الاحمال الكهربائية تتصنف الى
مقاوِم Resistive
حثي Inductive
سعوي Capacitive
والأحمال الكهربائية الأكثر شيوعاً هي الأحمال الحثية ومثال عليها: المحولات الكهربائية ومحركات التيار المستمر الحثية. وجميع هذه الأحمال (الحثية) تحتاج إلى نوعين من القدرة الكهربائية لكي تعمل:
القدرة الفعّالة أو القدرة الحقيقية Active Power or Real Power - KW
القدرة غير الفعّالة Reactive Power - KVAR
القدرة الفعّالة هي القدرة المفيدة في الشبكة الكهربائية في حين أن القدرة غير الفعالة لا دور لها سوى توليد المجال المغناطيسي اللازم لعمل الأحمال الحثية. وفي جميع الأحوال, على شركات تزويد الطاقة الكهربائية تزويد التيار إلى أحمال المستهلكين بغض النظر أكانت مقاومية, سعوية أو حثية. وهذا التيار بلا شك, سيولّد طاقة مهدورة في خطوط النقل الكهربائي بحسب العلاقة :
وهنا, نصل إلى شقي المعادلة التالية: المستهلكون يتمنون لو أن بمقدورهم الدفع لشركات تزويد الطاقة الكهربائية مقابل القدرة الفعالة فقط, فهي الطاقة التي يستفيد منها المستهلك. أما شركات تزويد الطاقة الكهربائية, فهي تطمح بدورها إلى تقليل الخسائر في الطاقة الكهربائية الناجمة عن خطوط النقل الكهربائية Transmission Lines.
معامل القدرة الكهربائية:
معامل القدرة الكهربائية Power Factor المعروف اختصاراً PF هو النسبة بين الكيلو واط و الكيلو فولت أمبير الناتج عن حمل كهربائي.
والكيلو فولت أمبير هي وحدة قياس الطاقة الظاهرة
ويمكن توضيح مفهوم معامل القدرة الكهربائية بحسب التعريف التالي: معامل القدرة الكهربائية هو المقياس لمدى فاعلية استغلال الطاقة المستهلكة. ومعامل القدرة الكهربائية يأخذ القيمة ما بين الصفر والواحد, ومعامل القدرة الكهربائية الذي يساوي (1) هو معامل القدرة المثالي غير الموجود عملياً ولكنه يستخدم في الحسابات الكهربائية كمرجع نظري. الأحمال الحثية أينما وجدت تؤدي إلى تقليله. ومن الناحية الاقتصادية, ليس بالضرورة الوصول إلى معامل قدرة كهربائية يساوي (1) فمعامل قدرة يساوي 0.9 أو حتى 0.85 على سبيل المثال يؤدي إلى جدوى اقتصادية لا بأس بها.
الفولتية, التيار, ومعامل القدرة الكهربائية
عندما يُغذى حِمل كهربائي بمقدار محدد من الطاقة الكهربائية فإن مصدر التغذية سَيُزوّد الحِمل بأقل تيار عندما يكون معامل القدرة الكهربائية أكبر ما يمكن. ويحدث هذا عندما يكون جيب تمام الممانعة مساوياً (1) وإذا كان معامل القدرة أقل من (1) فإن تياراً إضافياً سيتم تزويده من المصدر إلى الحمل مما يؤدي إلى تقليل كفاءة انتقال الطاقة من المصدر إلى الحمل. وعلى أية حال, سنرى من خلال هذا الدرس أنه بالإمكان تصحيح معامل القدرة الكهربائية.
كذلك, معامل القدرة الكهربائية هو علاقة ما بين التيار والفولتية وهو أيضاً, يعتمد على طبيعة الحمل (مقاوم,سعوي أو حثي). وكلما قلت الزاوية ما بين الفولتية والتيار كلما كان معامل القدرة الكهربائية أفضل. انظر الشكل-1 والشكل- 2
الشكل-1
الشكل-2
لاحظ أن معامل القدرة في الشكل-2 أفضل منه في الشكل-1 ذلك انه في الشكل-2 الزاوية ما بين التيار والفولتيه أقل منه في الشكل-1
مثلث القدرة الكهربائية
مثلث القدرة الكهربائية يربط بين أنواع القدرة الكهربائية المختلفة (القدرة الحقيقية, القدرة غير الفعالة والقدرة الظاهرة) ومعامل القدرة الكهربائية . انظر الشكل-3
وبحسب نظرية فيثاغورس, فإن:
الشكل – 3
من هذا المثلث, يمكننا استنتاج العلاقات الرياضية التالية:
ومن المُلاحظ أنه:
عندما تحمل القدرة غير الفعالة الإشارة السالبة فهذا يدل على أن:
الحمل, هو حمل سعوي
التيار يتقدم على الفولتية
معامل القدرة متقدم Leading PF
عندما تحمل القدرة غير الفعالة الإشارة الموجبة فهذا يدل على أن:
الحمل, هو حمل حثي
التيار يتأخر عن الفولتية
معامل القدرة الكهربائية متأخر Lagging PF
العوامل التي تؤدي إلى انخفاض معامل القدرة الكهربائية
السبب الرئيس لتدني معامل القدرة الكهربائية هي الأحمال الحثية مثل المحركات الحثية والمحولات التي تحتاج إلى تيار لتوليد المجال المغناطيسي لكي تعمل. عندما يكون معامل القدرة الكهربائية أقل من (1) فهذا يعني أن القدرة الظاهرة المزودة إلى الحمل أكبر من القدرة الحقيقية. إن تدني معامل القدرة الكهربائية أمرٌ يشغل بال شركات تزويد الطاقة الكهربائية, فعندما يتدنى معامل القدرة الكهربائية يصبح لزاماً على شركات تزويد الطاقة الكهربائية تزويد المستهلك بكميات إضافية من التيار مما يؤدي بالضرورة, إلى زيادة في خسائر الطاقة الكهربائية في خطوط نقل الطاقة والذي يعني المزيد من الخسارة لهذه الشركات.
لماذا ينبغي رفع/تصحيح معامل القدرة الكهربائية؟
الأسباب متعددة ومن أهمها:
معامل قدرة متدني يعني بالضرورة, استغلال سيء للطاقة الكهربائية, إن التدني في معامل القدرة الكهربائية يعني تزويد طاقة ظاهرة أكثر من الطاقة الفعالة.
تدني معامل القدرة الكهربائية يؤدي إلى زيادة في توليد التيار للتعويض مما يؤدي إلى خسائر في الطاقة أثناء نقلها عبر خطوط النقل الكهربائي كما ذُكِرَ آنِفاً.
إن تصحيح معامل القدرة الكهربائية يوفر المال على الشركات والأفراد, ففي بعض الدُول تُفرَض فواتير إضافية على المستهلكين التي تعاني منشآتهم الصناعية أو التجارية من تدني ---معامل القدرة الكهربائية. تصحيح معامل القدرة الكهربائية يقلل من الخسائر في خطوط النقل لدى الشركات, هذه الخسائر هي أموال مهدورة.
تصحيح معامل القدرة الكهربائية:
واحدة من أنجع وافضل الطرق لتصحيح معامل القدرة الكهربائية, هي الطريقة التقليدية التي تتلخص في ربط متسعة Capacitor على التوازي مع دائرة/شبكة التيار المستمر أو مع الحمل وتقوم المتسعة بتقليل مقدار الطاقة غير الفعالة في الشبكة . ومن الطرق الأخرى:
إزالة المحركات الكهربائية الحثية الكبيرة التي يمكن الاستغناء عنها في الشبكة الكهربائية.
إطفاء المحركات التي في حالة سبات idle والمقصود, هو إطفاء المحركات التي تستهلك طاقة بينما هي لاتنجز عملاً في وقتٍ ما.
مثال عملي على تصحيح معامل القدرة الكهربائية
في دائرة تيار مستمر-أحادية الطورو وُجِدَ أن معامل القدرة الكهربائية يساوي 0.6 متأخر. وأن القدرة الحقيقية تساوي W1200, والقدرة غير الفعالة تساويVAR 1600 بينما القدرة الظاهرة تساويVA 2000.والمطلوب هو تصحيح معامل القدرة الكهربائية وذلك بإضافة متسعة على التوازي مع الحمل بحيث يصبح معامل القدرة الكهربائية 0.9 متأخر.
الحل:
في البداية, نحسب القدرة الظاهرة-الجديدة للمتسعة كما يلي:
الآن, نحسب قيمة القدرة غير الفعالة الجديدة:
الآن, نحسب قيمة القدرة غير الفعالة للمتسعة وذلك كما يلي:
فولتية المصدر = 220 فولت.
تردد المصدر = 60 هيرتز.
يمكن حساب قيمة المتسعة بسهولة كما يلي:
وهذ يعني, ان قيمة المتسعة التي ينبغي إضافتها على التوازي مع الحمل لتصحيح معامل القدرة
تحميل المقال بصيغة PDF باللغة العربية.
تحميل نسخة من المقال بصيغة PDF باللغة الإنجليزية.
لأي سؤال أو استفسار, أرحب بك من خلال إضافة تعليق على هذا المقال.
اترك تعليقاً ShareThisنسخة للطباعة
أوسمة: معامل القدرة الكهربائية, هندسة كهربائية
معامل القدرة الكهربائية وطرق تحسينه
نوفمبر 20, 2007 | 0 تعليق | الأقسام: مقالات هندسية
تغيير حجم الخط:
تقديم
الأحمال الكهربائية تقع في أحدى التصنيفات التالية:
مقاوِم Resistive
حثي Inductive
سعوي Capacitive
والأحمال الكهربائية الأكثر شيوعاً هي الأحمال الحثية ومثال عليها: المحولات الكهربائية ومحركات التيار المستمر الحثية. وجميع هذه الأحمال (الحثية) تحتاج إلى نوعين من القدرة الكهربائية لكي تعمل:
القدرة الفعّالة أو القدرة الحقيقية Active Power or Real Power - KW
القدرة غير الفعّالة Reactive Power - KVAR
القدرة الفعّالة هي القدرة المفيدة في الشبكة الكهربائية في حين أن القدرة غير الفعالة لا دور لها سوى توليد المجال المغناطيسي اللازم لعمل الأحمال الحثية. وفي جميع الأحوال, على شركات تزويد الطاقة الكهربائية تزويد التيار إلى أحمال المستهلكين بغض النظر أكانت مقاومية, سعوية أو حثية. وهذا التيار بلا شك, سيولّد طاقة مهدورة في خطوط النقل الكهربائي بحسب العلاقة :
وهنا, نصل إلى شقي المعادلة التالية: المستهلكون يتمنون لو أن بمقدورهم الدفع لشركات تزويد الطاقة الكهربائية مقابل القدرة الفعالة فقط, فهي الطاقة التي يستفيد منها المستهلك. أما شركات تزويد الطاقة الكهربائية, فهي تطمح بدورها إلى تقليل الخسائر في الطاقة الكهربائية الناجمة عن خطوط النقل الكهربائية Transmission Lines.
معامل القدرة الكهربائية:
معامل القدرة الكهربائية Power Factor المعروف اختصاراً PF هو النسبة بين الكيلو واط و الكيلو فولت أمبير الناتج عن حمل كهربائي.
والكيلو فولت أمبير هي وحدة قياس الطاقة الظاهرة
ويمكن توضيح مفهوم معامل القدرة الكهربائية بحسب التعريف التالي: معامل القدرة الكهربائية هو المقياس لمدى فاعلية استغلال الطاقة المستهلكة. ومعامل القدرة الكهربائية يأخذ القيمة ما بين الصفر والواحد, ومعامل القدرة الكهربائية الذي يساوي (1) هو معامل القدرة المثالي غير الموجود عملياً ولكنه يستخدم في الحسابات الكهربائية كمرجع نظري. الأحمال الحثية أينما وجدت تؤدي إلى تقليله. ومن الناحية الاقتصادية, ليس بالضرورة الوصول إلى معامل قدرة كهربائية يساوي (1) فمعامل قدرة يساوي 0.9 أو حتى 0.85 على سبيل المثال يؤدي إلى جدوى اقتصادية لا بأس بها.
الفولتية, التيار, ومعامل القدرة الكهربائية
عندما يُغذى حِمل كهربائي بمقدار محدد من الطاقة الكهربائية فإن مصدر التغذية سَيُزوّد الحِمل بأقل تيار عندما يكون معامل القدرة الكهربائية أكبر ما يمكن. ويحدث هذا عندما يكون جيب تمام الممانعة مساوياً (1) وإذا كان معامل القدرة أقل من (1) فإن تياراً إضافياً سيتم تزويده من المصدر إلى الحمل مما يؤدي إلى تقليل كفاءة انتقال الطاقة من المصدر إلى الحمل. وعلى أية حال, سنرى من خلال هذا الدرس أنه بالإمكان تصحيح معامل القدرة الكهربائية.
كذلك, معامل القدرة الكهربائية هو علاقة ما بين التيار والفولتية وهو أيضاً, يعتمد على طبيعة الحمل (مقاوم,سعوي أو حثي). وكلما قلت الزاوية ما بين الفولتية والتيار كلما كان معامل القدرة الكهربائية أفضل. انظر الشكل-1 والشكل- 2
الشكل-1
الشكل-2
لاحظ أن معامل القدرة في الشكل-2 أفضل منه في الشكل-1 ذلك انه في الشكل-2 الزاوية ما بين التيار والفولتيه أقل منه في الشكل-1
مثلث القدرة الكهربائية
مثلث القدرة الكهربائية يربط بين أنواع القدرة الكهربائية المختلفة (القدرة الحقيقية, القدرة غير الفعالة والقدرة الظاهرة) ومعامل القدرة الكهربائية . انظر الشكل-3
وبحسب نظرية فيثاغورس, فإن:
الشكل – 3
من هذا المثلث, يمكننا استنتاج العلاقات الرياضية التالية:
ومن المُلاحظ أنه:
عندما تحمل القدرة غير الفعالة الإشارة السالبة فهذا يدل على أن:
الحمل, هو حمل سعوي
التيار يتقدم على الفولتية
معامل القدرة متقدم Leading PF
عندما تحمل القدرة غير الفعالة الإشارة الموجبة فهذا يدل على أن:
الحمل, هو حمل حثي
التيار يتأخر عن الفولتية
معامل القدرة الكهربائية متأخر Lagging PF
العوامل التي تؤدي إلى انخفاض معامل القدرة الكهربائية
السبب الرئيس لتدني معامل القدرة الكهربائية هي الأحمال الحثية مثل المحركات الحثية والمحولات التي تحتاج إلى تيار لتوليد المجال المغناطيسي لكي تعمل. عندما يكون معامل القدرة الكهربائية أقل من (1) فهذا يعني أن القدرة الظاهرة المزودة إلى الحمل أكبر من القدرة الحقيقية. إن تدني معامل القدرة الكهربائية أمرٌ يشغل بال شركات تزويد الطاقة الكهربائية, فعندما يتدنى معامل القدرة الكهربائية يصبح لزاماً على شركات تزويد الطاقة الكهربائية تزويد المستهلك بكميات إضافية من التيار مما يؤدي بالضرورة, إلى زيادة في خسائر الطاقة الكهربائية في خطوط نقل الطاقة والذي يعني المزيد من الخسارة لهذه الشركات.
لماذا ينبغي رفع/تصحيح معامل القدرة الكهربائية؟
الأسباب متعددة ومن أهمها:
معامل قدرة متدني يعني بالضرورة, استغلال سيء للطاقة الكهربائية, إن التدني في معامل القدرة الكهربائية يعني تزويد طاقة ظاهرة أكثر من الطاقة الفعالة.
تدني معامل القدرة الكهربائية يؤدي إلى زيادة في توليد التيار للتعويض مما يؤدي إلى خسائر في الطاقة أثناء نقلها عبر خطوط النقل الكهربائي كما ذُكِرَ آنِفاً.
إن تصحيح معامل القدرة الكهربائية يوفر المال على الشركات والأفراد, ففي بعض الدُول تُفرَض فواتير إضافية على المستهلكين التي تعاني منشآتهم الصناعية أو التجارية من تدني ---معامل القدرة الكهربائية. تصحيح معامل القدرة الكهربائية يقلل من الخسائر في خطوط النقل لدى الشركات, هذه الخسائر هي أموال مهدورة.
تصحيح معامل القدرة الكهربائية:
واحدة من أنجع وافضل الطرق لتصحيح معامل القدرة الكهربائية, هي الطريقة التقليدية التي تتلخص في ربط متسعة Capacitor على التوازي مع دائرة/شبكة التيار المستمر أو مع الحمل وتقوم المتسعة بتقليل مقدار الطاقة غير الفعالة في الشبكة . ومن الطرق الأخرى:
إزالة المحركات الكهربائية الحثية الكبيرة التي يمكن الاستغناء عنها في الشبكة الكهربائية.
إطفاء المحركات التي في حالة سبات idle والمقصود, هو إطفاء المحركات التي تستهلك طاقة بينما هي لاتنجز عملاً في وقتٍ ما.
مثال عملي على تصحيح معامل القدرة الكهربائية
في دائرة تيار مستمر-أحادية الطورو وُجِدَ أن معامل القدرة الكهربائية يساوي 0.6 متأخر. وأن القدرة الحقيقية تساوي W1200, والقدرة غير الفعالة تساويVAR 1600 بينما القدرة الظاهرة تساويVA 2000.والمطلوب هو تصحيح معامل القدرة الكهربائية وذلك بإضافة متسعة على التوازي مع الحمل بحيث يصبح معامل القدرة الكهربائية 0.9 متأخر.
الحل:
في البداية, نحسب القدرة الظاهرة-الجديدة للمتسعة كما يلي:
الآن, نحسب قيمة القدرة غير الفعالة الجديدة:
الآن, نحسب قيمة القدرة غير الفعالة للمتسعة وذلك كما يلي:
فولتية المصدر = 220 فولت.
تردد المصدر = 60 هيرتز.
يمكن حساب قيمة المتسعة بسهولة كما يلي:
وهذ يعني, ان قيمة المتسعة التي ينبغي إضافتها على التوازي مع الحمل لتصحيح معامل القدرة
موضوع: الوقاية التفاضلية للمحولات 
الثلاثاء 8 ديسمبر - 9:32
