הבנת גורם הכוח וכיצד הוא משפיע על חשבונות האנרגיה שלך

מלבד בטיחות ואמינות, יש לשאוף למספר מטרות אחרות כולל יעילות בתכנון ויישום של מערכות חשמל. אחד מדדי היעילות במערכת חשמל הוא היעילות בה המערכת הופכת את האנרגיה שהיא מקבלת לעבודה מועילה. יעילות זו מסומנת על ידי רכיב של מערכות חשמל המכונה Power Factor. גורם כוח מציין כמה כוח הוא למעשה בשימוש לבצע עבודה מועילה ידי עומס וכמה כוח זה הוא "בזבוז". עד כמה ששמו נשמע טריוויאלי, זהו אחד הגורמים העיקריים שמאחורי חשבונות חשמל גבוהים וכשלים בחשמל.

כדי להיות מסוגל לתאר נכון את גורם הכוח ואת המשמעות המעשית שלו, חשוב לרענן את הזיכרון לגבי סוגים שונים של עומסים חשמליים ורכיבי כוח שקיימים.

משיעורי חשמל בסיסיים, עומסי חשמל הם בדרך כלל משני סוגים;

1. עומסים עמידים
2. עומסים תגובתי

1. עומסים התנגדותיים

עומסים התנגדותיים, כשמו כן הוא, העומסים הללו מורכבים מאלמנטים התנגדותיים גרידא. עבור סוג זה של עומסים (בהתחשב בתנאים אידיאליים), כל הכוח המסופק אליו מתפזר לעבודה בשל העובדה שהזרם נמצא בשלב עם המתח. דוגמה טובה לעומסי התנגדות כוללת נורות ליבון וסוללות.

רכיב ההספק הקשור לעומסים התנגדותיים מכונה כוח אמיתי. כוח אמיתי זה נקרא לפעמים גם כוח עבודה, כוח אמיתי או כוח אמיתי. אם אתה לא מתחיל בכוח מתח ומרגיש מבולבל עם כל צורות הגל הללו, מומלץ לקרוא על יסודות AC כדי להבין כיצד עובד מתח זרם חילופין.

2. עומסים תגובתי

לעומת זאת, עומסים תגובתי מורכבים מעט יותר. הם אמנם גורמים לירידת מתח ושואבים זרם מהמקור, אך הם אינם מפיצים כוח שימושי ככזה מכיוון שהכוח שהם שואבים מהאספקה ​​אינו עובד. זה חובה לאופי העומסים התגובתיים.

עומסים תגובתי יכולים להיות קיבוליים או אינדוקטיביים. בעומסים אינדוקטיביים משתמשים בכוח הנמשך בהגדרת השטף המגנטי ללא כל עבודה ישירה כאשר לעומסים בקיבוליות, הכוח משמש לטעינת הקבל ולא לייצור עבודה ישירות. הכוח שמתפזר כך בעומסים תגובתי מכונה כוח תגובתי. עומסים תגובתי מאופיינים בזרם המוביל (עומסים קיבוליים) או בפיגור (עומסים אינדוקטיביים) מאחורי המתח, ככזה, קיים בדרך כלל הבדל פאזה בין הזרם למתח.

שני הגרפים שלעיל מייצגים עומס אינדוקטיבי וקיבולי כאשר גורם הכוח משתרך ומוביל בהתאמה. הווריאציות בשני סוגים אלה של מוביל עומס לקיומם של שלושה מרכיבי כוח במערכות חשמל, כלומר;

1. כוח ממשי
2. כוח תגובתי
3. כוח לכאורה

1. כוח ממשי

זהו הכוח הקשור לעומסים התנגדותיים. זהו רכיב הכוח שמפוזר לביצועי העבודה בפועל במערכות חשמל. מחימום לתאורה וכו ', זה מתבטא בוואט (W) (יחד עם המכפילים שלו, קילו, מגה וכו') ומיוצג באופן סמלי באות P.

2. כוח תגובתי

זהו הכוח הקשור לעומסים תגובתיים. כתוצאה מהעיכוב בין מתח לזרם בעומסים תגובתיים, האנרגיה הנמשכת בתגובה (קיבולית או אינדוקטיבית) אינה מייצרת שום עבודה. זה נקרא כוח תגובתי והיחידה שלו היא תגובת וולט-אמפר (VAR).

3. כוח לכאורה

מערכות חשמל אופייניות מורכבות מעומסים התנגדותיים ואינדוקטיביים, חשבו על הנורות והמחממים שלכם לעומסי התנגדות, וציוד עם מנועים, מדחסים וכו 'כעל עומסי אינדוקציה. כך שבמערכת חשמלית, כוח כולל הוא שילוב של רכיבי הכוח הממשי והתגובתי, הספק כולל זה נקרא גם כח לכאורה.

הכוח לכאורה ניתן על ידי סכום הכוח האמיתי והכוח התגובתי. היחידה שלה היא מגברי וולט (VA) ומיוצגת באופן מתמטי על ידי המשוואה;

כוח לכאורה = כוח בפועל + כוח תגובתי

במצבים אידיאליים, הכוח הממשי שמתפזר במערכת חשמל גדול בדרך כלל מכוח התגובה. התמונה למטה מציגה את התרשים הווקטורי המצויר באמצעות שלושת רכיבי הכוח

ניתן להפוך את דיאגרמת הווקטור הזו למשולש הכוח כמוצג להלן.

ניתן לחשב את גורם ההספק על ידי השגת זווית התטא (ϴ) המוצגת לעיל. כאן התטא הוא הזווית בין הכוח האמיתי לכוח הנראה. לאחר מכן, בעקבות הכלל הקוסינוס (סמוך מעל היפוטנוזה), ניתן לאמוד את גורם הכוח כיחס בין הכוח הממשי לכוח הנראה לעין. נוסחאות לחישוב כוח פקטור היא כדלקמן

PF = כוח אמיתי / כוח לכאורה או PF = Cosϴ

אם מציבים את זה זה לצד זה המשוואה לקביעת הכוח הנראה לעין, קל לראות כי עלייה בכוח התגובה (נוכחות של מספר רב של עומסים תגובתיים), מובילה לעלייה בכוח הנראה ולערך גדול יותר לזווית ϴ, אשר בסופו של דבר גורם גורם הספק נמוך כאשר מתקבל הקוסינוס שלו (cos ϴ). מהצד השני, הפחתה בעומסים תגובתי (כוח תגובתי) מובילה לגורם הספק מוגבר, מה שמעיד על יעילות גבוהה במערכות עם עומסים פחות תגובתי ולהיפך. הערך של Power Factor יהיה תמיד בין הערך 0 ל- 1, ככל שהוא מתקרב לאחד כך יעילות המערכת תהיה גבוהה יותר. בהודו הערך של גורם הכוח האידיאלי נחשב ל -0.8. לערך של גורם הכוח אין יחידה.

חשיבות גורם הכוח

אם ערך מקדם הספק נמוך זה אומר, אנרגיה מרשת החשמל מתבזבזת מכיוון שגוש עצום ממנו אינו משמש לעבודה משמעותית. הסיבה לכך היא שהעומס כאן צורך יותר כוח תגובתי בהשוואה לכוח האמיתי. זה מעמיס על מערכת האספקה ​​וגורם לעומס יתר על מערכת ההפצה מכיוון שהכוח האמיתי הנדרש על ידי העומס והן הכוח התגובתי המשמש לסיפוק עומסים תגובתיים יישאבו מהמערכת.

זן ו"בזבוז "זה מוביל בדרך כלל לחשבונות חשמל עצומים עבור צרכנים (במיוחד צרכנים תעשייתיים) מכיוון שחברות שירות מחשבות את הצריכה במונחים של עוצמה נראית לעין, ככזו, בסופו של דבר הם משלמים עבור חשמל שלא שימש להשגת עבודה" משמעותית ". חברות מסוימות גם מקנסות את צרכניהן אם הן שואבות כוח תגובתי רב יותר מכיוון שהוא גורם לעומס יתר על המערכת. קנס זה מוטל על מנת להפחית את גורם ההספק הנמוך וגורם לשימוש בעומסים בתעשיות.

גם במצבים שבהם הכוח מסופק על ידי גנרטורים של החברה, כסף מבוזבז על גנרטורים גדולים יותר, כבלים גדולים יותר וכו 'נדרש לספק חשמל כשחלק ניכר ממנו פשוט הולך לבזבז. כדי להבין זאת טוב יותר, שקול את הדוגמה הבאה

מפעל המפעיל עומס של 70 קילוואט יכול להיות מופעל בהצלחה על ידי גנרטור / שנאי וכבלים בעלי דירוג של 70 קילו וולט אם המפעל פועל עם מקדם הספק של 1. אבל אם מקדם ההספק יורד ל 0.6 אז אפילו עם אותו עומס של 70KW, גנרטור או שנאי גדול יותר עם דירוג של 116.67 kVA (70 / 0.6) יידרש, מכיוון שהגנרטור / שנאי יצטרך לספק את הכוח הנוסף לעומס התגובה. מלבד העלייה הכבדה הזו בדרישות ההספק, יהיה צורך להגדיל גם את גודל הכבלים המשמשים, מה שמוביל לעלייה משמעותית בעלות הציוד ולהגדלת הפסדי הספק כתוצאה מהתנגדות לאורך המוליכים. העונש על כך חורג מחשבונות חשמל גבוהים במדינות מסוימות, מכיוון שחברות עם גורם כוח גרוע בדרך כלל מקנסות בסכומי עתק כדי לעודד תיקון.

שיפור גורם הכוח

עם כל האמור, תסכים איתי שיש יותר הגיון כלכלי לתקן את גורם הכוח הירוד מאשר להמשיך ולשלם חשבונות חשמל ענקיים, במיוחד עבור תעשיות גדולות. ההערכה היא כי ניתן לחסוך מעל 40% בחשבונות החשמל בתעשיות ענק ובמפעלי ייצור אם מקדם הכוח מתוקן ונשמר נמוך.

מלבד הפחתת העלות עבור הצרכנים, הפעלת מערכת יעילה תורמת לאמינות הכוללת של רשת החשמל, מכיוון שחברות השירות מצליחות להפחית את הפסדי הקווים ואת עלות האחזקה, תוך שהיא חווה ירידה בכמות השנאים תשתית תמיכה דומה הנדרשת לפעילותם.

חישוב גורם כוח לעומס שלך

הצעד הראשון לתיקון גורם ההספק הוא קביעת גורם ההספק לעומס שלך. ניתן לעשות זאת על ידי;

1. חישוב הכוח התגובתי באמצעות פרטי התגובה של העומס

2. קביעת הכוח האמיתי שמתפזר על ידי העומס ושילובו עם הכוח הנראה להשגת גורם הכוח.

3. השימוש במד גורמי הספק.

מד גורמי הספק משמש בעיקר מכיוון שהוא עוזר להשיג בקלות את גורם הכוח בהגדרות מערכת גדולות, כאשר קביעת פרטי התגובה של העומס וההספק האמיתי שמפוזר, עשויה להיות דרך קשה.

עם מקדם ההספק הידוע תוכלו להמשיך לתקן אותו, ולהתאים אותו קרוב ככל האפשר ל 1. מקדם ההספק המומלץ על ידי חברות אספקת החשמל הוא בדרך כלל בין 0.8 ל -1 וניתן להשיג זאת רק אם אתם מנהלים כמעט גרידא עומס התנגדות או תגובת ההשראה (עומס) במערכת שווה לתגובת הקיבול שכן שניהם יבטלו זה את זה.

בשל העובדה כי השימוש בעומסים אינדוקטיביים הוא גורם שכיח יותר לגורם הספק נמוך, במיוחד במסגרות תעשייתיות (עקב שימוש במנועים כבדים וכו '), אחת השיטות הפשוטות ביותר לתיקון גורם ההספק היא על ידי ביטול תגובתיות אינדוקטיבית באמצעות קבלים לתיקון המציגים תגובת קיבולית במערכת.

קבלים לתיקון גורמי הספק משמשים כמחולל זרם תגובתי, המתנגדים / מקזזים את הכוח ה"בזבז "על ידי עומסים אינדוקטיביים. עם זאת, יש לשקול תכנון מדוקדק כשמכניסים קבלים אלה להתקנות כדי להבטיח פעולה חלקה עם ציוד כמו כונני מהירות משתנה ואיזון יעיל עם עלות. בהתאם למתקן ולפיזור העומס, התכנון יכול לכלול קבלים בעלי ערך קבוע המותקנים בנקודות עומס אינדוקטיביות או בנקים של קבלים לתיקון אוטומטיים המותקנים על פסי האוטובוסים של לוחות ההפצה לצורך תיקון מרכזי, שלרוב חסכוני יותר במערכות גדולות.

השימוש בקבלים לתיקון גורמי הספק בהתקנות יש חסרונות, במיוחד כאשר לא משתמשים בקבלים הנכונים או שהמערכת לא מעוצבת כהלכה. השימוש בקבלים עשוי לייצר תקופה קצרה של "מתח יתר", כאשר הוא מופעל, מה שעלול להשפיע על תפקוד תקין של ציוד כמו כונני מהירות משתנה, ולגרום להם להתנתק לסירוגין או לפוצץ את הנתיכים בחלק מהקבלים. עם זאת ניתן לפתור זאת באמצעות ניסיון לבצע התאמות ברצף בקרת המיתוג, במקרה של כונני מהירות או ביטול זרמים הרמוניים במקרה של נתיכים.

גורם כוח אחדות ומדוע זה לא מעשי

כאשר הערך של גורם הכוח שלך שווה ל- 1, נאמר כי גורם הכוח הוא גורם כוח אחדות. זה עשוי להיות מפתה להשיג את גורם ההספק האופטימלי של 1, אך כמעט בלתי אפשרי להשיג אותו בשל העובדה שאף מערכת אינה באמת אידיאלית. במובן זה אין עומס התנגדותי, קיבולי או אינדוקטיבי בלבד. כל עומס מורכב מכמה אלמנטים של האחרים ולא משנה כמה קטן, כיוון שטווח גורמי הספק אופייניים למימוש כזה הוא בדרך כלל עד 0.9 / 0.95. כבר למדנו על מאפיינים טפיליים אלה של אלמנטים RLC במאמרי ה- ESR וה- ESL שלנו עם קבלים.

גורם הספק הוא הקובע כמה אתה משתמש באנרגיה וכמה אתה משלם בחשבונות חשמל (במיוחד לתעשיות). בהרחבה, הוא תורם בעיקר לעלות תפעולית ויכול להיות הגורם מאחורי שולי רווח מופחתים שלא שמתם לב אליהם. שיפור מקדם ההספק של מערכת החשמל שלך עשוי לסייע בהפחתת חשבונות החשמל ולהבטיח מקסימום ביצועים.