تصحيح عامل القوة: ما هو؟ (الصيغة، الدائرة ومجموعات المكثفات)

حقل: الكهرباء الأساسية

China

ما هو تصحيح عامل القوة

ما هو تصحيح عامل القوة؟

يُعرَف تصحيح عامل القوة (المعروف أيضًا باسم PFC أو تحسين عامل القوة) بأنه تقنية تستخدم لتحسين عامل القوة في الدوائر الكهربائية ذات التيار المتردد من خلال تقليل الطاقة التفاعلية الموجودة في الدائرة. تهدف تقنيات تصحيح عامل القوة إلى زيادة كفاءة الدائرة وتقليل التيار المستهلك بواسطة الحمل.

بشكل عام، يتم استخدام المكثفات والمحركات المتزامنة في الدوائر لتقليل العناصر الحثية (وبالتالي الطاقة التفاعلية). هذه التقنيات لا تُستخدم لزيادة كمية الطاقة الحقيقية، بل فقط لتقليل الطاقة الظاهرية.

بعبارة أخرى، يقلل من الفرق الطوري بين الجهد والتيار. لذلك، يحاول أن يحافظ على عامل القوة قريباً من الوحدة. يعتبر القيمة الاقتصادية لعامل القوة بين 0.9 إلى 0.95 هي الأفضل.

والآن يطرح السؤال، لماذا تكون القيمة الاقتصادية لعامل القوة 0.95 بدلاً من عامل القوة الوحدوي؟ هل هناك أي عيب لعامل القوة الوحدوي؟

لا. ليس هناك أي عيب لعامل القوة الوحدوي. ولكن من الصعب وغالي الثمن تركيب معدات تصحيح عامل القوة الوحدوي.

لذلك، تحاول شركات المرافق وتزويد الطاقة جعل عامل القوة في نطاق 0.9 إلى 0.95 لجعل نظام اقتصادي. وهذا النطاق كافٍ لنظام الطاقة.

إذا كانت الدائرة الكهربائية ذات التيار المتردد تحتوي على حمل حثي عالي، فقد يكون عامل القوة أقل من 0.8. ويستهلك المزيد من التيار من المصدر.

تقلل معدات تصحيح عامل القوة من العناصر الحثية والتيار المستهلك من المصدر. مما يؤدي إلى نظام فعال ومنع خسارة الطاقة الكهربائية.

لماذا يحتاج تصحيح عامل القوة؟

في الدوائر الكهربائية المستمرة، يتم حساب الطاقة المنبعثة من الحمل ببساطة عن طريق ضرب الجهد والتيار. والتيار متناسب مع الجهد المطبق. لذا فإن استهلاك الطاقة بواسطة الحمل المقاوم هو خطي.

في الدوائر الكهربائية المتغيرة، يكون الجهد والتيار موجات جيبية. وبالتالي، تتغير قيمتها واتجاهها باستمرار. في لحظة زمنية معينة، تكون الطاقة المنبعثة هي ناتج ضرب الجهد والتيار في تلك اللحظة.

إذا كانت الدائرة الكهربائية المتغيرة تحتوي على أحمال مثبطة مثل: ملفات التفاف، ملفات الشوك، سولينويد، محول؛ فإن التيار يخرج عن الطور مع الجهد. في هذه الحالة، تكون الطاقة الفعلية المنبعثة أقل من ناتج ضرب الجهد والتيار.

بسبب العناصر غير الخطية في الدوائر الكهربائية المتغيرة، تحتوي على المقاومة والاستجابة. لذا، في هذه الحالة، يكون فرق الطور بين التيار والجهد مهمًا عند حساب الطاقة.

بالنسبة للحمل المقاوم النقي، يكون الجهد والتيار متزامنين. ولكن بالنسبة للأحمال المثبطة، يتأخر التيار خلف الجهد. وهذا يخلق استجابة مثبطة.

في هذه الحالة، يكون تصحيح عامل القوة ضروريًا لتقليل تأثير العنصر المثبط وتحسين عامل القوة لزيادة كفاءة النظام.

صيغة تصحيح عامل القوة

لنفترض أن الحمل المثبط متصل بالنظام ويقوم بالعمل بعامل قوة cosф1. لتحسين عامل القوة، يجب علينا ربط معدات تصحيح عامل القوة بالتوازي مع الحمل.

يظهر مخطط الدائرة لهذا الترتيب في الشكل أدناه.

مثال على تصحيح عامل القوة

يقوم المكثف بتزويد المكون الرئيسي المتقدم ويقلل من تأثير المكون الرئيسي المؤخر. قبل وصل المكثف، يكون تيار الحمل IL.

يأخذ المكثف تيار IC الذي يسبق الجهد بمقدار 90˚. والتيار الناتج للنظام هو Ir. يقل الزاوية بين الجهد V و IR مقارنة بالزاوية بين V و IL. لذلك، يتم تحسين معامل القدرة cosф2.

power factor correction phasor diagram

مخطط فازوري لتصحيح معامل القدرة

من خلال المخطط الفازوري أعلاه، يتم تقليل المكون المؤخر للنظام. ولذا، لتغيير معامل القدرة من ф1 إلى ф2، يتم تقليل تيار الحمل بمقدار IRsinф2.

$I_R sin \phi_2 = I_L sin \phi_1 - I_C$

$I_C = I_L sin \phi_1 - I_R sin \phi_2$

سعة المكثف لتحسين عامل القوة هي:

$C = \frac{I_C}{\omega V}$

دائرة تصحيح عامل القوة

تعتمد تقنيات تصحيح عامل القوة بشكل أساسي على المكثف أو بنك المكثفات والمكثف المتزامن. حسب المعدات المستخدمة لتصحيح عامل القوة، هناك ثلاث طرق:

بنك المكثفات
المكثف المتزامن
مقدم الطور

تصحيح عامل القوة باستخدام بنك المكثفات

يمكن ربط المكثف أو بنك المكثفات كقيمة ثابتة أو متغيرة للسعة. يتم ربطه بمحرك الحث أو لوحة التوزيع أو التغذية الرئيسية.

يتم توصيل المكثف ذو القيمة الثابتة بشكل مستمر مع النظام. تتغير قيمة السعة المتغيرة كمية الكيلو فار وفقًا لاحتياجات النظام.

للتصحيح عامل القوة، يتم استخدام بنك المكثفات للتوصيل مع الحمل. إذا كان الحمل هو حمل ثلاثي الأطوار، يمكن توصيل بنك المكثفات بطريقة النجمة أو الدلتا.

بنك المكثفات المتصل بطريقة الدلتا

يوضح الرسم البياني أدناه بنك المكثفات المتصل بطريقة الدلتا مع حمل ثلاثي الأطوار.

delta connected capacitor bank

بنك المكثفات المتصل بطريقة الدلتا

لنجد معادلة المكثف لكل طور عندما يكون متصل بطريقة الدلتا. في التوصيل بالدلتا، تكون الجهد الطوري (VP) والجهد الخطي (VL) متساويين.

$V_P = V_L$

تعطى السعة لكل طور (C∆) كما يلي؛

$C_\Delta = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega V_L^2}$

مصرف مكثفات متصل بالنجوم

يوضح الرسم البياني أدناه مصرف المكثفات المتصل بالنجمة مع الحمل ثلاثي الأطوار.

مصرف مكثفات متصل بالنجوم

في الاتصال النجمي، العلاقة بين الجهد الطولي (VP) والجهد الخطي (VL) هي:

$V_P = \frac{1}{\sqrt{3}} V_L$

سعة كل مرحلة (CY) تعطى كالتالي

$C_Y = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega (\frac{V_L}{\sqrt{3}})^2} = \frac{3Q_C}{\omega V_L^2}$

من المعادلات أعلاه

$C_Y = 3 C_\Delta$

هذا يعني أن السعة المطلوبة في الاتصال النجمي هي ثلاثة أضعاف السعة المطلوبة في الاتصال المثلث. كما أن الجهد الفازي التشغيلي هو 1/√3 من جهد الخط.

لذلك، فإن بنك المكثفات المتصل بطريقة المثلث هو تصميم جيد، وهذا هو السبب في استخدام بنك المكثفات المتصل بطريقة المثلث بشكل أكبر في الشبكات الثلاثية الأطوار.

تصحيح عامل القوة باستخدام المكثف المتزامن

عندما يكون المحرك المتزامن مفرط التحريض، فإنه يأخذ التيار المقدم ويظهر كمكثف. المحرك المتزامن المفرط التحريض والتشغيل بدون حمل معروف باسم المكثف المتزامن.

عندما يتم توصيل هذا النوع من الآلات بالتوازي مع التغذية، فإنه يأخذ تيارًا مقدمًا. ويعمل على تحسين عامل القوة لنظام. مخطط التوصيل للمكثف المتزامن مع التغذية كما هو موضح في الشكل أدناه.

power factor correction using synchronous condenser

تصحيح عامل القوة باستخدام المكثف المتزامن

عندما يكون الحمل يحتوي على مكون رياضي، فإنه يسحب تيارًا متأخرًا من النظام. لتعادل التيار، يتم استخدام هذا الجهاز ليأخذ تيارًا مقدمًا.

synchronous condenser phasor diagram

مخطط الفازور للمكثف المتزامن

قبل توصيل المكثف المتزامن، يكون التيار المستهلك بواسطة الحمل هو IL وعامل القوة هو фL.

عندما يتم توصيل المكثف المتزامن، فإنه يأخذ تيارًا Im. في هذه الحالة، يكون التيار الناتج هو I وعامل القوة هو фm.

من خلال مخطط الفازور، يمكننا مقارنة زوايا عامل القوة (фL و фm). و фm أقل من фL. لذلك، فإن cosфm أكبر من cosфL.

تستخدم هذه الطريقة لتحسين عامل القوة في محطات التوزيع الكبيرة بسبب المزايا التالية.

يتم تغيير قوة التيار المستهلك بواسطة المحرك من خلال تغيير التحفيز المغناطيسي.
من السهل إزالة الأعطال التي تحدث في النظام.
الثبات الحراري للفات المحرك عالي. لذلك، هو نظام موثوق به للتجمعات الكهربائية القصيرة.

مُقدِّم الطور

يسحب المحرك ذو الإثارة ذاتية التيار الرئيسي بسبب تيار الإثارة. إذا تم استخدام مصدر آخر لتوفير تيار الإثارة، فإن ملفات الستاتور ستكون خالية من تيار الإثارة. ويمكن تحسين معامل الطاقة للمحرك.

يمكن تنفيذ هذا الترتيب باستخدام مُقدِّم الطور. وهو عبارة عن مُثير بسيط يعمل بالتيار المتناوب ويتم تركيبه على نفس عمود المحرك وربطه بدارة الروتور للمحرك.

يقوم بتوفير تيار الإثارة لدارة الروتور عند تردد الانزلاق. إذا قدمت المزيد من تيار المُثير مما هو مطلوب، يمكن تشغيل المحرك ذو الإثارة الذاتية بمعامل طاقة متقدم.

العيوب الوحيدة لمُقدِّم الطور هي أنه غير اقتصادي للمحركات الصغيرة، خاصة أقل من 200 حصان.

تصحيح معامل الطاقة النشط

يوفر تصحيح معامل الطاقة النشط تحكمًا أكثر كفاءة في معامل الطاقة. عادةً ما يتم استخدامه في تصميمات الإمداد الكهربائي لأكثر من 100 واط.

يتكون هذا النوع من دارات تصحيح معامل الطاقة من عناصر التحويل عالية التردد مثل الدايود والSCR (مفاتيح الإلكترونيات القوية). هذه العناصر هي عناصر نشطة. لذلك، يُطلق على هذا الأسلوب اسم تصحيح معامل الطاقة النشط.

في تصحيح معامل الطاقة السلبي، يتم استخدام العناصر التفاعلية مثل المكثف والملف الحثي في الدائرة بدون تحكم. حيث أن دارة تصحيح معامل الطاقة السلبية لا تستخدم أي وحدة تحكم أو عناصر تبديل.

بسبب استخدام عناصر التحويل العالية والوحدة المتحكم في الدائرة، فإن تكلفة وتعقيد الدائرة يزدادان مقارنة بدائرة تصحيح معامل الطاقة السلبية.

يوضح رسم الدائرة أدناه العناصر الأساسية لدائرة تصحيح معامل الطاقة النشط.

تصحيح عامل القوة النشطة

للحكم على معلمات الدائرة، يتم استخدام وحدة تحكم في الدائرة. تقوم بقياس الجهد والتيار الداخلين. وتقوم بضبط وقت التحويل ونسبة الدورة في الجهد والتيار الفاسي.

المستحث L يُتحكم به بواسطة المفتاح الثابت Q. تستخدم وحدة التحكم لتشغيل وإيقاف (ON و OFF) المفتاح الثابت Q.

عندما يكون المفتاح مفتوحاً، يزداد تيار المستحث بمقدار ∆I+. يتغير قطب الجهد عبر المستحث ويتم إطلاق الطاقة المتراكمة عبر الديود D1 إلى الحمل.

عندما يكون المفتاح مغلقاً، يقل تيار المستحث بمقدار ∆I–. التغيير الكلي خلال دورة واحدة هو ∆I = ∆I+ – ∆I–. يتم التحكم في وقت التشغيل والإيقاف للمفتاح بواسطة وحدة التحكم بتغيير نسبة الدورة.

من خلال اختيار نسبة الدورة المناسبة، يمكننا الحصول على الشكل المطلوب للتيار إلى الحمل.

كيفية تحديد حجم تصحيح عامل القوة؟

لتحديد حجم تصحيح عامل القوة، نحتاج إلى حساب متطلبات الطاقة الركيكية (KVAR). ونقوم بتوصيل سعة مناسبة مع النظام لتلبية طلب الطاقة الركيكية.

هناك طريقتان لاكتشاف متطلبات KVAR.

طريقة مضاعف الجدول
طريقة الحساب

كما يوحي الاسم، في طريقة مضاعف الجدول، يمكننا العثور مباشرة على ثابت مضاعف من جدول. يمكننا العثور مباشرة على KVAR المطلوبة عن طريق ضرب الثابت في الطاقة الداخلة.

طريقة مضاعف الجدول

في طريقة الحساب، نحتاج إلى حساب المضاعف كما يظهر في المثال أدناه.

مثال:

محرك كهربائي ذو قدرة 10 كيلووات مع عامل قوة 0.71 متأخر. إذا احتجنا لتشغيل هذا المحرك بعامل قوة 0.92، ما سيكون حجم المكثف؟

الطاقة الإدخالية = 10 كيلووات
عامل القوة الفعلي (cos фA) = 0.71
عامل القوة المطلوب (cos фR) = 0.92

$\cos \phi_1 = 0.71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.71$

$\phi_1 = 44.765^\circ$

$\cos \phi_2 = 0.92 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.9$

$\phi_2 = 23.073^\circ$

$\tan \phi_1 = \tan (44.765^\circ) = 0.9918$

$\tan \phi_2 = \tan (23.073^\circ) = 0.4259$

$Multiplier \, Constant = 0.9918-0.4259 = 0.5658$

القوة الكهربائية المطلوبة KVAR = القوة الداخلة × الثابت المتعدد

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

لذلك، يتطلب تحسين عامل القوة من 0.71 إلى 0.92 قوة رياضية م做出的翻译似乎没有完全按照要求进行，我将重新翻译以确保符合所有规则： ```html

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

وبالتالي، فإن القوة الرياكية المطلوبة لتحسين عامل القوة من 0.71 إلى 0.92 هي 5.658 كيلو فار. والموصل الكهربائي المتصل بالشبكة يحتوي على سعة 5.658 كيلو فار.

تطبيقات تصحيح عامل القوة

في شبكة نظام الطاقة، يلعب عامل القوة دورًا مهمًا جدًا في جودة وإدارة النظام. فهو يحدد كفاءة إمداد الطاقة.

بدون تصحيح عامل القوة، يسحب الحمل تيارًا ذا قيمة عالية من المصدر. وهذا يزيد من الخسائر وتكلفة الطاقة الكهربائية. تعمل معدات تصحيح عامل القوة على جعل موجة التيار والموجة الكهربائية متزامنتين. وهذا سيزيد من كفاءة النظام.
في شبكة النقل، يكون عامل القوة العالي ضروريًا. بسبب عامل القوة العالي، تقل خسائر خط النقل وتتحسن تنظيم الجهد.
المحركات الدوارة ذات الإثارة الذاتية مستخدمة بشكل واسع في الصناعات. لتجنب التشحيم الزائد وتحسين كفاءة المحرك، يتم استخدام المكثفات لتخفيف تأثير القوة الرياكية.
تقلل معدات تصحيح عامل القوة من إنتاج الحرارة في الأسلاك والأجهزة الكهربائية والمولدات، المحولات، إلخ.
بسبب كفاءة الشبكة العالية، نحتاج إلى إنتاج طاقة أقل. مما يقلل من انبعاثات الكربون في الغلاف الجوي.
يقل ارتفاع الجهد بشكل كبير باستخدام معدات تصحيح عامل القوة مع النظام.

بيان: احترام الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى التواصل لإزالة المحتوى.

```

قدم نصيحة وشجع الكاتب

المواضيع:

أنظمة الطاقة

النقل

حول الخبراء

Electrical4u

China

مجال الخبرة

Basic Electrical

مقال احترافي