ما هو معامل القدرة Power Factor؟

يُعتبر معامل القدرة أو (عامل الطاقة) من أهم المفاهيم في الهندسة الكهربائية وله تأثير كبير في نظام التيار المتردد حيث تعتمد الطاقة المستهلكة عليه. وفيما يلي شرح معامل القدرة وأسباب انخفاضه وتأثيره على الشبكة الكهربائية.

مفهوم معامل القدرة (power factor)

يُعرَّف معامل القدرة (Power Factor) على أنه نسبة القدرة الفعالة (P) المستهلكة بواسطة الحمل إلى القدرة الظاهرية (S) الكلية في الدائرة، ويعد معامل القدرة من أهم المعاملات في احتساب الطاقة الكهربائية المستهلكة، فهو يمثل نسبة القدرة التي يستفيد منها المستهلك بالنسبة للقدرة التي تصل إليه.

يرمز له عادة بالحرفين PF اختصارًا للجملة الإنجليزية (power factor). ويتم التعبير عنه إما كقيمة عشرية، على سبيل المثال 0.97، أو كنسبة مئوية:97٪. وقيمته تتراوح بين 0 إلى 1.

معامل القدرة المثالي يساوي 1 ويسمى (unity). يحدث هذا عند عدم وجود قدرة غير فعالة في الدائرة، وبالتالي فإن القدرة الظاهرة تساوي القدرة الفعالة.

ويعتبر الحمل الذي يمتلك معامل قدرة 1 هو الأكثر كفاءة. وهذا غير واقعي، حيث أن معامل القدرة في الواقع العملي أقل من 1. ويتم استخدام طرق مختلفة لتحسين معامل القدرة للمساعدة في زيادة قيمته إلى قيم مقاربة للحالة المثالية.

أهمية معامل القدرة

تكمن أهمية معامل القدرة في أنه يقيس مقدار فعالية نظام القدرة الكهربائي المستخدم، ويعني معامل القدرة المرتفع أن النظام الكهربائي يستخدم بفعالية كبيرة، بينما يشير معامل القدرة المنخفض إلى الاستخدام السيئ للنظام الكهربائي. وعندما يكون معامل القدرة مساويًا الواحد صحيح، فإن ذلك يعني أن كل القدرة المنتجة بواسطة النظام الكهربائي تستهلك لإنتاج العمل الفعال.

يؤثر انخفاض معامل القدرة على كفاءة الشبكة الكهربائية، وهذا بدوره يزيد من التكاليف الثابتة والتشغيلية على الشركة المزودة للكهرباء، لذلك تفرض الشركة المزودة للكهرباء غرامات مالية عالية قد تفوق رسوم الكهرباء المحصلة، على المستهلكين الذين لديهم معامل قدرة منخفض.

للمساعدة في فهم الموضوع بشكل أفضل، دعنا نتراجع خطوة إلى الوراء ونتحدث عن مفهوم القدرة.

مفهوم القدرة الكهربائية

القدرة هي إمكانية القيام بالعمل. وفي الكهرباء، القدرة الكهربائية هي مقدار الطاقة الكهربائية التي يمكن تحويلها إلى شكل آخر (حرارة، ضوء، وغيرها) لكل وحدة زمنية. القدرة رياضيًا تساوي الجهد ضرب التيار .

 يقدم كل من الملف والمكثف قدرًا معينًا من الممانعة الحثية والسعوية:

حيث يخزن الملف الكهربائي الطاقة الكهربائية في شكل طاقة مغناطيسية ويقوم المكثف بتخزين الطاقة الكهربائية في شكل مجال كهربائي. لا أحد منهم يبددها. وكذلك ينشأ فرق طور بين الجهد والتيار بسببهما. ومن ثم، فإن الدائرة بأكملها التي تتكون من المقاومة والملف والمكثف، يوجد فيها اختلاف في زاوية الطور بين مصدر الجهد والتيار.

يُسمى جيب التمام (CosФ) لزاوية الطور هذه بمعامل القدرة. يمثل هذا المعامل نسبة القدرة الكلية المستخدمة للقيام بالعمل المفيد. يتم تخزين الجزء الآخر من الطاقة الكهربائية في شكل طاقة مغناطيسية في الملفات أو طاقة كهربائية في المكثفات.

وتنقسم أنواع القدرة إلى ما يلي:

القدرة الفعالة (P) Active power: وهى القدرة التي تتحول إلى طاقة مفيدة بمرور الوقت وتقاس بالوات ويمكن إيجادها من المعادلة التالية:

P= S × CosФ

ونلاحظ أن القدرة الفعالة تعتمد على معامل القدرة كلما قلت قيمته انخفضت القدرة الفعالة في الشبكة.

القدرة غير الفعالة Reactive Power Q: لا تؤدي القدرة الغير الفعالة أي عمل مفيد، ولكنها مطلوبة لتوليد القدرة الفعالة. نشير إليها بالحرف “Q” ويتم إيجادها رياضيًا من خلال المعادلة:

Q=S×sinФ

ووحدتها VAR  تظل هذه القدرة تنتقل بين المصدر والحمل.

القدرة الظاهرة Apparent Power S: وهي إجمال القدرة الكلية ووحدتها هي فولت أمبير VA ويرمز لها بالحرف “S”. ويمكن إيجادها من القانون:

S=P/PF

للمساعدة في فهم هذا بشكل أفضل، يتم تمثيل كل هذه القدرة في شكل مثلث يسمى مثلث القدرة.

قانون معامل القدرة (power factor)

معامل القدرة يساوي القدرة الفعالة P مقسومةً على القدرة الظاهرة الكلية S كما يلي (P/S) ويساوي أيضًا COSФ. حيث أن Ф هي زاوية الطور بين الجهد والتيار وهي أيضًا زاوية الممانعة (impedance angle).

ويمكن التعبير عنه أيضًا بالعلاقة التالية:

والقدرة الفعالة هنا مقاسة بالكيلو وات والقدرة الظاهرية مقاسة بالكيلو فولت أمبير

تأثير و سلبيات إنخفاض معامل القدرة

يلعب معامل القدرة دورًا مهمًا في نظام التيار المتردد. لأن الطاقة المستهلكة تعتمد على هذا المعامل. وينتج عن power factor الأقل من الواحد المشاكل التالية:

1. زيادة تصنيف kVA و حجم المعدات الكهربائية

كما تعلم أن معظم الآلات الكهربائية (المحولات، المولدات) مصنفة بالكيلو فولت أمبير. ومن المعادلة أدناه يتضح أن معامل القدرة(PF) يتناسب عكسياً مع تصنيف kVA للآلات الكهربائية.
S = Power/ power factor
أي
kVA = kW / CosФ

لذلك، عند PF المنخفض، سيكون تصنيف الآلات أكبرK ‏و تصنيف kVA الكبير للمعدات الكهربائية يجعلها مكلفة وأكبر في الحجم.

2. التأثير على خطوط النقل

عند معامل القدرة المنخفض، لنقل كمية ثابتة من الطاقة بجهد ثابت، يجب على الموصل أن يحمل تيارًا أكبر.‏حيث أن التيار الذي يمكن للموصل نقله يتناسب طرديًا مع مساحة المقطع للموصل. ولنقل تيار عالي، هناك حاجة إلى خطوط نقل ذات موصلات أكبر حجمًا.

على سبيل المثال، إذا كان لديك محرك تيار متردد أحادي الطور بحمل 30kw عند التحميل الكامل بجهد طرفي 250V.
‏ عند معامل قدرة واحد، سيكون تيار الحمل الكامل:

30000/(250 * 1) = 120A

بينما عند معامل القدرة المنخفض مثلا 0.7 سيكون تيار الحمل الكامل:

30000/(250 * 0.7) = 171A

من المثال أعلاه، من الواضح أنه إذا كان المحرك يعمل عند PF أقل 0.7، فإنه يسحب تيار أكبر من لو كان يعمل عند قيمة تساوي الواحد، ومن ثم نحتاج حجم موصل أكبر عند PF المنخفض. وهذا يزيد من تكلفة الموصل.

3. مفاقيد نحاسية كبيرة وضعف في الكفاءة
كما تعلم أن المفاقيد النحاسية تتناسب طرديًا مع مربع التيار في الموصل. أيضًا، التيار يتناسب عكسياً مع معامل قدرة. ‏ومن خلال الجمع بين هذه العلاقات، يتضح أن المفاقيد النحاسية ستكون متناسبة عكسياً مع مربع معامل القدرة.

أي عند معامل قدرة منخفض يزداد التيار وبزيادة التيار تزداد الطاقة المفقودة في النظام. ونظرًا لانخفاض معامل القدرة، سيكون التيار أعلى وكذلك ستكون المفاقيد النحاسية أعلى. وكلما تزداد المفاقيد في خطوط النقل هذا يؤدي إلى ضعف كفاءة شبكة نظام الطاقة.

4. تنظيم الجهد المنخفض

نظرًا لأن عامل القدرة المنخفض يتسبب في سحب تيار كبير بواسطة المعدات الكهربائية. يؤدي التيار الكبير جدًا عند معامل القدرة المنخفض إلى إنخفاض الجهد في المولدات والمحولات وخطوط النقل. وهذا يؤدي إلى انخفاض الجهد المتاح في نهاية خطوط النقل عند الأحمال وبالتالي ضعف تنظيم الجهد.

لذا من أجل الحصول على الجهد النهائي في الحد المسموح به، نحتاج إلى تثبيت معدات تنظيم إضافية (منظم الجهد). وهذا يؤدي إلى زيادة التكلفة.

5. فرض غرامة مالية من شركات الطاقة الكهربائية

في المصانع والورش يتم مراقبة قيمة معامل القدرة من قبل شركات الكهرباء، وتفرض غرامة على المستهلك الذي يستخدم الآت تعمل على خفض معامل القدرة عن حد معين.

أسباب إنخفاض معامل القدرة

معامل القدرة المنخفض غير مرغوب فيه من الناحية الاقتصادية. و عادة ما يكون قيمته في الشبكة أكبر من 0.8 ومن الأسباب الرئيسية لمعامل القدرة المنخفضة هي بسبب الحمل الحثي.
فيما يلي الأسباب الرئيسية لعامل القدرة المنخفض:

1. الأحمال الحثية

90٪ من الحمل الصناعي يتكون من محركات حثية أحادية وثلاثية الطور. تسحب هذه الآلات magnetization current لتوليد المجال المغناطيسي وبالتالي العمل عند PF منخفض.

بالنسبة للمحركات الحثية، عادة ما يكون عامل القدرة منخفضًا للغاية (0.2 – 0.3) في ظروف التحميل الخفيف ويرتفع إلى 0.8 إلى 0.9 عند التحميل الكامل. الآلات الحثية الأخرى مثل المحولات، والمولدات، ومصابيح القوس، ومصابيح التفريغ الكهربائي، وما إلى ذلك تعمل أيضًا على خفض معامل القدرة.

2. تغير الحمل على نظام الطاقة

كما تعلم أن الأحمال على نظام الطاقة تختلف وان استخدامك للكهرباء يتفاوت طول اليوم، مرتفعة خلال الصباح والمساء ومنخفضة في أوقات أخرى. خلال فترة الحمل المنخفض يزداد جهد الإرسال مما يزيد من تيار ال magnatization. وينتج عن هذا انخفاض معامل القدرة.

3. التوافقيات Harmonics

يقلل وجود تيار التوافقيات Harmonics في النظام أيضًا من معامل القدرة. في بعض الحالات، بسبب التوصيلات غير المناسبة أو الحوادث الكهربائية التي يحدث فيها خلل في توازن الطاقة ثلاثية الطور. ينتج عن هذا عامل قدرة منخفض أيضًا.