विद्युत शक्ति गुणांक संशोधन: यह क्या है? (सूत्र, परिपथ और कैपेसिटर बँक)
शक्ति गुणांक संशोधन क्या है?
शक्ति गुणांक संशोधन (जिसे PFC या शक्ति गुणांक सुधार भी कहा जाता है) एक तकनीक है जिसका उपयोग AC सर्किट में विद्यमान प्रतिक्रियात्मक शक्ति को कम करके इसके शक्ति गुणांक को सुधारने के लिए किया जाता है। शक्ति गुणांक संशोधन तकनीकों का लक्ष्य सर्किट की दक्षता को बढ़ाना और लोड द्वारा खींचे गए धारा को कम करना है।
आम तौर पर, कैपेसिटर और संक्रमण इंजनों का उपयोग सर्किट में इंडक्टिव तत्वों (और इसलिए प्रतिक्रियात्मक शक्ति) को कम करने के लिए किया जाता है। ये तकनीकें वास्तविक शक्ति की मात्रा को बढ़ाने के लिए नहीं, बल्कि सापेक्ष शक्ति को कम करने के लिए उपयोग की जाती हैं।
दूसरे शब्दों में, यह वोल्टेज और धारा के बीच के फेज अंतर को कम करता है। इसलिए, यह शक्ति गुणांक को एकता के निकट रखने की कोशिश करता है। शक्ति गुणांक का सबसे आर्थिक रूप से लाभदायक मूल्य 0.9 से 0.95 के बीच है।
अब सवाल उठता है, शक्ति गुणांक का आर्थिक मूल्य 0.95 क्यों है, एकता शक्ति गुणांक के बजाय? क्या एकता शक्ति गुणांक का कोई दोष है?
नहीं। एकता शक्ति गुणांक का कोई भी दोष नहीं है। लेकिन एकता PFC उपकरणों को स्थापित करना कठिन और महंगा होता है।
इसलिए, उपयोगिता और शक्ति आपूर्ति कंपनियाँ एक आर्थिक प्रणाली बनाने के लिए शक्ति गुणांक को 0.9 से 0.95 की सीमा में रखने की कोशिश करती हैं। और यह सीमा शक्ति प्रणाली के लिए पर्याप्त होती है।
यदि AC सर्किट में उच्च इंडक्टिव लोड हो, तो शक्ति गुणांक 0.8 से नीचे रह सकता है। और यह स्रोत से अधिक धारा खींचता है।
शक्ति गुणांक संशोधन उपकरण इंडक्टिव तत्वों और स्रोत से खींची गई धारा को कम करता है। यह एक दक्ष प्रणाली का परिणाम होता है और इलेक्ट्रिकल ऊर्जा की हानि को रोकता है।
शक्ति गुणांक संशोधन की आवश्यकता क्यों है?
सीधे विद्युत परिपथों में, लोड द्वारा व्यय किया गया शक्ति सिर्फ वोल्टेज और धारा को गुणा करके गणना की जाती है। और धारा लगाए गए वोल्टेज के समानुपाती होती है। इसलिए, प्रतिरोधी लोड द्वारा शक्ति का व्यय रैखिक होता है।
विकल्पी विद्युत परिपथों में, वोल्टेज और धारा अनुसार त्रिकोणीय तरंगें होती हैं। इसलिए, तीव्रता और दिशा निरंतर बदलती रहती हैं। विशेष समय पर, व्यय किया गया शक्ति उस समय पर वोल्टेज और धारा के गुणनफल के बराबर होता है।
यदि एक विकल्पी विद्युत परिपथ में आवेशक लोड जैसे; वाइंडिंग, चोक कोइल, सोलेनॉइड, ट्रांसफॉर्मर; धारा वोल्टेज से फेज में बाहर होती है। इस स्थिति में, वास्तविक शक्ति का व्यय वोल्टेज और धारा के गुणनफल से कम होता है।
विकल्पी विद्युत परिपथों में गैर-रैखिक तत्वों के कारण, इसमें दोनों प्रतिरोध और प्रतिक्रिया होते हैं। इसलिए, इस स्थिति में, शक्ति की गणना करते समय धारा और वोल्टेज के फेज अंतर का महत्व होता है।
शुद्ध प्रतिरोधी लोड के लिए, वोल्टेज और धारा एक फेज में होती हैं। लेकिन आवेशक लोड के लिए, धारा वोल्टेज से पीछे रहती है। और यह आवेशक प्रतिक्रिया बनाती है।
इस स्थिति में, शक्ति गुणांक संशोधन की आवश्यकता होती है ताकि आवेशक तत्व के प्रभाव को कम किया जा सके और प्रणाली की दक्षता बढ़ाने के लिए शक्ति गुणांक में सुधार किया जा सके।
शक्ति गुणांक संशोधन सूत्र
मान लीजिए एक आवेशक लोड प्रणाली से जुड़ा है और शक्ति गुणांक cosф1 पर संचालित होता है। शक्ति गुणांक में सुधार करने के लिए, हमें लोड के साथ समानांतर रूप से शक्ति गुणांक संशोधन उपकरण जोड़ना चाहिए।
इस व्यवस्था का परिपथ चित्र नीचे दिखाया गया है।
कैपेसिटर अग्रणी प्रतिक्रियात्मक घटक को आपूर्ति करता है और पश्च गमनशील प्रतिक्रियात्मक घटक के प्रभाव को कम करता है। कैपेसिटर को जोड़ने से पहले, लोड धारा IL होती है।
कैपेसिटर IC धारा लेता है जो वोल्टेज से 90˚ आगे होती है। और प्रणाली की परिणामी धारा Ir होती है। वोल्टेज V और IR के बीच का कोण V और IL के बीच के कोण की तुलना में कम होता है। इसलिए, शक्ति गुणांक cosф2 सुधार जाता है।
उपरोक्त फेजर आरेख से, प्रणाली का पश्च गमनशील घटक कम हो जाता है। इसलिए, शक्ति गुणांक को ф1 से ф2 में बदलने के लिए, लोड धारा IRsinф2 से कम हो जाती है।
![\[ I_R sin \phi_2 = I_L sin \phi_1 - I_C \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-494eeb510666c43e8a406c53e2f17448_l3.png?ezimgfmt=rs:188x16/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[ I_C = I_L sin \phi_1 - I_R sin \phi_2 \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-ed71c630557e2edd69a34fb315171865_l3.png?ezimgfmt=rs:188x16/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
क्षमता फैक्टर सुधार के लिए कंडेनसर की क्षमता है;
![\[ C = \frac{I_C}{\omega V} \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-9b200559d6d92ca162df0f28a14a1ed1_l3.png?ezimgfmt=rs:66x37/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
शक्ति गुणांक सुधार परिपथ
शक्ति गुणांक सुधार तकनीक मुख्य रूप से कंडेनसर या कंडेनसर बैंक और सिंक्रोनस कंडेनसर का उपयोग करती है। शक्ति गुणांक सुधार के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरण के आधार पर, तीन विधियाँ हैं;
कंडेनसर बैंक
सिंक्रोनस कंडेनसर
फेज अडवांसर
कंडेनसर बैंक का उपयोग करके शक्ति गुणांक सुधार
कंडेनसर या कंडेनसर बैंक को निश्चित या परिवर्तनीय मान की क्षमता के रूप में जोड़ा जा सकता है। इसे एक ऑइंडक्शन मोटर, वितरण पैनल, या मुख्य आपूर्ति से जोड़ा जाता है।
स्थिर मान कंडेनसर निरंतर प्रणाली से जुड़ा रहता है। एक चर मान कंडेनसर प्रणाली की आवश्यकता के अनुसार KVAR की मात्रा को बदलता है।
पावर फैक्टर संशोधन के लिए कैपेसिटर बैंक लोड के साथ जोड़ा जाता है। यदि लोड एक तीन-फेज लोड है, तो कैपेसिटर बैंक को स्टार और डेल्टा कनेक्शन के रूप में जोड़ा जा सकता है।
डेल्टा कनेक्टेड कैपेसिटर बैंक
निम्नलिखित सर्किट आरेख तीन-फेज लोड के साथ डेल्टा कनेक्टेड कैपेसिटर बैंक दिखाता है।
चलिए डेल्टा कनेक्शन में जब यह फेज दर फेज कैपेसिटर का समीकरण ढूंढें। डेल्टा कनेक्शन में फेज वोल्टेज (VP) और लाइन वोल्टेज (VL) समान होते हैं।
![\[ V_P = V_L \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-622a63be30db2b89a9575c9c05faf072_l3.png?ezimgfmt=rs:64x14/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
फेज दर फेज कैपेसिटेंस (C∆) निम्न प्रकार दिया गया है;
![\[ C_\Delta = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega V_L^2} \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-b359b4b94efbaa7f30f7ebf8d5704316_l3.png?ezimgfmt=rs:146x43/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
तारा संयोजित कैपेसिटर बैंक
नीचे दिए गए परिपथ आरेख में तीन-धारा लोड के साथ तारा संयोजित कैपेसिटर बैंक दिखाया गया है।
तारा संयोजन में फेज वोल्टेज (VP) और लाइन वोल्टेज (VL) के बीच संबंध निम्नलिखित है:
![\[ V_P = \frac{1}{\sqrt{3}} V_L \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-c6735d18507585e6b605f637384d8ce6_l3.png?ezimgfmt=rs:92x40/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
प्रत्येक फेज की धारिता (CY) इस प्रकार दी गई है;
![\[ C_Y = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega (\frac{V_L}{\sqrt{3}})^2} = \frac{3Q_C}{\omega V_L^2} \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f519bedeff293a56a28fa4e549066102_l3.png?ezimgfmt=rs:229x50/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
उपरोक्त समीकरणों से;
![\[ C_Y = 3 C_\Delta \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f8b91b583df27aeb30b501864bc11a0e_l3.png?ezimgfmt=rs:81x14/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
यह अर्थ है कि स्टार कनेक्शन में आवश्यक धारिता, डेल्टा कनेक्शन में आवश्यक धारिता की तीन गुनी होती है। और, ऑपरेटिंग फेज वोल्टेज, लाइन वोल्टेज का 1/√3 गुना होता है।
इसलिए, डेल्टा-कनेक्टेड कैपेसिटर बैंक एक अच्छा डिज़ाइन है और यही कारण है कि तीन-फेज कनेक्शन में, नेटवर्क में डेल्टा-कनेक्टेड कैपेसिटर बैंक अधिक प्रयोग किया जाता है।
सिंक्रोनस कंडेंसर का उपयोग करके पावर फैक्टर कोरेक्शन
जब एक सिंक्रोनस मोटर ओवर-एक्साइटेड होता है, तो यह लीडिंग करंट लेता है और एक कैपेसिटर की तरह व्यवहार करता है। एक ओवर-एक्साइटेड सिंक्रोनस मोटर जो नो-लोड स्थिति में चल रहा हो, उसे सिंक्रोनस कंडेंसर कहा जाता है।
जब इस प्रकार की मशीन को आपूर्ति के साथ समान्तर में जोड़ा जाता है, तो यह एक अग्रणी धारा लेता है। और प्रणाली के पावर फैक्टर को सुधारता है। आपूर्ति के साथ सिंक्रोनस कंडेंसर का कनेक्शन डायग्राम नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है।
जब लोड में एक भापीय घटक होता है, तो यह प्रणाली से एक पीछे की धारा लेता है। धारा को निष्क्रिय करने के लिए, इस उपकरण का उपयोग अग्रणी धारा लेने के लिए किया जाता है।
सिंक्रोनस कंडेंसर को जोड़ने से पहले, लोड द्वारा ली गई धारा IL होती है और पावर फैक्टर фL होता है।
जब सिंक्रोनस कंडेंसर को जोड़ा जाता है, तो यह धारा Im लेता है। इस स्थिति में, परिणामी धारा I होती है और पावर फैक्टर фm होता है।
फेजर डायग्राम से, हम दोनों पावर फैक्टर कोण (фL और фm) की तुलना कर सकते हैं। और фm фL से कम होता है। इसलिए, cosфm cosфL से अधिक होता है।
इस प्रकार की पावर फैक्टर सुधार विधि का उपयोग बड़े पैमाने पर आपूर्ति स्टेशनों पर निम्नलिखित लाभों के कारण किया जाता है।
मोटर द्वारा खींचे गए विद्युत धारा की मात्रा को क्षेत्र प्रेरण बदलकर बदला जा सकता है।
सिस्टम में होने वाली दोषों को दूर करना आसान है।
मोटर वाइंडिंग की थर्मल स्थिरता उच्च है। इसलिए, यह कम सर्किट धारा के लिए एक विश्वसनीय सिस्टम है।
फेज एडवांसर
प्रेरण धारा के कारण इंडक्शन मोटर द्वारा रिएक्टिव धारा खींची जाती है। यदि प्रेरण धारा के लिए एक अन्य स्रोत का उपयोग किया जाता है, तो स्टेटर वाइंडिंग प्रेरण धारा से मुक्त हो जाता है। और मोटर की पावर फैक्टर में सुधार किया जा सकता है।
यह व्यवस्था फेज एडवांसर का उपयोग करके की जा सकती है। फेज एडवांसर एक सरल एसी एक्साइटर है, जो मोटर के उसी शाफ्ट पर स्थापित होता है और मोटर के रोटर सर्किट से जुड़ा होता है।
यह स्लिप फ्रीक्वेंसी पर रोटर सर्किट को प्रेरण धारा प्रदान करता है। यदि आप आवश्यक से अधिक एक्साइटर धारा प्रदान करते हैं, तो इंडक्शन मोटर को लीडिंग पावर फैक्टर पर संचालित किया जा सकता है।
फेज एडवांसर का एकमात्र दोष यह है कि यह 200 HP से कम आकार के मोटर के लिए आर्थिक रूप से लाभदायक नहीं है।
सक्रिय पावर फैक्टर संशोधन
सक्रिय पावर फैक्टर संशोधन अधिक कुशल पावर फैक्टर नियंत्रण प्रदान करता है। आमतौर पर, यह 100W से अधिक वाले पावर सप्लाई डिजाइन में उपयोग किया जाता है।
इस प्रकार का पावर फैक्टर संशोधन सर्किट डायोड, SCR (पावर इलेक्ट्रोनिक्स स्विच) जैसे उच्च फ्रीक्वेंसी स्विचिंग तत्वों से बना होता है। ये तत्व सक्रिय तत्व होते हैं। इसलिए, इस विधि को सक्रिय पावर फैक्टर संशोधन विधि के रूप में नामित किया जाता है।
पसिव पावर फैक्टर संशोधन में, सर्किट में उपयोग किए जाने वाले रिएक्टिव तत्व जैसे कैपेसिटर और इंडक्टर अनियंत्रित होते हैं। क्योंकि पसिव पावर फैक्टर संशोधन सर्किट में कोई नियंत्रण यूनिट या स्विचिंग तत्व नहीं उपयोग किया जाता है।
सर्किट में उपयोग किए जाने वाले उच्च स्विचिंग तत्व और नियंत्रण यूनिट के कारण, सर्किट की लागत और जटिलता पसिव पावर फैक्टर संशोधन सर्किट की तुलना में बढ़ जाती है।
नीचे दिए गए सर्किट आरेख में सक्रिय पावर फैक्टर संशोधन सर्किट के मूल तत्व दिखाए गए हैं।
परिपथ पैरामीटरों को नियंत्रित करने के लिए, परिपथ में एक नियंत्रण इकाई का उपयोग किया जाता है। यह इनपुट वोल्टेज और धारा को मापता है। और यह फेज वोल्टेज और धारा में स्विचिंग समय और ड्यूटी साइकल को समायोजित करता है।
इंडक्टर L को ठोस राज्य स्विच Q द्वारा नियंत्रित किया जाता है। नियंत्रण इकाई का उपयोग ठोस राज्य स्विच Q (ON और OFF) को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है।
जब स्विच ON होता है, तो इंडक्टर धारा ∆I+ से बढ़ती है। इंडक्टर पर वोल्टेज विपरीत ध्रुवता लेता है और डायोड D1 के माध्यम से लोड को ऊर्जा अच्छेदित करता है।
जब स्विच OFF होता है, तो इंडक्टर धारा ∆I– से घटती है। एक चक्र के दौरान कुल परिवर्तन ∆I = ∆I+ – ∆I– होता है। स्विच का ON और OFF समय नियंत्रण इकाई द्वारा ड्यूटी साइकल को बदलकर नियंत्रित किया जाता है।
ड्यूटी साइकल का सही चयन करके, हम लोड को आवश्यक धारा के आकार को प्राप्त कर सकते हैं।
शक्ति गुणांक संशोधन का आकार कैसे निर्धारित करें?
शक्ति गुणांक संशोधन का आकार निर्धारित करने के लिए, हमें अभिक्रिय शक्ति (KVAR) की आवश्यकता की गणना करनी होती है। और हम प्रणाली के साथ उस आकार की क्षमता को जोड़ते हैं ताकि अभिक्रिय शक्ति की मांग को पूरा किया जा सके।
KVAR की आवश्यकता को खोजने के दो तरीके हैं।
टेबल गुणक विधि
गणना विधि
नाम से स्पष्ट है, टेबल गुणक विधि में, हम एक टेबल से गुणक स्थिरांक तुरंत पाते हैं। हम इनपुट शक्ति को गुणक से गुणा करके आवश्यक KVAR को तुरंत पा सकते हैं।
गणना विधि में, हमें नीचे दिए गए उदाहरण के रूप से गुणक की गणना करनी होती है।
उदाहरण:
एक 10-किलोवाट इंडक्शन मोटर का पावर फैक्टर 0.71 लगता है। यदि हमें इस मोटर को 0.92 के पावर फैक्टर पर चलाना है, तो कैपेसिटर का आकार क्या होगा?
इनपुट पावर = 10किलोवाट
वास्तविक पावर फैक्टर (cos φA) = 0.71
आवश्यक पावर फैक्टर (cos φR) = 0.92
![\[ \cos \phi_1 = 0.71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.71 \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-5100e8b1fbae96d4ae9ee1fac45de43d_l3.png?ezimgfmt=rs:245x21/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[ \phi_1 = 44.765^\circ \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-983745bbbe4c4ea960c24e06767f55d7_l3.png?ezimgfmt=rs:99x18/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[ \cos \phi_2 = 0.92 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.9 \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-0745c6ef1d4402d9474bed34c5fb23fb_l3.png?ezimgfmt=rs:238x21/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[ \phi_2 = 23.073^\circ \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-affe9d089a3fb3bc2ad5ec3a46fa36ef_l3.png?ezimgfmt=rs:99x18/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[ \tan \phi_1 = \tan (44.765^\circ) = 0.9918 \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-edb72b2618a5d23fe8aafa92fc9be1e5_l3.png?ezimgfmt=rs:240x19/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[ \tan \phi_2 = \tan (23.073^\circ) = 0.4259 \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-f28b58e9ba31a3899a7ec6cad01d3fd1_l3.png?ezimgfmt=rs:240x19/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[ गुणक स्थिरांक = 0.9918 - 0.4259 = 0.5658 \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-4142384949446453f59c72e5b897462c_l3.png?ezimgfmt=rs:380x17/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
आवश्यक KVAR = इनपुट शक्ति x गुणक स्थिरांक
![\[ KVAR = 10 \times 0.5658 \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-6936f58d56bafaa7ac49a55d55623146_l3.png?ezimgfmt=rs:170x13/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
![\[ KVAR = 5.658 \]](https://www.electrical4u.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-b780e3e4cf8c9132bc82aa8ae3038e1d_l3.png?ezimgfmt=rs:122x13/rscb38/ng:webp/ngcb38 "Rendered by QuickLaTeX.com")
इसलिए, 0.71 से 0.92 तक शक्ति गुणांक को सुधारने के लिए 5.658 KVAR प्रतिक्रियात्मक शक्ति की आवश्यकता होती है। और प्रणाली से जुड़े कैपेसिटर की क्षमता 5.658 KVAR है।
शक्ति गुणांक संशोधन के अनुप्रयोग
एक शक्ति प्रणाली नेटवर्क में, शक्ति गुणांक प्रणाली की गुणवत्ता और प्रबंधन में सबसे महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। यह शक्ति आपूर्ति की दक्षता निर्धारित करता है।
शक्ति गुणांक संशोधन के बिना, लोड स्रोत से उच्च मात्रा की धारा खींचता है। यह नुकसान और विद्युत ऊर्जा की लागत बढ़ाता है। PFC उपकरण धारा और वोल्टेज तरंग फॉर्म को एक साथ रखने की कोशिश करते हैं। यह प्रणाली की दक्षता बढ़ाता है।
संचार नेटवर्क में उच्च शक्ति गुणांक आवश्यक है। उच्च शक्ति गुणांक के कारण, संचार लाइन के नुकसान कम हो जाते हैं और वोल्टेज नियंत्रण में सुधार होता है।
उद्योगों में इंडक्शन मोटर व्यापक रूप से प्रयोग किए जाने वाले उपकरण हैं। ओवरहीटिंग से बचने और मोटर की दक्षता में सुधार करने के लिए, कैपेसिटर प्रतिक्रियात्मक शक्ति के प्रभाव को कम करने के लिए उपयोग किए जाते हैं।
PFC उपकरण केबल, स्विचगियर, एल्टरनेटर, ट्रांसफॉर्मर आदि में ऊष्मा उत्पादन को कम करते हैं।
उच्च दक्षता के कारण, हमें कम ऊर्जा उत्पन्न करने की आवश्यकता होती है। जो वायुमंडल में कार्बन उत्सर्जन को कम करता है।
PFC उपकरण के साथ प्रणाली का उपयोग करके वोल्टेज गिरावट में विशेष रूप से कमी आती है।
कथन: मूल का सम्मान करें, अच्छे लेख साझा करने योग्य हैं, यदि कोई उल्लंघन है तो कृपया हटाने के लिए संपर्क करें।
