في الأيام الأولى للكهرباء، كانت بنوك المكثفات ضرورية فقط لمحطات الطاقة العامة ذات التقنية المنخفضة في بيئات معزولة.
أما في الوقت الحاضر، فللمكثفات تطبيقات تقنية متنوعة، تتراوح بين أجهزة MEMS الصغيرة الحجم ومزارع الرياح واسعة النطاق.
بصرف النظر عن مكان استخدام بنوك المكثفات، فإن وظيفتها بسيطة: تخزين الطاقة الكهربائية وتنظيم تدفقها.
تُعرِّفك هذه المقالة ببنوك المكثفات وأنواعها واختباراتها وتطبيقاتها وأسباب فشلها.
ما هو بنك المكثفات؟
بنك المكثفات بالتعريف هو جهاز تُوصَّل فيه عدة مكثفات ذات سعة متماثلة معًا. يمكن توصيل هذه المكثفات على التوالي أو على التوازي.
دور المكثف الواحد هو تخزين الطاقة الكهربائية، والغرض من بنك المكثفات هو تخزين الطاقة الكهربائية بكميات أكبر.
بزيادة عدد المكثفات في بنك المكثفات، يمكنك زيادة قدرة بنك المكثفات على تخزين الطاقة الكهربائية.
يمكن استخدام بنك المكثفات مع إمدادات طاقة التيار المتردد وإمدادات طاقة التيار المستمر على حدٍّ سواء. في تطبيقات التيار المتردد، تُستخدم بنوك المكثفات لتصحيح معامل تأخر الطاقة أو لمواجهة إزاحة الطور. أما في تطبيقات التيار المستمر، فتُستخدم بنوك المكثفات لزيادة إجمالي الطاقة المخزنة أو رفع قدرة تيار التموج.
مخطط بنك المكثفات
بنك المكثفات: المعرفة النظرية
لفهم أهمية بنوك المكثفات، يجب أن تكون على دراية بـأنظمة الطاقة الكهربائية. فيما يلي نظرة عامة موجزة.
أنواع الأحمال في أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية
يمكن تصنيف أحمال الطاقة إلى ثلاثة أنواع في جميع أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية.
- الحمل المقاوم
- الحمل الحثي
- الحمل السعوي
تستخدم المصابيح المتوهجة والسخانات الأحمال المقاومة.
تستخدم المحركات والثلاجات ومكيفات الهواء الحمل الحثي.
تستخدم المكثفات الحمل السعوي.
هناك ثلاثة أنواع من الطاقة في أنظمة توزيع الطاقة الكهربائية.
- الطاقة الفعّالة
- الطاقة التفاعلية
- الطاقة الظاهرة
تؤدي الطاقة الفعّالة العمل وتُقاس بالواط.
تُنشئ الطاقة التفاعلية المجال المغناطيسي الذي تحتاجه أنواع المعدات للعمل بشكل صحيح. وتُقاس بـ VAR.
تُنشأ الطاقة الظاهرة من خلال الجمع بين الطاقة الفعّالة والطاقة التفاعلية. وتُقاس بالفولت أمبير.
تحصل على معامل الطاقة بقسمة الطاقة الفعلية على الطاقة الظاهرة.
كثير من المعدات تحتاج إلى طاقة تفاعلية ثابتة للعمل بشكل صحيح. وبنك المكثفات يوفر طاقة تفاعلية ثابتة عند تركيبه على التوازي مع الحمل.
كذلك يساعد بنك المكثفات على تصحيح معامل الطاقة عن طريق تقليل فرق الطور بين التيار والجهد.
باختصار، يعمل بنك المكثفات كأداة في جميع محطات التحويل الكهربائية لتصحيح معامل الطاقة وتعويض الطاقة التفاعلية.
كيف تحسب السعة الكهربائية؟
يمنح مصنّعو المكثفات كلَّ مكثف تقييمًا، وهو قدرته على تخزين الطاقة الكهربائية وقدرته على تصحيح أعطال الطاقة. ويُقاس بالفاراد.
تُقاس سعة بنك المكثفات بجمع تقييمات جميع المكثفات الموجودة في بنك المكثفات.
توصيلات بنك المكثفات
هناك طريقتان لتوصيل بنك المكثفات في نظام التوزيع الكهربائي: توصيل النجمة وتوصيل المثلث. والغرض من هذه التوصيلات هو تصحيح معامل الطاقة في النظام الكهربائي ثلاثي الأوجه. ولكل نوع من أنواع التوصيل مزاياه وعيوبه.
بنك المكثفات في توصيل المثلث
يُعدّ بنك المكثفات بتوصيل المثلث الأنسب لتطبيقات الجهد المنخفض إلى المتوسط. ويستخدم الجهد الكامل للطور. ولهذا السبب لا يكون توصيل المثلث مجديًا لتطبيقات الجهد العالي.
يُدوِّر بنك المكثفات بتوصيل المثلث التيار التوافقي ويقلل من التأثير التوافقي في النظام الكهربائي. كما يوفر جهدًا وسعةً متوازنَين.
ثمة عيب واحد فقط في بنوك المكثفات بتوصيل المثلث: عمرها الافتراضي قصير، مما يستلزم استبدالها بشكل متكرر.
بنك المكثفات في توصيل النجمة
تُعدّ بنوك المكثفات بتوصيل النجمة الأنسب لتطبيقات الجهد المتوسط إلى العالي. ويكون الجهد عبر كل مكثف في بنك المكثفات بتوصيل النجمة أقل بمقدار الجذر التربيعي لثلاثة مرات من جهد الطور.
هناك نوعان من توصيلات النجمة
- توصيل النجمة المؤرض
- توصيل النجمة غير المؤرض
يستخدم توصيل النجمة المؤرض نقطة محايدة متصلة بالأرض. في حين يستخدم توصيل النجمة غير المؤرض نقطة محايدة غير متصلة بالأرض.
بنك المكثفات بتوصيل النجمة عمله بسيط وعمره الافتراضي طويل.
غير أن لبنك المكثفات بتوصيل النجمة عيوبًا.
إذ يوفر جهدًا أقل مقارنةً ببنك المكثفات بتوصيل المثلث، ولا يوفر التيار التوافقي. فضلًا عن ذلك، لا يوفر جهدًا وسعةً متوازنَين.
تطبيقات بنك المكثفات
تحتاج الأجهزة والمعدات الكهربائية إلى كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية للعمل بإنتاجية عالية، كما يجب أن يكون تدفق الطاقة سلسًا. ولذلك تُعدّ بنوك المكثفات أدوات مثالية لأنها مصممة لتخزين شحنات الطاقة الكهربائية وتنظيم تدفق الطاقة الكهربائية.
تُستخدم بنوك المكثفات عادةً للأغراض التالية.
- تُستخدم بنوك المكثفات للتفريع في الأنظمة الكهربائية. التفريع هو تمرير التيار الكهربائي عبر مسار أقل مقاومة لحماية النظام الكهربائي. بمعنى آخر، تحسّن بنوك المكثفات التفرعية كفاءة أنظمة التوزيع الكهربائي.
- تُستخدم بنوك المكثفات لتصحيح معامل الطاقة. هذا التطبيق مفيد جدًا للمحركات والمحولات والآلات الكهربائية الكبيرة.
- تُستخدم بنوك المكثفات لتخزين الطاقة. هذا التطبيق مفيد جدًا للمعدات التي تحتاج إلى طاقة تفاعلية عند الطلب للحفاظ على تشغيل الآلة.
- تُستخدم بنوك المكثفات أيضًا في معدات الطاقة الكهربائية واسعة النطاق، كمزارع الرياح.
- تُستخدم بنوك المكثفات على نطاق واسع في التصنيع، حيث تحتاج الآلات إلى جهد وتيار متوازنَين.
- تُستخدم بنوك المكثفات أيضًا في الأنظمة الميكانيكية الكهربائية الدقيقة (MEMS) التي تستخدم الترددات الراديوية والفضاء اللاسلكي لخدمة الإنسانية. وتُعدّ الهواتف الذكية خير مثال على ذلك.
- تُستخدم بنوك المكثفات أيضًا في الأسلحة، كالمسدسات الليزرية.
- تُستخدم بنوك المكثفات أيضًا لإنشاء مجالات كهرومغناطيسية عالية الشدة مطلوبة للبحث العلمي.
- يعمل العلماء على استخدام بنوك المكثفات لإنشاء دروع وأسلحة كهرومغناطيسية. وقد أنتجت الأبحاث الأولية مدافع سككية ومدافع ملفية.
مزايا وعيوب بنك المكثفات
المزايا
- يمكنك تخزين الطاقة بسرعة للاستخدام الآني والمؤجل.
- توفر بنوك المكثفات الطاقة بسرعة دون أي تأخير.
- تتميز بنوك المكثفات بانخفاض فقدان الطاقة الكهربائية.
- يمكنك الاستفادة من خدمة بنك المكثفات لفترة طويلة.
- بنوك المكثفات سهلة التشغيل والتركيب.
- يمكنك استخدام بنوك المكثفات مع إمدادات طاقة التيار المتردد والتيار المستمر على حدٍّ سواء.
- بنوك المكثفات أجهزة غير مكلفة. وإذا تعطلت، يمكن استبدالها بتكلفة منخفضة.
- يمكن استخدام بنوك المكثفات في جميع أنظمة التوزيع الكهربائي الصناعية والسكنية والتجارية.
العيوب
- لا تستطيع بنوك المكثفات منافسة البطاريات.
- يمكنك تخزين كمية محدودة من الطاقة الكهربائية.
- إذا تركت بنك المكثفات، فإن طاقته ستتناقص مع مرور الوقت.
- توفر بنوك المكثفات مستويات جهد متغيرة.
كيف يمكن أن يتعطل بنك المكثفات؟
في الوقت الحاضر، يستخدم مصنّعو المكثفات تقنية الاسترداد الذاتي في المكثفات. في حالة أي خلل في العازل الكهربائي، يُصلح المكثف نفسه عن طريق انبعاث الغازات. ومع ذلك، يمكن أن يتعطل بنك المكثفات لأسباب عديدة. فيما يلي اثنان من أكثرها شيوعًا.
التوافقيات والمكثفات المخففة
يمكن أن يتعطل بنك المكثفات بسبب الحمل الزائد الناتج عن التوافقيات. يمكن فهم التوافقيات على أنها تيار أو جهد ذو تردد مرتفع جدًا. عندما يتعرض بنك المكثفات للتوافقيات، تنصهر عناصره. ونتيجةً لذلك، يتعطل بنك المكثفات أو يفشل في الأداء.
الرنين
يحدث الرنين عندما يدخل التردد السائد إلى النظام الكهربائي ويوفر بنك المكثفات مع المحول مسار المعاوقة المنخفضة. ونتيجةً لذلك، يتعطل بنك المكثفات أو يفشل في الأداء.
ما هو اختبار بنك المكثفات، ولماذا يُجرى؟
الدور الأكثر شيوعًا لبنك المكثفات هو تصحيح معامل الطاقة في نظام التوزيع الكهربائي. غير أن عوامل عدة تقلل من قدرة بنك المكثفات على تصحيح الطاقة، كالحرارة والرطوبة والتوافقيات والوقت.
يُعدّ اختبار بنك المكثفات ضروريًا قبل تركيبه، لأنه يضمن الأداء الصحيح لنظام التوزيع الكهربائي.
أنواع اختبارات بنك المكثفات
تنقسم اختبارات بنك المكثفات إلى ثلاثة أنواع مختلفة.
- اختبارات التصميم أو اختبارات النوع
- اختبارات الإنتاج أو الاختبارات الروتينية
- الاختبارات الميدانية أو اختبارات ما قبل التشغيل
الخلاصة
يساعد بنك المكثفات على الحفاظ على جودة عمليات أي نظام توزيع كهربائي. كما أنها الأدوات المثلى لتخزين الطاقة الكهربائية للاستخدام المتكرر. فضلًا عن ذلك، بنوك المكثفات أجهزة غير مكلفة توفر قيمة رائعة بفضل عمرها الطويل وقابليتها للاستخدام.
بدون بنوك المكثفات، العالم الذي نعيش فيه لن يكون ممكنًا.
غير أنه قبل تركيب بنك المكثفات، يجب اختباره حتى لا تكون هناك أي مشكلة في أداء نظام التوزيع الكهربائي.