فهم عامل الطاقة وكيف يؤثر على فواتير الطاقة الخاصة بك

بصرف النظر عن السلامة والموثوقية ، يجب متابعة العديد من الأهداف الأخرى بما في ذلك الكفاءة في تصميم وتنفيذ الأنظمة الكهربائية. أحد مقاييس الكفاءة في النظام الكهربائي هو الكفاءة التي يحول بها النظام الطاقة التي يتلقاها إلى عمل مفيد. يشار إلى هذه الكفاءة من خلال أحد مكونات الأنظمة الكهربائية المعروف باسم معامل القدرة. و معامل القدرة يشير مقدار الطاقة قيد الاستخدام بالفعل للقيام بأعمال مفيدة قبل الحمل ومدى قوة هو "الهزال". وبقدر ما يبدو اسمها تافهاً ، فهي أحد العوامل الرئيسية وراء ارتفاع فواتير الكهرباء وانقطاع التيار الكهربائي.

لتتمكن من وصف عامل الطاقة بشكل صحيح وأهميته العملية ، من المهم تحديث ذاكرتك حول الأنواع المختلفة للأحمال الكهربائية ومكونات الطاقة الموجودة.

من فئات الكهرباء الأساسية ، تكون الأحمال الكهربائية عادةً من نوعين ؛

أحمال مقاومة
الأحمال التفاعلية

1. الأحمال المقاومة

الأحمال المقاومة ، كما يوحي الاسم ، تتكون هذه الأحمال من عناصر مقاومة بحتة. بالنسبة لهذا النوع من الأحمال (مع الأخذ في الاعتبار الظروف المثالية) ، يتم تبديد كل الطاقة المزودة له للعمل بسبب حقيقة أن التيار في الطور مع الجهد. من الأمثلة الجيدة على الأحمال المقاومة المصابيح والبطاريات المتوهجة.

يُشار إلى مكون الطاقة المرتبط بالأحمال المقاومة بالقوة الفعلية. تسمى هذه القوة الفعلية أحيانًا باسم القوة العاملة أو القوة الحقيقية أو القوة الحقيقية. إذا كنت جديدًا على طاقة التيار المتردد وتشعر بالارتباك مع كل أشكال الموجة هذه ، فمن المستحسن أن تقرأ عن أساسيات التيار المتردد لفهم كيفية عمل طاقة التيار المتردد.

2. الأحمال التفاعلية

من ناحية أخرى ، فإن الأحمال التفاعلية أكثر تعقيدًا قليلاً. في حين أنها تسبب انخفاضًا في الجهد وسحب التيار من المصدر ، فإنها لا تبدد طاقة مفيدة على هذا النحو لأن الطاقة التي يستمدونها من الإمداد لا تعمل. هذا يرجع إلى طبيعة الأحمال التفاعلية.

يمكن أن تكون الأحمال التفاعلية إما سعوية أو استقرائية. في الأحمال الاستقرائية ، يتم استخدام الطاقة المسحوبة في إعداد التدفق المغناطيسي دون أي عمل مباشر يتم تنفيذه بينما بالنسبة للأحمال السعوية ، يتم استخدام الطاقة في شحن المكثف وليس إنتاج العمل بشكل مباشر. وبالتالي ، يُشار إلى القدرة المشتتة في الأحمال التفاعلية باسم القدرة التفاعلية. تتميز الأحمال التفاعلية بالتيار المتردد (الأحمال السعة) أو المتأخر (الأحمال الاستقرائية) خلف الجهد ، على هذا النحو ، يوجد فرق طور عادة بين التيار والجهد.

يمثل الرسمان البيانيان أعلاه حملاً استقرائيًا وسعيًا حيث يكون عامل القدرة متخلفًا ويتقدم على التوالي. تؤدي الاختلافات في هذين النوعين من الحمل إلى وجود ثلاثة مكونات للطاقة في الأنظمة الكهربائية ، وهي ؛

القوة الفعلية
قوة رد الفعل
القوة الظاهرة

1. القوة الفعلية

هذه هي القوة المرتبطة بأحمال المقاومة. إنه مكون الطاقة المشتت لأداء العمل الفعلي في الأنظمة الكهربائية. من التسخين إلى الإضاءة ، وما إلى ذلك ، يتم التعبير عنها بالواط (W) (جنبًا إلى جنب مع مضاعفاتها ، كيلو ، ميجا ، إلخ) ويمثلها رمزياً بالحرف P.

2. القوة التفاعلية

هذه هي القدرة المرتبطة بالأحمال التفاعلية. نتيجة للتأخير بين الجهد والتيار في الأحمال التفاعلية ، لا تنتج الطاقة المسحوبة في التفاعل (سواء بالسعة أو الاستقرائي) أي عمل. يشار إليها باسم القدرة التفاعلية ووحدتها هي Volt-Ampere Reactive (VAR).

3. القوة الظاهرة

تتكون الأنظمة الكهربائية النموذجية من كل من الأحمال المقاومة والأحمال الاستقرائية ، فكر في المصابيح الكهربائية والسخانات للأحمال المقاومة ، والمعدات ذات المحركات والضواغط وما إلى ذلك كأحمال استقرائية. وبالتالي في النظام الكهربائي ، إجمالي الطاقة هو مزيج من مكونات الطاقة الفعلية والمتفاعلة ، وتسمى هذه الطاقة الإجمالية أيضًا باسم القوة الظاهرة.

القوة الظاهرة تعطى بمجموع القوة الفعلية والقوة التفاعلية. وحدتها هي فولت أمبير (VA) ويتم تمثيلها رياضيًا بالمعادلة ؛

القوة الظاهرة = القوة الفعلية + القوة التفاعلية

في الحالات المثالية ، عادة ما تكون الطاقة الفعلية المشتتة في النظام الكهربائي أكبر من القدرة التفاعلية. توضح الصورة أدناه مخطط متجه مرسومًا باستخدام مكونات الطاقة الثلاثة

يمكن تحويل مخطط المتجه هذا إلى مثلث الطاقة كما هو موضح أدناه.

يمكن حساب عامل القدرة بالحصول على زاوية ثيتا (ϴ) الموضحة أعلاه. ثيتا هنا هي الزاوية بين القوة الحقيقية والقوة الظاهرة. بعد ذلك ، باتباع قاعدة جيب التمام (المجاور على الوتر) ، يمكن تقدير عامل القدرة على أنه نسبة القدرة الفعلية إلى القوة الظاهرة. و الصيغ لحساب معامل القدرة ويرد أدناه

PF = القوة الفعلية / القوة الظاهرة أو PF = Cosϴ

بوضع هذا جنبًا إلى جنب مع معادلة تحديد القدرة الظاهرة ، من السهل أن نرى أن الزيادة في القدرة التفاعلية (وجود عدد كبير من الأحمال التفاعلية) ، تؤدي إلى زيادة في القدرة الظاهرة وقيمة أكبر للزاوية ϴ ، والتي ينتج عنه في النهاية عامل طاقة منخفض عند الحصول على جيب التمام (cos ϴ). على الجانب الآخر ، يؤدي تقليل الأحمال التفاعلية (القدرة التفاعلية) إلى زيادة عامل القدرة ، مما يشير إلى الكفاءة العالية في الأنظمة ذات الأحمال الأقل تفاعلًا والعكس صحيح. ستكون قيمة معامل القدرة دائمًا بين قيمة 0 و 1 ، وكلما اقتربت من قيمة واحدة ، ستكون كفاءة النظام أعلى. في الهند ، تعتبر القيمة المثالية لعامل القدرة 0.8. قيمة معامل القدرة ليس لها وحدة.

أهمية معامل القدرة

إذا كانت قيمة عامل الطاقة منخفضة ، فهذا يعني أن الطاقة من التيار الكهربائي يتم إهدارها نظرًا لعدم استخدام جزء كبير منها في عمل ذي معنى. هذا لأن الحمل هنا يستهلك طاقة تفاعلية أكثر مقارنة بالقوة الحقيقية. يضع هذا ضغطًا على نظام الإمداد مما يتسبب في زيادة الحمل على نظام التوزيع حيث سيتم سحب كل من الطاقة الحقيقية المطلوبة بواسطة الحمل والطاقة التفاعلية المستخدمة لتلبية الأحمال التفاعلية من النظام.

يؤدي هذا الإجهاد و "الهدر" عادةً إلى فواتير كهرباء ضخمة للمستهلكين (خاصة المستهلكين الصناعيين) حيث تحسب شركات المرافق الاستهلاك من حيث القوة الظاهرة ، على هذا النحو ، ينتهي بهم الأمر بالدفع مقابل الطاقة التي لم يتم استخدامها لتحقيق أي عمل "ذي مغزى". كما تغريم بعض الشركات مستهلكيها إذا قاموا بسحب المزيد من القوة التفاعلية لأنها تسبب عبئًا زائدًا على النظام. يتم فرض هذه الغرامة لتقليل عامل الطاقة المنخفض الذي يتسبب في استخدام الأحمال في الصناعات.

حتى في الحالات التي يتم فيها توفير الطاقة بواسطة مولدات الشركة ، يتم إهدار الأموال على مولدات أكبر ، وكابلات أكبر حجمًا ، وما إلى ذلك المطلوبة لتوفير الطاقة عندما يتم إهدار عدد كبير منها. لفهم هذا بشكل أفضل ، ضع في اعتبارك المثال أدناه

يمكن تشغيل مصنع يعمل بحمل 70 كيلو وات بنجاح بواسطة مولد / محول وكابلات مصنفة لـ 70 كيلو فولت أمبير إذا كان المصنع يعمل بعامل طاقة 1. ولكن ، إذا انخفض عامل الطاقة إلى 0.6 ، فعندئذٍ حتى مع نفس الحمل ستكون هناك حاجة إلى 70KW ، مولد أو محول أكبر بقدرة 116.67 كيلو فولت أمبير (70 / 0.6) ، حيث سيتعين على المولد / المحول توفير الطاقة الإضافية للحمل التفاعلي. إلى جانب هذا الارتفاع الكبير في متطلبات الطاقة ، يجب أيضًا زيادة حجم الكابلات المستخدمة ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في تكلفة المعدات وزيادة خسائر الطاقة نتيجة المقاومة على طول الموصلات. تتجاوز العقوبة على ذلك فواتير الكهرباء المرتفعة في بعض البلدان ، حيث يتم عادةً تغريم الشركات ذات عامل الطاقة الضعيف مبالغ ضخمة لتشجيع التصحيح.

تحسين معامل القدرة

مع كل ما قيل ، سوف تتفق معي في أنه من المنطقي أكثر من الناحية الاقتصادية تصحيح عامل الطاقة الضعيف بدلاً من الاستمرار في دفع فواتير الكهرباء الضخمة ، خاصة بالنسبة للصناعات الكبيرة. ومن المقدر أيضًا أنه يمكن توفير أكثر من 40٪ من فواتير الكهرباء في الصناعات الضخمة والمصانع إذا تم تصحيح معامل الطاقة وإبقائه منخفضًا.

بصرف النظر عن خفض التكلفة للمستهلكين ، فإن تشغيل نظام فعال يساهم في الموثوقية والكفاءة الكلية لشبكة الطاقة ، حيث أن شركات المرافق قادرة على تقليل الخسائر في الخطوط وتكلفة الصيانة بينما تشهد أيضًا انخفاضًا في كمية المحولات و البنية التحتية الداعمة المماثلة المطلوبة لعملياتهم.

حساب معامل القدرة للحمل الخاص بك

تتمثل الخطوة الأولى لتصحيح معامل القدرة في تحديد معامل القدرة للحمل. يمكن القيام بذلك عن طريق ؛

1. حساب القدرة التفاعلية باستخدام تفاصيل مفاعلة الحمل

2. تحديد القدرة الحقيقية التي يتبددها الحمل ودمجها مع القدرة الظاهرة للحصول على عامل القدرة.

3. استخدام مقياس معامل القدرة.

يتم استخدام مقياس عامل القدرة في الغالب لأنه يساعد في الحصول بسهولة على عامل القدرة في إعدادات النظام الكبيرة ، حيث قد يكون تحديد تفاصيل مفاعلة الحمل والقدرة الحقيقية المشتتة طريقًا صعبًا.

مع عامل الطاقة المعروف ، يمكنك بعد ذلك المضي قدمًا في تصحيحه ، وضبطه في أقرب وقت ممكن إلى 1.n عامل الطاقة الموصى به من قبل شركات الإمداد بالكهرباء ، عادة ما يكون بين 0.8 و 1 ، ولا يمكن تحقيق ذلك إلا إذا كنت تقوم بتشغيل ما يقرب من بحت. الحمل المقاوم أو المفاعلة الحثية (الحمل) في النظام تساوي مفاعلة السعة لأن كلاهما سيلغي بعضهما البعض.

نظرًا لحقيقة أن استخدام الأحمال الاستقرائية هو سبب أكثر شيوعًا لعامل الطاقة المنخفض ، خاصة في البيئات الصناعية (بسبب استخدام المحركات الثقيلة وما إلى ذلك) ، فإن إحدى أبسط طرق تصحيح معامل القدرة هي إلغاء المفاعلة الاستقرائية من خلال استخدام مكثفات التصحيح التي تقدم مفاعلة سعوية في النظام.

تعمل مكثفات تصحيح عامل القدرة كمولد للتيار التفاعلي ، حيث تعمل على موازنة / موازنة الطاقة التي يتم "إهدارها" بواسطة الأحمال الاستقرائية. ومع ذلك ، يجب النظر بعناية في التصميم عند إدخال هذه المكثفات في الإعدادات لضمان التشغيل السلس مع المعدات مثل محركات السرعة المتغيرة والتوازن الفعال مع التكلفة. اعتمادًا على المرفق وتوزيع الحمل ، يمكن أن يتكون التصميم من مكثفات ذات قيمة ثابتة مثبتة في نقاط تحميل حثي أو مصارف مكثفات تصحيح تلقائية مثبتة على قضبان ناقل لوحات التوزيع من أجل تصحيح مركزي يكون عادةً أكثر فعالية من حيث التكلفة في الأنظمة الكبيرة.

استخدام مكثفات تصحيح معامل القدرة في الإعدادات له سلبياته ، خاصةً عند عدم استخدام المكثفات المناسبة أو عدم تصميم النظام بشكل صحيح. يمكن أن ينتج عن استخدام المكثفات فترة وجيزة من "الجهد الزائد" ، عند تشغيلها ، مما قد يؤثر على الأداء السليم للمعدات مثل محركات السرعة المتغيرة ، مما يتسبب في انطفاءها بشكل متقطع أو تفجير الصمامات على بعض المكثفات. ومع ذلك ، يمكن حلها عن طريق محاولة إجراء تعديلات على تسلسل التحكم في التبديل ، في حالة محركات السرعة أو إزالة التيارات التوافقية في حالة الصمامات.

عامل قوة الوحدة ولماذا هو غير عملي

عندما تكون قيمة عامل الطاقة الخاص بك مساوية لـ 1 ، يُقال أن عامل القدرة هو عامل قوة الوحدة. قد يكون من المغري الحصول على عامل القدرة الأمثل البالغ 1 ، ولكن يكاد يكون من المستحيل تحقيقه نظرًا لعدم وجود نظام مثالي حقًا. بمعنى أنه لا يوجد حمل مقاوم بحت أو سعوي أو حثي. يتكون كل حمل من بعض عناصر الآخر مهما كانت صغيرة ، مثل نطاق عامل القدرة النموذجي القابل للتحقيق عادة ما يصل إلى 0.9 / 0.95. لقد تعلمنا بالفعل عن هذه الخصائص الطفيلية لعناصر RLC في مقالاتنا ESR و ESL مع المكثفات.

عامل الطاقة هو أحد العوامل المحددة لمدى جودة استخدامك للطاقة ومقدار ما تدفعه من فواتير الكهرباء (خاصة للصناعات). بالامتداد ، فهو مساهم رئيسي في التكلفة التشغيلية ويمكن أن يكون هذا العامل وراء هوامش الربح المنخفضة التي لم تنتبه لها. يمكن أن يساعد تحسين عامل الطاقة لنظامك الكهربائي في تقليل فواتير الكهرباء وضمان تعظيم الأداء.