منابع و علل ضریب توان پایین

عوامل ومصادر انخفاض عامل الطاقة

في نظام الطاقة الكهربائية، يتم تعريف عامل الطاقة كنسبة القوة الفعلية (المقاسة بالكيلووات، kW) إلى القوة الظاهرية (المقاسة بالكيلوفولت أمبير، kVA). يشير عامل الطاقة المنخفض إلى أن الحمل الكهربائي لا يستخدم الطاقة الكهربائية المتاحة بكفاءة. يمكن لهذا عدم الكفاءة أن يؤدي إلى عدة عواقب، مثل زيادة تكلفة الكهرباء للمستهلكين وتقليل كفاءة النظام بشكل عام. في هذه المقالة، سنغوص في المصادر الرئيسية وأسباب انخفاض عامل الطاقة داخل النظام الكهربائي.

المساهم الأكبر في انخفاض عامل الطاقة هو وجود الأحمال الحثية. في الدائرة الحثية النقي، يتاخر التيار عن الجهد بمقدار 90 درجة. هذا الاختلاف الكبير في الزاوية الطورية يؤدي إلى عامل طاقة صفر، مما يعني أن لا قوة فعلية يتم استهلاكها فعلياً بواسطة الحمل؛ بدلاً من ذلك، يتم تخزين وإطلاق الطاقة فقط في المجال المغناطيسي للحثي دون أداء عمل مفيد. في الدوائر التي تحتوي على عناصر حثية وسعتية، يكون عامل الطاقة غير صفر. ومع ذلك، باستثناء الدوائر الرنين أو المنسقة حيث يكون التفاعل الحثي XL مساوياً للتفاعل السعوي XC، مما يجعل الدائرة تتصرف كأنها مقاومة نقي، فإن الاختلاف في الزاوية الطورية θ بين التيار والجهد يبقى مستمراً. هذا الاختلاف في الزاوية، الذي يسببه التفاعل بين السعة والحث، يؤثر مباشرة على قيمة عامل الطاقة، مما يؤدي غالباً إلى ظروف استهلاك الطاقة غير المثلى.

أسباب ومصادر انخفاض عامل الطاقة
أسباب انخفاض عامل الطاقة

عدة عوامل تساهم في انخفاض عامل الطاقة في الأنظمة الكهربائية، كما هو مفصل أدناه:

الأحمال الحثية

تشمل الأحمال الحثية المحركات الكهربائية والمحولات، وهي من بين الجناة الرئيسيين. تستهلك هذه الأحمال قوة رد الفعل من النظام الكهربائي، مما يؤدي إلى عامل طاقة متأخر. في الدوائر الحثية، يتاخر التيار عن الجهد، مما يخلق اختلافاً في الزاوية الطورية يزيد من مكون القوة الرد الفعل. يختلف عامل الطاقة للأحمال الحثية بشكل كبير اعتماداً على حالتها التشغيلية:

• حمل كامل: عادة ما يكون عامل الطاقة (Pf) في نطاق 0.8 إلى 0.9.

• حمل صغير: ينخفض إلى نطاق 0.2 إلى 0.3.

• بدون حمل: يمكن لعامل الطاقة أن يقترب من الصفر. في حالة الحمل الحثي النقي، يكون عامل الطاقة تماماً صفر، مما يشير إلى أنه لا يوجد عمل حقيقي يتم تنفيذه، وأن الطاقة يتم فقط تخزينها وإطلاقها في المجال المغناطيسي.

الأحمال السعوية

يمكن للأحمال السعوية، مثل المكثفات، أن تحسن عامل الطاقة عن طريق إنتاج قوة رد الفعل. ومع ذلك، إذا كانت السعة مفرطة، يمكن أن يؤدي ذلك إلى التعويض الزائد، مما يؤدي إلى عامل طاقة متقدم. مشابهة للأحمال الحثية النقي، يكون عامل الطاقة للأحمال السعوية النقي أيضاً صفر، حيث يسبق التيار الجهد بمقدار 90 درجة، ولا يوجد نقل قوة فعلي.

التوافقيات

التوافقيات هي تشوهات غير خطية لموجة الكهرباء التي تحدث بشكل شائع في الأنظمة التي تحتوي على أحمال إلكترونية، مثل الحواسيب والسervers والأجهزة الرقمية الأخرى. هذه التشوهات تؤدي إلى زيادة في قوة رد الفعل، مما يقلل من عامل الطاقة العام. وجود التوافقيات يزعج الطبيعة الجيبية للتيار والجهد، مما يؤدي إلى عدم كفاءة في استخدام الطاقة.

تيار المغناطيسية

الحمل على نظام الطاقة ليس ثابتاً. خلال فترات الحمل المنخفض، غالباً ما يزداد جهد التغذية. يؤدي هذا الزيادة في الجهد إلى زيادة في تيار المغناطيسية للمعدات الحثية، مثل المحولات والمحركات. نتيجة لذلك، ينخفض عامل الطاقة، حيث يتم استهلاك المزيد من قوة رد الفعل بالنسبة للقوة الفعلية.

الأسلاك ذات الحجم الصغير

الأسلاك ذات الحجم الصغير، خاصة في ملفات المحركات، يمكن أن تسبب هبوطاً كبيراً في الجهد. هذه الهبوطات في الجهد تزيد من قوة رد الفعل في النظام، مما يؤدي إلى انخفاض عامل الطاقة. حجم الأسلاك غير الكافي يحد من تدفق التيار الكهربائي، مما يسبب خسائر مقاومة وزادان في المعاوقة، مما يؤثر على أداء عامل الطاقة.

خطوط التوزيع الطويلة

خطوط التوزيع الكهربائية الطويلة هي عامل آخر يساهم في انخفاض عامل الطاقة. عندما تسافر الكهرباء على مسافات طويلة، تسبب المقاومة والمعاوقة في الخطوط هبوطاً في الجهد. هذه الهبوطات في الجهد تؤدي إلى زيادة في قوة رد الفعل، مما يقلل من عامل الطاقة العام للنظام. كلما كان الخط أطول، أصبحت هذه الآثار أكثر وضوحاً.

الأحمال غير المتوازنة

الأحمال غير المتوازنة، حيث يتم توزيع الحمل الكهربائي بشكل غير متساوٍ عبر مراحل نظام ثلاثي الأطوار، يمكن أن تسبب زيادة في مكون قوة رد الفعل. هذا التوزيع غير المتساوي يؤدي إلى عدم كفاءة في نقل الطاقة، مما يؤدي إلى انخفاض عامل الطاقة. الأحمال غير المتوازنة يمكن أن تسبب أيضاً ضغطاً إضافياً على المعدات الكهربائية، مما قد يؤدي إلى فشل مبكر.

مصادر انخفاض عامل الطاقة

الآتي هي المصادر الرئيسية لانخفاض عامل الطاقة في الأنظمة الكهربائية:

المعدات الكهربائية

• المحولات التوزيعية: يعتمد عامل الطاقة للمحول التوزيعي على تصميمه، وكذلك مستوى التحميل والإلغاء. بشكل عام، يكون المحول غير المحمل له عامل طاقة منخفض جداً بسبب متطلبات تيار المغناطيسية.

• أنظمة الإضاءة

• المصابيح المتوهجة: عادة ما يكون لها عامل طاقة حوالي 50%.

• المصابيح البخارية الزئبقية: عادة ما يكون عامل طاقتها في نطاق 40% إلى 60%.

• المحركات

• المحركات الحثية: يمكن أن يتفاوت عامل طاقة المحركات الحثية بشكل كبير، من 30% تحت الأحمال الخفيفة إلى 90% عند الحمل الكامل.

• المحركات المتزامنة: عند العمل في ظروف التحريض المنخفض، تظهر المحركات المتزامنة عامل طاقة منخفض جداً.

• المعدات المتخصصة

• محولات اللحام: عادة ما يكون لها عامل طاقة حوالي 60%.

• فرنات التسخين الصناعية: عملياتها غالبًا ما تؤدي إلى عامل طاقة منخفض نسبياً بسبب طبيعة الأحمال الكهربائية المعنية.

• المكثفات والممانعات: هذه العناصر الحثية تساهم في أداء عامل الطاقة السيء.

• المصابيح القوسية: مشابهة للمصادر الأخرى للإضاءة الكهربائية، يمكن أن يكون لها عامل طاقة منخفض.

مشكلات على مستوى النظام

• المحركات المتزامنة ذات التحريض المنخفض: عند العمل بتحميل مع تحريض غير كافٍ، تستهلك المحركات المتزامنة قوة رد فعل زائدة، مما يؤدي إلى عامل طاقة منخفض.

• الممارسات غير الكافية لتوصيل الأسلاك: عدم استخدام حجم الأسلاك المحدد في ملفات المحركات يمكن أن يسبب مشاكل في عامل الطاقة، كما تم مناقشته سابقاً.

• مشكلات ميكانيكية في المحركات: يمكن أن تسبب محامل المحركات التالفة ضغطاً ميكانيكياً، مما يؤثر على الخصائص الكهربائية للمحرك، مما قد يؤدي إلى انخفاض في عامل الطاقة.

معالجة انخفاض عامل الطاقة أمر حاسم، حيث له عدة عيوب، بما في ذلك زيادة خسائر الطاقة، وارتفاع فواتير الكهرباء، وتقليل سعة النظام. لتحسين عامل الطاقة، يمكن تنفيذ حلول مختلفة. تشمل هذه الحلول تركيب معدات تصحيح عامل الطاقة، مثل المكثفات، وتحديث المعدات الكهربائية لتقليل الخسائر، وتحسين تصميم النظام لتقليل استهلاك قوة رد الفعل. فهم شامل لأسباب ومصادر انخفاض عامل الطاقة أمر أساسي لتحديد مجالات التحسين والتأكد من التشغيل الكفوء والاقتصادي لنظم الطاقة الكهربائية.