تحسين معامل القدرة

يتم توليد الطاقة الكهربائية ونقلها وتوزيعها باستخدام التيار المتردد. لذلك، تظهر مسألة معامل القدرة عند التعامل مع التيار المتردد. معظم الأحمال حثية بطبيعتها، وبالتالي لها عامل قدرة منخفض. وعامل القدرة المنخفض غير مرغوب فيه للغاية لأنه يتسبب في زيادة التيار، مما يؤدي إلى خسائر إضافية في القدرة الفعالة في جميع عناصر نظام الطاقة من المولدات في محطة التوليد إلى أجهزة الاستخدام.

من أجل ضمان أفضل الظروف لنظام الشبكة الكهربائية من وجهة نظر هندسية واقتصادية، من المهم أن يكون عامل القدرة أقرب ما يكون إلى الواحد قدر الإمكان. في هذا المقال سنناقش أهمية وفوائد تحسين (تصحيح) معامل القدرة و الطرق المختلفة لتحسينه.

مفهوم تحسين معامل القدرة

تحسين معامل القدرة يعني زيادة قيمة معامل القدرة لنظام التيار المتردد إلى قيمة مقاربة للواحد باستخدام المعدات التي تقلل من القدرة غير الفعالة (reactive power) للشبكة. يمكن تحسين معامل القدرة باستخدام المكثفات أو المحرك التزامني. ولاحظ أن تحسين معامل القدرة لا يزيد مقدار القدرة الفعالة، ولكنه سيقلل من القدرة الظاهرة ( apparent power) وإجمالي التيار المسحوب من الحمل.

قبل أن أبدأ بالشرح لابد من توضيح الفرق بين معامل القدرة المتقدم والمتأخر ليسهل فهم الموضوع.

الفرق بين معامل القدرة المتقدم والمتأخر

الفرق الرئيسي بين معامل القدرة المتقدم والمتأخر أن التيار عند معامل القدرة المتقدم يكون متقدم على الجهد في زواية الطور وعند المعامل المتأخر يتقدم الجهد عن التيار.

معامل القدرة المتقدم كما قلت سابقًا يكون التيار فيه متقدم عن الجهد بزاوية الطور وهذا يحدث في الأحمال السعوية مثل المكثفات.

معامل القدرة المتأخر يكون الجهد متقدم عن التيار كما في الأحمال الحثيه مثل الملفات.

طرق تحسين معامل القدرة

يرجع عامل القدرة المنخفض بشكل أساسي إلى حقيقة أن معظم أحمال النظام الكهربائي حثية تسحب تيارًا متأخرًا (lagging currents) و ينتج عنها قدرة غير فعالة (reactive power)، وهذه القدرة لا ينتج عنها شغل حقيقي، وتؤدي لانخفاض معامل القدرة.

ولتحسين معامل القدرة يجب خفض مقدار القدرة غير الفعالة بتوليد قدرة غير فعالة VARs في الاتجاه المضاد (عكسية). ويتم ذلك باستخدام المعدات الكهربية التالية:

• 1. المكثفات (Capacitor Bank).
• 2. المكثف المتزامن (Synchronous condenser).

1. المكثفات ( capacitors)

يمكن تحسين عامل القدرة في الأحمال أحادية الوجه عن طريق توصيل المكثفات بالتوازي مع المعدات التي تعمل عند معامل القدرة المتأخر. المكثف يستهلك تيارًا متقدمًا ويعمل جزئيًا أو كليًا على تحييد المكون الغير فعال المتأخر لتيار الحمل. هذا يرفع معامل القدرة للحمل.

بالنسبة للأحمال ثلاثية الطور ، يمكن توصيل المكثفات في شكل دلتا أو نجمة كما هو موضح في الصورة التالية. وتستخدم المكثفات دائمًا لتحسين عامل القدرة في المصانع والورش.

وسأكتفي في هذا المقال بذكر المزايا والعيوب لاستخدام المكثفات. وسأخصص مقال آخر لشرح طريقة تحسين معامل القدرة باستخدام المكثفات وكيف إجراء الحسابات. ويمكنك الاطلاع على مقال: برنامج حساب مكثفات تحسين معامل القدرة

مزايا استخدام المكثفات لتحسين معامل القدرة

• لديها خسائر منخفضة.
• تتطلب القليل من الصيانة حيث لا توجد أجزاء دوارة.
• يمكن تثبيتها بسهولة.
• يمكنها العمل في ظل الظروف الجوية الإعتيادية.

العيوب

• لها عمر خدمة قصير يتراوح من 8 إلى 10 سنوات.
• تتضرر بسهولة إذا تجاوز الجهد القيمة المقدرة.
• بمجرد تلف المكثفات، يكون إصلاحها غير مجدي اقتصاديًا.

2. المكثف المتزامن (Synchronous condenser)

يمكن أيضًا تحسين معامل القدرة عن طريق توصيل محرك متزامن (synchronous motor) مصمم خصيصًا لهذا الغرض، والمعروف باسم المكثف المتزامن (Synchronous condenser). المحرك المتزامن يعمل بدون حمل ميكانيكي، ويكون متصل بالتوازي مع الحمل. يولد الطاقة التفاعلية (Var) عن طريق تغيير إثارة (excitation) لفات المجال (Field Windings) للمحرك.

في الماضي كان استخدام المحرك التزامنى وتشغيله بدون تحميل لتصحيح معامل القدرة أمر شائع جدًا. حاليًا يُستخدام بشكل محدود. وصارت المكثفات في كثير من الحالات بديل أفضل وأكثر اقتصادًا.

المزايا

• من خلال تغيير إثارة المجال، يمكن تغيير حجم التيار الذي يسحبه المحرك بأي مقدار. هذا يساعد في تحقيق التحكم غير المتدرج في عامل القدرة.
• تتميز ملفات المحرك باستقرار حراري عالٍ لتيارات الدائرة القصيرة.
• يمكن إزالة الأعطال بسهولة.

العيوب

• تحدث خسائر كبيرة في المحرك.
• تكلفة الصيانة مرتفعة.
• ينتج ضوضاء.
• باستثناء الأحجام التي تزيد عن 500KVA، تكون تكلفته أكبر من تكلفة المكثفات.
• نظرًا لأن المحرك المتزامن لا يحتوي على عزم دوران ذاتي البدء، لذلك يجب توفير معدات مساعدة لهذا الغرض.

أهمية تحسين معامل القدرة

يعد تحسين عامل الطاقة مهمًا جدًا لكل من المستهلكين ومحطات التوليد حيث يعمل على خفض تكلفة الاستهلاك وكذلك خفض تصنيف وتكلفة الأجهزة والمعدات الكهربائية‌‌.

1. تحسين معامل القدرة للمصانع

يجب على المستهلك والمقصود هنا اصحاب المصانع والورش وغيرها من الأحمال الكبيرة دفع رسوم الكهرباء لأقصى طلب له بالكيلو فولت أمبير بالإضافة إلى الوحدات المستهلكة. كما يتم فرض غرامة من قبل شركات الكهرباء عند انخفاض معامل القدرة عن حد معين.
‏إذا قام المستهلك بتصحيح معامل القدرة، فسيحدث انخفاض في الطلب الأقصى للكيلو فولت أمبير، وبالتالي سيكون هناك توفير سنوي بسبب الحد الأقصى لرسوم الطلب.

على الرغم من أن تحسين عامل القدرة يتضمن نفقات سنوية إضافية على معدات التحسين والصيانه، ولكن تحسين pf إلى قيمة مناسبة ينتج عنها توفير للخسائر الناتجة بسبب انخفاضه.

2. تحسين معامل القدرة للمنازل

غالبًا لا توجد حاجة لتحسين معامل القدرة في المنازل إذ يقترب معمل القدرة فيها من الواحد الصحيح. وحتى لو كان هناك أجهزة ومعدات في المزل تسبب خفض للمعامل بشكل بسيط فليس من المجدي ولا من المناسب تحسينه.

3. تحسين معامل القدرة لمحطات التوليد

إن محطة التوليد تهتم بتحسين معامل القدرة بقدر اهتمام المستهلك. يتم تصنيف المولدات في محطة الطاقة بالكيلو فولت أمبير ولكن الناتج المفيد يعتمد على خرج كيلوواط. نظرًا لأن خرج المحطة هو
‏kW = kVA × cos φ
‏
من القانون السابق يتضح أن عدد الوحدات التي توفرها يعتمد على معامل القدرة. كلما زاد معامل القدرة الخاص بمحطة التوليد، زاد كيلو وات في الساعة الذي توفره للنظام. يؤدي هذا إلى استنتاج مفاده أن عامل القدرة المحسن يزيد من قدرة محطة التوليد.

فوائد تحسين معامل القدرة

• زيادة كفاءة النظام والأجهزة.
• تقليل حجم الموصلات والكابلات مما يقلل من تكلفة النقل.
• يتم تقليل مفاقيد خطوط النقل (مفاقيد النحاس) I²R.
• زيادة في الطاقة المتاحة من المولدات
• استخدام أفضل لأنظمة الطاقة والخطوط والمولدات وغيرها.
• تحسين تنظيم الجهد على خطوط النقل الكهربي.
• الحجم المناسب للآلات الكهربائية (المحولات والمولدات وغيرها).
• الغاء غرامة معامل القدرة المنخفض من شركة التزويد بالكهرباء.
• توفير في فاتورة الكهرباء لأصحاب المصانع والورش.