شرح معامل القدرة مع مثال عملي على تصحيح معامل القدرة:
ما هو معامل القدرة:
في البداية يجب أن تعرف أن هناك 4 أنواع من الأحمال الكهربائية :1-ممانع (Charge resistive)
مثل السخانات و أجهزة التدفئة و مصابيح المتوهجة و المكواة و ... الخ.2-سعوي (Charge capacitive)
مثل المكثفات3-حثي (Charge inductive)
4- هارمونيك (Charge Harmonic ) الشرح في نهاية هذه الصفحة
مثل مصابيح الإقتصادية, تلفاز, رسيفر, شاحنة الهاتف و الحاسوب, و ... الخ.الفرق مابين هذه الأحمال هو إختلاف زاوية مابين طور الجهد و طور التيار كما موضح في الصورة التالية:
في كل جهاز كهربائي هناك ثلاث أنواع من القدرات الكهربائية :
1-القدرة الحقيقية(Puissance active P)
هي القدرة التي تعطينا الحرارة أو الحركة أو ...الخ في الأجهزة الكهربائية2-القدرة الظاهرية(Puissance apparente S)
هي القدرة التي تساوي حاصل ضرب التيار في الجهد, في أحمال الممانعة القدرة الظاهرية تساوي القدرة الحقيقية.3-القدرة الغير حقيقية أو الراجعة أو الغير فعالة (Puissance réactive Q)
هي القدرة الراجعة من الجهاز الكهربائي الحثي أو السعوي و هي قدرة غير مفيدة و فقط تسبب إرتفاع التيار خلال الأسلاك بدون أي فائدة لذا نسعى دائما للتخلص منها أو تقليلها قدر الإمكان
يتم توضيح هذه الثلاث قدرات بإستخدام مثلث القدرة ( Triangle de puissance)
معامل القدرة :
معامل القدرة هو عدد ما بين 0 إلى 1 يعبر عن الزاوية ما بين طور الجهد و طور التيار في الأحمال الكهربائية, كل ما كان العدد أقرب لواحد كل ما كان أفضل.معامل القدرة تساوي COS الزاوية لذا إذا كانت الزاوية مابين طور التيار و طور الجهد 0 فبالتالي COS (0) =1 إذن معامل القدرة يساوي واحد ( حمل ممانع ).
لماذا يجب تصحيح معامل القدرة؟
ليكن لدينا جهازين بنفس القدرة مثلا 100 واط و بنفس الجهد 220 فولت لكن معامل القدرة لجهاز الأول 0.5 و جهاز الثاني يمتلك معامل القدرة 1نحن نعرف بأن معادلة القدرة تساوي:
P = القدرة (واط)
V = الجهد (فولت)
I = التيار (أمبير)
PF = معامل القدرة
لو حسبنا المعادلة لجهازين في المثال الفوق سوف نكتشف شيء مهم جدا.
كما تشاهد في الصورة التالية بعد تطبيق المعادلة إكتشفنا بأن التيار المسحوب في الحمل ذات معامل القدرة 1 أقل بكثير من الحمل الآخر ذات معامل القدرة 0.5 مع أن الجهد و القدرة في كلا الجهازين متساوي تماما !!
هذا هو الهدف من رفع معامل القدرة فإذا كانت معامل القدرة قليلة تسبب رفع التيار في الأسلاك مما يدفع شركة الكهرباء لزيادة سمك الأسلاك فبالتالي زيادة الكلفة بإضافة إلى خسارة الطاقة أثناء عملية النقل من المحطة الكهربائية إلى بيوت الناس على شكل حرارة. لهذا السبب في بعض الدول يتم غرامة المشتركين الذين يمتلكون معامل القدرة أقل من 0.9 .
معامل القدرة لا تأثر على فاتورة الكهرباء لأن شركات الكهرباء تحاسب الناس على أساس القدرة الحقيقية (W) و ليس القدرة الظاهرية (VA) لكن هذا الأمر قد يحسن إستهلاك الكهرباء لمنازل التي تستخدم فيه إنفرتر كطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أو حتى مولدات التي تعمل على البنزين أو كازويل فكلها تعطيك كهرباء على أساس القدرة الظاهرية (VA) !!
تصحيح معامل القدرة :
تصحيح معامل القدرة هي عملية تقليل القدرة الغير فعالة (Q) بواسطة ضخ قدرة غير فعالة أخرى لكن بإتجاه المعاكس.
بما أن أغلب الأحمال هي أحمال حثية مثل المحركات, مصابيح فلورسنت ذات ملف و ... الخ, لذا غالبا يتم تصحيح معامل القدرة بواسطة المكثفات , عن طريق ربط المكثف مع الحمل بالتوازي.
في الصورة التالية يمكنك مشاهدة مثلث القدرة قبل و بعد عملية التصحيح, حيث أن P سوف تبقى كما هي قبل و بعد التصحيح لكن Q و S و الزاوية مابين S و P أي θ يتم تقليلها.
في الحالة المثالية يجب أن تكون Q = 0 و P = S
مثال عملي عن تصحيح معامل القدرة:
نأخذ مثال عملي عن تصحيح معامل القدرة.لدينا محرك صغير يعمل بجهد 230 فولت, في البداية نقوم بفحص المحرك لكي نعرف كم هي القدرة المستهلكة و كم هي معامل القدرة (لا تعتمد على القدرة المكتوبة على المحرك لأن أحيانا تكون غير دقيقة)
بعد فحص المحرك اكتشفنا أنه يستهلك 15.4 واط و معامل القدرة الخاص به قبل التصحيح هو 0.58
نريد أن نرفع معامل القدرة من 0.58 إلى 0.92,
حساب حجم المكثف المطلوب ؟
في البداية يجب أن نحسب الزاوية قبل تصحيح معامل القدرة و نسميها θ1 , ثم نحسب القدرة الظاهرية قبل تصحيح معامل القدرة و نسميها S1 , ثم نحسب القدرة الغير فعالة قبل التصحيح و نسميها Q1
و في النهاية يمكن حساب قيمة المكثف كالتالي:
بما أن لا يوجد مكثف بقيمة 906 نانوفاراد بالضبط لذا تضطر إستخدام مكثف بقيمة أعلى قليلا أو أقل بقليل.
قمتا بربط 3 مكثفات 330 نانوفاراد على التوازي مع بعض و إختبرت قيمة المحصلة. قيمة الحقيقية للمكثف تختلف عن القيمة الإسمية لأن هناك نسبة خطأ.
و كما تشاهد في الصورة التالية نجحنا في رفع معامل القدرة من 0.58 إلى 0.94
ربما تسأل لماذا معامل القدرة أصبحت 0.94 بدلا من أن تصبح 0.92 كما هو الحال في الحسابات؟
السبب وراء ذلك إني استخدمت مكثف بقيمة 953 نانو فاراد بدلا من 906 فبالتالي سوف ترتفع معامل القدرة أكثر من المتوقع بقليل, و من الطبيعي جدا أنك لن تجد مكثف في الأسواق بنفس القيمة التي تريدها. من الممكن أن توصل معامل القدرة إلى 1 بوضع مكثف أكبر.
لو نقارن الصورة قبل و بعد عملية تصحيح معامل القدرة سوف نلاحظ فرق كبير بين التيار المسحوب قبل و بعد , فتيار المسحوب كان سابقا 111 ميلي أمبير بينما أصبح 71 ميلي أمبير فقط بعد إضافة المكثف و هذا هو الغرض من تصحيح معامل القدرة.
هل يمكن دائماً تصحيح معامل القدرة عن طريق إستخدام مكثف؟
كلا, المكثف يستخدم لغرض تصحيح معامل القدرة الخاصة بأحمال الحثية, هنالك أحمال لا يمكن تصحيح معامل القدرة الخاصة به بهذه السهولة, على سبيل المثال مصابيح الإقتصادية غالباً تمتلك معامل قدرة 0.6 تقريباً و لو ربطت مكثف معه سوف لن يتغير أو بالعكس سوف يقل معامل القدرة و السبب وراء ذلك هو أن طور التيار الخاص به إما ليس طور جيبي(Sinusoidal) أو تردده يختلف تماماً عن تردد طور الجهد. كما موضح في الصورة التالية,هذه الأحمال تسمىCharges Harmonic و تستخدم لها طريقة خاصة تسمى APFC لتصحيح معامل القدرة الخاص به.
الخبر السيء هو أن كثير من الأحمال الموجودة في منازلنا هي من نوع Harmonic Loads مثل التلفاز (بجميع أنواعة LCD أو LED أو CRT ), مصابيح الإقتصادية, شواحن هواتف النقالة, رسيفر و ... الخ.
