اصلاح ضریب قدرت بوسیله درایوهای AC

 

استفاده از موتورهای الکتریکی برای صنایع ضرورتی پایه ای ایست. موتورهای جریان متناوب بیش از ۵۰ % انرژی مصرف شده در صنایع را به خود اختصاص داده است. در مقایسه با دیگر انواع بارها، موتورهای القایی دارای ضریب قدرت ضعیفی هستند که باعث افزایش جریان خط می گردد که خود باعث دمای افزوده در کابل ها و ترانسفورماتورها می گردد. در موارد مشخصی چون انتخاب موتور قوی تر و کارکرد دائمی موتور در بار کم، خود باعث کاهش ضریب قدرت نیز می گردند.

استفاده از کنترل کننده های سرعت متغییر جریان متناوب  ( VSD ) یا به اصطلاح درایوهای AC به وضوح بر اصلاح ضریب قدرت اثر مثبت داشته و این کاهش تلفات کابل های تغذیه و ترانسفورماتورها را در پی خواهد داشت و ضمناَ در سرمایه گذاری بر روی تجهیزات اصلاح ضریب قدرت نیز صرفه جویی می گردد. 

در این مقاله در خصوص این  پدیده توضیحاتی ارایه شده است بمانند چرا جریان ورودی به درایوهای AC از جریان خروجی آن کمتر است. این مقاله ضمناَ در مقام مقایسه با  تجهیزات سرعت ثابت و نیز درایوهای DC راهنمایی هایی را ارائه می دهد.   

 

تفاوت مابین ضریب قدرت و کسینوس فی Cos Phi چیست؟

 

ضریب قدرت ( Power Factor – PF ) از مهمترین شاخصه های اندازه گیری در سیستم های قدرت می باشد و با نسبت مابین توان واقعی و توان ظاهری معرفی می گردد، که به ترتیب کیلو وات بر کیلو ولت آمپر می باشد.

ضریب قدرت از موضوعات مورد توجه می باشد با یک جستجو در اینترنت میلیونها مطلب بدست می آید که بعضی وقت ها میان ماهیت ضریب قدرت و کسینوس فی سردرگمی رخ می دهد. بخاطر داشته باشید که کسینوس فی معادل با ضریب قدرت است اما فقط در هنگامیکه ولتاژ و جریان هر دو سینوسی باشند. ( به عبارت دیگر کسینوس فی هنگامی معادل ضریب قدرت است که ولتاژ و جریان هر دو هم فرکانس باشند. ) در دنیای واقعی تجهیزات الکتریکی نصب شده، هم بر ولتاژ و هم بر جریان ایجاد هارمونیک می کنند و در این حال دیگر ضریب قدرت ( فی ) معادل کسینوس نمی باشد.

 

برای شناخت ضریب قدرت نمودار برداری می تواند کمک کند. مدار الکتریکی مورد نظر در شکل شماره یک نشان داده شده است. منبع ولتاژ تک فرکانسه به مدار نصب می باشد، این ولتاژ باعث برقراری جریان الکتریکی در مدار می گردد.  بنابر قانون اهم، ولتاژی که در هر یک از قطعات کاهش می یابد را با معادله حاصل ضرب جریان برحسب آمپر در مقاومت برحسب اهم برآورد می کنند. نمودار این مدار در شکل شماره دو نشان داده شده است.

شکل شماره یک

 

سه قطعه الکتریکی خطی که بصورت سریال به هم متصل شده اند و با ولتاژ U تغدیه می شوند جریان I را در مدار برقرار کرده اند. این تجهیزات عبارتند از:

• مقاومت R که با اهم سنجش می شود و مقدار ولتاژ کاهش یافته UR   را باعث می گردد.
• اندوکتانس که با امپدانس القایی XL شناخته می شود و با اهم سنجش می شود و باعث افت ولتاژ UL می شود.
• خازن که با امپدانس خازنی XC شناخته می شود و با اهم سنجش می گردد و باعث افت ولتاژ UC می شود.      

 

ولتاژ و جریان شکل یک را میتوان به صورت شکل دو به تصویر کشید. جریان در تمامی قطعات مدار یکسان است اما ولتاژها با ضرایب مختلف هستند ومیزان آنها متفاوت است ضمناَ فازهای آنها نیز با ۹۰ درجه مثبت ویا منفی با هم متفاوت می باشند. سه نمودار شکل شماره دو،  پله پله فازهای ولتاژها  و زاویه مابین ولتاژ U و جریان I را آشکار می سازد. در انتها ما می توانیم کسینوس فی را مشخص سازیم.

 

 شکل شماره دو

 

شکل دو: بردارجریان I با بردار ولتاژ UR هم فاز می باشد اما این بردار جریان نسبت به ولتاژ UL عقب تر و نسبت به ولتاژ UC  جلوتر می باشد. تمامی بردارها را پاد ساعت گرد می گردانیم. از آنجائیکه بدار ولتاژ UL و UC در دو جهت مخالف هم می باشند لذا همدیگر را خنثی کرده و حاصل آن ولتاژ UX می گردد که نشان دهنده میزان راکتیو کل سیستم ( مدار ) می باشد. ولتاژ UR ولتاژ اکتیو و یا واقعی می باشد و حاصل جمع برداری تمامی این بردارها، بردار ولتاژ U می باشد. کوسینوس زاویه مابین ولتاژ U و ولتاژ اکتیو UR را ضریب قدرت یک سیستم ایده آل می نامند که با نام کسینوس فی هم شناخته می شود. اگر U و UR دارای یک تک فرکانس، فرکانس پایه، باشند بعضی وقت ها کسینوس فی را ضریب قدرت جابجایی هم می گویند.

 

برای درک بهتر ضریب قدرت بعضی اوقات از مثال دیداری زیر بهره می بریم، فرض کنید واگنی  بر روی ریل را اسبی که بعلت عدم امکان قدم برداشتن راحت بر روی مسیر ریل آنرا از کناره ریل می کشد به سمت جلو حرکت می کند. با توجه به اینکه اسب با مسیر حرکت واگن زاویه دارد بنابراین عملی که او انجام میدهد و در به جلو رفتن واگن دیده می شود همان توان واقعی است اما کاری که اسب در کل انجام می دهد را توان ظاهری می گویند که شامل توان حقیقی یعنی به جلو رفتن واگن و لحاظ نمودن فاصله مابین ریل تا اسب است که در کنار آن قدم برمی دارد که آنرا توان راکتیو می نامند. این مورد به صورت نموداری در شکل سوم به تصویر کشیده شده است.      

 

 شکل شماره سه

 

خلاصه:

• ضریب قدرت یعنی حاصل تقسیم توان حقیقی بر توان ظاهری
• ضریب قدرت سیستم با ولتاژ و جریان سینوسی را کسینوس فی می گویند.
• در هر دو حالت، میزان ضریب قدرت از صفر تا یک می باشد، بعضی اوقات آنرا بین صفر تا ۱۰۰% درنظر می گیرند
• ضریب قدرت در جهان واقعی توسط اعوجاجات هارمونیکی و یا هر عامل غیر خطی دیگر مورد تاثیر قرار می گیرد.
• ضریب قدرت دنیای واقعی از ضریب قدرت حاصل از ولتاژ و جریان سیتنوسی ایده آل کمتر می باشد.

 

چه هنگامی ضریب قدرت باید اصلاح گردد؟

ژنراتورهای نیروگاه ها بصورت معمول برای ضریب قدرت ۰٫۸ تا ۰٫۹ طراحی می شوند، اگر مقدار حقیقی مصرف به کمتر از میزان طراحی شده ( ۰٫۸) برسد یا جریان تولیدی ژنراتور باید از جریان نامی بیشتر گردد و یا توان اکتیو خروجی باید محدود شود. در نتیجه شرکت های تامین کننده برق برای مصرف کنندگان محدودیت توان راکتیو را اعمال می کنند. این محدودیت معمولاَ برای صنایع بزرگ و یا مصرف کنندگان عمومی بزرگ اعمال می گردد.

مصرف کنندگان بابت کاهش ضریب قدرت از یک میزان مشخص مجبور به پرداخت جریمه می باشند. این مقدار در دامنه وسیعی از ۰٫۸ تا ۰٫۹۷ متغییر می باشد. موتورهای الکتریکی متصل به شبکه از اصلی ترین عوامل ایجاد افت ضریب قدرت می باشند. میزان ضریب قدرت موتورهای استاندارد وابسته به توان آنهاست اما کلا می توان آنرا ۰٫۸۵ در نظر گرفت اما اگر موتور در زیر بار سبک قرار داشته باشد، کمتر نیز می شود. این موضوع در ادامه بررسی می گردد.

 

چرا موتورهای الکتریکی باعث کاهش ضریب قدرت می گردند؟

استفاده از موتورهای الکتریکی AC در صنایع و ماشین آلات از اساسی ترین تجهیزات بکار رفته در صنعت می باشند. موتور جریان متناوب القایی بیش از ۵۰% انرژی تولیدی را مصرف می کنند، در مقایسه با دیگر بارها ، موتورهای الکتریکی از ضریب قدرت پائینی برخوردارند که باعث افزایش گرما در کابل ها و ترانسفورماتورها می گردند. در مواردی که بار بسیار سبک و یا موتور بزرگتر از نیاز انتخاب شده باشند ضریب قدرت بسیار پایین خواهد بود.

 

 شکل شماره چهار

 

شکل چهار: جریان خط و ضریب قدرت موتور ۵۵ کیلو واتی موتور القایی در مقایسه با میزان بار.

 

برای ایجاد گشتاور و سرعت لازم ،  موتور القائی هم جریان اکتیو و هم جریان راکتیو را از منبع تغذیه می کشد. گشتاور گردنده موتور توسط تقابل مابین جریان اکتیو و میدان مغناطیسی ایجاد می گردد و می دانیم که میدان توسط  جریان راکتیو ایجاد می شود. بار سبک جریان اکتیو کمی می کشد اما میدان مغناطیسی، که همان جریان راکتیو می باشد، با ثابت می ماند و به واسطه کاهش بار کاهش نمی یابد. این بدین معناست که ضریب قدرت با کم شدن بار، کاهش می یابد همانطور که در شکل شماره ۴ ارایه شده است. در بار کامل جریان اصلی کشیده شده جریان اکتیو می باشد اما در بار سبک جریان اصلی کشیده شده جریان راکتیو می باشد.

چگونه ضریب قدرت را اصلاح کنیم؟

 

راه کارهای گوناگونی برای اصلاح ضریب قدرت یا جبران توان راکتیو وجود دارد:

• در نیروگاه، توان راکتیو بیشتری با افزایش میزان تحریک ژنراتورهای سنکرون تولید می گردد و یا با ماشین های دوار سنکرون ( موتور سنکرون ) این مازاد توان راکتیو، جبران سازی می گردد.
• در بخش انتقال و یا پست های برق ، توان راکتیو با خازن های جبران ساز ضریب قدرت، اصلاح می گردد. خازن ها  می توانند جهت اصلاح ضریب قدرت برای یک مدار و بار مشخص و یا در ورودی پست نصب گردند.
• در سطح مصرف، اصلاح ضریب قدرت می تواند با خازن های جبران ساز و یا با درایوهای AC انجام شود. هنگامیکه از درایوهای AC استفاده می شود نباید خازن های جبران ساز نصب گردند. چراکه معمولا لازم نیست و از طرف دیگر هارمونیک های تولید شده توسط درایوها می تواند به خازن های جبران ساز آسیب برساند.

 

اصول کلی درایوهای AC

 

  با درایوهای PWM ( مدولاسیون پهنای باند ) که دارای یکسوساز پل دیودی در ورودی است، ضریب قدرت خط نزدیک به یک    می باشد. شکل ۵ . خروجی می تواند ضریب قدرت القایی ( پس فاز ) بخاطر راکتانس القایی موتور داشته باشد، هرچند که جریان راکتیو موتور در میان موتور و بخش مبدل ( اینورتر ) درایو در چرخش است و به خط ورودی متصل نمی باشد. 

 

  شکل شماره پنج

 

یک درایو AC شامل یکسوسازی است که جریان متناوب ورودی را به جریان مستقیم تبدیل می کند. ولتاژ DC تولید شده با سلف های L و خازن C نوسانگیری می شود. ولتاژ DC ( Ud )  سپس در بخش مبدل یا اینورتر به ولتاژ و فرکانس متغیر تبدیل گشته و به موتور الکتریکی متصل می گردد. سوئیچ های V1 تا V6 از نیمه هادی های پر سرعتی بمانند IGBTها ( ترانزیستور دوقطبی گیت ایزوله ) در درایوهای مدرن ساخته می شوند.

 

 

بعلت عملکرد سوئیچینگ با سرعت بالا در داخل درایوها ، ریسک اختلالات الکترومغناطیسی زیاد می شود. این اختلال هم می تواند بصورت القایی و هم بصورت رادیویی رخ دهد. استاندارد جهانی برای اختلالات در فرکانس پایین و نیز در فرکانس بالا محدودیت هایی را وضع کرده است، با استفاده از فیلترها، پوشش ها و ساختار مناسب مکانیکی در داخل درایوها این امکان برای رسیدن به استاندارد EMC ( سازگاری الکترومغناطیسی ) وجود دارد.

 

یک درایو AC چگونه ضریب قدرت را بهبود می بخشد؟    

 

اجازه بدید بررسی را بر روی موتور فوق که موتوری ۵۵کیلو واتی ۴۰۰ ولتی می باشد ارایه دهیم:

همانطوریکه دیده می شود جریان ورودی به درایو ۵ آمپر و یا بیش از ۵%  ( در مقایسه ۹۴٫۵ آمپر در مقابل ۸۹٫۵ آمپر ) کمتر از جریانیست که از درایو به موتور در خروجی دیده می شود. در عوض، جریان اکتیو ورودی ۱٫۲ کیلو وات ( در مقایسه ۵۸٫۳ کیلو وات در مقابل ۵۹٫۵ کیلو وات ) بیشتر از خروجی آن از درایو می باشد.

 

تفاوت میان ضریب قدرت ورودی و خروجی درایو نشان می دهد که چگونه یک درایو ضریب قدرت را بهبود می دهد و چگونه جریان خروجی میتواند بیشتر از جریان ورودی درایو باشد.

 

این موضوع از منظر کاهش تلفات و صرفه جویی مالی چه معنایی دارد؟

 

تلفات خطوط انتقال، ترانسفورماتورها و کابل ها با مجذور جریان متناسب می باشد. ما می توانیم موارد زیر را تخمین بزنیم:

با اطمینان می توان میزان میانگین بار روی موتور ۵۵ کیلو واتی را ۳۵ کیلو وات در نظر گرفت.

از شکل ۴ جریان موتور ۳۵ کیلواتی ۶۵ آمپر بدست می آید. جریان ورودی درایو در چنین شرایطی ۶۷۰ آمپر می باشد.

درایو جریان ورودی را از ۶۵ آمپر به ۶۰ آمپر کاهش می دهد.

تلفات کاهش یافته در هنگامیکه موتور با درایو کار می کند از فرمول زیر محاسبه می گردد:

 اگر کل تلفات منبع تغذیه در بار میانگین به میزان ۵% باشد ، استفاده از درایو، آن تلفات را به حدود ۴% کاهش می دهد، کاهش در کل مصرف توان درواقع به همان میزان کاهش در هزینه را در پی خواهد داشت  یعنی ۱%

( نکته: دلیل اصلی استفاده از درایوها بهبود و اصلاح ضریب قدرت نیست بلکه کنترل بهتر فرآیند، کاهش انرژی مصرفی فرآیند، و یا کاهش فرسایش مکانیکی تجهیز می باشد هرچند اصلاح و بهبود ضریب قدرت مزیتی جانبی و مفید خواهد بود. )

مقایسه ضریب قدرت مابین درایوهای AC و DC

 

اصلی ترین اختلاف مابین درایوهای AC استاندارد با درایوهای DC این است که درایوهای AC دارای یکسوسازهای دیودی در ورودی می باشند در صورتیکه درایوهای DC دارای یکسوسازهای  SCR ( تریستوری ) می باشند. اصول کار یکسوسازهای SCR بر کنترل فاز ( زاویه آتش ) می باشد که باعث شیفت ( جابجایی ) مابین ولتاژ و جریان می گردد. در سرعت پایین میزان شیفت افزایش می یابد. این باعث کاهش ضریب قدرت در درایوهای DC می گردد به ویژه در بازه های سرعت پایین. ( شکل شماره ۶ )

شکل شماره شش

شکل ۶٫ ضریب قدرت درایوهای AC  و DC نسبت به سرعت موتور

 

 

                                     نتیجه گیری

 

ضریب قدرت موضوعی جالب و مهم برای بسیاری است از حوزه های صنعت تولید برق گرفته تا مصرف کنندگان:

• صنایع، مراکز تجاری و مجتمع های مسکونی مایل به بهره مندی از تجهیزات الکتریکی با راندمان بالا جهت استفاده در ماشین آلات و ادوات الکتریکی خود می باشند. ضریب قدرت پایین می تواند به معنی افزایش تلفات و در نتیجه جریمه برای مصرف زیاد توان راکتیو را در پی داشته باشد.
• شرکت های تولید و انتقال برق می خواهند تا آنجا که امکان پذیر است توان اکتیو بیشتری به مشتریان خود بفروشند. ضریب قدرت پایین باعث کاهش میزان تولید و ظرفیت انتقال انرژی الکتریکی می گردد.
• سازندگان تجهیزات اصلاح ضریب قدرت مایل به فروش بانک های خازنی و تجهیزات اتوماتیک برای کمک به بهبود ضریب قدرت می باشند.
• مشاورین نیز مایل به کمک و مشاوره شرکت های تولید انرژی، مصرف کنندگان و تمامی گروه هایی هستند که نیاز به انرژی اقتصادی تر با افزایش ضریب قدرت دارند.
• سازندگان موتور و درایو می توانند با ارایه درایوهای سرعت متغییر به بهبود ضریب قدرت کمک کنند. درایو ( VSD ) ها در حل مشکل ضریب قدرت کمک کننده هستند درحالیکه همزمان فرآیند کنترل را نیز بهبود می بخشند، صرفه جویی انرژی الکتریکی را به انجام می رسانند و فرسایش ماشین آلات را کاهش می دهند.

 

در حاشیه: چرا ضریب قدرت مهم است؟

در میانه های دهه ۹۰ میلادی یک شرکت بزرگ سازنده نیمه هادی  یک کارخانه جدید در نیومکزیکوی ایالات متحده احداث نمود آنها سپس کارخانه ای دیگر و بسیار شبیه به  نمونه موجود در نیومکزیکو را در آریزونا نیز احداث کردند. بعد یک سال از شروع بکار کارخانه جدید در آریزونا، متوجه شدند که هزینه های برق مصرفی آنها نسبت به کارخانه قبلی حدود ۳۰% بیشتر می باشد، پس از تحقیق متوجه تفاوت مابین شیوه کنترل سیرکوله نمودن هوا جهت خنک کاری ” اتاق پاک ”  در کارخانه ها شدند.

در کارخانه نیومکزیکو از سیستم درایوهای AC و موتور استفاده می شد در حالیکه پیمانکار این بخش در کارخانه آریزونا از سیستم فن های دریچه متحرک و موتورهای سرعت ثابت استفاده کرده بود. هنگامیکه دریچه ها بسته می شدند موتورها بی بار می گشتند و این خود باعث کاهش فاجعه بار ضریب قدرت در موتور می شد. کارخانه آریزونا ضریب قدرت پایین تری داشت و افزایش جریمه ۳۰% در قبوض این کارخانه بعلت کاهش ضریب قدرت موتورهای آن در بار کم بود.