شرح معامل القدرة مع مثال عملي على تصحيح معامل القدرة


سأشرح لكم في هذا الموضوع عن معامل القدرة (Power Factor) و كيفية تصحيحها

ما هو معامل القدرة:

في البداية يجب أن تعرف أن هناك 4 أنواع من الأحمال الكهربائية :

 1-ممانع (Resistive Load)
مثل السخانات و أجهزة التدفئة و مصابيح المتوهجة و المكواة و ... الخ.

2-سعوي (Capacitive Load)
مثل المكثفات

3-حثي (Inductive Load)
مثل الثلاجة, الغسالة, مكنسة الكهربائية, مروحة و كل جهاز يحتوي على محرك كهربائي

4- هارمونيك (Harmonic Load) الشرح في نهاية هذه الصفحة
مثل مصابيح الإقتصادية, تلفاز, رسيفر, شاحنة الهاتف و الحاسوب, و ... الخ.

الفرق مابين هذه الأحمال هو إختلاف زاوية مابين طور الجهد و طور التيار(Phase shaft) كما موضح في الصورة التالية:
في الأحمال الكهربائية من نوع الممانع الزاوية ما بين طور التيار و طور الجهد يساوي صفر أي أن التيار و الجهد يبدأ من نفس النقطة لذا معامل القدرة تساوي 1 بينما في الأحمال الحثية الجهد يسبق التيار يسمى (Lagging) أما في الأحمال السعوية التيار يسبق الجهد و يسمى (Leading).

شرح معامل القدرة


في كل جهاز كهربائي هناك ثلاث أنواع من القدرات الكهربائية :

1-القدرة الحقيقية(Real Power P)
 هي القدرة التي تعطينا الحرارة أو الحركة أو ...الخ في الأجهزة الكهربائية

2-القدرة الظاهرية(Apparent Power S)
 هي القدرة التي تساوي حاصل ضرب التيار في الجهد, في أحمال الممانعة القدرة الظاهرية تساوي القدرة الحقيقية

3-القدرة الغير حقيقية أو الراجعة أو الغير فعالة (Reactive Power Q)
هي القدرة الراجعة من الجهاز الكهربائي الحثي أو السعوي و هي قدرة غير مفيدة و فقط تسبب إرتفاع التيار خلال الأسلاك بدون أي فائدة لذا نسعى دائما للتخلص منها أو تقليلها قدر الإمكان

يتم توضيح هذه الثلاث قدرات بإستخدام مثلث القدرة (Power Triangle)

مثال عملي على تصحيح معامل القدرة


 لكي تفهم الفرق ما بين الثلاث قدرات التي تم ذكرها, تصور أن لديك علبة شبس, هل كل العلبة التي تشتريها تحتوي على رقائق البطاطا؟
بالتأكيد لا فهي تحتوي على هواء + رقائق بطاطا
نفس الفكرة بالنسبة لقدرة الجهاز الكهربائي, فالقدرة التي يستهلكها الجهاز الكهربائي السعوي أو الحثي لن تتحول كلها إلى شغل (حرارة أو حركة) بل جزء منها قدرة راجعة ترمز بــ Q

مثال عملي على تصحيح معامل القدرة




معامل القدرة هو عدد ما بين 0 إلى 1 يعبر عن الزاوية ما بين طور الجهد و طور التيار في الأحمال الكهربائية, كل ما كان العدد أقرب لواحد كل ما كان أفضل.
معامل القدرة تساوي COS الزاوية لذا إذا كانت الزاوية مابين طور التيار و طور الجهد 0 فبالتالي COS 0 =1 إذن معامل القدرة يساوي واحد (حمل ممانع).

لماذا يجب تصحيح معامل القدرة؟ 

تصور معي أن لدينا جهازين بنفس القدرة مثلا 100 واط و بنفس الجهد 220 فولت لكن معامل القدرة لجهاز الأول 0.5 و جهاز الثاني يمتلك معامل القدرة 1
نحن نعرف بأن معادلة القدرة تساوي:


P=V * I * PF
حيث أن:
P = القدرة (واط)
V = الجهد (فولت)
I = التيار (أمبير)
PF = معامل القدرة
لو حسبنا المعادلة لجهازين في المثال الفوق سوف نكتشف شيء مهم جدا.
كما تشاهد في الصورة التالية بعد تطبيق المعادلة إكتشفنا بأن التيار المسحوب في الحمل ذات معامل القدرة 1 أقل بكثير من الحمل الآخر ذات معامل القدرة 0.5 مع أن الجهد و القدرة في كلا الجهازين متساوي تماما !!

مثال عملي على تصحيح معامل القدرة

هذا هو الهدف من رفع معامل القدرة فإذا كانت معامل القدرة قليلة تسبب رفع التيار في الأسلاك مما يدفع شركة الكهرباء لزيادة سمك الأسلاك فبالتالي زيادة الكلفة بإضافة إلى خسارة الطاقة أثناء عملية النقل من المحطة الكهربائية إلى بيوت الناس على شكل حرارة. لهذا السبب في بعض الدول يتم غرامة المشتركين الذين يمتلكون معامل القدرة أقل من 0.9 .
معامل القدرة لا تأثر على فاتورة الكهرباء لأن شركات الكهرباء تحاسب الناس على أساس القدرة الحقيقية(W) و ليس القدرة الظاهرية(VA) لكن هذا الأمر قد يحسن إستهلاك الكهرباء لمنازل التي تستخدم فيه إنفرتر كطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أو حتى مولدات التي تعمل على البنزين أو كازويل فكلها تعطيك كهرباء على أساس القدرة الظاهرية(VA) !!

كيف تصحح معامل القدرة :

تصحيح معامل القدرة  هي عملية تقليل القدرة الغير فعالة (Q) بواسطة ضخ قدرة غير فعالة أخرى لكن بإتجاه المعاكس.
بما أن أغلب الأحمال هي أحمال حثية مثل المحركات, مصابيح فلورسنت ذات ملف و ... الخ, لذا غالبا يتم تصحيح معامل القدرة بواسطة المكثفات , عن طريق ربط المكثف مع الحمل بالتوازي.
في الصورة التالية يمكنك مشاهدة مثلث القدرة قبل و بعد عملية التصحيح, حيث أن P سوف تبقى كما هي قبل و بعد التصحيح لكن Q و S  و الزاوية مابين S و P  أي θ يتم تقليلها.
في الحالة المثالية يجب أن تكون Q=0 و P=S

مثال عملي على تصحيح معامل القدرة
 مثال عملي عن تصحيح معامل القدرة:

نأخذ مثال عملي عن تصحيح معامل القدرة.
لدينا محرك صغير يعمل بجهد 230 فولت, في البداية نقوم بفحص المحرك لكي نعرف كم هي القدرة المستهلكة و كم هي معامل القدرة (لا تعتمد على القدرة المكتوبة على المحرك لأن أحيانا تكون غير دقيقة)


مثال عملي على تصحيح معامل القدرة

مثال عملي على تصحيح معامل القدرة

مثال عملي على تصحيح معامل القدرة

بعد فحص المحرك اكتشفنا أنه يستهلك 15.4 واط و معامل القدرة الخاص به قبل التصحيح هو 0.58
نريد أن نرفع معامل القدرة من 0.58 إلى 0.92,
احسب حجم المكثف المطلوب؟
في البداية يجب أن نحسب الزاوية قبل تصحيح معامل القدرة و نسميها θ1 , ثم نحسب القدرة الظاهرية قبل تصحيح معامل القدرة و نسميها S1, ثم نحسب القدرة الغير فعالة قبل التصحيح و نسميها Q1

مثال عملي على تصحيح معامل القدرة

ثم نعيد الحسابات و هذه المرة θ2 و S2 و Q2 لبعد التصحيح

مثال عملي على تصحيح معامل القدرة

و في النهاية يمكن حساب قيمة المكثف كالتالي:

شرح معامل القدرة مع مثال عملي على تصحيح معامل القدرة


إذن علينا ربط مكثف بقيمة 906 نانو فاراد أي 0.906 مايكروفاراد بالتوازي مع المحرك. (مكثف من نوع 400 فولت)
بما أن لا يوجد مكثف بقيمة 906 نانوفاراد بالضبط لذا تضطر إستخدام مكثف بقيمة أعلى قليلا أو أقل بقليل.
أنا شخصيا قمت بربط 3 مكثفات 330 نانوفاراد على التوازي مع بعض و إختبرت قيمة المحصلة. قيمة الحقيقية للمكثف تختلف عن القيمة الإسمية لأن هناك نسبة خطأ.  

مثال عملي على تصحيح معامل القدرة


و كما تشاهد في الصورة التالية نجحنا في رفع معامل القدرة من 0.58 إلى 0.94
ربما تسأل لماذا معامل القدرة أصبحت 0.94 بدلا من أن تصبح 0.92 كما هو الحال في الحسابات؟
 السبب وراء ذلك إني استخدمت مكثف بقيمة 953 نانو فاراد بدلا من 906 فبالتالي سوف ترتفع معامل القدرة أكثر من المتوقع بقليل, و من الطبيعي جدا أنك لن تجد مكثف في الأسواق بنفس القيمة التي تريدها. من الممكن أن توصل معامل القدرة إلى 1 بوضع مكثف أكبر.
لو نقارن الصورة قبل و بعد عملية تصحيح معامل القدرة سوف نلاحظ فرق كبير بين التيار المسحوب قبل و بعد , فتيار المسحوب كان سابقا 111 ميلي أمبير بينما أصبح 71 ميلي أمبير فقط بعد إضافة المكثف و هذا هو الغرض من تصحيح معامل القدرة.

مثال عملي على تصحيح معامل القدرة


طريقة سريعة و بسيطة لحساب قيمة المكثف:

هناك برنامج لهواتف الذكية يسمى Power Factor Correction يقوم بحساب مكثف المطلوب في جزء من ثانية فقط قم بتنصيب هذا البرنامج على هاتفك من جوجل بلاي و ثم قم بإدخال قيمة جهد الشبكة, التردد, معامل القدرة قبل التصحيح, معامل القدرة المطلوبة بعد التصحيح ثم إضغط على حساب أو (Calculate) سوف تظهر لك قيمة المكثف الذي يجب أن تربطه مع الحمل.
في الصورة التالية يمكنك أن ترى إني قمت بحساب المكثف في مثال السابق مرة أخرى هذه المرة عن طريق هذا البرنامج الجميل و النتيجة كانت صحيحة 100%
ملاحظة: في هذا البرنامج يجب إدخال قدرة الحمل على أساس كيلو واط (KW) و ليس واط (W)


شرح معامل القدرة مع مثال عملي على تصحيح معامل القدرةشرح معامل القدرة مع مثال عملي على تصحيح معامل القدرة


هل يمكن دائماً تصحيح معامل القدرة عن طريق إستخدام مكثف؟

كلا, المكثف يستخدم لغرض تصحيح معامل القدرة الخاصة بأحمال الحثية, هنالك أحمال لا يمكن تصحيح معامل القدرة الخاصة به بهذه السهولة, على سبيل المثال مصابيح الإقتصادية غالباً تمتلك معامل قدرة 0.6 تقريباً و لو ربطت مكثف معه سوف لن يتغير أو بالعكس سوف يقل معامل القدرة و السبب وراء ذلك هو أن طور التيار الخاص به إما ليس طور جيبي(Sinusoidal) أو تردده يختلف تماماً عن تردد طور الجهد. كما موضح في الصورة التالية,
هذه الأحمال تسمى Harmonic Loads و تستخدم لها طريقة خاصة تسمى APFC لتصحيح معامل القدرة الخاص به.
الخبر السيء هو أن كثير من الأحمال الموجودة في منازلنا هي من نوع Harmonic Loads مثل التلفاز (بجميع أنواعة LCD أو LED أو CRT ), مصابيح الإقتصادية, شواحن هواتف النقالة, رسيفر و ... الخ.
سوف أشرح عن طريقة تصحيح معامل القدرة الخاصة بهذه الأحمال في مواضيع القادمة إن شاء الله.

شرح معامل القدرة مع مثال عملي على تصحيح معامل القدرة




شارك الموضوع

مواضيع ذات صلة