اصلاح عامل توان: چیست؟ (فرمول، مدار و بانک‌های خازنه)

فیلد: مقدماتی برق

China

توضیح کامل در مورد اصلاح عامل توان

اصلاح عامل توان چیست؟

اصلاح عامل توان (که به آن PFC یا بهبود عامل توان نیز گفته می‌شود) یک روش برای بهبود عامل توان دایره‌های جریان متناوب با کاهش توان واکنشی موجود در دایره است. هدف روش‌های اصلاح عامل توان افزایش کارایی دایره و کاهش جریان مصرفی توسط بار است.

عموماً، خازنه‌ها و موتورهای همزمان در دایره‌ها استفاده می‌شوند تا عناصر القایی (و بنابراین توان واکنشی) را کاهش دهند. این روش‌ها برای افزایش مقدار توان حقیقی استفاده نمی‌شوند، بلکه فقط برای کاهش توان ظاهری.

به عبارت دیگر، این روش فاز بین ولتاژ و جریان را کاهش می‌دهد. بنابراین سعی می‌کند عامل توان را به یک نزدیک کند. مقدار اقتصادی عامل توان بین ۰.۹ تا ۰.۹۵ است.

حال سوال پیش می‌آید، چرا مقدار اقتصادی عامل توان ۰.۹۵ است و نه عامل توان یک؟ آیا عامل توان یک هیچ م Dezavantage‌ای ندارد؟

خیر. هیچ م Dezavantage‌ای برای عامل توان یک وجود ندارد. اما نصب تجهیزات PFC یک به سختی و هزینه بالایی نیاز دارد.

بنابراین، شرکت‌های توزیع و تأمین برق سعی می‌کنند عامل توان را در محدوده ۰.۹ تا ۰.۹۵ قرار دهند تا یک سیستم اقتصادی ایجاد کنند. و این محدوده برای سیستم برق کافی است.

اگر دایره جریان متناوب دارای بار القایی بالا باشد، عامل توان ممکن است زیر ۰.۸ باشد. و این باعث می‌شود که جریان بیشتری از منبع مصرف شود.

تجهیزات اصلاح عامل توان عناصر القایی و جریان مصرفی از منبع را کاهش می‌دهند. این امر باعث می‌شود سیستم کارا باشد و از ضرر انرژی الکتریکی جلوگیری شود.

چرا اصلاح عامل توان لازم است؟

در مدارهای مستقیم جریان، توان تلف شده توسط بار به سادگی با ضرب ولتاژ و جریان محاسبه می‌شود. و جریان متناسب با ولتاژ اعمال شده است. بنابراین، تلفات توان 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 تلف شده حاصل ضرب ولتاژ و جریان در آن لحظه است.

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

به دلیل وجود عناصر غیرخطی در مدارهای متناوب، آنها شامل هر دو مقاومت و واکنش هستند. 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 از ولتاژ می‌آید. و واکنش القایی ایجاد می‌کند.

در این شرایط، تصحیح عامل توان بسیار ضروری است تا تأثیر عنصر القایی کاهش یابد و عامل توان بهبود یافته تا کارایی سیستم افزایش یابد.

فرمول تصحیح عامل توان

فرض کنید بار القایی با 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

کندانسور جزء پیشرو را تأمین می‌کند و اثر جزء پسرو را کاهش می‌دهد. قبل از اتصال کندانسور، جریان بار IL است.

کندانسور جریان IC را که ۹۰ درجه پیش از ولتاژ قرار دارد، 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 توان cosф2 بهبود می‌یابد.

power factor correction phasor diagram

نمودار فازی اصلاح عامل توان

از نمودار فازی فوق، جزء پسرو سیستم کاهش می‌یابد. بنابراین، برای تغییر عامل توان 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 توان؛

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

مدار اصلاح عامل توان

روش‌های اصلی اصلاح عامل توان شامل استفاده از خازن یا بانک خازن و کندانسور همزمان می‌باشد. بر اساس تجهیزات مورد استفاده برای اصلاح عامل توان، سه روش وجود دارد؛

بانک خازن
کندانسور همزمان
پیشرفت فاز

اصلاح عامل توان با استفاده از بانک خازن

خازن یا بانک خازن می‌تواند به صورت ظرفیت ثابت یا متغیر متصل شود. این خازن به موتور القایی، پنل توزیع یا تامین اصلی متصل می‌شود.

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

برای اصلاح عامل قدرت، بانک کندنساتور با بار متصل می‌شود. اگر بار یک بار سه فازی باشد، بانک کندنساتور می‌تواند به صورت ستاره و دلتا متصل شود.

بانک کندنساتور متصل به دلتا

نمودار مدار زیر بانک کندنساتور متصل به دلتا با بار سه فازی را نشان می‌دهد.

delta connected capacitor bank

بانک کندنساتور متصل به دلتا

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

$V_P = V_L$

ظرفیت در هر فاز (C∆) به صورت زیر است؛

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

بانک خازن‌های متصل به صورت ستاره‌ای

در شمات زیر، بانک خازن‌های متصل به صورت ستاره‌ای با بار سه‌فازی نشان داده شده است.

بانک خازن‌های متصل به صورت ستاره‌ای

در اتصال ستاره‌ای، 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 محاسبه 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 این معادلات؛

$C_Y = 3 C_\Delta$

این بدان معناست که ظرفیت لازم در اتصال ستاره سه برابر ظرفیت لازم در اتصال دلتا است. علاوه بر این، ولتاژ فاز عملیاتی ۱/√۳ برابر ولتاژ خط است.

بنابراین، بانک خازنه‌ها با اتصال دلتا طراحی خوبی است و به همین دلیل، در اتصال سه‌فازی، بانک خازنه‌ها با اتصال دلتا بیشتر در شبکه استفاده می‌شود.

اصلاح ضریب قدرت با استفاده از موتور سنکرون< span class="ez-toc-section-end" style="font-size: 16px; font-family: arial, helvetica, sans-serif; border: 0px; margin: 0px; padding: 0px;">

وقتی موتور سنکرون اضافه تحریک شده، جریان پیشرو را می‌گیرد و مانند یک خازنه عمل می‌کند. یک موتور سنکرون اضافه تحریک شده که در حالت بدون بار کار می‌کند، به عنوان موتور سنکرون شناخته می‌شود.

هنگامی که این نوع ماشین به موازات با تأمین متصل می‌شود، جریان پیشرو را می‌گیرد. و عامل قدرت سیستم را بهبود می‌بخشد. نمودار اتصال مکث‌ساز همزمان با تأمین مطابق شکل زیر است.

power factor correction using synchronous condenser

اصلاح عامل قدرت با استفاده از مکث‌ساز همزمان

هنگامی که بار دارای مؤلفه واکنشی است، جریان پسرو را از سیستم می‌گیرد. برای خنثی کردن جریان، از این دستگاه برای گرفتن جریان پیشرو استفاده می‌شود.

synchronous condenser phasor diagram

نمودار فازور مکث‌ساز همزمان

قبل از اتصال مکث‌ساز همزمان، جریان توسط بار IL است و عامل قدرت φL است.

هنگامی که مکث‌ساز همزمان متصل می‌شود، جریان Im را می‌گیرد. در این حالت، جریان نهایی I است و عامل قدرت φm است.

از طریق نمودار فازور، می‌توانیم دو زاویه عامل قدرت (φL و φm) را مقایسه کنیم. و φm کمتر از φL است. بنابراین، cosφm بیشتر از cosφL است.

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

مقدار جریان مصرفی توسط موتور با تغییر تحریک میدان متغیر است.
حذف خطاها که در سیستم رخ می‌دهند، آسان است.
پایداری حرارتی پیچه‌های موتور بالاست. بنابراین، این یک سیستم قابل اعتماد برای جریان‌های خوردگی کوتاه است.

پیش‌بردن فاز

موتور القایی به دلیل جریان تحریکی جریان واکنشی می‌طلبد. اگر منبع دیگری برای ارائه جریان تحریکی استفاده شود، پیچه‌های استاتور از جریان تحریکی آزاد خواهند بود. و عامل قدرت موتور می‌تواند بهبود یابد.

این ترتیب می‌تواند با استفاده از پیش‌برنده فاز انجام شود. پیش‌برنده فاز یک تحریک‌دهنده AC ساده است که روی همان محور موتور نصب شده و با مدار روتور موتور متصل است.

این دستگاه جریان تحریکی را در فرکانس لیز ارائه می‌دهد. اگر جریان تحریکی بیشتری از آنچه مورد نیاز است ارائه دهید، موتور القایی می‌تواند با عامل قدرت مثبت عمل کند.

تنها نقص پیش‌برنده فاز این است که برای موتورهای کوچک اندازه، به خصوص زیر ۲۰۰ اسب بخار، اقتصادی نیست.

اصلاح فعال عامل قدرت

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

این نوع مدار اصلاح عامل قدرت شامل المان‌های تغییر وضعیت با فرکانس بالا مانند دیود، 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 خازنه و القایی که در مدار استفاده می‌شوند، کنترل‌ناپذیر هستند. زیرا مدار اصلاح غیرفعال عامل قدرت هیچ واحد کنترل یا المان تغییر وضعیتی ندارد.

به دلیل استفاده از المان‌های تغییر وضعیت 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 دستور العمل دوره‌ای را در ولتاژ و جریان فاز تنظیم می‌کند.

الکتروموشن L با سوئیچ ثابت حالت Q کنترل می‌شود. واحد کنترل برای کنترل (روشن و خاموش) سوئیچ ثابت حالت Q استفاده می‌شود.

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

وقتی سوئیچ خاموش است، جریان الکتروموشن با ∆I– کاهش می‌یابد. تغییر کلی در یک چرخه ∆I = ∆I+ – ∆I– است. زمان روشن و خاموش شدن سوئیچ توسط واحد کنترل با تغییر دستور العمل دوره‌ای کنترل می‌شود.

با انتخاب مناسب دستور عمل دوره‌ای، می‌توانیم شکل مطلوب جریان به بار را بدست آوریم.

چگونه اندازه اصلاح عامل قدرت را تعیین کنیم؟

برای تعیین اندازه اصلاح عامل قدرت، نیاز است به محاسبه نیاز به قدرت واکنشی (KVAR). و ما ظرفیت متناسب با سیستم را به منظور تأمین نیاز به قدرت واکنشی متصل می‌کنیم.

دو روش برای یافتن نیاز به KVAR وجود دارد.

روش ضریب جدول
روش محاسبه

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

روش ضرب‌کننده جدولی

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

مثال:

موتور القائی ۱۰ کیلوواتی با عامل توان ۰/۷۱ پس‌افت دارد. اگر بخواهیم این موتور را با عامل توان ۰/۹۲ اجرا کنیم، سایز خازن چقدر خواهد بود؟

توان ورودی = ۱۰ کیلووات
عامل توان واقعی (cos φA) = ۰/۷۱
عامل توان مورد نیاز (cos φR) = ۰/۹۲

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

$\phi_1 = ۴۴٫۷۶۵^\circ$

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

$\phi_2 = ۲۳٫۰۷۳^\circ$

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

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

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

کوار مورد نیاز = توان ورودی × ثابت ضرب‌کننده

$کوار = ۱۰ \times ۰٫۵۶۵۸$

$کوار = ۵٫۶۵۸$

بنابراین، برای بهبود عامل قدرت از ۰٫۷۱ به ۰٫۹۲ نیاز به ۵٫۶۵۸ کوار توان واکنشی است. و خازن متصل شده به سیستم دارای ظرفیت ۵٫۶۵۸ کوار است.

برخی کاربردهای اصلاح عامل قدرت

در شبکه‌های برق، عامل قدرت نقش مهمی در کیفیت و مدیریت سیستم ایفا می‌کند. این عامل تعیین‌کننده کارایی تامین برق است.

بدون اصلاح عامل قدرت، بار از منبع جریان با مقدار بالا می‌گیرد. این امر باعث افزایش زیان‌ها و هزینه انرژی برق می‌شود. تجهیزات اصلاح عامل قدرت تلاش می‌کنند تا موج جریان و ولتاژ در فاز قرار گیرند. این کار کارایی سیستم را افزایش می‌دهد.
در شبکه انتقال، عامل قدرت بالا ضروری است. با عامل قدرت بالا، زیان‌های خطوط 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 توان واکنشی استفاده می‌شود.
تجهیزات اصلاح عامل قدرت تولید گرما در کابل‌ها، دستگاه‌های کلیدزنی،ژنراتور، ترانسفورماتورها و غیره را کاهش می‌دهند.
با کارایی بالاتر شبکه، نیاز به تولید انرژی کمتر است. این موضوع باعث کاهش انتشار دی‌اکسید کربن به محیط می‌شود.
با استفاده از تجهیزات اصلاح عامل قدرت، افت ولتاژ به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.