محتویات مقاله
اصلاح ضریب توان چیست؟
ضریب توان یک سیستم برق متناوب عبارت است از مقایسه توان مصرفی بار که «قدرت واقعی» نامیده می‌شود، تقسیم بر توان عرضه شده 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 می‌توانست در ولتاژ و آمپر عرضه شده انجام شود.
آشنایی با مفاهیم هم‌فاز، پس‌فاز و پیش‌فاز
اعمال ولتاژ متناوب به یک بار (اهمی-سلفی-خازنی) با عث به وجود آمدن جریان متناوب در آن می‌شود. در این شرایط فرکانس جریان و فرکانس ولتاژ برابرند اما از نظر زمانی ممکن است اختلافی وجود داشته باشد. این اختلاف که اختلاف‌فاز نامیده می‌شود، فاصله زمانی بین منحنی‌های ولتاژ و جریان است. این اختلاف‌فاز بین آن‌ها همواره یکسان است زیرا هر دو سیگنال دارای فرکانس یکسانی هستند. فاصله زمانی جریان نسبت به ولتاژ در مدارهای مختلف می‌تواند هم‌فاز، پس‌فاز و یا پیش‌فاز باشد. اما این اختلاف‌فاز چگونه در مدارهای مختلف ایجاد می‌شود؟
بار اهمی یا مقاومتی خالص
بار اهمی یا مقاومتی خالص باعث ایجاد اختلاف فاز بین شکل‌موج‌های جریان و ولتاژ نمی‌شود. به عبارت دیگر در مدارهای با بار اهمی خالص، جریان و ولتاژ هم‌فاز بوده و کاملاً با یکدیگر پیش می‌روند. (هم‌فاز بودن به این معناست که هر دو شکل‌موج هم‌زمان به حداکثر مقدار خود می‌رسند، همچنین هم‌زمان هر دو صفر می‌شوند.)
با توجه به شکل، باری که فقط توان اکتیو مصرف می‌کند، بار مقاومتی نامیده می‌شود. از آنجایی که این نوع از بار فقط توان اکتیو مصرف می‌کند، بنابراین توان فقط از منبع به بار جریان می‌یابد.
نمونه‌هایی از بارهای مقاومتی:
- لامپ‌های روشنایی
- هیترها (دستگاه‌های تولید گرما)
- یا هر بار دیگری که فقط از عناصر گرمایشی تشکیل شده باشد.
ویژگی بارهای مقاومتی:
- این بارها فقط توان اکتیو مصرف می‌کنند.
- شکل‌موج ولتاژ و جریان چنین بارهایی کاملاً با یکدیگر هم‌فاز هستند.
- ضریب توان چنین باری واحد است.
- توان همیشه از منبع به بار جریان دارد.
بار سلفی یا القایی خالص
سلف که به آن سیم‌پیچ (coil) یا القاگر (inductor) هم گفته می‌شود، یک وسیله الکتریکی پسیو است که در صورت عبور جریان از آن، انرژی الکتریکی را در میدان مغناطیسی ذخیره می‌کند و در برابر تغییرات ناگهانی جریان مقاومت می‌کند.
طبق قانون القای فارادی زمانی که جریان عبوری از یک قطعه تغییر می‌کند، میدان مغناطیسی متغیر با زمان در سیم‌پیچ باعث القای ولتاژ در آن می‌شود.
ولتاژ القا شده در سیم‌پیچ، طبق قانون فیزیکی لنز، با تغییرات جریان به‌وجود آورنده آن مخالفت می‌کند. بنابراین، به همین دلیل است که سلف در برابر هرگونه تغییر ناگهانی جریان مقاومت می‌کند.
با اعمال ولتاژ متناوب به بار سلفی خاص، جریان متناوب در آن ایجاد خواهد شد. این جریان، فرکانسی برابر با فرکانس منبع ولتاژ دارد اما دیگر با منبع ولتاژ هم‌فاز نیست. (اختلاف فاز به این معناست که دو شکل‌موج هم‌زمان به حداکثر مقدار خود نمی‌رسند، همچنین هم‌زمان هر دو صفر می‌شوند.) به عبارت دیگر، وجود خاصیت سلفی و مقاومت آن در برابر تغییرات جریان باعث عقب افتادن منحنی جریان نسبت به ولتاژ می‌شود.
عقب ماندن منحنی جریان نسبت به ولتاژ حالت پس‌فاز یا Lag نام دارد. میزان عقب افتادگی جریان نسبت به ولتاژ در یک مدار سلفی خالص 90 درجه می‌باشد که در تصویر زیر قابل مشاهده است:
همانطور که در شکل بالا مشخص است، در هر نیم سیکل ولتاژ، یک بخش توان منفی و یک بخش آن مثبت است. این بخش‌ها به سادگی یکدیگر را خنثی می‌کنند، در نتیجه یک سلف خالص هیچ توان اکتیوی مصرف نمی‌کند. در واقع سلف خالص انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند و مجدد به منبع بازمی‌گرداند.
نمونه‌هایی از بارهای سلفی:
- موتور الکتریکی
- فن
- ماشین لباسشویی؛ یا هر چیز دیگری که داخل آن موتور باشد.
- همچنین راکتورهای مورد استفاده در سیستم‌های قدرت نمونه‌ای از بارهای القایی محسوب می‌شوند.
ویژگی بارهای سلفی:
- این بارها فقط توان راکتیو مصرف می‌کنند.
- شکل‌موج ولتاژ و جریان اینگونه بارها 90 درجه با یکدیگر اخلاف فاز دارند.
- ضریب توان چنین باری پس‌فاز است.
- توان از منبع به بار و از بار به منبع جریان دارد.
این نوع بارها بر ضریب قدرت سیستم تأثیر زیادی می‌گذارند. و از این رو قبض برق بالا می‌رود.
بار خازنی خالص
خازن نیز همانند سلف یک عنصر الکتریکی است که انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند، با این تفاوت که زمان بازگرداندن انرژی به منبع کاملاً مخالف سلف است. به علاوه اینکه خازن در برابر تغییرات ولتاژ مقاومت می‌نماید.
رفتار خازن در شبکه متناوب دقیقاً عکس رفتار سلف می‌باشد و مقاومت آن در برابر تغییرات ولتاژ باعث پیش افتادن منحنی جریان نسبت به ولتاژ می‌شود. به عبارت دیگر خازن با تغییرات ولتاز مخالفت کرده و باعث می‌شود تا جریان نسبت به ولتاژ تقدم پیدا کند.
شروع سریع‌تر منحنی جریان نسبت به منحنی ولتاژ حالت پیش‌فاز یا Lead نام دارد. میزان جلو افتادگی جریان نسبت به ولتاژ در یک مدار خازنی خالص 90- درجه می‌باشد که در تصویر زیر قابل مشاهده است:
همانطور که از تصویر بالا قابل مشاهده است، با اتصال خازن به یک منبع ولتاژ متناوب، صفحات آن به صورت متناوب شارژ و دشارژ می‌شوند.
بارهای خازنی در قالب مستقل وجود ندارند. و هیچ دستگاهی به عنوان بار خازنی تلقی نمی‌شوند. با این‌حال، خازن‌ها در مدارهای بزرگ در کنترل مصرف برق مفید هستند. آن‌ها اغلب در پست‌های الکتریکی گنجانده می‌شوند تا ضریب توان کلی سیستم را بهبود بخشند.
علل ضریب توان کم چیست؟
ضریب توان کم، در نتیجه اختلاف فاز قابل توجه بین شکل موج جریان و ولتاژ به وجود می‌آید. دلیل دیگر، هارمونیک بالا یا اعوجاج شکل موج جریان است که این اعوجاج ممکن است به دلیل وجود یکسوساز، اینورتر، درایو کنترل‌دور، منابع تغذیه سوئیچینگ و … باشد. بارهای سلفی مانند موتورهای القایی، ترانسفورماتورهای قدرت، بالاست‌های روشنایی، مجموعه سیم‌ها و … نیز دیگر دلایل کم بودن ضریب توان هستند.
چرا اصلاح ضریب توان مهم است؟
هدف از بهبود ضریب توان به طور کلی بهره‌برداری بهینه از انرژی الکتریکی، کاهش هزینه قبض برق و کاهش تلفات توان است.
جهت کسب دانش عمیق‌تر در این زمینه می‌توانید مقاله زیر را مطالعه نمایید:
روش‌های اصلاح ضریب توان
سه روش عمده برای اصلاح ضریب توان وجود دارد:
- بانک خازنی (Capacitor Bank)
- کندانسور سنکرون (Synchronous Condenser)
- پیش‌انداز فاز (Phase Advancers)
در ادامه به تشریح هریک از روش‌های مذکور می‌پردازیم:
بانک خازنی
بهبود ضریب توان به معنای کاهش اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان است. از آنجا که اکثر بارها ماهیت القایی دارند، برای عملکرد به توان راکتیو نیاز دارند.
در این روش، یک خازن یا مجموعه‌ای از خازن‌ها که به موازات بار نصب شده‌اند، توان راکتیو مورد نیاز را برای بارهای القایی فراهم می‌کنند. آن‌ها به عنوان منبع توان راکتیو محلی عمل می‌کنند، بنابراین توان راکتیو کمتری از طریق خط جریان می‌یابد و در نتیجه آن ضریب توان سیستم بهبود می‌یابد.
توجه نمایید که با این روشِ اصلاح ضریب توان، مقدار توان مصرف شده توسط بار کاهش نمی‌یابد، اما به دلیل کم شدن توان راکتیو، توان ظاهری و در نتیجه کل جریان کشده شده از منبع کاهش می‌یابد.
نمونه‌ای از خازن‌های قابل استفاده در بانک خازنی:
شکل زیر بانک خازنی متصل شده به بار سه فاز را به صورت اتصال ستاره و مثلث نشان می‌دهد:
هر دو اتصال، ضریب توان سیستم را بهبود می‌بخشند، اما به طور کلی، بانک خازن با اتصال دلتا ترجیح داده می‌شود چرا که در حالت اتصال مثلث، مقدار ظرفیت خازن مورد نیاز در هر فاز یک‌سوم حالتی است که خازن‌ها به صورت ستاره متصل شده‌اند.
مزایای بانک خازنی:
- تلفات کم
- تعمیر و نگه‌داری کم
- نصب اسان
- وزن کمتر نسبت به دو روش دیگر
معایب بانک خازنی:
- خازن‌ها در برابر اضافه ولتاژ به راحتی آسیب می‌بینند.
- عمر کوتاه (8-10 سال)
- پس از آسیب دیدن، تعمیر آن پرهزینه و غیراقتصادی است.
- به دلیل سوئیچینگ مداوم، ممکن است نوسانات سوئیچینگ و هارمونیک تولید شود.
کندانسور سنکرون
این روش نیز اتصال موازی جبران‌سازهای سنکرون به بار است. جبران‌سازهای سنکرون در واقع موتورهای سنکرون هستند که بدون بار کار می‌کنند. وقتی یک موتور سنکرون سه فاز در حالت بیش‌تحریک کار می‌کند، جریان پیش‌فاز می‌کشد و مانند یک خازن رفتار می‌کند. بنابراین، کندانسور سنکرون چیزی نیست جز یک موتور سنکرون بیش‌تحریک بدون بار مکانیکی (در حالت بی‌باری).
هنگامی که کندانسور سنکرون تحت تحریک قرار دارد با ضریب توان پس‌فاز کار می‌کند. در نتیجه توان راکتیو را از خط جذب می‌کند. اما هنگامی که در حالت بیش‌تحریک قرار می‌گیرد، در ضریب توان پیش‌فاز کار می‌کند و توان راکتیو تولید می‌کند، در نتیجه به عنوان یک خازن رفتار می‌کند.
بانک خازن کنترل ضریب توان را طی مراحل گسسته کنترل می‌کند، در حالی که کندانسور سنکرون به طور پیوسته تصحیح ضریب توان را انجام می‌دهد.
مزایای کندانسور سنکرون:
- طول عمر قابل اعتماد و طولانی (تقریباً 25 سال)
- کنترل پیوسته و انعطاف‌پذیر ضریب توان
- تحت تأثیر هارمونیک‌ها قرار نمی‌گیرد.
- بدون نیاز به سوئیچینگ، درنتیجه بدون نوسانات سوئیچینگ
معایب کندانسور سنکرون:
- نسبت به بانک خازنی تلفات بیشتری دارد.
- هزینه نگه‌داری بالا
- تولید آلودگی صوتی
- پاسخ کند به علت ثابت زمانی بزرگ. در حالی که بانک خازنی پاسخ سریعی را ارائه می‌دهد.
- کندانسور سنکرون را تنها می‌توان در یک مکان نصب کرد، در حالی که بانک خازن را می‌توان در مکان‌های زیادی توزیع کرد. به همین دلیل بانک خازن در کنترل توان راکتیو مؤثرتر است.
- برای کمتر از 500kVA اقتصادی نیست.
پیش‌انداز فاز
پیش‌انداز فاز یک تحریک‌کننده AC است که عمدتاً برای بهبود ضریب توان موتورهای القایی استفاده می‌شود. بر روی شفت موتور نصب می‌شوند و به مدار روتور موتور متصل می‌شوند و آمپردور تحریک را برای مدار روتور موتور القایی در فرکانس لغزش تأمین می‌کند. در نتیجه از این طریق می‌توان ضریب توان موتور القایی را بهبود بخشید.
از آنجایی که می‌دانیم سیم‌پیچ استاتور موتور القایی جریان پس‌فاز از منبع می‌کشد، بنابراین برای بهبود ضریب توان موتور القایی، باید این جریان پس‌فاز را از یک منبع جایگزین تأمین کنیم. و این منبع جایگزین پیش‌انداز فاز است.
یکی از ویژگی‌های جذاب پیش‌انداز فاز این است که اگر بیش از حد نیاز آمپردور را تأمین کنیم، موتور در حالت بیش‌تحریک (در ضرب توان پیش‌فاز) کار خواهد کرد.
