پاور فکتور یا ضریب توان چیست؟
مقدمه
در علم مهندسی برق ما به یک مقدار برای اندازه گیری بازده انرژی الکتریکی در مدار AC نیازمند هستیم. ضریب توان آن معیار کمی است که این مقدار را به ما نشان می دهد. می توان گفت ضریب توان در اصطلاح ریاضی، نسبت توان واقعی جذب شده توسط یک مدار الکتریکی به توان ظاهری در کل مدار است. در این مقاله با مفهوم و اهمیت ضریب توان و کاربردهای آن به همراه چند مثال حل شده به تفصیل آشنا خواهید شد.
پاور فکتور یا ضریب توان چیست؟
ضریب توان میزان استفاده موثر از توان ورودی در مدار در یک سیستم خاص را اندازه گیری می کند. ضریب توان یک معیار کمی است که صرفا در مدارهای AC استفاده می شود زیرا ضریب فرکانس آنها بیشتر از مدارهای DC است. محدوده ضریب توان در مدار AC معمولا بین 0 تا 1 است.
فرمول پاور فکتور یا ضریب توان
فرمول ضریب توان به بیان ریاضی عبارتست از:
در این رابطه :
cosθ ضریب توان
Active power توان واقعی یا اکتیو بر حسب وات (W)
Apparent power توان ظاهری بر حسب ولت آمپر (VA)
می باشند.
روش محاسبه پاور فکتور یا ضریب توان چگونه است؟
روش دیگر برای توصیف ضریب توان، که به عنوان زاویه فاز نیز شناخته می‌شود، اندازه گیری cosθ بین ولتاژ و جریان در نمودار فازور برای موج سینوسی در مدار القایی یا خازنی است.
در یک مدار سری RLC
که در آن v0 عبارتست از ولتاژ ماکزیمم و ω نیز فرکانس زاویه ای مدار AC می باشد.
همینطور برای فرمول جریان داریم :
که در آن خواهیم داشت :
و نیز داریم :
برای توان ارائه شده توسط منبع نیز داریم :
میانگین توان در یک چرخه با توجه به اینکه نیمه مثبت زاویه کسینوس نیمه منفی زاویه کسینوس را خنثی می کند به شکل زیر خواهد بود:
رابطه فوق را اینگونه نیز می توان بیان کرد :
بنابراین میانگین توان نه تنها به اختلاف جریان و ولتاژ بستگی دارد، بلکه به زاویه فاز بین آنها نیز بستگی دارد. مقدار cosφ به عنوان ضریب توان شناخته می شود.
بطور کلی می توان گفت دو نوع مدار داریم که در جذب انرژی الکتریکی عملکرد متفاوتی دارند:
- مدار مقاومتی: اگر مدار فقط حاوی R (مقاومت) باشد به عنوان مدار مقاومتی شناخته می‌شود. در این نوع مدار مقدار cosφ=1 می‌شود بنابراین حداکثر جذب توان را خواهد داشت.
- مدار سری LCR: در این نوع مدار اتلاف توان با ϕ نشان داده می شود.
بنابراین می توان گفت ϕ بسته به ترکیب LC یا RC یا ترکیب LCR در مدار سری LCR ممکن است صفر یا غیر صفر باشد.
رزونانس در مدار LCR عبارتست از :
و در نهایت داریم :
انواع ضریب قدرت
سه نوع ضریب توان وجود دارد:
ضریب قدرت پیشرو
ضریب قدرت عقب ماندگی
ضریب قدرت واحد
ضریب توان پیشرو (پسفاز) و عقب مانده (پیشفاز)
ضریب توان پیشرو (پس فاز) زمانی رخ می دهد که در نمودار یک سیستم قدرت، پارامتر جریان جلوتر از ولتاژ حرکت کند. این موضوع می تواند زمانی اتفاق بیفتد که بارهای خازنی در سیستم وجود داشته باشد. خازن ها انرژی را به شکل میدان الکتریکی ذخیره می کنند و با معکوس شدن ولتاژ این انرژی را به مدار باز می گردانند که این فرآیند باعث می شود در اصطلاح جریان، ولتاژ را هدایت کند.
ضریب توان تاخیری (پیش فاز) زمانی اتفاق می افتد که جریان از ولتاژ یک سیستم قدرت عقب بماند. این می تواند زمانی اتفاق بیفتد که بارهای القایی در سیستم وجود داشته باشد. سلف ها انرژی را به شکل میدان مغناطیسی ذخیره می کنند و با تغییرات جریان مخالف هستند. این باعث می شود که جریان از ولتاژ عقب بماند.
ضریب توان واحد زمانی اتفاق می افتد که جریان و ولتاژ در یک سیستم قدرت هم فاز باشند. این بدان معنی است که ضریب توان برابر با 1 است. ضریب توان واحد ضریب توان ایده آل است زیرا منجر به مصرف توان بدون تلفات می شود.
مفهوم ضریب توان کم
مدار القایی یا مدار خازنی دلیل اصلی ضریب توان پایین در مدار است. در چنین مداری، جریان به میزان π/2 از ولتاژ عقب می افتد. در چنین شرایطی چون 
اگر توان فعال در مقایسه با توان ظاهری ناچیز باشد، مدار بطور دائم ضریب توان پایینی خواهد داشت.
مضرات ضریب توان کم چیست؟
- نیاز به انتخاب سیم های با قطر بیشتر به دلیل جریان بالاتر خط و لزوم رتبه بندی توانی بیشتر برای تجهیزات.
- بروز نوسان ولتاژی بیشتر در مدار
- جریان بار بزرگتر که منجر به افزایش تلفات می شود.
- پرداخت هزینه برق بیشتر
دلایل بوجود آمدن ضریب توان کم چیست؟
عوامل متعددی برای ضریب توان پایین وجود دارد، از جمله:
- بارهای القایی: بارهای القایی مانند موتورها و ترانسفورماتورها توان راکتیو را مصرف می کنند. توان راکتیو برای انجام هیچ کار مفیدی استفاده نمی شود، اما باعث افزایش تلفات در سیستم می شود.
- جریان های هارمونیک: جریان های هارمونیک جریان هایی هستند که فرکانس آنها مضربی از فرکانس اصلی است و می توانند توسط بارهای غیر خطی مانند تجهیزات الکترونیکی و کامپیوترها ایجاد شوند. هارمونیک ها شکل موج ولتاژ را مخدوش کرده و تلفات سیستم را افزایش می دهند.
- بارهای خازنی: بارهای خازنی مانند خازن ها و خازن های اصلاح کننده ضریب توان می توانند جریان القایی بارهای القایی را خنثی کنند اما از سوی دیگر در صورتی که به درستی پیش بینی و انتخاب نشده باشند ممکن است منجر به اضافه ولتاژ و آسیب تجهیزات شود.
- سیم کشی نامناسب: سیم کشی نامناسب می تواند باعث افت ولتاژ و عدم تعادل شود که می تواند منجر به ضریب توان پایین شود.
چگونه ضریب توان را افزایش دهیم؟
برخی از راههای بهبود ضریب توان به شرح زیر می باشد:
- کاهش اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان.
- موازی کردن بانک خازنی مناسب با بار القایی
- تا حد امکان بایستی از تجهیزاتی استفاده نمود که درجه کیفی بالاتری دارند و توان راکتیو کمتری مصرف می کنند و تعادل شبکه را حفظ می کنند.
مفهوم اصلاح ضریب توان
ضریب توان را می توان با دو روش زیر اصلاح کرد:
- استفاده از خازن
- استفاده از کندانسور سنکرون
روش اصلاح ضریب توان بوسیله خازن
خازن های اصلاح کننده ضریب توان یا به اصطلاح بانک های خازنی برای بهبود ضریب توان یک سیستم الکتریکی استفاده می شوند. این کار راکتانس القایی بارهای القایی را خنثی می کند. بارهای القایی مانند موتورها و ترانسفورماتورها توان راکتیو را مصرف می کنند و بدین ترتیب تلفات سیستم را افزایش می دهند. با افزودن ظرفیت خازنی به سیستم، مصرف توان راکتیو بارهای القایی کاهش می یابد که این امر باعث بهبود ضریب توان و کاهش تلفات در سیستم می شود. خازن های تصحیح ضریب توان معمولاً به صورت موازی با بارهای القایی به آنها متصل می شوند. لازم به ذکر است در بانک های خازنی پیشرفته تر یک سیستم هوشمند برای اضافه و کم کردن خازن ها به مدار متناسب با نیاز وجود داشته و در مجموع اجرای یک بانک خازنی بسته به شرایط پروژه نیاز به محاسبات و تجربه کافی در این زمینه خواهد داشت.
روش اصلاح ضریب توان بوسیله کندانسور سنکرون
کندانسور سنکرون یک ماشین دوار است که می تواند برای تولید یا جذب توان راکتیو استفاده شود. این تجهیز معمولاً برای بهبود ضریب توان یک سیستم الکتریکی بوسیله جذب توان راکتیو استفاده می شود. کندانسور سنکرون با تنظیم سرعت حرکت روتور، توان راکتیو را جذب می کند.
تاثیر پاور فکتور در یو پی اس چگونه است؟
همانطور که پیشتر گفته شد ضریب توان (pf) تفاوت بین انرژی واقعی مصرف شده (وات) و توان ظاهری (ولت ضرب در آمپر) در مدار AC است و به صورت اعشاری یا درصدی بین 0-1 pf و 0-100٪ مشخص می شود، بعبارت دیگر پاور فکتور 0.9 معادل pF=90% می باشد . هر چه ضریب توان به واحد (1=pf) نزدیک‌تر باشد، دو شکل موج به یکدیگر نزدیک‌تر می‌شوند و دستگاه به طور موثرتری از توان استفاده می‌کند.
به طور کلی UPS ها برای پشتیبانی از بارهایی با ضریب قدرت واحد یا پیش فاز طراحی می‌شدند. با این حال، یو پی اس های مدرن هم اکنون می توانند بارهایی با ضریب قدرت پس فاز را هم پشتیبانی کنند. اگرچه این کار نیاز به اضافه کردن تجهیزات اضافی به همراه یو پی اس دارد زیرا مصرف کننده های دارای ضریب توان پس فاز می توانند بار اضافی را روی UPS ایجاد کنند. سرورهای Blade بهترین مثال از بارهای با ضریب توان پس فاز هستند. آنها نسبت به سرورهای قدیمی تر قادر به پردازش قدرت بیشتری در فضای رک کمتری هستند و به دلیل مزایایی مانند کابل کشی ساده و کاهش مصرف برق، به طور گسترده در بخش های مخابراتی و مراکز داده مورد استفاده قرار گرفته اند. روش‌های مختلفی برای کاهش تأثیر ضریب توان پسفاز وجود دارد. ساده ترین روش انتخاب یو پی اسی با توان بیشتر اما روش اصولی تر استفاده از فیلترهای هارمونیک فعال با تصحیح ضریب توان بر روی خروجی یو پی اس است که پیشتر ساختار این فیلترها مورد بررسی قرار گرفت.
این امر بار قابل قبول تری را به UPS ارائه می کند هرچند باعث کاهش راندمان، اشغال فضای بیشتر و افزایش هزینه های اجرای پروژه می شود.
اولین دیدگاه را ثبت کنید