ضریب توان (Power Factor یا Cosphi) یکی از مهمترین مفاهیم در سیستمهای AC (جریان متناوب) است که رابطه مستقیمی با کارایی، هزینهها و طول عمر تأسیسات الکتریکی از جمله سیم و کابلها دارد. ضریب توان پایین، یک عامل مخرب خاموش است که جریان کشیده شده از شبکه را به طور غیرضروری افزایش میدهد.
۱. تعریف ضریب توان و انواع قدرت
ضریب توان نسبت توان واقعی (کاربردی) به توان ظاهری (کل توان انتقالی) است. در یک سیستم ایدهآل، این نسبت برابر با 1 (یا 100%) است.
نوع قدرت | نماد | واحد | شرح |
قدرت واقعی (P) | P | وات (W)، کیلووات (kW) | قدرتی که واقعاً کار انجام میدهد (مانند چرخاندن موتور). |
قدرت راکتیو (Q) | Q | وار (VAR)، کیلووار (kVAR) | قدرتی که برای ایجاد میدان مغناطیسی (در موتورها و سلفها) مصرف میشود و کار مفیدی انجام نمیدهد. |
قدرت ظاهری (S) | S | ولت-آمپر (VA)، کیلوولت-آمپر (kVA) | حاصل جمع برداری P و Q. کل قدرتی که کابلها باید انتقال دهند. |
Power Factor = Cosphi = fracPS
۲. تأثیر ضریب توان پایین بر جریان و کابل
پایین بودن ضریب توان (مثلاً کمتر از 0.8) نشان میدهد که بخش زیادی از توان ظاهری (S) صرف تأمین توان راکتیو (Q) شده است. این موضوع به طور مستقیم جریان عبوری از کابل را افزایش میدهد.
الف) افزایش جریان انتقالی
فرمول جریان در سیستم سهفاز (380V):
I = fracPsqrt3 times V times Cosphi
- تحلیل: اگر توان واقعی (P) مورد نیاز یک موتور ثابت باشد، با کاهش Cosphi، مخرج کسر کوچکتر میشود و در نتیجه جریان (I) افزایش مییابد.
- مثال: یک موتور 10 کیلوواتی را در نظر بگیرید:
- Cosphi = 0.9: جریان مورد نیاز تقریباً 17.5 آمپر است.
- Cosphi = 0.6: جریان مورد نیاز تقریباً 26.3 آمپر است.
- نتیجه: برای تأمین همان کار مفید (10 kW)، سیستم با ضریب توان 0.6 مجبور است 50% جریان بیشتری را از کابلها عبور دهد.
ب) افزایش افت ولتاژ (Voltage Drop)
با افزایش جریان (I)، افت ولتاژ (DeltaV) در طول کابل افزایش مییابد (DeltaV = I times R؛ R مقاومت کابل است).
- پیامد: افت ولتاژ بیش از حد مجاز (مثلاً 3%) باعث عملکرد ضعیف تجهیزات (مانند کاهش سرعت و گشتاور موتورها) و آسیب به آنها میشود.
ج) نیاز به سایزینگ مجدد و هزینههای اولیه
برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد کابل ناشی از جریان بالاتر، مهندس مجبور است از کابلی با سطح مقطع بزرگتر استفاده کند. این به معنای:
- افزایش چشمگیر هزینه اولیه: کابلهای ضخیمتر (مس) به مراتب گرانتر هستند.
- مصرف بیشتر مس: هدررفت منابع فلزی ارزشمند کشور.
- افزایش هزینههای نصب: کابلهای ضخیمتر نیاز به سینیها و لولههای بزرگتر دارند.
۳. راهکارهای اصلاح ضریب توان (Power Factor Correction)
هدف از اصلاح ضریب توان، کاهش توان راکتیو (Q) و نزدیک کردن ضریب توان به 1 (معمولاً 0.9 به بالا) است.
الف) نصب خازنهای اصلاح ضریب توان
رایجترین و اقتصادیترین روش، نصب بانکهای خازنی (Capacitor Banks) است.
- علت: بارهای صنعتی (موتورها) ذاتاً سلفی هستند و توان راکتیو سلفی مصرف میکنند. خازنها، توان راکتیو خازنی تولید میکنند که اثر سلفها را خنثی کرده و جریان راکتیو مورد نیاز از شبکه را کاهش میدهد.
- انواع نصب:
- اصلاح مرکزی: نصب یک بانک خازنی بزرگ در تابلوی اصلی کارخانه.
- اصلاح گروهی: نصب خازن برای گروهی از موتورها.
- اصلاح انفرادی: نصب خازن کوچک به موازات هر بار سلفی بزرگ (بهترین روش).
ب) استفاده از تنظیمکنندههای فعال (Active Filters)
در مواردی که علاوه بر توان راکتیو، هارمونیکها (اغتشاشات فرکانسی) نیز در شبکه وجود دارند، از فیلترهای اکتیو استفاده میشود که قابلیت مدیریت همزمان هارمونیکها و توان راکتیو را دارند.
۴. تأثیر اصلاح ضریب توان بر صرفهجویی در مس و کاهش هزینهها
اصلاح ضریب توان یک سرمایهگذاری است که بازگشت سریع سرمایه دارد و فواید متعددی را در پی دارد:
۱. صرفهجویی در مصرف مس (کاهش سایزینگ)
- با بهبود ضریب توان از 0.7 به 0.95، جریان خط کاهش مییابد. این کاهش جریان به مهندس اجازه میدهد تا از کابلهایی با سطح مقطع کوچکتر استفاده کند.
- تأثیر بر هزینههای اولیه: کاهش سایز کابل (مخصوصاً در کابلهای ورودی اصلی که بسیار ضخیم هستند) به معنای صرفهجویی چند ده تا چند صد میلیون تومانی در هزینه مس است.
۲. کاهش اتلاف انرژی حرارتی (جلوگیری از I^2R Loss)
- اتلاف انرژی در کابلها به صورت گرما (P_Loss = I^2R) است. با کاهش جریان (I)، اتلاف توان به صورت تصاعدی (I به توان دو) کاهش مییابد. این امر:
- هزینههای برق مصرفی را کاهش میدهد.
- عمر عایق کابلها را افزایش میدهد (چون دمای کارکرد پایین میآید).
۳. جریمههای شرکت برق
- بسیاری از شرکتهای توزیع برق در ایران، مصرفکنندگان صنعتی با ضریب توان کمتر از یک حد مجاز (معمولاً 0.9 یا 0.85) را جریمه میکنند. اصلاح ضریب توان، مستقیماً این جریمهها را حذف میکند.
۴. بهبود ولتاژ سیستم
- کاهش جریان باعث میشود افت ولتاژ در مسیر کابل کاهش یابد و ولتاژ ترمینال دستگاهها به سطح استاندارد نزدیک شود و عملکرد آنها بهبود یابد.
