ماهي القدرة الفعالة والغير فعالة وماهو معامل القدرة وكيف يمكن تحسينه ؟

بسم الله الرحمن الرحيم

الحمد لله والصلاه والسلام على اشرف الانبياء والمرسلين أما بعد:
كثيراً ما نسمع عن معامل القدرة أو (power factor) وهو أحد الموضوعات الهامة في مجال القوى الكهربائية ولكن قبل أن نبدأ في تعريف معامل القدرة وكيف يمكن تحسينة وما هو الدور الحقيقي للمكثفات في تحسين معامل القدرة يجب أن نعلم أنواع القدرة الكهربائية ،والتي هي ثلاثة أنواع :

أولاً: القدرة الظاهرية أو القدرة الكلية(S)
وهي تعبر عن القدرة الكهربائية الكلية للحمل وهي حاصل ضرب الجهد في التيار ، ولذا تقاس بالفولت أمبير أو بالكيلوفولت أمبير (KVA) ، فمثلا محول كهربائي سعته 500 كيلو فولت أمبير تعني أن قدرة هذا المحول الكلية أو الظاهرية هي 500 كيلوفولت أمبير أي أن حاصل ضرب الجهد على أطراف الملف الابتدائي في التيار الداخل يساوي هذا الرقم. (يُعَبرُ عن المحولات دائماً بدلالة القدرة الكلية لأن المحول جهاز كهربائي ساكن لا يستهلك التيار دخله تيار وجهد وخرجه تيار وجهد أي أن الطاقة الكهربائية تمر بالمحول دون أن تتحول إلى صورة أخرى)

ثانياً: القدرة الفعالة (P)

مثلث القدرة

وهي تعبر عن القدرة الحقيقة المستفاد بها في صورة حركة في المحركات أو في صورة ضوء في المصابيح أو في صورة حرارة في السخانات ،.........................إلخ ، وهي حاصل ضرب الجهد في التيار في جيب تمام الزاوية بين الجهد والتيار ، وهي تقاس بالوات (W)أو بالكيلووات (KW) ، فمثلاً مصباح كهربائي متوهج قدرته 100 وات تعني أن هذا المصباح يستهلك تيار قيمته تساوي 100 وات مقسومة على حاصل ضرب الجهد في جيب تمام الزاوية ((220*1)/100) = 0.45 أمبير، وذلك ليعطي كمية ضوء محددة في حين لو أن المصباح قدرته 150 وات مثلاً ، سيسحب تيار أعلى = ((220*1)/150) = 0.68 أمبير ، ويعطي كمية ضوء أكبر .

ثالثا: القدرة الغير فعالة (Q)

وهي تعبر عن القدرة التي يستهلكها الحمل من دون أن تتحول إلى قدرة نافعة ، فمثلاً القدرة المستهلكة في مغنطة الملفات في المحركات الحثية هي قدرة غير فعالة لأن المحرك يستهلكها من دون أن تترجم إلى حركة ، وهي تقاس بالفار (VAR) أو بالكيلوفار (Kvar) ، وهي حاصل ضرب الجهد في التيار في جيب الزاوية بين موجة الجهد وموجة التيار .

تستهلك الأحمال الكهربية (المواتير-السخانات-الأفران-................) مركبتين من الطاقة الكهربية:

الطاقة الفعالة :وهى تقاس بالكيلووات ساعة Kwh ويرمز لها بالرمز(P ) وهى تتحول الى شغل ميكانيكى أو حرارة أو إضاءة

الطاقة الغير فعالة:وهى تقاس بالكيلوفارKVAR ويرمز لها بالرمز (Q) وتأخذ أحد الشكلين:

الطاقة الغير فعالة التي تتطلبها الدوائر الكهربية التأثيرية مثل المحولات والمحركات ...ألخ

الطاقة الغير فعالة التي تتطلبها الدوائر السعوية مثل مكثفات الكابلات ومكثفات القوى ....ألخ

ويعرف المجموع الاتجاهي لكل من القدرة الفعالة والغير فعالة بالقدرة الظاهرية ويرمز لها بالرمز(S)
وهى بالكيلو فولت امبير KVA) S=P+Q)

تقسم الاحمال الى ثلاثة انواع:

1. حمل مادي resistance
2. حمل حثي inductance
3. حمل سعوي capacitance

ويستهلك النوع الاول القدرة الفعالة active power وتقاس بkW وهي التي تستهلكها معظم الاحمال العادية كالمنازل ويظهر النوعين الثاني والثالث في المصانع نتيجة لوجود الماتورات وهو الذي ينتج القدرة الغير فعالة reactive power وتقاس بVAR أو MVAR وهي قدرة ضارة تقلل من كفاءة التوليد وتؤدي الى خسارات في قدرة محطات التوليد
وعند جمع قيمة الحمل الكلي يتم جمعه جمعا مركبا complex function مما ينتج زاوية معينة angle وعند حساب جيب تمام هذه الزاوية cos angle يظهر ما يسمى معامل القدرة power factor وهي قيمة بدون وحدة قياس قيمتها اقل او تساوي الواحد

وكلما اقتربت هذه القيمة من الواحد كلما قلت القدرة الغير فعالة وزادت القدرة الفعالة

معامل القدرة power factor
عند توصيل مصنع أو شركة على شبكة الكهرباء فإن الأحمال الكهربية تسحب كل من القدرة الفعالة
والقدرة الغير فعالة وتبعا لقيمة احتياجها من الطاقة الفعالة والطاقة الغير فعالة يتحدد معامل قدرة هذه الأحمال

معامل القدرة: ويرمز له بالرمز(P.F) او(Ф(cos

معامل القدرة= (القدرة الفعالة / القدرة الظاهرة)=[P/S]

ويعرف ايظا بأنه جيب تمام الزاوية بين القدرة الفعالة والظاهرة وتتراوح قيمته من 0 الى 1 وكلما اقترب من الواحد كلم تعاظمت الفائدة العائدة على كل من المستهلك وشركة الكهرباء

متوسط قيمة معامل القدرة لبعض المعدات والأجهزة الكهربية :
المحرك التأثيري الشائع بنسبة تحميل 100% =0.85

اللمبات التوهجية (التقليدية) =1.0

اللمبات الفلورسنت (بدون مكثف تعويض) =0.5

اللمبات الفلورسنت (بمكثف تعويض) =0.93

ماكينات لحام بالمقاومات الكهربية=0.8/0.9

وحدات لحام بالقوس الكهربي=0.7/0.9

وتجبر شركات توليد الكهرباء على المصانع تحسين معامل القدرة لديها لتخفيض سحب القدرة الغير فعالة وذلك باضافة مكثف على التوالي او التوازي على المصدر الرئيسي للمصنع ويكون متغير القيمة وهو القادر على تحسين معامل القدرة .

كيف يمكن تحسين معامل القدرة؟
يعتمد تحسين معامل القدرة على تقليل القدرة الغير فعالة الازمة للأحمال الكهربية بمعنى اخر أن المكثفات تركب لتوفير الكمية المطلوبة من القدرة الغير فعالة للأحمال الكهربية.

تحتاج أغلب الأحمال في المصانع لتحسين معامل القدرة إلى مجموعة مكثفات تعرف بالمراحل Automatic self regulating capacitor bank

وهى عبارة عن مجموعة من المكثفات ومصهرات وكونتاكتورات وقاطع تيار وجهاز تحكم وتوصل المجموعة على التوازي مع أحمال المشترك وهذه المجموعة تقوم بضبط قيمتها أتوماتيكيا حسب الاحتياج للقدرة غير الفعالة ويعتمد الضبط على قيمة الحمل غير الفعال بالدوائر المركب عليها المجموعة وكذلك بالتغير فيه والقيمة المطلوبة لمعامل القدرة.

مثال:

القيمة التعاقدية لأحد المنشآت =206 كيلوات

معامل القدرة حاليا=0.67

المطلوب رفع معامل القدرة إلى 0.95

أولا: يتم حساب القدرة الغير فعالة التى تستهلكها المنشأة عند معامل القدرة 0.67

cosФ=0.67 so, Ф=47.93°

Q=P X tanФ =206 x tan47.93=228.24 KVAR

ثانيا: حساب القدرة الغير فعالة التى تستهلكها المنشأة عند معامل القدرة 0.95

cosФ=0.95 so, Ф=18.19°

Q=P X tanФ =206 x tan18.19=67.7 KVAR
إذا المنشأة تحتاج إلى لوحة مكثفات لتوفير 160.54 ك.فار (67.7 - 228.24) لرفع معامل القدرة إلى 0.95 بدلا من 0.67

لمزيد من التوضيح ناخذ المحرك الكهربى كمثال:
المحرك يسحب جزء من القدرة الكهربية تتحول داخله الي قدرة ميكانيكىة (وجزء بسيط يتحول الى حرارة وهو ما يسمى losses ) فالمحرك الذى قدرته 15 حصان يسحب قدرة كهربية = 15حصان +القدرة المفقودة فى صورة حرارة هذا الجزء يسمى قدرة فعالة
كما يقوم المحرك بسحب جزء اخر من القدرة الكهربية وذلك لتكوين المجال المغناطيسى ( القدرة الكهربية تنتقل من العضو الثابت الي العضو الدوار وتتحول الى قدرة ميكانيكية محمولة علي المجال المغناطيسى) هذا الجزء يسترده المصدر مرة اخرى دون ان ينقص منه شيء ويسمى بالقدرة غير الفعالة.

ممكن تشبيه القدرة الغير فعالة بالعامل الحفاز في التفاعلات الكيميائية حيث ان التفاعل لا يتم بدونه ابدا ولكنه لا يتاثر به.

الخلاصة ان القدرة الكهربية عبارة عن جهد وتيار وتسمى بالقدرة الظاهرية(s) والحمل هو الذى يقسم هذه القدرة الي جزئين فعالة وغير فعالة.

ما هو الدور الحقيقي للمكثفات في تحسين معامل القدرة ؟

اولا : لفهم ما يحصل بالضبط لا بد من تمثيل الدائرة المكافئة الواقعية للمولد , ففي الحالة المثالية للمولد فهو ينتج جهدا ثابتا والتيار المار فيه يعتمد على الحمل .

ثانيا : المولد لا ينتج قدرة ظاهريه واخرى فعالة ولكن ما يفرض على المولد هو طبيعة الحمل , فما يؤثر في المولد هو حاصل ضرب الجهد في التيار المار فيه, وهذا ما يحدد قدرته .

ثالثا : لرفع معامل القدرة فان ما يفرض المضافات هو الحمل نفسه .. فان كان الحمل حثيا ( ملفات) فانه يتطلب مكثفات, وان كان الحمل يغلب عليه المكثفات فان المضاف يجب ان يكون حثيا ( ملفات ) .

رابعا : الغالب على طبيعة الاحمال هو الاحمال الحثية , لذلك فان المضاف هو المكثفات لتقليل معامل القدرة .

خامسا : المقصود من الاضافة هو جعل الحمل اقرب الى المقاومة الفعلية resistive load , وذلك مشابه الى حد بعيد لعمل دائرة رنين .

سادسا : التعامل الحسابي للمكثف يكون بممانعه سالبة .. والحثي بممانعه موجبة .. وعند اجراء الحسابات تضاف المكثفات لالغاء اثر الملفات لتبدو الممانعه المكافئة على الحمل هي مقاومية بحته .

للمزيد من التوضيح حمل الملفات التالية:
الملف الاول
الملف الثاني