبران کننده با توان P_l بار به وسیله رابطه زیر ارتباط دارد ,

با توان ظاهری S_l به وسیله رابطه زیر ارتباط دارد,

فرمول شماره (12-1)

جدول 2 مقدار نامی جبران کننده بر حسب پریونیت S_l برای ضریب توان های مختلف را نشان می دهد. جریان نامی جبران کننده از Qr/V به دست می آید که با جریان راکتیو بار در ولتاژ نامی برابرست . ممکن است کسری از بار جبران شود (یعنی |B_r|<|B_l|;|Q_r|<|Q_l| ),درجه جبران با مقایسه اقتصادی بین هزینه جبران کننده(که بستگی به مقدار نامی آن دارد )و هزینه فراهم آوردن توان راکتیو از سیستم تغذیه در یک فاصله زمانی تصمیم گیری می شود.

جدول 1 :توان راکتیو لازم جهت جبران کامل در ضریب توان های مختلف

در بررسی ای که تاکنون انجام گرفت, جبران کننده یک ادمیتانس (یا سوسپتانس)ثابت بود که قادر نخواهد بود به تغییرات توان راکتیو مورد نیاز پاسخ دهد . در عمل یک جبران کننده مانند یک مجموعه ای از خازن (یا راکتور)می تواند به بخش های موازی تقسیم شود که هر کدام می توانند به طور جداگانه به مدار متصل گردند, طوری که بر حسب تقاضای بار, تغییرات گسسته در توان راکتیو جبران کننده انجام گیرد. جبران کننده های بهتر (نظیر کندانسور سنکرون یا جبران کننده های استاتیک )قادر هستند که توان راکتیو متغیر پیوسته ایجاد نمایند در تحلیل پیشین, اثر تغییرات ولتاژ تغذیه بر روی میزان تاثیر جبران کننده در نگهداری ضریب قدرت در مقدار واحد, در نظر گرفته نشده است. به طور کلی ولتاژ تغذیه تغییر می کند توان راکتیو یک جبران کننده راکتانس ثابت همراه با تغییرات بار تغییر نمی کند ویک خطای جبران ایجاد می شود .

6-1- بهبود ضریب توان :

ضریب توان میانگین بار القائی که به طور القائی جبران شده است اساساٌ از ضریب توان بار جبران نشده بدتر است.اگر به عنوان مثال توان راکتیو میانگین بار یعنی Q_l نصف حداکثر باشد,آنگاه توان راکتیو میانگینی که از طرف سیستم به بار جبران شده تحویل می گردد برابر2Q_l یعنی دو برابر خواهد بود .

به منظور به دست آوردن تنظیم ولتاژ ایده ال و همچنین ضریب توان میانگین واحد, واضح است که یک جبران کننده کاپاسیتیو(خازنی )لازم است به جای آنکه رابطه را در معادله ثابت نگه داریم جبران کننده بایستی رابطه زیر را برقرار کند.

فرمول شماره (13-1)

با صرف نظر کردن از تغییرات توان بار با روش مشابه بخش 2 مشخصه ولتاژ توان راکتیو جبران کننده ایده ال بدست خواهد آمد, شکل 2 الف الی ت روش ها را نشان می دهد شکل 3 پ مشخصه جبران کننده ایده ال را نشان می دهد. حداقل مقدار نامی کاپاسیتیو جبران کننده به وسیله فرمول(14-1) به دست می آید و فرض می شود که جبران کننده در فواصل خارج از محدوده تنظیم خود,توان راکتیو ثابت Q_max را تولید می کند .

حال ولتاژ واحد مربوط می شود به شرایط جبران کامل که توسط فرمول(13-1) تعریف می شود,و نقطه کار میانگین در Qs=0 باV=1pu می باشد.

Q_rmax=Q_lmax-Ssc(^Vmp/V)

Q_s= Constant=0

به جای اینکه به مقدار کافی توان راکتیو جذب شود تا اینکه مقدار کل Q_l+Q_r را برابر Q_lmax کند,حال جبران کننده می تواند به مقداری که بار جذب می کند تولید نماید, در این صورت جبران کننده کاپاسیتیو خالص است .

اگر جبران کننده به عنوان رگولاتور ولتاژ ایده ال طراحی شود آن گاه Qs مقدارش کاملاٌ صفر نیست زیرا توان بار دارای تغییرات است.عموماٌ این اثر خیلی ناچیز است .

شکل شماره 2- مشخصه تقریبی ولتاژ- توان راکتیو سیستم جبران نشده (ب) مشخصه تقریبی ولتاژ- توان راکتیو سیستم جبران شده (پ) مشخصه تقریبی ولتاژ- توان راکتیو جبران کننده ایده آل (ت) دیاگرام تعادل توان راکتیو

7-1- جبران برای ضریب توان واحد

با Q_r=Q_l دیاگرام فازور مطابق شکل 4 است که Ir=j5/129KA=-Il_x وQs=0 با Vx=1/006KV و Vr=0/201KV ولتاژ برابر است با V=9/748KV و بنابر این مقدار کاهش ولتاژ برابر است با

9/748-10/0=-0/252KV یا تقریباٌ برابر 2/5% است بنابر این تصحیح ضریب توان به طور قابل ملاحظه ای تنظیم ولتاژ را بهبود می بخشد.در بسیاری از موارد چنین بهبودی کافی است و جبران کننده را می توان به عنوان وسیله فراهم کننده توان راکتیو مورد نیاز بار- به جای رگولاتور ولتاژ ایده‌ال- طراحی کرد .

8-1- تئوری کنترل توان راکتیو در سیستم های انتقال الکتریکی در حالت ماندگار

توان راکتیو:

مطابق قراردادی که به طور وسیع استفاده می شود .

1- توان راکتیو در یک نیروگاه تولیدی :

مثبت است اگر چنانچه تولید گردد

منفی است اگر چنانچه جذب گردد

2- توان راکتیو در یک مصرف کننده :

منفی است اگر تولید گردد

مثبت است اگر جذب گردد

3-انتهای یک خط انتقال (طرف گیرنده) همواره به عنوان بار تلقی می گردد

جدول 2: مزایا ومعایب انواع وسایل جبران کننده در سیستم انتقال

9-1- نیازمندیهای اساسی در انتقال توان AC

انتقال مقدار عظیم توان الکتریکی ac وقتی امکان پذیر است که نیازمندیهای اساسی زیر برآورده گردد :

1-ماشینهای سنکرون بزرگ بایستی در وضعیت سنکرون باقی بمانند .

ماشین های سنکرون بزرگ در یک سیستم انتقال عبارتند از ژنراتورها و کندانسورهای سنکرون که تمامی آنها فقط وقتی به طور مفید کارمی کنند که با ماشین های دیگر سنکرون باشند. مفهوم اصلی در نگهداری سنکرونیزم پایداری است . پایداری عبارتست از تمایل سیستم قدرت الکتریکی (و به ویژه ماشینهای سنکرون )به اینکه در مد مورد نظر به طور پایدار به کارش ادامه دهد . همچنین پایداری بیانگر توانائی ذاتی سیستم است که خود را از اغتشاشات فاحش (مثل اتصال کوتاه,رعدوبرق و تغییر بار )و به علاوه از اغتشاشات پیش بینی شده در طراحی (نظیر سوئیچینگ)باز یابد .

یکی از محدودیتهای بهره برداری از خطوط انتقال این است که در یک خط با طول معین با افزایش توان انتقالی,پایداری آن کاهش می یابد . اگر توان انتقالی به تدریج افزایش یابد (بدون بروز اغتشاش فاحش )در سطح معینی از توان انتقالی سیستم ناگهان ناپایدار می شود.ماشینهای سنکرون در دو انتهای خط از سنکرون خارج می شوند . این سطح توان انتقالی به حد پایداری ماندگار موسوم است زیرا ماکزیمم توانی است که می تواند در حالت ماندگار (از نظر تئوری ) انتقال یابد. این حد یک مقدار لایتغیر که با طراحی ماشین سنکرون و تجهیزات خط تثبیت شده باشد نیست و با عوامل مختلف به طور قابل ملاحظه تغییر می کند .مهمترین آنها تحریک ماشین سنکرون (و بنابراین ولتاژ خط ) , تعداد و اتصال خطوط انتقال, تعداد و انواع ماشینهای سنکرون متصل به شبکه (که اغلب در زمانهای مختلف روز تغییر می کند ),پاترن( الگوی) پخش توان واقعی و راکتیو سیستم و موضوع مورد علاقه مان در اینجا اتصال و مشخصه تجهیزات جبران کننده خواهد بود.

در عمل, سیستم انتقال نمی تواند خیلی نزدیک به حد پایداری ماندگارش کار کند . بلکه بایستی برای اغتشاشات (نظیر تغییر بار, اتصالی و عمل کلید زنی ) مارجینی (فاصله اطمینانی ) را در توان انتقالی در نظر گرفت . در معین کردن یک مارجین مناسب مفهوم پایداری دینامیکی و گذرا مفید خواهد بود . یک سیستم انتقال از نظر دینامیکی پایدار است وقتی که عملکرد نرمال خود را پس از یک اغتشاش کوچک مشخص, بازیابد . درجه پایداری دینامیکی را می توان برحسب میزان میرائی مولفه های ولتاژ و جریان و زاویه بار ماشینهای سنکرون بیان کرد . میزان میرائی نکته اصلی در مطالعه پایداری دینامیکی است . از این رو محاسبات,جدید معمولاٌ بر تئوری اغتشاشات کوچک و تجزیه وتحلیل مقادیر خاص استوار است .

سومین مطلب در مورد پایداری این است که آیا سیستم پس از یک اغتشاش فاحش, نظیر اتصال کوتاه شدید که منجر به قطع مدار بزرگ یا از کار افتادن جزء مهم شبکه نظیر ژنراتور, خط هوایی یا ترانسفورماتور می گردد, عملکرد نرمال خود را باز خواهد یافت . این پایداری به پایداری گذرا موسوم است . یک سیستم دارای پایداری گذراست وقتی که پس از یک اغتشاش فاحش عملکرد نرمال خودش را بازیابد. اینکه آیا بازکشت به کار طبیعی و نرمال ممکن است یا خیر, از میان عوامل مختلف به سطح انتقال توان قبل از اتصال کوتاه بستگی دارد حد پایداری گذرا بالاترین سطح توان انتقالی است که سیستم پس از یک اغتشاش معین پایداری گذرا خواهد داشت .

2- ولتاژ بایستی نزدیک مقادیر نامی آنها نگاهداشته شود.

دومین نیازمندی اساسی شبکه انتقال ac نگهداری سطوح صحیح ولتاژ است . سیستم های قدرت جدید ولتاژ های غیر عادی را حتی برای مدت زمان کوتاه هم تحمل نمی کنند .کاهش ولتاژ که عموماٌ در اثر بار زیاد و یا قطع تولید ایجاد می شود منجر به رفتار و عملکرد نامطلوب بار مخصوصاٌ موتورهای القائی می شود . در سیستم های تحت بار زیاد, کاهش ولتاژ ممکن است نشانه این باشد که بار به حد پایداری ماندگار نزدیک می شود . کاهش ولتاژ ناگهانی ممکن است در اثر اتصال دادن بارهای خیلی بزرگ ایجاد گردد.

اضافه ولتاژ به دلیل ریسک جرقه زدن و شکست عایق, یک شرایط خطرناکی است . اشباع ترانسفورماتورهائی که در معرض اضافه ولتاژ قرار دارند منجر به تولید جریان زیاد محتوی هارمونیک می شود که در صورت وجود کاپاسیتانس کافی ریسک فرورزونانس و رزونانس هارمونیک وجود دارد . اضافه ولتاژ منشاء متعددی دارد .کاهش بار در قسمت های معینی از سیکل بار روزانه سبب افزایش ولتاژ تدریجی می شود . اگر این اضافه ولتاژ کنترل نگردد سبب کاهش عمر مفید عایق ها می گردد,حتی اگر چنانچه به سطح شکست عایق نرسیده باشد . اضافه ولتاژ ناگهانی از قطع بار یا تجهیزات دیگر سیستم ناشی می شود, در حالی که اضافه ولتاژ سریع و تند از عمل کلید زنی اتصال کوتاه و رعد وبرق ناشی می شود .در سیستم انتقال طولانی اگر چنانچه از جبران کننده استفاده نشده باشد, اثر فرانتی (اضافه ولتاژ در بار کم )مقدار توان انتقالی و فاصله انتقال را محدود می کند.

10-1- خطوط انتقال جبران نشده

1-10-1پارامتر های الکتریکی

یک خط انتقال با 4 پارامتر پخش شده مشخص می گردد : مقاومت سری r و اندوکتانس سری l کنداکتانس موازی g و کاپاسیتانس c حروف کوچک نشان دهنده مقادیر بر مایل هستند . تمامی 4 پارامتر توابعی از طرح خط یعنی اندازه هادی, نوع, فاصله هادیها, ارتفاع آنها از زمین, فرکانس و درجه حرارت هستند . همچنین مقادیر آنها بر حسب تعداد خطوط موازی نزدیک به هم تغییر می کنند و برای جریانهای توالی مثبت و منفی مقادیر متفاوتی به دست
می آید .

توان راکتیو یک از مهمترین عوامل حائز اهمیت در طراحی و بهره برداری سیستمهای قدرت الکتریکی جریان متناوب از دیر باز مورد توجه بوده است .در یک بیان ساده و بسیار کلی میتوان گفت از آنجاییکه امپدانسهای اجزاء سیستم قدرت بطور غالب راکتیو می باشند،انتقال توان اکتیو مستلزم وجود اختلاف زاویه فاز بین ولتاژهای ابتداو انتهای خط است.درحالیکه برای انتقال توان راکتیولازم است که اندازه این ولتاژهامتفاوت باشد.بنابراین باید توان راکتیو در بعضی از نقاط سیستم تولید و سپس به محلهای مورد نیاز منتقل شود.اما به چه دلیل میخواهیم توان راکتیو را انتقال دهیم؟ جواب این است که نه تنها اغلب اجزاءسیستم توان راکتیو مصرف می کنندبلکه اکثر بارهای الکتریکی نیز توان راکتیو مصرف می کنند.بنابراین توان راکتیو مصرفی بایستی از محلی تامین گردد.اگر قادر نباشیم آن را به سهولت انتقال دهیم آنگاه بایستی در محلی که مورد نیاز است آن را تولید نماییم. یک رابطه بنیادی مهمی بین انتقال توان راکتیو و اکتیو وجود دارد.همانطوریکه گقتیم انتقال توان اکتیو مستلزم جابجایی فاز وولتاژها می باشد.لیکن مقدار ولتاژهانیز به همین منوال حائز اهمیت است.مقدار آنها نه تنها بایستی بقدر کافی بالا باشد که بتواند بارها را حمایت نماید،بلکه بقدر کافی پایین باشدکه بتواند که منجر به شکست عایقی تجهیزات عایق نگردد.بایستی،بنابراین-در صورت لزوم ولتاژها را در نقاط کلیدی کنترل کرده و یا حمایت یا محدودیتی را به آن اعمال کنیم.این عمل کنترل می تواند در سطح وسعی بوسیله تولیدیا مصرف توان راکتیودر نقاطکلیدی صورت گیرد.در عمل تمام تجهیزات یک سیستم قدرت برای ولتاژ مشخصی،ولتاژنامی، طراحی می شوند.اگر ولتاژازمقدار نامی خودمنحرف شود ممکن است باعث صدمه رساندن به تجهیزات سیستم ویا کاهش عمر آنهاگردد.برای مثال گشتاوریک موتور القایی با توان دوم ولتاژترمینالهای آن متناسب است

فهرست مطالب