اصلاح ضریب توان Power factor correction

ضریب توان و چگونگی اصلاح آن

18

اصلاح ضریب توان یا همان Power factor correction روش یا فرآیندی است که بر  اساس آن ضریب توان از مقادیر کمتر از 1 به مقایر نزدیک به 1 تعدیل و اصلاح می شود. اصلاح ضریب توان مکن است در بخش های مختلف یک سیستم قدرت اتفاق بیافتد. این فرآیند ممکن است در طول انتقال انرژی الکتریکی و یا در پست های تبدیل ولتاژ در سطوح مختلف و در مراکز مصرف به مراکز مصرف صنعتی صورت پذیرد . این امر بخصوص برای صنایع به دلیل اهمیت کاهش هزینه های مربوط به تامین و تهیه انرژی به علاوه هزینه مربوط به کابل و تجهیزات توزیع و تغذیه است .

بایستی به این توجه نمود که ضریب توان بالا در انتقال و تولید انرژی الکتریکی سبب کاهش چشمگیر تلفات مرتبط به انتقال و تولید شده و نتیجه آن کاهش هزینه های تولید و انتقال انرژی الکتریکی خواهد بود.

بار های الکتریکی

در شرایط کلی ما با دو نوع بار روبرو هستیم

  1. بارهای اهمی
  2. بارهابی غیر اهمی (راکتیو)

بارهای اهمی یا مقاومتی Resistive Loads

این بارها از المان ها و اجزاء و عناصر مقاومتی خالص یا اهمی خالص تشکیل یافته اند . باید توجه داشته باشید که عملا ما مدار اهمی خالص نداریم ولی می توان به صورت ایده آل این مدارات یا بارها را در تئوری بررسی نمود . به هرحال در شرایط ایدآل تمام توان تزریق سده به یک بار اهمی یا مقاومتی به شکل مثبت صرف کار خواهد شد . که به این توان توان واقعی یا توان کاری Real Power می گویند .

توان اکتیو و همفاز بودن جران و ولتاژ در بار مقاومتی
توان اکتیو و همفاز بودن جران و ولتاژ در بار مقاومتی

این امر به جهت همفاز بودن جریان ولتاژ است که باعث مثبت بودن پیوسته توان می شود .

بارهای رآکتیو :

این نوع از بارها با توجه به اینکه از منبع جریان می کشندعملا توان مفید بسیار کمی صرف می کنند . چرا که توانی که از منبع دریافت می کنند با آن کاری انجام نمی شود و آن را دوباره به منبع بازگشت می دهند . از این رو به آنها با غیر فعال یا راکتیو Reactive Loads می گویند 

بارهای راکتیو عموما ناشی از اثر خازنی Capacitive یا سلفی Inductive می باشند . در بارهایی با اثر خازنی توان الکتریکی برای شارژ خازن مصرف می شود . عملا مصروف کار واقعی یا فعال نمی شود . این اتفاق در سلف به صورت دیگری رخ می دهد. که توان دریافت شده از منبع بدون تبدیل به کار فعال و مستقیم صرف تولید و ایجاد شار مغناطیسی در سلف می شود . پس توانی که در بارهایی با اثر خازنی یا سلفی به مصرف می رسد برای انجام کار صرف نمی شود از این رو به آنها توان راکتیو Reactive  می گویند . از طرفی معمولا در این عناصر و بارها یک اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ وجود دارد. به گونه ای که بارهای خازنی با پیشفازی lead و بارهای سلفی با پسفازی جریان lag نسبت به ولتاؤ مشخص می شوند.

شکل جریان و ولتاژ در بارهای سلفی
شکل جریان و ولتاژ در بارهای سلفی وجود اختلاف فاز
اختلاف فاز جریان و ولتاژ در سلف
اختلاف فاز جریان و ولتاژ در سلف به صورت برداری

 

 

 

 

 

 

اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ در خازن
اختلاف فاز بین شکل موج جریان و ولتاژ در خازن
اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ در بار خازنی
شکل برداری اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ در بار خازنی

 

 

 

 

 

بر این اساس ما در جریان AC با سه شکل از توان روبرو خاهیم بود.

  1. توان حقیقی ، کاری یا اکتیو
  2. توان غیر حقیقی ، راکتیو
  3. توان ظاهری

توان اکتیو :

این شکل از توان مانند توان ناشی از یک بار مقاومتی یا همان اهمی است . توان اکتیو بخشی از توان است که صرف کار واقعی (مصارف حرارتی ، مکانیکی ، حتی تولید نور) در سیستم های مبتنی بر توان الکتریکی می شود . حواد توان اکتیو وات Wattاست که با علامت W مشخص شده است و آن را با حرف P نمایش می دهند . این توان مثبت بوده و از طرف مصرف کننده از منبع کشیده می شود.

شکل موج جریان و ولتاژ در توان اکتیو
شکل موج جریان و ولتاژ در توان اکتیو مثبت بودن توان اکتیو

توان راکتیو :

توان راکتیو در بارهای راکتیو ایجاد می شود . در واقع توان نیست . توان راکتیو حاصلضرب ولت آمپری است که با یکدیگر همفاز نیستند . وجود توان راکتیو به ایجاد و پایداری میدان های الکتریکی و مغناطیسی مورد نیاز برای بعضی از تجهیزات الکتریکی بسیار لازم است . مقدار این توان در مدار با جریان متناوب AC بستگی به میزان اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ دارد . بر این مبنا با دو نوع توان راکتیو خازنی و توان راکتیو سلفی مواجه خواهیم بود .  این توان به شکل رفت برگشت بین منبع و مصرف کننده توان راکتیو در حال رفت برگشت است . واحد توان راکتیو ولت – آمپر راکتیو یا همان Var است . توان راکتیو را با حرف Q مشخص می کنند .

شکل موج جریان و ولتاژ و توان در بار سلفی
شکل موج جریان و ولتاژ و توان در بار سلفی پس فاز بودن جریان
شکل موج جریان و ولتاژ در بار خازنی
شکل موج جریان و ولتاژ و توان در بار خازنی و پیش فاز بودن جریان

 

 

 

 

 

سیستم های قدرت الکتریکی رایج خصوصا سیستم الکتریکی صنعتی از ترکیبی از بارهای اکتیو و راکتیو تشکیل شده اند . بارهایی مانند لامپ های رشتهای التهابی هیترهای مقاومتی (المنت های حرارتی) که بار های اهمی هستند  و موتورهای الکتریکی و لامپ های تخلیه گازی که بارهای راکتیو هستند . در یک سیستم توان الکتریکی توان کل یا توان معدل برابر با ترکیب مولفه های توان اکتیو و توان راکتیو است که به صورت برآیند این توان ها بدست می آید . به این توان کل توان ظاهری Apparent Power می گویند. در واقع توان ظاهری جمع برداری یا برآیند توان اکتیو و راکتیو خواهد بود . واحد توان ظاهری ولت – آمپر VA است و با حرف S مشخص می شود.

ضریب توان :

در یک مدار اهمی (مقاومتی) شکل موج جریان و ولتاز با یکدیگر هم فاز هستند به عبارتی در یک زمان به صفر و ماکزیمم خود می رسند . در صورتی که در مدار عناصری مانند خازن یا سلف وجود داشته باشد انرژی ذخیره شده در این المان ها سبب ایجاد اختلاف فاز بین شکل موج جریان و ولتاژ خواهد شد . سبب بازگشت این انرژی ذخیره شده به منبع می شود . این انرژی بازگشتی به منبع تاثیرقابل استفاده و مثبت  بر روی عملکرد بار ندارد. بر این اساس یک مدار با ضریب توان پایین در مقایسه با مدار با ضریب توان بالا نیازمند جریان بیشتری برای ایجاد و تحویا مقدار مشخصی از توان واقعی است .

توان راکتیو رفت برگشتی بین بار و منبع
توان راکتیو رفت برگشتی بین بار و منبع

در حالت ایده آل توان حقیقی که سیستم به مصرف می رساند عموما بزرگتر ااز مقدار توان راکتیو است . این دو توان به جهت وجود اختلاف فاز بین جریان و ولتاژ دارای مقادیر برداری خواهند بود . که با توجه به شکل زیر می توانید مولفه های آن را نمایش دهید .

رابطه بین توان ظاهری و توان اکتیو و راکتیو
مثلث توان ظاهری توان اکتیو و راکتیو

بنا بر تعریف ضریب توان یا Power Factor برابر است با نسبت توان اکتیو به توان ظاهری . در واقع می توان با محاسبه و بدست آوردن زایه بین دو مولفه توان ظاهری و توان اکتیو مقدار آن را بدست آورد. طبق قانون کوسینوس ها (ضلع مجاور بر وتر ) ضریب توان را می تاون از نسبت توان آکتیو به توان ظاهری محاسبه نمود .

رابطه ضریب توان
رابطه ضریب توان
رابطه وشکل برداری ضریب توان و کوسینوس فی
رابطه وشکل برداری ضریب توان و کوسینوس فی

که در واقع همان Cos ȹ خواهد بود که به ضریب توان یا ضریب قدرت نیز گفته می شود .

در شرایط ایده‌آل، توان حقیقی که در سیستم مصرف می‌شود معمولاً بزرگتر از توان راکتیو است. شکل زیر نمودار برداری مؤلفه‌های توان را نشان می‌دهد.

با توجه به فرمول و موارد ذکر شده بالا زیاد شدن توان راکتیو به عبارتی تعداد و توان بالای تجهیزاتی نظیر موتورهای الکتریکی موجب افزایش توان ضاهری و درنتیجه زیاد شدن زاویه ȹ می شود. به خوبی مشخص است که افزایش زاویه ȹ ضریب توان کمتر خواهد شد . با توجه به فرمول ضریب توان این پارامترعددی بین 0و1 خواهد بود و هرچه این مقدار به 1 نزدیک تر باشد بازده سیستم بهتر خواهد بود . ضریب توان بدون واحد است .

چرا ضریب توان مهم است ؟

کم بودن یا به عبارتی پایین بودن ضریب توان ، نشان دهنده این موضوع است که انرژی منبع یا همان انرژی در دسترس به طور کامل و مفید به کار واقعی یا همان توان اکتیو تبدیل نمی شود. این وضعیت سبب بروز و ایجاد اضافه بار در شبکه و سیستم توزیع می شود. چرا که توان مورد نیاز شامل هم بار اکتیو و هم بار راکتیو است که بایستی توسط منبع سیستم آن را تامین کند.

از طرفی وجود توان راکتیو بالا در نوع بار مصرفی مصرف کنندگان برق به خصوص مصرف کنندگان عمده نظیر صنایع ، منجر به هزینه های بالای برق برای آنها است . شرکت های توضیع و ارائه دهنده انرژی الکتریکی مصرف برق را بر مبنای توان ظاهری محاسبه می کنند . در شرایطی نیز شرکت های برق مصرف کنندگان توان راکتیو را جریمه می کنند . چرا که این امر موجب ایجاد اضافه بار بر سیستم توزیع انرژی الکتریکی خواهد بود.

این اضافه بار مساوی با هزینه های اضافه برای ژنراتور ها با توان ظاهری بالاتر ، کابل ها با سایز و سطح مقطع بالاتر و ترانسفورماتورها و …. خواهد بود.

اصلاح ضریب توان :

عموما بارهای راکتیو بارهای سلفی نظیر الکتروموتور ها هستند . این خود نشان دهنده این موضوع است که می توان با نصب خازن کار اصلاح ضریب توان و افزایش ضریب توان تا حد امکان است. در مورد مصرف کنندگان خانگی موضوع در اغلب موارد موضوع از قبل حل شده است به گونه ای که در بسیاری از مصرف کنندگان وسایل خانگی خازن داخل آن تعبیه شده است .

از طرفی ضریب توان در مصرف کننده های سه فاز متفاوت از یکدیگر متفاوت از هم است . به همین علت ممکن شرکت برق مصرف کننده هایی که ضریب توان آنها کمتر از حد مجاز است مشمول جریمه می شود . علت این جریمه این است که شرکت برق بایستی هادی ها و ترانسفورماتور ها و پست و غیره را بزرگتر انتخاب کنند تا بتوانند این توان ظاهری را تامین کند.

محاسبه و اصلاح ضریب توان

پایین بودن ضریب توان بخصوص در صنایع بزرگ ،سبب افزایش هزینه ها می شود. در صورت اصلاح ضریب توان می توان تقریبا 40 درصد از هزینه برق کاهش می یابد . از سوی دیگر افزایش ضزیب توان موجب بهبود قابلیت اطمینان و راندمان سیستم قدرت الکتریکی خواهد شد.

اولین قدم در محاسبه و اصلاح ضریب توان محاسبه آن می باشد. ضریب توان را با یکی از روش های زیر می توان بدست آورد.

  1. استفاده از راکتانس بار برای محاسبه توان راکتیو
  2. مشخص کردن توان حقیقی مصرف شده و استفاده از توان ظاهری و درنهایت بدست آوردن ضریب توان (از روی قبض هزینه برق)
  3. استفاده از دستگاه های اندازه گیری ضریب توان کوسینوس فی متر
دستگاه اندازه گیری ضریب توان کوسینوس فی متر
دستگاه اندازه گیری ضریب توان کوسینوس فی متر

 

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.