اصلاح ضریب توان چیست

در این مقاله اصلاح ضریب توان و یک مثال را بررسی می‌کنیم.  از بررسی بارهای سلفی و خازنی در شبکه‌های متناوب؛ متوجه‌ی وجود اختلاف فاز در سیستم‌های قدرت شدیم. وجود این اختلاف زمانی مولفه‌های جریان را به بخش‌های اکتیو و راکتیو تقسیم کرده و مقدار نهایی آن یعنی \({{\rm{I}}_t}\) را تشکیل می‌دهند. همانطور که دیدیم جریان ظاهری یا جریان کامل سیستم معمولا بزرگتر از مولفه‌های تشکیل دهنده‌ی آن بوده و نیاز به تاسیسات بزرگتری برای انتقال دارد.

مولفه های جریان و توان

در ادامه و پس از ضرب مولفه‌های جریان در ولتاژ منبع دو توان مختلف بنام‌های توان اکتیو و توان راکتیو ایجاد شد. این توان‌ها نیز مانند مولفه‌های جریان دارای اختلاف زمانی بوده و به صورت برداری با یکدیگر جمع می‌شوند. در تصویر زیر رابطه‌ی ریاضی بین مولفه‌های جریان و توان نمایش داده شده است. همانطور که مشاهده‌کنید با به وجود آمدن اختلاف فاز، مقادیر جریان و توان ظاهری بزرگتر از مولفه‌های دیگر خواهد بود.

بارهای موجود در صنعت معمولا ترکیبی از عناصر اهمی و سلفی بوده و اختلاف فاز مثبت و پس فاز دارند. در حالت نرمال بارهای خازنی به ندرت در شبکه وجود داشته و اغلب به منظور جبران سازی توان راکتیو یا اصلاح ضریب توان به شبکه اضافه می‌شوند. طبق تصویر بالا ترکیب مولفه‌های اکتیو و راکتیو این بارها باعث افزایش جریان و در نتیجه توان ظاهری سیستم خواهد شد.

ظرفیت حرارتی هادی‌ها

آیا تا کنون به پلاک یا نیم پلیت ترانسفورماتورها و ژنراتورها توجه کرده‌اید؟ چرا در این تجهیزات توان به صورت ظاهری با واحدهای KVA و MVA بیان می‌شود ولی در الکتروموتورها این طور نیست؟

چه تفاوتی در بیان قدرت تجهیزات تولید و انتقال با تجهیزات نهایی مانند الکتروموتورها المنت‌ها و غیره وجود دارد؟چرا برای مشخص کردن ظرفیت مجاز سیم‌ها و کابل‌ها به جای توان فقط از جریان استفاده می‌شود؟

دلیل اصلی بیان توان ظاهری به صورت V.A یا میزان جریان در تجهیزات تولید و انتقال، مشخص نبودن نسبت مولفه‌های اکتیو و راکتیو بار در آن‌ها است. به عنوان مثال اصلا مشخص نیست که چه نوع باری به یک ژنراتور، ترانسفورماتور یا خطوط انتقال متصل خواهد شد. از طرفی ظرفیت حرارتی هادی‌های به کار رفته در این تجهیزات کاملا مشخص بوده و نباید دچار اضافه بار شوند؛ پس بهترین راه بیان جریان و توان مجاز این تاسیسات به صورت ظاهری است.

در نظر داشته باشید که هر هادی دارای ظرفیت حرارتی مشخصی بوده و می‌تواند جریان مشخصی را از خود عبور دهد. به عبارت ساده تر شما می‌توانید از یک ژنراتور، ترانسفورماتور یا خط انتقال برای تامین انرژی مورد نیاز یک بار اهمی، سلفی، خازنی و یا ترکیبی از آن ها استفاده کنید ولی نباید هادی‌های آن را دچار اضافه بار کنید.

با این توضیحات می‌توان نتیجه گرفت که با کاهش برآیند جریان و توان ظاهری سیستم می‌توان سایز تجهیزات را کوچک‌تر کرد. این فرضیه به صورت دیگری نیز قابل بیان است: به عنوان مثال می‌توان با کمتر کردن برآیند جریان‌ها و توان ظاهری بارها، از تجهیزات قدرت توان بیشتری دریافت کرد. ممکن است پس از تحلیل مولفه‌های جریان و توان سوال‌هایی متعددی در ذهن ما ایجاد شود. به‌عنوان‌مثال:

• چگونه می‌توان برآیند مولفه‌های اکتیو و راکتیو جریان یا توان را کاهش داد؟
• کدام مولفه از جریان و توان بیشترین نقش را در تبدیل انرژی الکتریکی دارد؟
• بهتر است کدام مولفه را از جریان و توان حذف کنیم؟

در ادامه سعی شده با بررسی نقش هر یک از مولفه‌های اکتیو و راکتیو مسائل مربوط به جبران سازی یا اصلاح ضریب توان بیشتر بررسی شود.

مطالبی که در حال مطالعه ی آن هستید به صورت تصویری در دوره طراحی بانک خازن آموزش داده شده است. در این دوره تصویری با توان در جریان متناوب، مفهوم جبران سازی توان راکتیو، مزایای فنی و اقتصادی جبران سازی، مشخصات بانک خازن، محاسبه ضریب توان، محاسبه خازن از طریق قبض برق، انتخاب خازن برای الکتروموتور و ترانسفورماتور، انتخاب تجهیزات سوئیچ و حفاظت در بانک خازن و دستور العمل راه اندازی بانک خازن آشنا شده و چند بانک خازن را به صورت عملی بررسی و تست می کنیم. جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص این دوره می توانید روی عبارت طراحی بانک خازن کلیک کنید.

نقش مولفه‌های اکتیو و راکتیو

همانطور که در بخش‌های قبلی مشاهده کردید مولفه‌های اکتیو و راکتیو با یکدیگر 90 درجه اختلاف داشته و برآیند آن‌ها جریان کامل یا توان ظاهری سیستم را تشکیل می‌دهد.

در این شرایط می‌توان با کاهش یک یا هردو مولفه‌ی اکتیو و راکتیو، برآیند کلی سیستم را کاهش داده و از تجهیزات کوچک تر استفاده کرد.

نکته‌ی مهم در این قسمت؛ اهمیت مولفه‌های اکتیو و راکتیو است. به عبارت دیگر کدام یک از این مولفه‌ها را می‌توان بدون بروز آثار منفی کاهش داده یا کاملا حذف کرد؟

برای مشخص شدن اهمیت توان اکتیو، یک الکتروموتور 18.5 کیلو وات را در نظر بگیرید. همانطور که در کتاب راه‌اندازی الکتروموتورهای سه فاز به آن اشاره کردیم؛ این توان مربوط به انرژی مکانیکی و تحویلی روی شفت الکتروموتور است.

به عبارت دیگر این الکتروموتور برای تولید توان مکانیکی 18.5 کیلو وات، از شبکه 400 ولت 50 هرتز 31.5 آمپر دریافت می‌کند.

در نظر داشته باشید که با کاهش میزان بار این الکتروموتور و یا سایز آن می‌توان میزان دریافت توان اکتیو را کاهش داد اما این امر مستقیما روی کار نهایی تاسیسات تاثیر خواهد گذاشت.

جریان یا توان راکتیو مولفه‌ی دیگری است که برآیند کلی سیستم یعنی جریان‌ها و توان ظاهری را افزایش می‌دهد. این جریان و توان؛ صرف کار مفید نشده و حاصل تبادل انرژی بین بار و منبع است. به عبارت ساده‌تر مقداری از انرژی در زمان نامناسب به منبع بازگردانده شده و سطح مقطع هادی‌ها را اشغال می‌کند.

در حضور توان راکتیو باید سطح مقطع هادی‌های استفاده شده در ژنراتورها، ترانسفورماتورها، خطوط انتقال، کابل‌ها و غیره افزایش داده شود. افزایش سطح مقطع هادی‌ها در این تجهیزات به معنی بزرگتر شدن سایز آن ها و افزایش هزینه‌های ساخت است. در نگاه اول شاید یه این نتیجه برسیم که چرا این توان غیر مفید در شبکه‌های متناوب ایجاد می‌شود؟ آیا نمی‌توان آن را کامل حذف کرد؟

توان راکتیو به میدان مغناطیسی گره خورده و حذف آن سیستم تولید، انتقال و مصرف انرژی را مختل می‌کند. به صورت کلی در هر سیستمی که انرژی الکتریکی به فضای پیرامون خود هدایت شود، توان راکتیو ایجاد خواهد شد.

برای درک بهتر این موضوع نحوه‌ی تشکیل میدان مغناطیسی در ژنراتور، ترانسفورماتور، الکتروموتور و غیره را در نظر بگیرد. در این ماشین‌ها به نحوی انرژی الکتریکی به میدان مغناطیسی تبدیل شده و از هادی‌ها خارج می‌شود.

این انرژی پس از ورود به فضای پیرامون، هادی‌های دیگر و هادی‌های به وجود آورنده‌ی خود را قطع می‌کنند. این کار باعث تبدیل انرژی و ایجاد نیروی ضد محرکه به صورت همزمان خواهد شد. نحوه‌ی تشکیل نیروی‌های ضد محرکه و آثار آن ها در کتاب‌های مبانی برق کاملا شرح داده شده است.

این روند یعنی تبدیل انرژی الکتریکی به میدان مغناطیسی و تبدیل مجدد آن به انرژی الکتریکی؛ باعث ایجاد اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان می‌شود. این اختلاف در نهایت باعث برهم خوردن نظم انرژی شده و توان راکتیو را پدید می‌آورد.

تا این قسمت به صورت مختصر با نقش و اهمیت هردو مولفه‌ی اکتیو و راکتیو در شبکه‌های متناوب آشنا شدیم. به صورت کلی وجود هردو مولفه در تولید، انتقال و مصرف انرژی ضروری بوده و حذف آن‌ها امکان پذیر نیست. حال که نمی‌توانیم هیچ کدام از این مولفه‌های جریان و توان را حذف کنیم، چرا شرکت‌های توزیع کننده‌ی نیروی برق جریمه‌ای را با عنوان بدی مصرف یا ضریب زیان دریافت می‌کنند؟

پاسخ این سوال با تعریف جبران سازی یا اصلاح ضریب توان داده خواهد شد. در قسمت‌های قبل شرح داده شد که رفتار خازن دقیقا عکس سلف است. به عبارت دیگر زمان دریافت و پردخت توان راکتیو در این عناصر به صورت معکوس بوده و یکدیگر را خنثی می‌کنند. قرار دادن سلف‌ها و خازن‌ها در نزدیکی یکدیگر باعث تبادل توان راکتیو بین آن‌ها شده و دیگر ظرفیتی از شبکه‌ی بالادست اشغال نخواهد کرند. این تئوری در تصویر زیر به خوبی نمایش داده شده است.

توجه داشته باشید که به صورت نرمال بارهای خازنی در شبکه وجود نداشته ولی ما می‌توانیم بر اساس نیاز آن‌ها را به شبکه اضافه کنیم. این پروسه در ادامه به صورت کامل شرح داده شده است.

اصلاح ضریب توان

با توجه به ایجاد هزینه‌های جانبی در مدیریت شبکه با ضریب توان پائین، در شرکت‌های تولید و توزیع کننده‌ی نیروی برق قوانین خاصی در مورد تبادل توان راکتیو وجود دارد. طبق این قوانین ضریب توان یا P.F مشترکین نباید کمتر از 0.9 باشد. این قانون ممکن است در برخی از شرکت‌های تولید یا توزیع کننده‌ی نیروی برق متفاوت باشد. کاهش ضریب توان از این مقدار شامل جریمه شده و هزینه‌های صورت حساب برق را افزایش خواهد داد.

در نظر داشته باشید که ضریب توان از نقطه‌ی تحویل انرژی و توسط کنتورها محاسبه شده و به اطلاع مشترک خواهد رسید. با توجه به مشخص بودن تعرفه‌های انرژی، هر مشترک می تواند هزینه های اضافی مربوط به دریافت توان راکتیو را دقیقا مشاهده کند.

با ثابت در نظر گرفتن توان اکتیو؛ می‌توان مسیر کوتاه‌تری برای تبادل توان راکتیو در تاسیسات الکتریکی ایجاد کرد. طبق تصویر زیر؛ این کار با قرار دادن خازن در کنار بارهای سلفی انجام شده و اصلاح ضریب توان یا جبران سازی توان راکتیو نام دارد. روش‌های مختلفی برای جبران سازی وجود دارد که در مقاله ی انواع جبران سازی توان راکتیو بررسی کردیم.

وجود خازن با ظرفیت مناسب باعث حذف یا کاهش تبادل توان راکتیو با منبع شده و ضمن کاهش توان ظاهری، ظرفیت تاسیسات بالادست را آزاد می‌کند. با آزاد شدن ظرفیت تجهیزات بعلت جبران سازی توان راکتیو؛ می‌توان از تجهیزات کوچکتر در تولید و انتقال استفاده کرده و یا توان اکتیو بیشتری را به بارها تحویل داد. در تصویر زیر سمت راست: جبران سازی توان راکتیو، وسط: مثلث توان قبل از جبران سازی، سمت چپ: مثلث توان پس از جبران سازی مشاهده می‌کنید.

 

قابل ذکر است که کاهش ظرفیت تنها به سود شرکت‌های توزیع نبوده و شامل تجهیزات داخلی نیز می‌شود. به عنوان مثال با انتخاب محل و مقدار مناسب جبران سازها می‌توان سایز ترانسفورماتورها، بریکرها و کابل‌های داخلی را نیز کاهش داد. این مسائل در بخش‌های بعدی به صورت کامل شرح داده می‌شود.

مثال

یک مجموعه‌ی صنعتی با ولتاژ سه فاز فشار ضعیف 400 ولت را در نظر بگیرید. این شرکت 300 کیلو وات توان اکتیو مصرف کرده و قصد دارد ضریب توان خود را از 0.8 به 0.93 افزایش دهد. میزان جریان در این تاسیسات قبل و بعد از جبران سازی چگونه محاسبه می‌شود؟

با توجه به مشخص بودن توان اکتیو، ولتاژ و ضریب توان می‌توان جریان قبل از جبران سازی را اینگونه محاسبه کرد:

\[P = \sqrt 3  \times I \times Cos\varphi \times U \]

 

\[{{\rm{I}}_1} = \frac{{\rm{P}}}{{\sqrt 3  \times {{\rm{U}}_{\rm{n}}} \times {\rm{COS}}{{\rm{\varphi }}_1}}}\]

\[= \frac{{300 \times {{10}^3}}}{{\sqrt 3  \times 400 \times 0.8}} = 540{\rm{\;A}}\]

در صورت ثابت بودن توان اکتیو می‌توان ضریب توان جدید را در فرمول قرار داده و جریان بار پس از جبران سازی را به دست آورد:

\[{{\rm{I}}_2} = \frac{{\rm{P}}}{{\sqrt 3  \times {{\rm{U}}_{\rm{n}}} \times {\rm{COS}}{{\rm{\varphi }}_2}}}\]

\[= \frac{{300 \times {{10}^3}}}{{\sqrt 3  \times 400 \times 0.93}} = 465{\rm{\;A}}\]

با اصلاح ضریب توان از 0.8 به 0.93در این تاسیسات میزان جریان از 540 به 465 آمپر خواهد رسید.

\[{I_1} – {I_2} = 540 – 465 = 75A\]

محتوای این مقالات برگرفته از کتاب جبران سازی توان راکتیو تالیف مثلث زرد می باشد. این کتاب دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد غیرمجاز بوده و پیگرد قانونی دارد.