اصلاح ضریب توان

در یک مدار کاملاً مقاومتی شکل موج جریان و ولتاژ با هم هم‌زمان هستند (یعنی در یک زمان صفر و ماکسیمم می‌شوند). حال اگر در مدار بار راکتیوی مانند خازن یا القاگر وجود داشته باشد انرژی ذخیره شده در این نوع بارها باعث به وجود آمدن اختلاف بین شکل موج ولتاژ و جریان می‌شود. این انرژی ذخیره شده به منبع باز خواهد گشت در حالیکه تأثیر مثبتی در عملکرد بار نخواهد داشت. به این ترتیب یک مدار با ضریب توان پایین در مقایسه با یک مدار با ضریب توان بالا نیازمند جریان بیشتری برای ایجاد مقدار ثابتی از توان واقعی است.

بارهای الکتریکی که از جریان متناوب تغذیه می‌کنند از دو نوع توان تغذیه می‌کنند؛ توان اکتیو که کار مفید را انجام می‌دهد یا در واقع به شکل مطلوب انرژی که ممکن است انرژی مکانیکی یا گرمایی باشد تبدیل می‌شود، توان راکتیو که در واقع به علت ذخیره شدن انرژی در بارها راکتیو به وجود می‌آید و در پایان هر سیکل به منبع بازمی‌گردد. در واقع ضریب توان همان نسبت بین توان ظاهری و توان واقعی است که عددی بین ۰ و ۱ خواهد بود. وجود توان راکتیو موجب خواهد شد که توان واقعی از توان ظاهری کمتر باشد و به این ترتیب ضریب توان مقداری کمتر از ۱ داشته باشد.

توان راکتیو موجب افزایش یافتن جریان جاری بین منبع و بار می‌شود و به این ترتیب تلفات توان در طول خطوط انتقال و توزیع افزایش خواهد یافت و در نتیجه قیمت تمام شده انرژی الکتریکی تحویلی افزایش خواهد یافت. به همین دلیل شرکت‌های تولیدکننده برق از مصرف‌کننده‌های خود به ویژه مصرف‌کننده‌های بزرگ می‌خواهند تا با نگه داشتن ضریب توان در محدوده استاندارد (در حدود ۰٫۹) از اتلاف انرژی جلوگیری کنند و در غیر این صورت جریمه خواهند شد. به این ترتیب مصرف‌کننده‌ها با نصب واحدهای اصلاح‌کننده ضریب توان در واحدهای مسکونی، تجاری و به ویژه صنعتی از پرداخت جریمه‌های اضافه جلوگیری می‌کنند.

برای مهندسین برقی که با تولید، توزیع، انتقال و مصرف انرژی الکتریکی درگیر هستند ضریب توان بارهای مختلف از اهمیت بالای برخوردار است چراکه این ضریب توان می‌تواند موجب ایجاد هزینه‌های اضافی برای صنایع تولید برق و مصرف‌کننده‌ها شود. ضریب توان پایین‌تر همچنین هزینه‌های اجرای طرح‌های انتقال را نیز افزایش می‌دهد چراکه با کاهش ضریب توان نیاز به نصب تجهیزاتی مانند سوئیچ‌ها، مدار شکن‌ها، ترانسفورماتورها و … با ظرفیتی بالاتر از ظرفیت معمول را خواهد بود و ظرفیت در سیم‌کشی خطوط انتقال نیز باید افزایش یابد.

هدف از اصلاح ضریب توان نزدیک کردن ضریب توان یک مدار AC به ۱، با استفاده از تغذیه بارهای راکتیو مخالف بار موجود است. این کار معمولاً به وسیله تغذیه میزان مشخصی خازن یا القاگر انجام می‌گیرد. برای مثال اثر القایی یک موتور را می‌توان به وسیله وصل خازن در محل نصب بار خنثی کرد. برخی اوقات که ویژگی‌های شبکه به حالت خازنی تمایل دارد (مانند خطوط کابلی) از القاگرها (که در این کاربرد به آن‌ها راکتور گفته می‌شود) برای خنثی سازی اثر خازنی شبکه استفاده می‌شود؛ این کار عموماً در پست‌های تغییر ولتاژ صورت می‌گیرد.

به جای استفاده از خازن و برای ایجاد اثر خازنی می‌توان از یک موتور سنکرون در حالت پر تحریک نیز استفاده کرد. در این حالت میزان توان راکتیو تولیدی در موتور سنکرون وابسته به میزان جریان تحریک آن خواهد بود. مزیت استفاده از چنین بارهایی امکان تغییر میزان توان خازنی خروجی با توجه به میزان جریان تحریک است.

بارهای غیر خطی در مدارهای AC موجب به وجود آمدن جریان‌های هارمونیک در کنار جریان اصلی AC می‌شوند. در این حالت اضافه کردن بارهای خطی مانند خازن یا القاگر نیز نمی‌تواند تأثیر این بارها را خنثی کند بنابراین باید از روش‌های دیگری مانند استفاده از فیلتر یا استفاده از سیستم‌های اصلاح ضریب توان فعال برای صاف کردن اثر این بارها در جریان اصلی بهره جست.

منابع تغذیه سوییچینگ

یک منبع تغذیه سوییچینگ از یک پل یکسوساز یا مداری مشابه برای یکسو کردن خروجی استفاده می‌کند. ولتاژ خروجی منبع از همان خروجی DC یکسوساز گرفته می‌شود. مشکلی که در اینجا به وجود می‌آید این است که یکسوساز یک وسیله غیر خطی است و بنابراین ورودی آن غیر خطی خواهد بود.

برای خنثی کردن اثرات هارمونیکی یک بار غیر خطی دیگر نمی‌توان از بارهای خطی مانند خازن یا القاگر استفاده کرد. ساده‌ترین راه برای خنثی کردن اثر جریان هارمونیکی استفاده از فیلترهاست. می‌توان فیلتری طراحی کرد که تنها جریان را با فرکانس خاصی (برای مثال ۵۰ یا ۶۰ هرتز) عبور دهد. در صورت استفاده از چنین فیلترهایی بارهای غیرخطی نیز مانند بارهای خطی در مدار عمل می‌کنند و پس از آن برای اصلاح ضریب توان می‌توان از بارهای خطی استفاده کرد. اما این فیلترها دارای محدودیت‌هایی نیز هستند برای مثال می‌توان به نیاز آن‌ها به واسطه‌های جریان بالا، پر حجم بودن آن‌ها و پر هزینه بودن آن‌ها اشاره کرد.

همچنین برای خنثی کردن اثر بارهای غیر خطی می‌توان از روش اصلاح ضریب توان فعال نیز استفاده کرد.

این روش یک روش ساده برای اصلاح ضریب توان در بارهای خطی است که معمولاً با استفاده از بانک‌های خازنی صورت می‌گیرد. اما این روش به اندازه اصلاح ضریب توان فعال مؤثر نیست. گرچه این روش به دلیل سادگی و کم‌هزینگی آن در سطح وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد اما در این روش وارد و خارج کردن خازن‌ها از مدار موجب به وجود آمدن جریان‌های هارمونیکی می‌شوند و این عیب یکی از دلایلی است که تمایل برای استفاده از موتورهای سنکرون یا اصلاح ضریب توان فعال هنوز وجود دارد.

اصلاح ضریب توان فعال (active PFC) یک سیستم الکترونیک قدرت است که میزان جریان کشیده شده توسط هر بار را به منظور نزدیک کردن هرچه بیشتر ضریب توان به یک کنترل می‌کند. در بیشتر موارد سیستم اصلاح ضریب توان فعال اینگونه عمل می‌کند که با کنترل جریان ورودی شکل موج جریان را هر چه بیشتر به شکل موج ولتاژ نزدیک می‌کند. سیستم اصلاح ضریب توان فعال می‌تواند به صورت یک‌طبقه یا چندطبقه عمل کرده و ضریب توان را به حدود ۰٫۹۹ نزدیک کند.

بانک خازنی یک از سوئیچگیرهای مهم در صنایع برای کاهش تلفات خط کاهش نویز و هارمونیک در شبکه کاهش هزینه برق ناشی از مصرف کنندگان اهمی سلفی می‌باشد.

البته استفاده دیگر خازن برای افزایش ظرفیت کابل‌هایی که طول بسیار دارند نیز است.

تجهیزات یک سوئیچگیر بانک خازنی شامل خازن‌ها که یا صورت ستاره و یا به صورت مثلث به هم متصل می‌شوند . و هر اتصال مثلث یا ستاره تشکیل یک پله از بانک خازنی را میدهد. مهندسان وظیفه محاسبات و تعیین مقدار ظرفیت خازنی و تعداد پله‌ها را دارند. هر پله به رگولاتور متصل می‌شود. به وسیله ترانسفورماتور جریان و ترانسفورماتور ولتاژ

یک نمونه جریان و یک نمونه ولتاژ به رگولاتور انتقال میدهند. رگولاتور با توجه به میزان مصرف‌کننده تعداد پله‌ها را تغییر میدهد. هر چه مصرف‌کننده بیشتر تعداد پله‌های وارد شده به مدار توسط رگولاتور بیشتر می‌شود. یک رله کنترل فاز سر راه ورودی یا همان اینکامینگ قرار میگیرد. یک رله 50g یعنی حفاظت ارت فالت در مسیر نول پله‌ها که به صورت ستاره متصل شده‌اند قرار میگیرد.

(Q=P(tan Ø2 - tanØ1

Q = مقدار توان غیر مفید که بانک خازن باید داشته باشد.

p=توان مفید کل

tanØ2 = زاویه توان مفید و غیر مفید در حالت اولیه

tanØ1= زاویه توان مفید و غیر مفید در حالتی که ما میخواهیم.

حالتی که ما میخواهیم حالتی است که ضریب توان به آن مقدار می‌رسد. مثلا نزدیک به 1 یا تقریبا0.98
استفاده از کنتاکتور ac6 برای تابلوهای بانک خازنی استفاده می‌شود. این کنتاکتور اضافه جریان هنگام کلید زنی را تحمل می‌کند.

• ضریب توان
• خازن
• بار راکتیو