کیفیت توان: چیست؟ (فرمول، مدار و بانک‌های خازن)

ميدان: Electrical Basics

China

چهارچوب اصلاح عامل توان

چهارچوب اصلاح عامل توان؟

اصلاح عامل توان (که به عنوان PFC یا بهبود عامل توان نیز شناخته می‌شود) به عنوان یک روش برای بهبود عامل توان دستگاه‌های AC با کاهش توان واکنشی موجود در مدار تعریف می‌شود. هدف روش‌های اصلاح عامل توان افزایش کارایی مدار و کاهش جریان مصرفی توسط بار است.

به طور کلی، خازنه‌ها و موتورهای همزمان در مدارها برای کاهش عناصر القایی (و بنابراین توان واکنشی) استفاده می‌شوند. این روش‌ها برای افزایش مقدار توان حقیقی استفاده نمی‌شوند، فقط برای کاهش توان ظاهری.

به عبارت دیگر، این روش کاهش اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان را فراهم می‌کند. بنابراین، سعی می‌کند عامل توان را به واحد نزدیک کند. مقدار اقتصادی عامل توان بین ۰٫۹ تا ۰٫۹۵ است.

حال این سوال پیش می‌آید که چرا مقدار اقتصادی عامل توان ۰٫۹۵ است و نه عامل توان واحد؟ آیا هیچ مضره‌ای برای عامل توان واحد وجود دارد؟

خیر. هیچ مضره‌ای برای عامل توان واحد وجود ندارد. اما نصب تجهیزات PFC واحد دشوار و گران است.

بنابراین، شرکت‌های تأمین انرژی و توزیع سعی می‌کنند عامل توان را در محدوده ۰٫۹ تا ۰٫۹۵ قرار دهند تا یک سیستم اقتصادی ایجاد کنند. و این محدوده برای یک سیستم توان مناسب است.

اگر مدار AC دارای بار القایی بالا باشد، عامل توان ممکن است زیر ۰٫۸ باشد. و این باعث می‌شود جریان بیشتری از منبع مصرف شود.

تجهیزات اصلاح عامل توان عناصر القایی و جریان مصرفی از منبع را کاهش می‌دهند. این امر به سیستم کارآمد و جلوگیری از تلفات انرژی الکتریکی کمک می‌کند.

چرا نیاز به اصلاح عامل توان است؟

در مدارهای مستقیم جریان، توان صرف شده توسط بار به سادگی با ضرب ولتاژ و جریان محاسبه می‌شود. و جریان متناسب با ولتاژ اعمال شده است. بنابراین، توان صرف شده توسط بار مقاوم خطی است.

در مدارهای متناوب جریان، ولتاژ و جریان امواج سینوسی هستند. بنابراین، اندازه و جهت آنها به طور مداوم تغییر می‌کنند. در زمان خاص، توان صرف شده حاصل ضرب ولتاژ و جریان در آن لحظه است.

اگر مدار متناوب دارای بارهای القایی مانند؛ پیچش، کویل‌های چوک، سولنئوید، ترانسفورماتور؛ جریان ناهماهنگ با ولتاژ است. در این شرایط، توان واقعی صرف شده کمتر از حاصل ضرب ولتاژ و جریان است.

به دلیل عناصر غیرخطی در مدارهای متناوب، هم مقاومت و واکنش‌پذیری را دارد. بنابراین، در این شرایط، تفاوت فازی جریان و ولتاژ در محاسبه توان مهم است.

برای بار مقاوم خالص، ولتاژ و جریان هم‌فاز هستند. اما برای بار القایی، جریان پس افتاده از ولتاژ است. و واکنش‌پذیری القایی ایجاد می‌کند.

در این شرایط، تصحیح عامل توان به منظور کاهش تأثیر عنصر القایی و بهبود عامل توان برای افزایش کارایی سیستم بسیار مورد نیاز است.

فرمول تصحیح عامل توان

فرض کنید بار القایی به سیستم متصل شده و با عامل توان cosф1 عمل می‌کند. برای بهبود عامل توان، باید تجهیزات تصحیح عامل توان را موازی با بار متصل کنیم.

نمودار مدار این ترتیب در شکل زیر نشان داده شده است.

مثال تصحیح عامل توان

الموسع شارژ مولفه‌ی واکنشی پیشرو را تأمین کرده و اثر مولفه‌ی واکنشی پسرو را کاهش می‌دهد. قبل از اتصال موسع شارژ، جریان بار IL است.

موسع شارژ جریان IC را که ۹۰ درجه پیشروتر از ولتاژ است، می‌گیرد. و جریان نهایی سیستم Ir خواهد بود. زاویه بین ولتاژ V و IR نسبت به زاویه بین V و IL کاهش می‌یابد. بنابراین، عامل قدرت cosф2 بهبود می‌یابد.

power factor correction phasor diagram

نمودار فازی اصلاح عامل قدرت

بر اساس نمودار فازی فوق، مولفه‌ی پسرو سیستم کاهش می‌یابد. بنابراین، برای تغییر عامل قدرت از ф1 به ф2، جریان بار با IRsinф2 کاهش می‌یابد.

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

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

ظرفیت خازن برای بهبود عامل قدرت به صورت زیر است؛

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

مدار اصلاح عامل قدرت

روش‌های اصلاح عامل قدرت اغلب از خازن یا بانک خازن و سینکرون کننده همزمان استفاده می‌کنند. بر اساس تجهیزات استفاده شده برای اصلاح عامل قدرت، سه روش وجود دارد؛

بانک خازن
سینکرون کننده همزمان
پیشرو فاز

اصلاح عامل قدرت با استفاده از بانک خازن

خازن یا بانک خازن می‌تواند به صورت ظرفیت ثابت یا متغیر متصل شود. آن را به موتور القایی، پنل توزیع یا منبع اصلی متصل می‌کنند.

ظرفیت ثابت به طور مداوم با سیستم متصل است. ظرفیت متغیر مقدار KVAR را بر اساس نیاز سیستم تغییر می‌دهد.

برای اصلاح عامل قدرت، بانک خازن به بار متصل می‌شود. اگر بار یک بار سه‌فازی باشد، بانک خازن می‌تواند به صورت ستاره و دلتا متصل شود.

بانک خازن متصل به صورت دلتا

نمودار مدار زیر بانک خازن متصل به صورت دلتا با بار سه‌فازی را نشان می‌دهد.

delta connected capacitor bank

بانک خازن متصل به صورت دلتا

بیایید معادله ظرفیت هر فاز را وقتی که به صورت دلتا متصل شده است پیدا کنیم. در اتصال دلتا، ولتاژ فاز (VP) و ولتاژ خط (VL) برابر هستند.

$V_P = V_L$

ظرفیت هر فاز (C∆) به صورت زیر محاسبه می‌شود؛

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

بانک خازنی متصل به ستاره

نمودار مدار زیر بانک خازنی متصل به ستاره را با بار سه‌فاز نشان می‌دهد.

بانک خازنی متصل به ستاره

در اتصال ستاره، رابطه بین ولتاژ فاز (VP) و ولتاژ خط (VL) به صورت زیر است؛

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

ظرفیت هر فاز (CY) به صورت زیر تعیین می‌شود؛

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

از معادلات فوق؛

$C_Y = 3 C_\Delta$

این بدان معناست که ظرفیت مورد نیاز در اتصال ستاره سه برابر ظرفیت مورد نیاز در اتصال دلتا است. همچنین، ولتاژ فاز عملیاتی ۱/√۳ برابر ولتاژ خط است.

بنابراین، بانک خازن‌های متصل به صورت دلتا طراحی خوبی است و به همین دلیل، در اتصال سه فاز، بانک خازن‌های متصل به صورت دلتا بیشتر در شبکه استفاده می‌شوند.

اصلاح عامل توان با استفاده از موتور سنکرون

هنگامی که یک موتور سنکرون بیش از حد برانگیخته شده، جریان راهنمایی را می‌گیرد و مانند یک خازن عمل می‌کند. یک موتور سنکرون بیش از حد برانگیخته که در حالت بدون بار کار می‌کند، به عنوان موتور سنکرون شناخته می‌شود.

هنگامی که این نوع دستگاه به موازات با منبع تغذیه متصل می‌شود، جریان فعال را مصرف می‌کند و ضریب قدرت سیستم را بهبود می‌بخشد. نمودار اتصال میانجی همزمان با منبع تغذیه در شکل زیر نشان داده شده است.

power factor correction using synchronous condenser

اصلاح ضریب قدرت با استفاده از میانجی همزمان

هنگامی که بار دارای مؤلفه واکنشی است، جریان پس‌افت را از سیستم می‌گیرد. برای خنثی کردن این جریان، از این دستگاه برای مصرف جریان فعال استفاده می‌شود.

synchronous condenser phasor diagram

نمودار فازوری میانجی همزمان

قبل از اتصال میانجی همزمان، جریان مصرفی توسط بار IL و ضریب قدرت фL است.

هنگامی که میانجی همزمان متصل می‌شود، جریان Im را مصرف می‌کند. در این حالت، جریان نهایی I و ضریب قدرت фm خواهد بود.

از طریق نمودار فازوری، می‌توان زوایای ضریب قدرت (фL و фm) را مقایسه کرد. و фm کمتر از фL است. بنابراین، cosфm بزرگتر از cosфL خواهد بود.

این روش بهبود ضریب قدرت به دلیل مزایای زیر در ایستگاه‌های تأمین انبوه استفاده می‌شود.

توان الکتریکی که موتور می‌گیرد با تغییر اندازه تحریک میدان متغیر می‌شود.
حذف خطاها که در سیستم رخ می‌دهند بسیار آسان است.
پایداری حرارتی پیچه‌های موتور بالاست. بنابراین، این یک سیستم قابل اعتماد برای جریان‌های کوتاه مداری است.

پیشرفت فاز

موتور القایی به دلیل جریان تحریکی جریان واکنشی می‌گیرد. اگر منبع دیگری برای تأمین جریان تحریکی استفاده شود، پیچه‌های استاتور از جریان تحریکی آزاد می‌شوند. و عامل قدرت موتور می‌تواند بهبود یابد.

این تنظیم با استفاده از پیشرفت فاز انجام می‌شود. پیشرفت فاز یک تحریک AC ساده است که روی محور همان موتور نصب شده و با مدار روتور موتور متصل می‌شود.

این دستگاه جریان تحریکی را به مدار روتور در فرکانس لیز می‌دهد. اگر جریان تحریکی بیشتر از حد لازم تأمین شود، موتور القایی می‌تواند با عامل قدرت مثبت عمل کند.

تنها نقص پیشرفت فاز این است که برای موتورهای کوچک، به ویژه زیر ۲۰۰ اسب بخار، اقتصادی نیست.

اصلاح فعال عامل قدرت

اصلاح فعال عامل قدرت کنترل موثرتری از عامل قدرت ارائه می‌دهد. معمولاً در طراحی منابع تغذیه بیش از ۱۰۰ وات استفاده می‌شود.

این نوع مدار اصلاح عامل قدرت شامل المان‌های سوئیچینگ با فرکانس بالا مانند دیود و اسکر (سوئیچ‌های الکترونیک قدرت) است. این المان‌ها المان‌های فعال هستند. بنابراین، این روش با نام اصلاح فعال عامل قدرت شناخته می‌شود.

در اصلاح غیرفعال عامل قدرت، المان‌های واکنشی مانند خازن و القایی که در مدار استفاده می‌شوند کنترل‌ناپذیر هستند. چرا که مدار اصلاح غیرفعال عامل قدرت هیچ واحد کنترل یا المان سوئیچینگی ندارد.

به دلیل استفاده از المان‌های سوئیچینگ با فرکانس بالا و واحد کنترل در مدار، هزینه و پیچیدگی مدار نسبت به مدار اصلاح غیرفعال عامل قدرت افزایش می‌یابد.

نمودار مدار زیر المان‌های اساسی یک مدار اصلاح فعال عامل قدرت را نشان می‌دهد.

active power factor correction

اصلاح عامل قدرت فعال

برای کنترل پارامترهای مدار، یک واحد کنترل در مدار استفاده می‌شود. این واحد ولتاژ و جریان ورودی را اندازه‌گیری می‌کند. و زمان تغییر وضعیت و دیوتی سایکل را در ولتاژ و جریان فاز تنظیم می‌کند.

سیم‌پیچ L با سوئیچ ثابت‌حال Q کنترل می‌شود. واحد کنترل برای کنترل (روشن و خاموش) سوئیچ ثابت‌حال Q استفاده می‌شود.

وقتی سوئیچ روشن است، جریان سیم‌پیچ با ∆I+ افزایش می‌یابد. ولتاژ روی سیم‌پیچ قطبیت خود را معکوس می‌کند و انرژی را از طریق دیود D1 به بار آزاد می‌کند.

وقتی سوئیچ خاموش است، جریان سیم‌پیچ با ∆I– کاهش می‌یابد. تغییر کلی در طول یک دوره ∆I = ∆I+ – ∆I– است. زمان روشن و خاموش شدن سوئیچ توسط واحد کنترل با تغییر دیوتی سایکل کنترل می‌شود.

با انتخاب مناسب دیوتی سایکل، می‌توانیم شکل مورد نظر جریان به بار را به دست آوریم.

چگونه اندازه‌گیری اصلاح عامل قدرت انجام شود؟

برای اندازه‌گیری اصلاح عامل قدرت، باید نیاز به قدرت واکنشی (KVAR) را محاسبه کنیم. و ظرفیت متناسب با سیستم را برای تأمین نیاز به قدرت واکنشی متصل می‌کنیم.

دو روش برای یافتن نیاز به KVAR وجود دارد.

روش ضرب‌کننده جدول
روش محاسبه

همانطور که از نام آن پیداست، در روش ضرب‌کننده جدول، می‌توانیم مستقیماً ضریب ثابت را از یک جدول پیدا کنیم. می‌توانیم KVAR مورد نیاز را با ضرب کردن این ضریب در قدرت ورودی محاسبه کنیم.

روش ضرب‌کننده جدولی

در روش محاسبه، باید ضرب‌کننده را مطابق با مثال زیر محاسبه کنیم.

مثال:

موتور القایی ۱۰ کیلوواتی با عامل قدرت ۰.۷۱ پس‌نشین دارد. اگر بخواهیم این موتور را با عامل قدرت ۰.۹۲ به حرکت درآوریم، اندازه خازن چقدر خواهد بود؟

توان ورودی = ۱۰ کیلووات
عامل قدرت واقعی (cos φA) = ۰.۷۱
عامل قدرت مورد نیاز (cos φR) = ۰.۹۲

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

$\phi_1 = ۴۴٫۷۶۵^\circ$

$\cos \phi_2 = ۰٫۹۲ \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} ۰٫۹$

$\phi_2 = ۲۳٫۰۷۳^\circ$

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

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

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

مقدار KVAR مورد نیاز = توان ورودی × ضریب ثابت

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

پس، برای بهبود عامل قدرت از ۰.۷۱ به ۰.۹۲ نیاز به ۵.۶۵۸ کیلو وار راکتیو است. و خازن متصل شده به سیستم دارای ظرفیت ۵.۶۵۸ کیلو وار راکتیو می‌باشد.

برخی از کاربردهای تصحیح عامل قدرت

در شبکه‌های توزیع برق، عامل قدرت نقش مهمی در کیفیت و مدیریت سیستم بازی می‌کند. این پارامتر کارایی تأمین برق را تعیین می‌کند.

بدون تصحیح عامل قدرت، بار از منبع جریان با مقدار بالا می‌گیرد. این امر باعث افزایش زیان‌ها و هزینه انرژی الکتریکی می‌شود. تجهیزات تصحیح عامل قدرت (PFC) تلاش می‌کنند تا موج‌های جریان و ولتاژ در فاز یکسان شوند. این عمل کارایی سیستم را افزایش می‌دهد.
در شبکه انتقال، عامل قدرت بالا ضروری است. با عامل قدرت بالا، زیان‌های خط انتقال کاهش می‌یابد و تنظیم ولتاژ بهبود می‌یابد.
موتور القایی یکی از تجهیزات پرکاربرد در صنایع است. برای جلوگیری از گرم شدن و بهبود کارایی موتور، از خازن‌ها برای کاهش تأثیر قدرت راکتیو استفاده می‌شود.
تجهیزات PFC تولید گرما در سیم‌ها، تجهیزات کلیدزنی، ژنراتورها، ترانسفورماتورها و غیره را کاهش می‌دهند.
به دلیل کارایی بالاتر شبکه، نیاز به تولید انرژی کمتری داریم که باعث کاهش انتشار کربن به جو می‌شود.
استفاده از تجهیزات PFC با سیستم، افت ولتاژ را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

بیانیه: احترام به اصل، مقالات خوبی که شایسته به اشتراک گذاری هستند، در صورت نقض حق تکثیر لطفاً تماس بگیرید تا حذف شود.

نوروغ و مصنف ته هڅودئ!

موضوعات:

سیستم‌های برق

передача

دربارې متخصصان

Electrical4u

China