بانک خازنی


بانک خازنی

در گذشته، بانک های خازن به نیروگاه های برق عمومی ایزوله، با فناوری پایین و با حصار بلند منتقل می شدند. امروزه، کاربردهای بانک خازن به دستگاه‌های MEMS در ابعاد نانو و به پست‌های مزرعه بادی مستقر در اقیانوس اقیانوس کاهش یافته است. صرف نظر از کاربرد آنها، بانک های خازن همان عملکردهای ذخیره و هموارسازی انرژی الکتریکی را انجام می دهند. این مقاله به بررسی اصول اولیه بانک های خازنی و کاربرد آنها در طیف وسیعی از کاربردهای مدرن می پردازد.

تعریف بانک خازن
همانطور که از نام آن پیداست، یک بانک خازن صرفاً مجموعه ای از چندین خازن با رتبه یکسان است. بسته به رتبه مورد نظر، بانک های خازن ممکن است به صورت سری یا موازی متصل شوند. همانند یک خازن منفرد، از بانک های خازن برای ذخیره انرژی الکتریکی و تنظیم جریان آن انرژی استفاده می شود. افزایش تعداد خازن ها در یک بانک باعث افزایش ظرفیت انرژی قابل ذخیره در یک دستگاه می شود.

کاربردهای نمونه
دنیای الکترونیک مدرن ما به انرژی زیادی نیاز دارد. برای پاسخگویی به این تقاضا، انرژی باید به صورت الکتریکی ذخیره شود تا دسترسی آسان داشته باشد. خازن ها برای ذخیره بارهای انرژی الکتریکی زیاد و همچنین تنظیم جریان انرژی در صورت نیاز ایده آل هستند.
در اینجا برخی از کاربردهای معمولی بانک های خازنی آورده شده است:
• خازن شنت: شنت مکانیزمی است که با ایجاد مسیری با مقاومت کم، جریان الکتریکی را از نقطه دیگری در مدار عبور می دهد. در کاربردهای بای پس (گذرگاه فرعی) نویز الکتریکی، از خازن‌ها برای تغییر مسیر نویز با فرکانس بالا به زمین قبل از انتشار در سراسر سیستم، به ویژه در بار، استفاده می‌شود. بانک های خازنی شانت برای بهبود کیفیت منبع الکتریکی و در نتیجه بهبود راندمان سیستم های قدرت استفاده می شود (شکل 1).

بانک خازنی

شکل 1: در اینجا یک بانک خازن، به ویژه یک بانک خازن شنت وجود دارد. (منبع: Vishay Intertechnology)

• تصحیح ضریب توان: در ترانسفورماتورها و موتورهای الکتریکی، بانک های خازن برای اصلاح تاخیر ضریب توان یا تغییر فاز در منابع تغذیه جریان متناوب (AC) استفاده می شود. ضریب توان یک سیستم برق متناوب، مقایسه توان مصرفی بار است که «قدرت واقعی» نامیده می‌شود، تقسیم بر توان عرضه‌شده به بار، که به عنوان «قدرت ظاهری» شناخته می‌شود. به عبارت دیگر، ضریب توان، نسبت کار مفید انجام شده توسط یک مدار نسبت به حداکثر کار مفیدی است که می توانست در ولتاژ و آمپر عرضه شده انجام شود.
در توزیع نیروی برق از بانک های خازنی برای تصحیح ضریب توان استفاده می شود. این بانک‌ها برای مقابله با بارگذاری القایی از دستگاه‌هایی مانند موتورهای الکتریکی و خطوط انتقال مورد نیاز هستند، در نتیجه باعث می‌شود که بار عمدتاً مقاومتی به نظر برسد. در اصل، خازن های تصحیح ضریب توان ظرفیت حمل جریان سیستم را افزایش می دهند. با افزودن بانک های خازنی، می توانید بار اضافی را بدون تغییر قدرت ظاهری به سیستم اضافه کنید. بانک ها همچنین می توانند در منبع تغذیه جریان مستقیم (DC) برای افزایش ظرفیت جریان موج دار منبع تغذیه یا افزایش مقدار کلی انرژی ذخیره شده استفاده شوند.

• ذخیره انرژی: مانند خازن‌های جداگانه، بانک‌های خازنی انرژی الکتریکی را زمانی که به مدار شارژ متصل می‌شوند ذخیره می‌کنند و با تخلیه آن انرژی را آزاد می‌کنند. معمولاً از خازن ها در دستگاه های الکترونیکی برای حفظ منبع تغذیه در حین تعویض باتری ها استفاده می شود. برای دستگاه های مصرف کننده مدرن مانند تلفن های همراه، به دلیل فضای محدود، ظرفیت ذخیره سازی بالا در حجم بسیار کم مورد نیاز است. این یک چالش است زیرا افزایش ظرفیت معمولاً به معنای افزایش سطح صفحات است که به صورت "A" در شکل 2 نشان داده شده است.

بانک خازنی

شکل 2: کوچک سازی بانک های خازنی به دلیل ورود مواد جدید بین صفحات خازن است که ضریب گذر "k" ماده دی الکتریک را افزایش می دهد.
همانطور که معادلات نشان می دهد، راه دیگری برای افزایش ظرفیت، افزایش مقاومت دی الکتریک است. عنصر "k" گذردهی نسبی ماده دی الکتریک بین صفحات است. برای فضای آزاد، "k" برابر با وحدت یا یک است. برای همه رسانه های دیگر، "k" بزرگتر از یک است. خازن های فیلم و الکترولیت نمونه های معمولی از دستگاه های مناسب برای این کاربردها هستند.


بزرگ به کوچک تا عجیب و غریب

کاربردهای بانک خازن، دامنه را از خیلی بزرگ به خیلی کوچک اجرا می کنند. یکی از غیرمعمول‌ترین کاربردهای بزرگ، کاربرد پست نیروگاه بادی است. مزرعه بادی Lincs یک مزرعه بادی دریایی 270 مگاواتی در 8 کیلومتری (5.0 مایلی) از Skegness در ساحل شرقی انگلستان است (شکل 3). انرژی تولید شده در فراساحل از طریق پست زمینی Walpole واقع در شهرستان نورفولک به شبکه منتقل می شود. کارخانه خازن ولتاژ بالا زیمنس در مجموع شش بانک خازن بدون فیوز تک فاز و همچنین شش بانک تک فاز با خازن های ذوب شده داخلی ارائه کرده است.

بانک خازنی

شکل 3: مزرعه بادی فراساحلی Lincs.

در عمل، تاسیسات بانک خازن قدرت را می توان به یکی از سه قسمت تقسیم کرد: فیوز داخلی، فیوز خارجی یا بدون فیوز. برای خازن های دارای فیوز داخلی، قوطی منفرد حاوی بانک از گروه های سری عناصر خازن موازی ساخته می شود که هر عنصر به طور جداگانه در داخل قوطی فیوزدار می شود. برعکس، بانک‌های خازن فیوزدار خارجی از گروه‌هایی از خازن‌های موازی تشکیل شده‌اند که برای کار با فیوز خارجی مشترک طراحی شده‌اند.
در صورت بروز خرابی در یکی از عناصر سیم‌پیچ، این فیوزینگ خارجی به طور بالقوه می‌تواند مشکلاتی ایجاد کند، در این صورت کل واحد باید از بین برود. به گفته برد هندرسون، فروش و بازاریابی منطقه ای بخش خازن برق ESTA Vishay، استفاده از خازن های دارای فیوز داخلی یکی از آخرین روندها در فناوری مدرن بانک خازن است. هندرسون توضیح می‌دهد: «یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های طراحی، تغییر ذهنیت مشتریان نهایی است که به استفاده از بانک‌های خازن‌های دارای فیوز خارجی با سبک قدیمی‌تر عادت کرده‌اند که در گذشته در اینجا در آمریکا استفاده می‌شدند.
در نهایت، بانک های خازن بدون فیوز نیز از فیوز خارجی استفاده می کنند. با این حال، آنها معمولا حاوی عناصر بیشتری نسبت به یک خازن فیوزدار معمولی هستند. بنابراین، اتصال کوتاه در یک عنصر باعث خرابی های مکرر در سراسر قوطی نمی شود.
در نقطه مقابل این مقیاس، کاربردهای کوچک مانند تلفن های هوشمند و دستگاه های ذخیره سازی قرار دارند. بانک های خازنی با قدرت کوچک همراه با ابرخازن های با ظرفیت بزرگ برای کاهش زمان شارژ تلفن همراه استفاده می شود. یک ابر خازن قادر است صدها برابر بیشتر از یک خازن استاندارد شارژ الکتریکی را در خود نگه دارد و گاهی اوقات به عنوان باتری قابل شارژ با ولتاژ پایین استفاده می شود.
در فضاهای فرکانس رادیویی (RF) و بی‌سیم، سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی کوچک یا MEMS، بانک‌های خازن قابل تنظیم برای تقویت یا جایگزینی خازن‌های قابل تنظیم الکترومکانیکی با اندازه کامل استفاده می‌شوند. صدها خازن کوچک MEMS با مقادیر مختلف به صورت دیجیتالی از طریق یک رابط محیطی سریال (SPI) کنترل و تنظیم می شوند. این بانک‌های خازن سوئیچ‌شونده را می‌توان در یک بسته ترکیب کرد، بنابراین محدوده قابل تنظیم سیستم کلی را افزایش داد.
یکی از کاربردهای عجیب و غریب بانک های خازنی در سیستم های قدرت پالسی و تسلیحات است. تحقیقاتی روی بانک‌های خازن ولتاژ بالا با اندوکتانس پایین انجام شده است که می‌توانند پالس‌های عظیم جریان را برای بسیاری از کاربردهای توان پالسی تامین کنند. بانک های خازنی با چگالی انرژی بالا (بیش از 1 ژول بر سانتی متر مکعب) و کلیدهای نیمه هادی مدرن می توانند برای ایجاد انرژی فشرده به میزان چند صد کیلو ژول (کیلوژول) و تولید جریان های پالسی با دامنه بالا استفاده شوند.
کاربردهای این بانک‌های خازن با چگالی بالا شامل شکل‌دهی الکترومغناطیسی، ژنراتورهای مارکس، لیزر پالسی، شبکه‌های تشکیل‌دهنده پالس، رادار، تحقیقات همجوشی و شتاب‌دهنده‌های ذرات است. کار آزمایشی با استفاده از توده های خازن به عنوان منابع انرژی برای زره های الکترومغناطیسی و تفنگ های ریلی و سیم پیچ الکترومغناطیسی ادامه دارد.


اشتراک گذاری در شبکه های اجتماعی
۰۲۱-۵۳۸۱۵
[email protected]