محتویات مقاله
مقدمه
توان حاصل‌ضرب ولتاژ و جریان در مدارهای الکتریکی است. در اصطلاح فنی، سرعت انتقال انرژی الکتریکی توسط مدارهای الکتریکی به معنای سرعت انتقال انرژی است. اختصارات AC و DC اغلب در سیستم‌های قدرت الکتریکی به ترتیب برای جریان متناوب و جریان مستقیم استفاده می‌شوند. هر دو نوع AC و DC شکل‌های متفاوتی از جریان هستند که برای انتقال انرژی الکتریکی استفاده می‌شوند. توان اکتیو و توان راکتیو دو اصطلاح رایج هستند که برای توصیف توان در سیستم‌های قدرت الکتریکی به کار می‌روند. توان اکتیو توان حقیقی است، در حالی که توان راکتیو برای انتقال توان حقیقی استفاده می‌شود. در این مطلب به برخی از تفاوت‌های کلیدی بین این دو توان می‌پردازیم.
توان اکتیو چیست؟
در مدارهای AC ساده، ولتاژ و جریان سینوسی هستند، به این معنی که شکل موج شباهت زیادی به یک موج سینوسی کامل دارد. در صورت وجود یک بار کاملاً مقاومتی، ولتاژ و جریان قطبیت خود را به طور همزمان و در هر لحظه معکوس می‌کنند، مقدار مثبت است به این معنی که جهت جریان به صورت دوره ای معکوس نمی شود. در این حالت فقط توان فعال منتقل می‌شود. توان اکتیو یا توان حقیقی مقدار توانی است که در واقع در مدار AC مصرف می‌شود. به زبان ساده به توانی که تلف می‌شود توان اکتیو می‌گویند و آن را با حرف بزرگ “P” نشان می‌دهند و با واحدهای وات (W)، کیلووات (KW) و مگاوات (MW) اندازه‌گیری می‌کنند.
توان راکتیو چیست؟
در مورد بار راکتیو، ولتاژ با جریان اختلاف فاز دارد. حاصل‌ضرب ولتاژ و جریان برای نیمی از هر سیکل مثبت است، در حالی که برای نیمه دیگر سیکل منفی است؛ به این معنی که توان به طور پیوسته بین منبع و بار به رد و بدل می‌شود. این امر منجر به انتقال توان راکتیو به بار می‌شود. به زبان ساده، توان راکتیو توان استفاده‌نشده یا توان موهومی است که برای هیچ کار مفیدی استفاده نمی‌شود و زمانی وجود دارد که ولتاژ و جریان اختلاف فاز داشته باشند. توان راکتیو را با حرف بزرگ “Q” نشان می‌دهند و برخلاف واحد SI توان که وات است، برحسب ولت-آمپر راکتیو (var) اندازه‌گیری می‌شود.
توان ظاهری چیست؟
ترکیب توان راکتیو و توان واقعی را توان ظاهری می‌نامند و حاصل ضرب ولتاژ و جریان مدار بدون در نظر گرفتن زاویه فاز است. توان ظاهری با واحد ولت‌آمپر (VA) اندازه‌گیری و با حرف بزرگ S نشان داده می‌شود.
برای حصول دانش عمیق‌تر در این مبحث می‌توانید مقالات زیر را نیز مطالعه کنید:
تفاوت بین توان اکتیو و توان راکتیو
در سیستم‌های الکتریکی متناوب، مقدار توانی که برای تولید کار مؤثر استفاده می‌شود، به معنی مقدار توانی است که در واقع به بار (مانند ترانسفورماتور) منتقل می‌شود، و «توان اکتیو» یا «توان واقعی» نامیده می‌شود. این توان یک توان مفید است که در واقع توسط بار در نتیجه انرژی اتلاف‌شده به عنوان گرما مصرف می‌شود. از سوی دیگر، توان راکتیو، مقدار توانی است که به طور مداوم بین منبع و بار رد و بدل می‌شود، یعنی توانی که نمی‌توان برای کار مؤثر در مدار یا سیستم AC استفاده کرد.
در یک مدار AC، اگر ولتاژ اعمال شده “V” و جریان گردشی “I” باشد، مقدار متوسط توان فعال P = VI cos ϕ است، که در آن ϕ زاویه فاز بین جریان و ولتاژ است. فرمول توان راکتیو Q = VI sin ϕ است، که “I sin ϕ” در اینجا نشان‌دهنده اختلاف فاز جریان با ولتاژ است.
توان اکتیو توانی است که در اشکال مختلف فیزیکی مانند تابش الکترومغناطیسی یا شکل مکانیکی یا امواج صوتی ظاهر می‌شود. مثالی از یک گاری دستی کوچک با یک چرخ را که با هل دادن توسط یک نفر حرکت می‌کند، در نظر بگیرید. توان اکتیو در اینجا کار انجام‌شده بر روی چرخ برای حمل مواد از یک مکان به مکان دیگر است که کار واقعی است. توان راکتیو در اینجا توان موهومی است که به خودی خود کار مفیدی انجام نمی‌دهد، اما همان چیزی است که دسته‌های گاری را بالاتر از زمین نگه می‌دارد. توان راکتیو در بسیاری از محیط‌های صنعتی برای کنترل ولتاژ به منظور غلبه بر نوسان‌ها در سطوح ولتاژ استفاده می‌شود.
برای درک بهتر، می‌توان توان اکتیو، توان راکتیو و توان ظاهری را با یک چیپس یا یک لیوان نوشابه نشان داد.
جدول زیر، خلاصه تفاوت‌های توان اکتیو و توان راکتیو را نشان می‌دهد.
| موضوع | توان اکتیو | توان راکتیو | |
| 1 | تعریف پایه | توانی است که به طور پیوسته از منبع به بار در یک مدار الکتریکی جریان می‌یابد. | توانی است که به طور مداوم از منبعی به بار جریان می‌یابد و در مدار الکتریکی به منبع باز می‌گردد. |
| 2 | نام دیگر | توان حقیقی (Real power)، توان کامل وات (Watt full power)، توان واقعی (Actual power) | توان موهومی (Imaginary power)، توان بدون وات (Watt less power)، توان بی‌مصرف (Useless power) |
| 3 | نماد | P | Q |
| 4 | فرمول | [cos(θ)*ولتاژ*جریان] = توان اکتیو | [sin(θ)*ولتاژ*جریان] = توان راکتیو |
| 5 | واحد اندازه‌گیری | وات (W) یا کیلووات (kW) یا مگاوات (MW) | ولت-آمپر راکتیو (VAR) یا کیلوولت-آمپر راکتیو (kVAR) یا مگاولت-آمپر راکتیو (MVAR) |
| 6 | ابزار اندازه‌گیری | وات‌متر (Wattmeter) | وارمتر (VARmeter) |
| 7 | جهت توان | تنها در یک جهت نسبت به زمان جریان دارد. | در هر دو جهت نسبت به زمان جریان دارد. |
| 8 | نقش در مدار | در بار مقاومتی متصل به مدار مصرف یا تلف می‌شود. به عنوان توان مفید توسط بار مصرف می‌شود. | در بار القایی متصل در مدار ذخیره می‌شود. به عنوان توان بی‌مصرف توسط بار مصرف می‌شود. |
| 9 | نوع مدار | در هر دو مدار AC و DC | در مدار AC |
| 10 | کاربرد | انرژی الکتریکی را به اشکال دیگر انرژی، مانند نوری، گرمایی و مکانیکی، تبدیل می‌کند. | انرژی را تبدیل نمی‌کند، شار الکتریکی یا مغناطیسی تولید می‌کند. |
| 11 | هم‌فازی | جریان و ولتاژ هم‌فاز هستند. | جریان و ولتاژ اختلاف فاز دارند. |
| 12 | کاربرد | لامپ رشته‌ای، فر، قهوه‌ساز، اتو، توستر، بخاری و… | فن، جاروبرقی، ماشین ظرفشویی، ماشین لباسشویی، کمپرسور یخچال، تهویه مطبوع، ترانسفورماتور و… |
توان راکتیو از نظر بازار برق
توان راکتیو از نظر فنی یک مفهوم بسیار پیچیده، اما از نظر اقتصادی بسیار ساده است. در این بخش، توان راکتیو را از نظر اقتصاد برق بررسی می‌کنیم، اما برای انجام این کار باید کمی از فیزیک موضوع را درک کنیم.
همان‌طور که می‌دانیم، توان الکتریکی در واقع دارای دو جزء است: جریان و ولتاژ. در یک سیستم قدرت جریان متناوب، جریان و ولتاژی که تولید می‌شود ثابت نیستند. هر دو موج سینوسی با فرکانس ۵۰ سیکل در ثانیه یا ۵۰ هرتز هستند. اگر امواج ولتاژ و جریان دقیقاً همزمان به اوج یا پیک خود برسند، همان‌طور که در بخش (a) شکل زیر نشان داده شده است، گفته می‌شود که «هم‌فاز» هستند. اگر امواج ولتاژ و جریان دقیقاً در یک زمان به حداکثر مقدار خود نرسند، همان‌طور که در بخش (b) شکل زیر نشان داده شده است، آن‌گاه گفته می‌شود که آن‌ها «ناهم‌فاز» هستند یا «اختلاف فاز» دارند.
در سیستم‌های قدرت باید ولتاژ و جریان تا حد امکان به هم‌فاز بودن نزدیک باشند. اگر مقاومت‌های ساده (مانند لامپ یا توستر معمولی) تنها دستگاه‌های متصل به سیستم‌های برق بودند، در آن صورت ثابت نگه‌داشتن سیستم قدرت چندان دشوار نبود. برخی از انواع وسایل روزمره مانند تهویه مطبوع، یخچال، پمپ استخر یا هر دستگاه دیگری مانند آن‌ها موتور الکتریکی دارند که در واقع می‌تواند ولتاژ و جریان را از هم‌فازی خارج کند. به این دستگاه‌ها «بارهای القایی» می‌گویند، زیرا جریان را مصرف می‌کنند، اما می‌توانند ولتاژ را کاهش دهند یا میدان الکترومغناطیسی ضعیفی تولید می‌کنند که می‌تواند بین ولتاژ و جریان اختلاف فاز ایجاد کند.
اگر ولتاژ از هم‌فازی با جریان خارج شود، مقدار توان قابل تحویل را کاهش می‌یابد (می‌دانیم که توان برابر با حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان است) و برخی از آن بارهای القایی ممکن است به خوبی کار نکنند (و لامپ‌ها ممکن است به اندازه قبل روشنایی نداشته باشند و…). اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان، یا اینکه چه ولتاژ اضافه‌ای برای بازگرداندن سیستم به حالت هم‌فاز لازم است، به عنوان توان راکتیو شناخته می‌شود.
توانی که ما در واقع مصرف می‌کنیم (ولتاژ ضرب در جریان) گاهی اوقات «توان حقیقی» نامیده می‌شود تا آن را از توان راکتیو متمایز کند. معمولاً وقتی از واژه «توان» به تنهایی استفاده می‌کنیم، منظورمان توان حقیقی است.
آنچه گفتیم، ما را به اولین اصل اقتصادی توان راکتیو هدایت می‌کند: توان حقیقی و توان راکتیو مکمل‌هایی در مصرف هستند. بسیاری از دستگاه‌هایی که از برق استفاده می‌کنند، نه تنها برای انجام وظایف اصلی خود به توان حقیقی نیاز دارند، بلکه برای جبران تأثیری که این دستگاه‌ها بر ولتاژ می‌گذارند، به توان راکتیو نیز نیاز دارند.
هنگامی که شبکه برق به توان راکتیو بیشتری نیاز دارد، می‌توان آن را به طور مؤثر در نیروگاه تولید کرد. به یاد داشته باشید که اکثر نیروگاه‌ها برق را از طریق سیم‌پیچی که در میدان مغناطیسی در حال چرخش است تولید می‌کنند (سرعت چرخش آن سیم‌پیچ چقدر است؟ ۵۰ دور در ثانیه یا ۵۰ هرتز که همان فرکانس شکل‌گیری موج ولتاژ و جریان است). اگر امواج ولتاژ و جریان اختلاف فاز داشته باشند، می‌توان آن را با تنظیم شدت میدان مغناطیسی، که اپراتور نیروگاه با حرکت دادن سیم‌پیچ انجام می‌دهد، اصطاح کرد. این همان چیزی است که ما آن را «تولید» توان راکتیو می‌نامیم. کلمه «تولید» در اینجا شاید گمراه‌کننده باشد، زیرا توان راکتیو نه یک جسم (مانند یک مولکول گاز یا قطره نفت) است و نه یک نیرو (مانند برق). اما از این اصطلاح برای خلاصه استفاده می‌کنیم.
با این حال، نکته‌ای وجود دارد که ما را به اصل دوم اقتصادی توان راکتیو هدایت می‌کند: توان راکتیو و توان اکتیو جایگزین‌هایی در تولید هستند. اگر نیروگاهی بخواهد توان راکتیو بیشتری تولید کند، باید تولید توان حقیقی خود را اندکی کاهش دهد. اینکه این مقدار دقیقاً چقدر باشد، توسط طراحی مهندسی نیروگاه تعیین می‌شود. از آنجا که توان راکتیو نه جسم است و نه نیرو، هزینه مستقیمی برای تولید توان راکتیو وجود ندارد. با این حال، یک هزینه فرصت برای نیروگاه در قالب تولید توان حقیقیِ ازدست‌رفته وجود دارد.
برخی از تجهیزات تخصصی مانند بانک‌های خازنی نیز می‌توانند توان راکتیو را تأمین کنند. با این حال، اغلب تولید توان راکتیو از یک نیروگاه موجود ارزان‌تر از ساخت یک بانک خازنی جدید است. بسیاری از چنین بانک‌های خازنی‌ای در سیستم‌های قدرت واقعی وجود دارند، به ویژه در نزدیکی شهرهایی که ساخت نیروگاه ممکن است دشوار باشد.
قبل از تجدید ساختار برق، شرکت‌ها‌ی برق زمانی که به توان راکتیو بیشتری نیاز بود، خروجی نیروگاه‌ها را تنظیم می‌کردند. هزينه‌های اقتصادی این کار توسط شركت پوشش داده می‌شد، اما اگر سيستم آن‌قدر به توان راكتيو نياز داشت كه هزينه توليد توان حقیقی را به طور قابل توجهی افزايش می‌داد، اين هزينه‌ها به صورت نرخ‌های الكتريكی نمود پیدا کرد.
با این حال، در مناطقی که تحت تجدید ساختار برق قرار گرفته‌اند، هیچ نیروگاهی به طور داوطلبانه توان راکتیو ارائه نمی‌کند، زیرا این کار به این معناست که توان اکتیو کمتری تولید می‌کنند و در نتیجه مقدار توان اکتیو کمتری در بازار می‌فروشند. اپراتورهای بازار به طور کلی این مشکل را با ملزم کردن تولیدکننده‌ها به تولید توان راکتیو در صورت درخواست، با هرگونه مصرف توان اکتیوِ ازدست‌رفته بر اساس هزینه فرصت، حل کرده‌اند. به عنوان مثال، اگر از یک تولیدکننده خواسته شود که خروجی را ۱ مگاوات-ساعت کاهش دهد تا توان راکتیو را افزایش دهد، و اگر قیمت بازار ۲۵ دلار به ازای هر مگاوات-ساعت باشد، در این صورت ۲۵ دلار برای آن اقدام به منظور افزایش توان راکتیو به تولیدکننده داده می‌شود.
توان راکتیو و انرژی‌های تجدیدپذیر
به منظور مقابله با واقعیت‌های جریان متناوب و تغییر مسیرهای انرژی، برنامه‌ریزان سیستم اطمینان حاصل می‌کنند که اقدامات کنترل ولتاژ را در محل مناسب تعبیه کنند. کارشناسان انرژی خاطرنشان می‌کنند که حتی یک تغییر ۵ درصدی ولتاژ در یک سیستم معین می‌تواند باعث خاموشی و مشکلات دیگر شود.
برای این منظور، بسیاری از اجزای یک سیستم الکتریکی، مانند ترانسفورماتورها، می‌توانند از به جای تحویل توان راکتیو، آن را جذب کنند. نزدیکان به صنعت تأکید می‌کنند که با تغییر بخش‌هایی از شبکه برق به انرژی‌های تجدیدپذیر، این مهم‌تر می‌شود.
توان راکتیو از جنبه شبکه‌های انرژی در حال تغییر نیز بسیار مهم است. به دلایل مهم بسیاری، انرژی‌های تجدیدپذیر مانند خورشیدی و بادی جایگزین منابع سنتی انرژی مانند زغال‌سنگ و گاز طبیعی می‌شوند. اما این موضوع ممکن است پیامدهایی برای کل شبکه برق داشته باشد.
افزایش انرژی‌های تجدیدپذیر به شبکه‌ای بدون جرم دوار کافی می‌تواند مشکلاتی جدی مانند قطع برق در مناطق خاصی در تلاش برای برقراری تعادل تقاضا و عرضه و جدا شدن نیروگاه‌های بزرگ از شبکه برای جلوگیری از بارگذاری بیش از حد آن‌ها ایجاد کند.
از آنجا که انرژی‌های تجدیدپذیر انرژی را به طور متفاوتی به شبکه می‌رسانند، تقاضا برای مدیریت خُرد توان اکتیو و توان راکتیو بیشتر خواهد بود.
منابع
http://www.differencebetween.net/science/difference-between-active-and-reactive-power/
