ما هو عامل القوة: تحسين، صيغة وتعريف

ما هو عامل القوة؟

في الهندسة الكهربائية، يتم تعريف عامل القوة (PF) لنظام الطاقة الكهربائية المتناوبة كنسبة القوة العاملة (المقاسة بالكيلوواط، kW) التي تمتصها الحمل إلى القوة الظاهرية (المقاسة بالكيلوفولت أمبير، kVA) التي تتدفق عبر الدائرة. عامل القوة هو رقم بدون أبعاد في الفاصل المغلق من −1 إلى 1.

الـ "عامل القوة المثالي" هو واحد (يشار إليه أيضًا بـ "الوحدة"). هذا يحدث عندما لا يكون هناك قوة متفاعلة عبر الدائرة، وبالتالي تكون القوة الظاهرية (kVA) مساوية للقوة الحقيقية (kW). يعتبر الحمل الذي يحتوي على عامل قوة يساوي 1 هو التحميل الأكثر كفاءة للمصدر.

ومع ذلك، فإن هذا ليس واقعيًا، وسوف يكون عامل القوة في الواقع أقل من 1. تُستخدم تقنيات مختلفة لـ تحسين عامل القوة لمساعدة زيادة عامل القوة إلى هذا الحالة المثالية.

للتوضيح بشكل أفضل، دعنا نعود خطوة إلى الخلف ونتكلم عن ما هي القوة.

القوة هي القدرة على القيام بالعمل. في المجال الكهربائي، القوة الكهربائية هي كمية الطاقة الكهربائية التي يمكن نقلها إلى شكل آخر (حرارة، ضوء، إلخ) لكل وحدة زمنية.

رياضياً، عامل القوة هو حاصل ضرب انخفاض الجهد عبر العنصر و التيار الذي يمر عبره.

بالنظر أولاً إلى الدوائر المستمرة، والتي تحتوي فقط على مصادر جهد مستمرة، فإن المقاومات والمحاثات تتصرف كمدار قصير وفتحة على التوالي في حالة الثبات.

وبالتالي تتصرف الدائرة بأكملها كدائرة مقاومة وتتم استهلاك الطاقة الكهربائية بأكملها في شكل حرارة. هنا الجهد والتيار في نفس الطور والعامل الكلي للطاقة الكهربائية يعطى بواسطة:

الآن عند النظر إلى الدائرة المتناوبة، هنا كل من المحاثة والمقاومة يقدمان مقدارًا معينًا من الممانعة المعطاة بواسطة:

تخزن المحاثة الطاقة الكهربائية في شكل طاقة مغناطيسية والمحاثة تخزن الطاقة الكهربائية في شكل طاقة كهروستاتيكية. لا تبدد أي منهما. بالإضافة إلى ذلك، يوجد فرق طوري بين الجهد والتيار.

وبالتالي عندما نعتبر الدائرة بأكملها المكونة من مقاومة، محاثة، ومحاثة، يوجد بعض الاختلاف الطوري بين جهد المصدر والتيار.

يسمى جيب تمام هذا الاختلاف الطوري عامل القوة الكهربائي. يمثل هذا العامل (-1 < cosφ < 1 ) النسبة من الطاقة الكلية المستخدمة للقيام بالعمل المفيد.

الجزء الآخر من الطاقة الكهربائية يتم تخزينه في شكل طاقة مغناطيسية أو طاقة كهروستاتيكية في المحاثة و المحاثة على التوالي.

الطاقة الكلية في هذه الحالة هي:

يسمى هذا القوة الظاهرية ووحدته VA (فولت أمبير) ويشار إليها بـ 'S'. الجزء من هذه الطاقة الكهربائية الكلية الذي يقوم بالعمل المفيد يسمى القوة النشطة. نشير إليها بـ 'P'.

P = القوة النشطة = القوة الكهربائية الكلية.cosφ ووحدتها الواط.

الجزء الآخر من الطاقة يسمى القوة المتفاعلة. القوة المتفاعلة لا تقوم بأي عمل مفيد، ولكنها مطلوبة لكي يتم العمل النشط. نشير إليها بـ 'Q' ورياضياً تعطى بواسطة:

Q = القوة المتفاعلة = القوة الكهربائية الكلية.sinφ ووحدتها VAR (فولت أمبير متفاعل). تتأرجح هذه القوة المتفاعلة بين المصدر والحمل. لفهم هذا بشكل أفضل، يتم تمثيل جميع هذه الطاقات في شكل مثلث.

رياضياً، S2 = P2 + Q2, و عامل القوة الكهربائي هو القوة النشطة / القوة الظاهرية.

تحسين عامل القوة

يظهر مصطلح عامل القوة في الدوائر المتناوبة فقط. رياضياً، هو جيب تمام الفرق الطوري بين جهد المصدر والتيار. يشير إلى نسبة الطاقة الكلية (القوة الظاهرية) التي يتم استخدامها للقيام بالعمل المفيد والذي يسمى القوة النشطة.

حاجة لتحسين عامل القوة

• تعطى القوة الحقيقية بواسطة P = VIcosφ. التيار الكهربائي متناسب عكسياً مع cosφ لنقل كمية معينة من الطاقة عند جهد معين. وبالتالي، كلما كان عامل القوة أعلى، سيكون التيار المتدفق أقل. يتطلب تدفق التيار الصغير مساحة مقطعية أقل للموصلات، مما يوفر الموصلات والمال.

• من العلاقة السابقة، نرى أن وجود عامل قوة ضعيف يزيد التيار المتدفق في الموصل، وبالتالي يزداد فقد النحاس. يحدث انخفاض كبير في الجهد في المولد الكهربائي، المحولات الكهربائية، وخطوط النقل والتوزيع - مما يؤدي إلى تنظيم جهد سيء للغاية.

• يتم أيضاً تقليل تصنيف الكيلو فولت أمبير (kVA) للآلات عن طريق الحصول على عامل قوة أعلى، وفقاً للصيغة:

وبالتالي، يتم تقليل حجم وكosten الآلة أيضًا.

لهذا السبب يجب الحفاظ على عامل القوة الكهربائي قريبًا من الوحدة - فهو أرخص بكثير.

طرق تحسين عامل القوة

هناك ثلاث طرق رئيسية لتحسين عامل القوة:

• المصارف الكاباسيتورية

• المكثفات المتزامنة

• مقدمات الطور

المصارف الكاباسيتورية

يعني تحسين عامل القوة تقليل الفرق الطوري بين الجهد والتيار. بما أن الغالبية العظمى من الأحمال هي من النوع المغناطيسي، فإنها تحتاج إلى بعض الكمية من الطاقة المتفاعلة لكي تعمل.

تقوم المكثفة أو مجموعة من المكثفات المثبتة بالتوازي مع الحمل بتوفير هذه الطاقة المتفاعلة. تعمل كمصدر محلي للطاقة المتفاعلة، وبالتالي يتدفق كمية أقل من الطاقة المتفاعلة عبر الخط.

تقلل المصارف الكاباسيتورية الفرق الطوري بين الجهد والتيار.

المكثفات المتزامنة

المكثفات المتزامنة هي محركات متزامنة ثلاثية الأطوار بلا حمل مثبت على عمودها.

يتميز المحرك المتزامن بأنه يعمل تحت أي عامل قوة متقدم أو متأخر أو وحدة اعتمادًا على التحريض. بالنسبة للأحمال