پاورفکتور یا ضریب توان (Power Factor) نسبت بین توان مفید یا اکتیو به توان ظاهری است و شاخصی از کارایی مصرف انرژی در یک سیستم محسوب می شود. در سیستم های توزیع برق امروزی، بیشتر بارهای موجود از نوع القایی (Inductive Loads) می باشد. این بارها جهت عملکرد صحیح نیاز به میدان مغناطیسی (Magnetic Field) دارند مانند الکتروموتورها، ترانسفورماتور (Transformers) و کوره های القایی (Induction Furnaces).
بارهای القایی برای عملکرد خود به دو نوع جریان نیاز دارند:
- توان اکتیو یا مفید (Working/Active Power): توان اکتیو یا مفید برای انجام کار واقعی مانند ایجاد حرارت، حرکت، نور یا خروجی مکانیکی استفاده می شود و در واقع مصرف کننده واقعی انرژی است.
- توان راکتیو (Reactive Power): توان راکتیو ، توانی است که در سیستم تولید یا مصرف نمی شود و صرفا برای حفظ میدان مغناطیسی مورد نیاز بارهای القایی مصرف می شود. این توان، کار مفیدی انجام نمی دهد، بلکه فقط بین منبع تولید و بار، در گردش است که این موضوع باعث افزایش فشار روی منبع تولید برق و سیستم توزیع می شود.
مجموع توان مفید و توان راکتیو، توان ظاهری (Apparent Power) را تشکیل می دهند.
- توان مفید (kW): توان واقعی برای انجام کار مفید.
- توان راکتیو (kVAR): توان لازم برای حفظ میدان مغناطیسی.
- توان ظاهری (kVA): مجموع توان اکتیو و راکتیو.
پاورفکتور یا ضریب توان چیست و چگونه محاسبه می شود؟
ضریب توان، نسبت توان مفید به توان ظاهری است. ضریب توان نشان دهنده این است که تا چه اندازه برق مصرفی به طور موثر برای انجام کار واقعی استفاده می شود.
- ضریب توان بالا نشان دهنده استفاده موثر و بهینه از انرژی الکتریکی است.
- ضریب توان پایین به معنای مصرف غیر موثر و هدر رفت انرژی در سیستم است.
PF= Working Power (WP) / Apparent Power (AP) = kW/kVA = cosine θ
در سیستم های خطی یا سینوسی (یعنی زمانی که شکل موج جریان و ولتاژ سینوسی است)، این نسبت معادل کسینوس زاویه بین توان اکتیو و توان ظاهری است.
به عنوان مثال اگر توان مفید 100 باشد و توان ظاهری 125، ضریت توان 80 درصد می شود. به این معنا که 80 درصد انرژی برای کار مفید و 20 درصد انرژی برای کار غیر مفید استفاده می شود.
مثلث توان (Power Triangle)
جهت درک بهتر رابطه بین توان مفید، توان راکتیو و توان ظاهری از یک مثلث قائم الزاویه می توان استفاده کرد.
- ضلع افقی: kW
- ضلع عمودی: kVAR
- وتر مثلث: kVA
نکته
با افزایش ضریب توان، مقدار kVAR کاهش می یابد که در نتیجه توان ظاهری که برآیند حاصل از kW و kVAR است، نیز کاهش می یابد. یعنی هر چه ضریب توان بالاتر باشد، توان ظاهری کمتری برای تولید توان مفید یکسان مورد نیاز است.
به عنوان مثال اگر ضریب توان 70 درصد باشد، برای توان مفید 100 درصد نیاز به 142 درصد توان ظاهری داریم. اما در صورتی که ضریب توان 95 درصد است این مقدار برای 100 درصد توان مفید به 105 درصد کاهش می باید.
برای درک بهتر می توانید در تصویر زیر و با استفاده از مثلث توان این موضوع را بررسی کنید.
هنگامی که پاورفکتور 70 درصد است، حدود 35 درصد جریان بیشتری برای انجام همان مقدار کار واقعی مورد نیاز است.
چطور می توان ضریب توان را بهبود داد؟
جهت بهبود می توان از خازن های اصلاح ضریب توان (Power Factor Correction Capacitors) در شبکه توزیع داخلی کارخانه یا تاسیسات استفاده کرد.
در سیستم هایی که kVA بیشتر از kW است، شبکه برق رسانی مجبور است هم جریان کاری و هم جریان راکتیو اضافی را تامین کند.
خازن ها مانند مولد جریان راکتیو عمل می کنند و این بخش از جریان را از طرف خودشان تامین می کنند. این کار منجر به کاهش جریان کلی مورد نیاز از شبکه برق می شود.
بیشترین ضریب بهرهوری در ضریب توان 95%
در تئوری، خازن ها می توانند تمام توان راکتیو مورد نیاز را تامین کنند و ضریب توان را به 100% برسانند. در عمل، این کار امکان پذیر نمی باشد و اصلاح ضریب توان تا حدود 95% بیشترین مزیت را از نظر بهرهوری، صرفه جویی انرژی و کاهش هزینه ها فراهم می کند.
چقدر می توان با نصب خازن های اصلاح توان صرفه جویی کرد؟
نصب خازن های اصلاح توان مزایای اقتصادی و فنی قابل توجهی برای تاسیسات صنعتی و تجاری به همراه دارد. این مزایا نه تنها باعث بهبود بهرهوری انرژی می شوند، بلکه کاهش قابل توجهی در هزینه های برق مصرفی نیز ایجاد می کنند.
مزایای نصب خازن اصلاح ضریب توان
- کاهش هزینه قبض برق
- افزایش ظرفیت سیستم
- بهبود ولتاژ سیستم
- کاهش تلفات انرژی
افزایش ظرفیت سیستم با اصلاح ضریب توان
استفاده از خازن های اصلاح ضریب توان می تواند ظرفیت حمل جریان سیستم را افزایش دهد.این افزایش ظرفیت ناشی از افزایش مستقیم kW نیست بلکه ناشی از کاهش kVA سیستم می باشد.
چرا این اتفاق می افتد؟
وقتی PF سیستم پایین باشد (مثلا 0.7)، برای تامین یک توان فعال ثابت (مثلا 100) باید توان ظاهری بیشتری مثلا 142 از سیستم گرفته شود. این مقدار بالاتر kVA باعث مصرف بیشتر جریان و در نتیجه افزایش بار روی کابل ها، کلیدها و ترانسفورماتورها می شود.
صنایعی که ضریب توان پایینی دارند، بیشترین بهره را از نصب خازن می برند!
صنایعی که دارای ضریب توان پایین هستند، از نصب خازن اصلاح توان بیشترین سود را می برند. در این صنایع، بخش قابل توجهی از انرژی صرف تولید توان راکتیو می شود که نه تنها کار مفیدی انجام نمی دهد، بلکه باعث افزایش جریان، داغ شدن تجهیزات و تحمیل هزینه اضافی از سوی شرکت برق می شود.
چرا ضریب توان پایین می آید؟
یکی از دلایل اصلی کاهش ضریب توان، راه اندازی موتورهای الکتریکی بدون بار یا در شرایط کم بار است. این مسئله در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و تجهیزاتی مانند؛ اَره گردبر، آسیاب گلوله ای، نوارنقاله ها، کمپرسورهای بدون بار، پرس پانچ و فرز سطحی رایج است. ضریب توان می تواند در این حالت به 30 تا 50 درصد برسد که باعث افزایش هزینه قبض برق، کاهش ظرفیت سیستم برق رسانی، استهلاک بیشتر کابل ها و تجهیزات برقی می شود.
انواع نصب خازن
دو نوع اصلی نصب خازن داریم:
- 1- نصب انفرادی خازن ها بر روی بارهای خطی یا سینوسی
- 2- بانک های خازنی ثابت یا اتوماتیک در ورودی تابلو، فیدر یا پست برق
مزایای نصب انفرادی خازن بر روی بار
در این روش، خازن مستقیما در کنار بار (مثلا موتور) نصب می شود.
- کنترل کامل: خازن دقیقا همان مقدار توان راکتیو را تامین می کند که بار نیاز دارد.
- عدم بروز مشکل در بارهای سبک: در بارهای کم، خازن جداگانه باعث اصلاح بیش از حد (Over-Compensation) نمی شود.
- عدم نیاز به کلیدزنی مجزا: با روشن شدن موتور، خازن نیز وارد مدار می شود.
- عملکرد بهینه موتور: به دلیل کاهش افت ولتاژ، عملکرد و عمر مفید افزایش می یابد.
- قابلیت جابهجایی آسان: خازن و موتور را می توان به راحتی با هم منتقل کرد.
- کاهش تلفات خط: با کاهش جریان، افت انرژی در سیم ها کاهش می یابد.
- افزایش ظرفیت سیستم: بار کمتر روی شبکه، امکان استفاده از ظرفیت آزاد شده را فراهم می سازد.
مزایای نصب بانک های خازنی در تابلو یا پست برق
در این روش، مجموعه ای از خازن ها (معمولا به صورت ماژولار) در یک تابلو مرکزی نصب شده و یا به صورت اتوماتیک وارد مدار می شوند.
- هزینه کمتر به ازای هر kVAR: هزینه نصب و تجهیزات در حالت مرکزی کاهش می یابد.
- اصلاح کامل ضریب توان کل کارخانه: در این جا نه تنها یک بار خاص بلکه کل بارهای صنعتی تحت پوشش قرار می گیرند.
- کلیدزنی اتوماتیک: ورود و خروج خازن ها بر اساس بار به صورت خودکار انجام شده و از اصلاح بیش از حد جلوگیری می شود.
در جدول زیر به صورت خلاصه می توانید مزایا و معایب انواع نصب خازن را مشاهده کنید.
بهترین محل نصب خازن در سیستم توزیع برق (کارخانه) کجاست؟
جهت اصلاح PF، انتخاب محل مناسب جهت نصب خازن ها امر بسیار مهمی می باشد. با توجه به اینکه خازن ها مانند تولید کننده های توان راکتیو عمل می کنند، بهترین محل نصب آن ها جایی است که مصرف توان راکتیو اتفاق می افتد، یعنی معمولا در نزدیکی موتورهای القایی.
گزینه اول: نصب در محل مصرف (نزدیک موتور)
نصب خارن به صورت مستقیم در نزدیکی موتور یکی از موثرترین و پر بازده ترین روش ها است. سه محل معمولا برای نصب در این حالت وجود دارد»
محل A – بعد از رله حرارتی موتور (سمت موتور)
مناسب برای:
- نصب موتورهای جدید
- موتورهای موجودی که نیاز به تغییر تنظیمات رله ندارند.
مزایا:
- بالاترین راندمان و بازدهی در اصلاح ضریب توان
- کاهش جریان خط بلافاصله در محل موتور
- سیم کشی ساده و بدون نیاز به تغییرات بزرگ در تابلو برق
محل B – قبل از کنتاکتور (سمت خط)
مناسب برای:
- موتورهای موجودی که ظرفیت رله حفاظتی آن ها از حد مجاز بیشتر است و نیازی به تنظیم مجدد ندارند.
نکته:
- راندمان آن کمی پایین تر از محل A است ولی برای بسیاری از کاربردهای صنعتی مناسب است.
محل C – قبل از کنتاکتور، با ایزولاسیون مناسب از موتور
مناسب برای:
- موتورهایی که کنترل خاص دارند: جاگ، تغییر جهت و ..
- موتورهای چند سرعته
- استارترهای با قطع و وصل بار
- موتورهایی با اینرسی بالا یا استارت و استوپ زیاد
چرا:
- چون در این شرایط، قطع موتور همراه با خازن ممکن است موتور را به ژنراتور خود تحریک کند که خطرناک است.
گزینه دوم: نصب در ورودی برق (سرویس ورودی یا تابلو اصلی)
اگر هدف اصلاح ضریب توان برای کل کارخانه است، می توان خازن های بانک شده را در ورودی برق یا تابلو اصلی نصب کرد.
مناسب برای:
- کارخانه هایی با مصرف پراکنده یا چند بار کوچک
- مکان هایی که ترانسفورماتور ظرفیت کافی دارد
مزایا:
- هزینه کمتر برای هر kVAR
- کاهش هزینه های توان راکتیو در کل کارخانه
ملاحظات:
- اگر نیاز به اصلاح توان زیاد باشد، بهتر است بخشی از خازن ها به صورت محلی نصب شوند (نزدیک موتورها یا تابلو های فرعی)
نکته مهم:
- هنگامی که خازن ها در تابلو اصلی نصب می شوند، محافظت در برابر اضافه جریان و کلید قطع دستی یا اتوماتیک الزامی است.
استفاده از خازن ها در محیط های غیر خطی و غیر سینوسی
در گذشته، تقریبا تمام بارهای الکتریکی خطی بودند؛ به این معنی که شکل موج جریان مصرفی آن ها با شکل موج ولتاژ سینوسی تطابق داشت. اما امروزه، بارهای غیر خطی به شدت افزایش یافته اند. این بارها جریان هایی با فرکانس هایی غیر از 60 هرتز تولید می کنند و باعث اعوجاج هارمونیکی (Harmonic Distortion) در سیستم توزیع برق می شوند.
مثال
بار خطی: موتور القایی، لامپ رشته ای، هیترهای برقی
بار غیر خطی: درایو های DC، درایو های فرکانس متغیر (VFD)، کنترلرهای قابل برنامه ریزی (PLC)، کوره های القایی، لامپ های قوسی و …
آیا خازن باعث هارمونیک می شود؟
خیر، خازن خود تولید هارمونیک نمی کند، اما در حضور بارهای غیرخطی می توانند وضعیت را بدتر کنند. علت آن، تشکیل مدار تشدید (رزونانس) بین خازن ها و ترانسفورماتورها در سیستم است.
نتیجه گیری
Power Factor یکی از شاخص های کلیدی در بهینه سازی مصرف انرژی در سیستم های صنعتی و تجاری است. پایین بودن این ضریب به معنای هدر رفت انرژی، افزایش هزینه های برق، کاهش ظرفیت سیستم و افزایش استهلاک تجهیزات می باشد. با استفاده از خازن های اصلاح ضریب توان، میشود توان راکتیو مورد نیاز بارهای القایی را تامین کرده و به این ترتیب فشار روی شبکه برق، کابلها، کلیدها و ترانسفورماتورها را کاهش داد.
اصلاح ضریب توان تا حدود 95% معمولا بهترین تعادل بین هزینه، بهره وری و جلوگیری از اصلاح بیش از حد است. نصب خازن ها، بسته به نوع و محل بار، می تواند به صورت انفرادی در نزدیکی موتورها یا به صورت بانک خازنی مرکزی در تابلو اصلی انجام شود. انتخاب روش مناسب به شرایط بار، ساختار شبکه و غیره بستگی دارد.
شماره تماس و پیام رسان های پشتیبانی واحد فنی پتواز : 09045952007
سپاس از همراهی شما
واحد پشتیبانی فنی و خدمات پس از فروش
شرکت یکسوسازان توان پتواز
