Nini ni Uwiano wa Nguvu?
Katika uhandisi wa umeme, uwiano wa nguvu (PF) wa mfumo wa umeme AC unaeleweka kama uwiano wa nguvu ya kazi (imewazimiwa kwa kilowati, kW) iliyopatikana na mizigo kwenye nguvu ya kuonekana (imewazimiwa kwa kilovolt amperes, kVA) inayoflani kwa mkondo. Uwiano wa nguvu ni namba isiyotumia vipimo katika sekta yaliyofungwa ya -1 hadi 1.
"Uwiano mzuri" ni moja (inaweza kutajwa pia kama "moja"). Hii ndipo wakati hakuna nguvu ya kuzingatia kwa mkondo, na hivyo nguvu ya kuonekana (kVA) ni sawa na nguvu halisi (kW). Mzigo unaouwiano wa nguvu wa 1 ni mwingi wa kutosha wa upatikanaji wa chambuo.
Hata hivyo hii si ya kweli, na uwiano wa nguvu utakuwa chini ya 1 kwa maendeleo. Vijengeo vya uwiano wa nguvu vya kusaidia kuboresha uwiano wa nguvu hufanikiwa kutumika ili kuboresha uwiano wa nguvu huo kwa hali ya moja.
Ili kusaidia kuelezea kingereki, hebu tuje nyuma kidogo na ongezeko kuhusu nini nguvu ni.
Nguvu ni uwezo wa kufanya kazi. Katika eneo la umeme, nguvu ya umeme ni idadi ya nishati ya umeme inayoweza kutumika kwa aina tofauti (joto, taa, vyote viwili) kila dakika.
Kutegemea kwa hesabu, uwiano wa nguvu ni zao la voltage drop kwenye chemsha na current inayoflani kwenye hiyo.
Kutoka kwanza mkondo wa DC, wenye chombo chenye voltage DC tu, inductors na capacitors huwa na tabia za mikondo machache na mifano ya kufunguka kwa undani.
Hivyo basi mkondo mzima huwa na tabia ya resistive circuit na nguvu yote ya umeme hutumika kwa aina ya joto. Hapa voltage na current ziko katika fase ile ile na nguvu kamili ya umeme inapatikana kwa:
Sasa tunapokwenda kwenye mkondo wa AC, hapa inductor na capacitor wanatoa ukuta fulani iliyoelezwa kwa:
Inductor hukusanya nishati ya umeme kwa aina ya magnetic energy na capacitor hukusanya nishati ya umeme kwa aina ya electrostatic energy. Wala wao hawadharau ikiwa. Zaidi, kuna phase shift kati ya voltage na current.
Hivyo basi tunapokumbuka mkondo mzima unaotengeneza resistor, inductor, na capacitor, kuna tofauti fulani ya phase kati ya source voltage na current.
Cosine ya tofauti hii ya phase inatafsiriwa kama uwiano wa nguvu ya umeme. Faktori hii (-1 < cosφ < 1 ) inatafsiriwa kama sehemu ya nguvu kamili ambayo inatumika kufanya kazi bora.
Sehemu nyingine ya nguvu ya umeme inahifadhiwa kwa aina ya magnetic energy au electrostatic energy kwenye inductor na capacitor kwa undani.
Nguvu kamili katika hali hii ni:
Hii inatafsiriwa kama nguvu ya kuonekana na unit yake ni VA (Volt-Amp) na inatafsiriwa kwa 'S'. Sehemu ya nguvu kamili hii ambayo inafanya kazi yetu nzuri inatafsiriwa kama active power. Tunaithibitisha kama 'P'.
P = Active power = Total electrical power.cosφ na unit yake ni watt.
Sehemu nyingine ya nguvu inatafsiriwa kama reactive power. Reactive power haijifanye kazi yoyote bora, lakini inahitajika kwa ajili ya kazi bora ifanyike. Tunaitafsiri kwa 'Q' na kwa hisabati inapatikana kwa:
Q = Reactive power = Total electrical power.sinφ na unit yake ni VAR (Volt-Amp Reactive). Reactive power hii inasonga kati ya chanzo na mizigo. Ili kuelezea vizuri zaidi, nguvu zote hizi zinatafsiriwa kwa aina ya triangle.
Kutegemea kwa hesabu, S2 = P2 + Q2, na uwiano wa nguvu ya umeme ni active power / apparent power.
Neno uwiano wa nguvu linalokuwa kwenye mkondo wa AC tu. Kutegemea kwa hesabu ni cosine ya tofauti ya phase kati ya source voltage na current. Inatafsiriwa kama sehemu ya nguvu kamili (apparent power) ambayo inatumika kufanya kazi bora inatafsiriwa kama active power.
Sababu za Uboreshaji wa Uwiano wa Nguvu
Nguvu halisi inapatikana kwa P = VIcosφ. Current ya umeme ni kinyume kwa cosφ kwa ajili ya kupatikana kwa idadi fulani ya nguvu kwa voltage fulani. Hivyo basi uwiano wa nguvu mkubwa atakuwa na current chache zifuata. Current chache zifuata zinahitaji sekta chache ya conductors, na hivyo zinahifadhi conductors na pesa.
Kutoka kwa ushirikiano huu, tunavyoona kuwa uwiano wa nguvu mdogo unongeza current zifuata kwenye conductor, na hivyo copper loss unongeza. Drop kubwa ya voltage inafanyika kwenye alternator, transformer ya umeme, na mitandao ya utaratibu na uhamisho – ambayo hutoa voltage regulation ya duni sana.
Rating ya KVA ya mashine pia inarudia kwa uwiano wa nguvu mkubwa, kulingana na formula:
Hivyo basi, ukubwa na gharama ya mashine pia inarudia.
Hivyo basi, uwiano wa nguvu wa umeme lazima ufanyike karibu na moja – ni rahisi sana.
Kuna njia tatu muhimu za kuboresha uwiano wa nguvu:
Capacitor Banks
Synchronous Condensers
Phase Advancers
Kuboresha uwiano wa nguvu inamaanisha kupunguza tofauti ya phase kati ya voltage na current. Tangu asilimia kubwa ya mizigo ni ya aina ya inductive, wanahitaji reactive power kidogo kwa ajili ya kufanya kazi.
Capacitor au bank ya capacitors iliyowekwa parallel na mizigo hupatikana reactive power hii. Wanatosha kama chanzo cha reactive power mahali, na hivyo reactive power chache zifuata zinapanda kwa line.
Capacitor banks hupunguza tofauti ya phase kati ya voltage na current.
