מהו גורם כוח: שיפור נוסחה והגדרה
מהו פקטור כוח?
בנדע"מ, פקטור הכוח (PF) של מערכת חשמל חילופין מוגדר כיחס בין הכוח ההפעלי (המדוד בקילוואט, kW) שמשומש על ידי העומס לכוח המראה (המדוד בקילוואט-אמפר, kVA) הזורם דרך המעגל. פקטור הכוח הוא מספר ללא מימד בתוך הקטע הסגור של −1 עד 1.
הפקטור "האידיאלי" הוא אחד (גם מכונה "יחידה"). זהו המצב שבו אין כוח מגנטי דרך המעגל, ולכן כוח המראה (kVA) שווה לכוח האמיתי (kW). עומס עם פקטור כוח של 1 הוא העומס האפקטיבי ביותר עבור התאספקת החשמל.
עם זאת, זה לא מציאותי, ופקטור הכוח יהיה למעשה פחות מאחד. משמשים טכניקות שונות לשיפור פקטור הכוח כדי לעזור להעלות את פקטור הכוח למצב האידיאלי הזה.
כדי להסביר זאת טוב יותר, נחזור אחורה ונדבר על מהו כוח.
כוח הוא היכולת לבצע עבודה. בתחום החשמל, כוח חשמלי הוא הכמות של אנרגיה חשמלית שניתן להעביר לצורות אחרות (חום, אור וכדומה) ליחידת זמן.
מתמטית, פקטור הכוח הוא המכפלה של ירידה במתח על האלמנט והזרם הזורם דרכו.
בהתחשב קודם כל במעגלי DC, שיש בהם רק מקורות מתח DC, האינדוקטורים והקונדנסטורים מתנהגים כמו מעגלים קצרים ופתוחים בהתאמה במצב יציב.
ולכן כל המעגל מתנהג כמו מעגל 저ומי והכל החשמלי מופרש בצורת חום. כאן המתח והזרם הם באותו פאזה והכוח החשמלי הכולל נתון על ידי:
עכשיו נעבור למעגל AC, כאן האינדוקטור והקונדנסטור מציעים עמידות מסוימת הנתונה על ידי:
האינדוקטור מחזיק אנרגיה חשמלית בצורה של אנרגיה מגנטית והקונדנסטור מחזיק אנרגיה חשמלית בצורה של אנרגיה אלקטרוסטטית. אף אחד מהם אינו מפזר אותה. בנוסף, יש הפזה בין המתח והזרם.
ולכן כשנחשוב על כל המעגל המורכב מנגד, אינדוקטור וקונדנסטור, קיים הפרש פאזה מסוים בין מתח המקור והזרם.
קוסינוס של הפרש הפאזה הזה נקרא פקטור הכוח החשמלי. גורם זה (−1 < cosφ < 1) מייצג את החלק של הכוח הכולל המשמש לעבודה שימושית.
החלק האחר של הכוח החשמלי נשמר בצורה של אנרגיה מגנטית או אנרגיה אלקטרוסטטית באינדוקטור ובקונדנסטור בהתאמה.
הכוח הכולל במקרה זה הוא:
זה נקרא כוח מראה ויחידתו היא VA (Volt-Amp) ומציינים אותו ב-'S'. חלק מהכוח החשמלי הכולל שעושה את העבודה הנחוצה נקרא כוח פעיל. אנו מסמנים אותו כ-'P'.
P = כוח פעיל = כוח חשמלי כולל.cosφ ויחידתו היא ואט.
החלק האחר של הכוח נקרא כוח מגנטי. כוח מגנטי לא עושה עבודה שימושית, אך הוא נדרש כדי שהעבודה הנחוצה תבוצע. אנו מסמנים אותו עם 'Q' ובאופן מתמטי הוא נתון על ידי:
Q = כוח מגנטי = כוח חשמלי כולל.sinφ ויחידתו היא VAR (Volt-Amp Reactive). כוח מגנטי זה מתנדנד בין המקור לעומס. כדי להבין זאת טוב יותר, כל הכוחות הללו מיוצגים בצורה של משולש.
מתמטית, S2 = P2 + Q2, והפקטור הכוח החשמלי הוא כוח פעיל / כוח מראה.
שיפור פקטור הכוח
הביטוי פקטור כוח נכנס לתמונה רק במעגלי AC. מתמטית הוא הקוסינוס של ההפרש הפאזה בין מתח המקור והזרם. הוא מתאר את החלק של הכוח הכולל (כוח מראה) המשמש לעבודה שימושית שנקרא כוח פעיל.
הצורך בשיפור פקטור הכוח
הכוח האמיתי נתון על ידי P = VIcosφ. הזרם הוא הפוך פרופורציונלי ל-cosφ להעברת כמות נתונה של כוח במתח נתון. לכן, ככל שהפקטור גבוה יותר, כך יהיה הזרם הזורם נמוך יותר. זרם קטן דורש שטח חתך קטן יותר של מוליכים, וכך הוא חוסך מוליכים וכסף.
מהקשר למעלה, רואים כי פקטור כוח גרוע מגביר את הזרם הזורם במוליך, וכתוצאה מכך הגזירה של הנחושת מגברת. ירידה גדולה במתח מתרחשת באלטרנטור, טרנספורטר חשמלי ובמערכות העברת חשמל – מה שנותן רגולציה מתח גרועה מאוד.
הדרגה KVA של מכונות גם מופחתת על ידי פקטור כוח גבוה יותר, לפי הנוסחה:
ולכן, הגודל והמחיר של המכונה מופחתים גם כן.
זו הסיבה לפיה צריך לשמור על פקטור הכוח קרוב ליחידה – זה הרבה יותר זול.
שיטות לשיפור פקטור הכוח
ישנן שלוש דרכים עיקריות לשיפור פקטור הכוח:
בנקות קONDENSAṬORIYM
קונדנסטורים סינכרוניים
מתקדמים פאזה
בנקות קונדנסטורים
שיפור פקטור כוח אומר הפחתת ההפרש הפאזה בין מתח וזרם. מכיוון שרוב העומסים הם בעלי טבע אינדוקטיבי, הם דורשים כמות מסוימת של כוח מגנטי כדי שהם יעבדו.
קונדנסטור או בנק של קונדנסטורים מותקנים במקביל לעומס מספקים את הכוח המגנטי הזה. הם פועלים כמקור מקומי של כוח מגנטי, וכך זורם פחות כוח מגנטי דרך הקו.
בנקות קונדנסטורים מפחיתות את ההפרש הפאזה בין מתח וזרם.
קונדנסטורים סינכרוניים
קונדנסטורים סינכרוניים הם מנועי סינכרון בשלושה פאזות ללא עומס מחובר לשרשרת שלהם.
המנוע סינכרוני יש לו את התכונות לפעול בכל פקטור כוח מוביל, מאחר או יחידה בהתאם להפעלה. עבור עומסים אינדוקטיביים, קונדנסטור סינכרוני מחובר לצד העומס ומופעל באופן מוגבר.
קונדנסטורים סינכרוניים גורמים להם להתנהג כמו קונדנסטור. הוא מושך זרם מאחר מהספק או מספק כוח מגנטי.
