بسیاری از بارهای الکتریکی در صنعت سلفی هستند. تجهیزاتی مانند الکتروموتورها، ترانسفورمرها، لامپ های فلورسنت و کوره های القایی از این قبیل می باشند. جریانی که توسط بارهای مذکور از شبکه کشیده می شود، دارای 2 مؤلفه است: جریان مغناطیس کنندگی و جریان تولید توان.

جریان مغناطیس کنندگی جهت ایجاد شار الکترومغناطیسی در ماشین های الکتریکی به وجود می آید. این جریان باعث تولید توان راکتیو می شود که واحد آن کیلوولت آمپر راکتیو (KVAR) می باشد. توان راکتیو را با حرف Q نشان می دهند. توان راکتیو کار مفیدی انجام نمی دهد، ولی بین منبع تغذیه و بار در حال گردش است. این موضوع باعث ایجاد یک جریان اضافی روی منبع تولید قدرت و سیستم توزیع قدرت می شود.

جریان تولید توان اکتیو (توان حقیقی) جریانی است که به همراه شار مغناطیسی، توان مکانیکی در خروجی ماشین ها را به وجود می آورد. واحد توان اکتیو کیلووات (KW) می باشد. توان اکتیو را با حرف P نشان می دهند.

توان اکتیو و توان راکتیو با همدیگر توان ظاهری را می سازند که واحد آن کیلوولت آمپر (KVA) است. توان ظاهری را با حرف S نشان می دهند.

نسبت توان اکتیو به توان ظاهری را ضریب قدرت (ضریب توان) می گویند و از رابطه (1) بدست می آید.

 رابطه (1)

: PF ضریب توان

: P توان اکتیو (KW)

: S توان ظاهری (KVA)

موضوع ضریب توان را می توان به نوعی دیگر نیز بیان نمود. در یک سیستم سه فاز توان ظاهری (S) از رابطه (2) بدست می آید:

رابطه (2)

S: توان ظاهری (VA)

VL-L: ولتاژ خط (V)

I: جریان شبکه (A)

همانگونه که قبلا نیز توضیح داده شد، توان ظاهری ترکیبی از توان اکتیو و راکتیو است. این مطلب در شکل (1) نشان داده شده است.

شکل (1)

همانگونه که مشاهده می شود، زاویه بین توان اکتیو (KW) و توان ظاهری (KVA) با θ نشان داده شده است. بنابراین ضریب توان (PF) را می توان به صورت رابطه (3) نیز بیان نمود.

رابطه (3)

لذا توان اکتیو و راکتیو را می توان از روابط (4) و (5) محاسبه نمود.

رابطه (4)

رابطه (5)

• جریمه بدی ضریب توان

زمانیکه شبکه توزیع، یک واحد صنعتی را که ضریب توان پایینی دارد، تغذیه می کند، شبکه باید جریان بیشتری را جهت تغذیه آن واحد تأمین نماید. برای مثال اگر دو واحد صنعتی با توان اکتیو یکسان وجود داشته باشند، اما ضریب توان واحد اول 85/0 و واحد دوم 70/0 باشد، شبکه جهت تأمین توان مورد نیاز واحد دوم باید 21 درصد جریان بیشتری نسبت به شبکه اول تأمین کند، در حالیکه توان اکتیو هر دو یکسان است. همچنین هادی ها (کابل ها) و ترانسفورمرهای تغذیه کننده در شبکه دوم نیز 21 درصد جریان بیشتری را باید متحمل شوند که این به معنی اشغال بیشتر ظرفیت این تجهیزات در واحد دوم نسبت به واحد اول است؛ به علاوه اینکه تلفات هادی های شبکه توزیع (IR2) در واحد دوم 46 درصد بیشتر از واحد اول خواهد بود.

بر این اساس مطابق قوانین وضع شده، واحدی که ضریب توان پایین دارد باید هزینه ای بابت اشغال بیشتر ظرفیت شبکه توزیع بپردازد. در این راستا، شبکه های توزیع یک حداقل ضریب توان را برای واحدهای صنعتی تعیین کرده اند. این عدد در شبکه برق ایران 9/0 است. بنابراین هرچه ضریب توان یک واحد از 9/0 پایین تر باشد بایستی جریمه بیشتری بابت بدی ضریب توان بپردازد.

• بهبود ضریب توان

برخی از اقدامات جهت بهبود ضریب توان به شرح ذیل می باشد:

1-    استفاده از موتورهای با سرعت بالا، زیرا هرچه سرعت موتور بالاتر باشد ضریب توان بالاتر خواهد بود.

2-    انتخاب موتور متناسب با بار آنها: وقتی درصد بارگذاری یک موتور کم باشد، احتیاج به توان اکتیو کمتر و وقتی زیاد باشد، احتیاج به توان اکتیو زیادتری می باشد. از آنجائیکه در بارهای کم، نسبت توان راکتیو (جهت مغناطیس کنندگی) به توان اکتیو (جهت انجام کار) بیشتر است؛ لذا در بارهای کم، ضریب توان کاهش می یابد. بنابراین لازم است که موتورها تا حد امکان متناسب با بار انتخاب گردند تا در نزدیکی بار نامی کار کنند (درصد بارگذاری آنها بالا باشد).

3-    یکی دیگر از راهکارهای بهبود ضریب توان، خازن گذاری است. خازن های قدرت به عنوان مولد جریان راکتیو شناخته می شوند. زمانی که در یک واحد صنعتی خازن مناسب نصب گردد، جریان راکتیو توسط خازن تأمین شده و جریان کل کشیده شده از شبکه کاهش می یابد.

• انتخاب محل نصب خازن

یکی از مباحث در خازن گذاری جهت بهبود ضریب توان یک مجموعه، انتخاب محل نصب خازن می باشد. در این راستا سه حالت وجود دارد که عبارتند از:

1-    خازن گذاری در محل بارها

2-    خازن گذاری در ورودی مجموعه یا ورودی بخش های مختلف مجموعه

3-    ترکیب حالت 1 و 2

• خازن گذاری در محل بارها

وقتی بارهای سلفی یک مجموعه که عمدتاً موتورها هستند، بزرگ باشند، می توان روی سر هر موتور خازن گذاری انجام داد. از محاسن این نوع خازن گذاری کاهش توان راکتیو داخل مجموعه و در نتیجه کاهش تلفات و آزاد شدن ظرفیت ترانسفورمرها و هادی ها می باشد. همچنین این خازن ها می توانند با موتور سوئیچ شوند و احتیاج به سوئیچینگ جداگانه ندارند. از معایب این روش، تحمیل هزینه های بالا جهت خازن گذاری در محل های مختلف می باشد.

• خازن گذاری کلی (در ورودی مجموعه یا ورودی بخش های مختلف)

وقتی موتورهای موجود در یک مجموعه کوچک باشند، می توان به صورت گروهی خازن گذاری را انجام داد. این کار می تواند در ورودی کل مجموعه یا در صورت نیاز در ورودی بخش های مختلف مجموعه انجام پذیرد. در این حالت اگر بار مجموعه ثابت نباشد، از رگولاتورهای تنظیم ضریب توان نیز استفاده می شود.

از مزایای این روش، اقتصادی بودن نسبت به روش قبلی وکنترل بهتر ضریب توان کلی مجموعه است. از معایب این نوع خازن گذاری می توان به عدم کاهش توان راکتیو داخل مجموعه و در نتیجه عدم کاهش تلفات داخلی اشاره نمود.

• ترکیب حالت 1 و 2

هنگامی که در یک مجموعه ترکیبی از بارهای بزرگ و کوچک وجود داشته باشد، می توان از دو روش فوق به صورت همزمان استفاده نمود.

• محاسبه مقدار خازن

به منظور انتخاب مقدار خازن مورد نیاز جهت یک مجموعه، بایستی مقدار توان راکتیو مصرفی مورد نیاز جهت بهبود ضریب توان را برآورد نمود که بر اساس آن مقدار خازن انتخاب می گردد. این مطلب را می توان با ذکر یک مثال توضیح داد. فرض کنید توان مصرفی یک کارخانه 500 کیلووات است. اگر ضریب توان فعلی این کارخانه 7/0 باشد، مقدار خازن مورد نیاز جهت افزایش ضریب توان به 95/0 بصورت زیر محاسبه می شود:

بنابراین مقدار خازن مورد نیاز در کارخانه مذکور جهت افزایش ضریب توان از 7/0 به 95/0 مقدار 345 کیلووار می باشد.

• انتخاب محل مناسب جهت خازن گذاری از نظر هارمونیکی

یکی از مشکلاتی که در هنگام خازن گذاری باید به آن توجه شود، بوجود آمدن هارمونیک ها در سیستم است. هارمونیک ها باعث ایجاد نویزهای اضافی و حرارت روی خطوط می شوند. این حرارت می تواند باعث ایجاد قطعی در ترانسفورمرها و خازن ها شود. بحث هارمونیکی در خازن گذاری و روش های جلوگیری از ایجاد آنها در یک مجموعه بسیار مفصل بوده که در این مقاله به آن پرداخته نمی شود. بسیاری از شرکت های نصب کننده خازن، تحلیل هارمونیکی جهت بحث خازن گذاری را نیز انجام می دهند و تجهیزات مناسب را بکار می برند.

مراجع:

1-    Energy Management for Motor Driven Systems, Gilbert A. McCoy & John G. Douglass, The U.S. Department of Energy, March 2000.

2-    "Power Factor Correction, A Guide for the Plant Engineer" Commonwealth Sprague Capacitor, Inc. , PF-2000E, October 1991

3-    Industrial Power Factor Analysis Guidebook, Bonneville Power Administration. DOE/BP - 42892-1, April 1995