توان راکتیو و اهمیت آن در شبکه برق

چکیده

یکی از مباحث مهم فنی اقتصادی در صنعت برق که به عنوان یکی از موضوعات کیفیت توان الکتریکی شناخته می شود مسئله توان راکتیو و شاخص مهم آن یعنی ضریب قدرت (توان) هست. اما توان راکتیو چیست و چه تفاوتی با توان اکتیو یا توان متوسط دارد؟

عناوین مهم این مقاله

مفهوم توان راکتیو

در شبکه برق کلیه تجهیزات AC که ساز و کار آن ها مبتنی بر میدان مغناطیسی است و به عبارت ساده تر به نحوی از سیم پیچی درون آن ها استفاده می شود برای کارکرد موثر و ایجاد میدان مغناطیسی لازم، نیاز به جریان سلفی دارند. به طور مثال موتورهای الکتریکی جهت تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی نیاز به میدان مغناطیسی دارند که ایجاد آن نیازمند جریان و به عبارت دیگر توانی است که از شبکه برق تامین شود. در حقیقت اینگونه تجهیزات بخشی از جریان الکتریکی دریافتی از شبکه را صرف ایجاد میدان مغناطیسی (جریان راکتیو) و بخشی از آن را صرف انجام کار به صورت مکانیکی، حرارتی و یا نورانی (جریان اکتیو) می کنند. بنابراین در تجهیزات AC الکترومغناطیسی، جریان دریافتی از شبکه از دو مولفه اکتیو و راکتیو تشکیل می شود. مولفه اکتیو یا متوسط بخشی از جریان است که صرف ایجاد انرژی یا کار مکانیکی، نورانی و حرارتی (و یا دیگر انواع انرژی) می شود و مولفه راکتیو بخشی از جریان است که صرف ایجاد سازوکار موردنیاز برای تبدیل انرژی یعنی همان ایجاد میدان مغناطیسی.

به زبان ریاضی جریان این تجهیزات از دو مولفه که 90 درجه با یکدیگر اختلاف فاز دارند (جریان 90 درجه از ولتاژ عقب تر یا پس فاز است) تشکیل شده است. مولفه اکتیو، با ولتاژ ورودی تجهیز همفاز است و نشان دهنده میزان بار مقاومتی است و مولفه راکتیو 90 درجه با ولتاژ اختلاف فاز دارد و نشان دهنده میزان بار سلفی (مغناطیسی) است. کل توان دریافتی از شبکه که در حقیقیت برآیند توان اکتیو و راکتیو می باشد به عنوان توان ظاهری شناخته می شود و برابر با حاصلضرب جریان در ولتاژ موثر است.

اما همان طور که تجهیزات AC الکترومغناطیسی برای کارکرد موثرشان نیازمند جریان یا توان راکتیو هستند برخی از المان های دیگر در شبکه که کارکردشان مبتنی بر میدان های الکتریکی است به جای اخذ جریان راکتیو آن را تولید یا به شبکه تزریق می کنند. خازن ها در شبکه برعکس سلف ها و سیم پیچی ها به جای مصرف توان راکتیو آن را تولید و به شبکه تحویل می دهند. زیرا جریان موردنیاز خازن ها به جای اینکه 90 درجه از ولتاژ آن ها عقب تر باشد 90 درجه جلوتر است (پیش فاز).

اما با توجه به اینکه عمده تجهیزات پرقدرت در صنعت برق  که وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی را برعهده دارند(نظیر انواع ماشین های الکتریکی) با سازوکارهای مغناطیسی کار کرده و نیازمند توان یا جریان راکتیو هستند مسئله اصلی، تامین این توان توسط شبکه برق می باشد.

اما برای فهم بیشتر ماهیت توان راکتیو توجه به این نکته کمک کننده است که وقتی صحبت از مصرف توان اکتیو یا متوسط می شود یعنی انرژی الکتریکی دریافتی از شبکه به انواع دیگر انرژی ها نظیر مکانیکی، نورانی، حرارتی و غیره جهت کاربردهای مختلف تبدیل می شود و به طور معادل تولید توان اکتیو یا متوسط به معنای تبدیل یا مصرف منابع انرژی در طبیعت اعم از سوخت های فسیلی، انرژی آب های ذخیره شده، انرژی خورشیدی، بادی و غیره و تبدیل آن ها به انرژی الکتریکی است که همه این ها رابطه مستقیم با هزینه های اقتصادی دارد. اما وقتی صحبت از مصرف توان راکتیو می شود به این معنی نیست که بخشی از منابع انرژی در حال مصرف می باشد بلکه توان راکتیو صرف ایجاد سازوکارهای تبدیل انرژی یعنی ایجاد میدان های مغناطیسی می گردد. در حقیقت توان راکتیو بین منبع انرژی و بار الکتریکی به صورت دائمی رد و بدل می شود و این تبادل اثرات جانبی نامطلوبی بر شبکه برق دارد که منجر به تحمیل هزینه های متعدد اقتصادی می گردد. از این رو برای تولید و تامین توان راکتیو تجهیزات AC نیازی به مصرف منابع انرژی در طبیعت و یا تامین آن توسط شبکه برق نمی باشد بلکه می توان از المان های جبران ساز در هر محل برای تولید این توان استفاده نمود. هر باری که ماهیت خازنی داشته باشد می تواند جریان راکتیو موردنیاز بارهای سلفی یا بارهای الکترومغناطیسی را تامین کند بدون آنکه شبکه برق در تولید و تامین آن دخالتی داشته و هزینه های ناشی از آن بر شبکه تحمیل شود.

اما همان طور که تجهیزات AC الکترومغناطیسی برای کارکرد موثرشان نیازمند جریان یا توان راکتیو هستند برخی از المان های دیگر در شبکه که کارکردشان مبتنی بر میدان های الکتریکی است به جای اخذ جریان راکتیو آن را تولید یا به شبکه تزریق می کنند. خازن ها در شبکه برعکس سلف ها و سیم پیچی ها به جای مصرف توان راکتیو آن را تولید و به شبکه تحویل می دهند. زیرا جریان موردنیاز خازن ها به جای اینکه 90 درجه از ولتاژ آن ها عقب تر باشد 90 درجه جلوتر است (پیش فاز).

اما با توجه به اینکه عمده تجهیزات پرقدرت در صنعت برق  که وظیفه تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی را برعهده دارند(نظیر انواع ماشین های الکتریکی) با سازوکارهای مغناطیسی کار کرده و نیازمند توان یا جریان راکتیو هستند مسئله اصلی، تامین این توان توسط شبکه برق می باشد.

اما برای فهم بیشتر ماهیت توان راکتیو توجه به این نکته کمک کننده است که وقتی صحبت از مصرف توان اکتیو یا متوسط می شود یعنی انرژی الکتریکی دریافتی از شبکه به انواع دیگر انرژی ها نظیر مکانیکی، نورانی، حرارتی و غیره جهت کاربردهای مختلف تبدیل می شود و به طور معادل تولید توان اکتیو یا متوسط به معنای تبدیل یا مصرف منابع انرژی در طبیعت اعم از سوخت های فسیلی، انرژی آب های ذخیره شده، انرژی خورشیدی، بادی و غیره و تبدیل آن ها به انرژی الکتریکی است که همه این ها رابطه مستقیم با هزینه های اقتصادی دارد. اما وقتی صحبت از مصرف توان راکتیو می شود به این معنی نیست که بخشی از منابع انرژی در حال مصرف می باشد بلکه توان راکتیو صرف ایجاد سازوکارهای تبدیل انرژی یعنی ایجاد میدان های مغناطیسی می گردد. در حقیقت توان راکتیو بین منبع انرژی و بار الکتریکی به صورت دائمی رد و بدل می شود و این تبادل اثرات جانبی نامطلوبی بر شبکه برق دارد که منجر به تحمیل هزینه های متعدد اقتصادی می گردد. از این رو برای تولید و تامین توان راکتیو تجهیزات AC نیازی به مصرف منابع انرژی در طبیعت و یا تامین آن توسط شبکه برق نمی باشد بلکه می توان از المان های جبران ساز در هر محل برای تولید این توان استفاده نمود. هر باری که ماهیت خازنی داشته باشد می تواند جریان راکتیو موردنیاز بارهای سلفی یا بارهای الکترومغناطیسی را تامین کند بدون آنکه شبکه برق در تولید و تامین آن دخالتی داشته و هزینه های ناشی از آن بر شبکه تحمیل شود.

اهمیت توان راکتیو و مشکلات ناشی از آن

اما مصرف توان راکتیو توسط تجهیزات  الکتریکی و تامین این توان توسط شبکه برق می تواند مشکلات متعدد فنی و اقتصادی ایجاد نماید.

  • افزایش تلفات انرژی

توان راکتیو هرچند به طور مستقیم به اتلاف منابع انرژی منجر نمی شود اما به دلیل عبور جریان راکتیو از هادی ها، به تلفات انرژی در شبکه منجر می شود.

  • افت ولتاژ و ناپایداری آن

 از سوی دیگر توان راکتیو بر پایداری ولتاژ در شبکه برق تاثیر زیادی می گذارد. مصرف توان راکتیو منجر به افت ولتاژهای قابل توجه در شبکه می گردد و اگر میزان مصرف آن متغیر باشد (که متناظر با تعداد بارهای راکتیو موجود در هر لحظه از زمان است) به شدت به ناپایداری ولتاژ در شبکه منجر می شود که چالش ها و خسارت های متعددی به دنبال دارد.

  • اشغال ظرفیت خطوط و افزایش ظرفیت نامی تجهیزات

از دیگر اثرات نامطلوب مصرف توان راکتیو اشغال ظرفیت خطوط و تجهیزات در شبکه برق است. به عبارت دیگر با توجه به اینکه بخشی از جریان عبوری از شبکه صرف ایجاد توان راکتیو می گردد میزان ظرفیت کل مجاز عبوری از هادی ها و تجهیزات شبکه نظیر ترانسفورمرها و سوییچ های قدرت برای بخش اصلی توان یعنی توان اکتیو که به طور مستقیم توسط بارها مصرف می شود اشغال می شود. وقتی توان راکتیو بالا باشد نیاز به افزایش قطر هادی ها و کابل ها، افزایش ظرفیت نامی ترانسفورمرها و سوییچ های قدرت و تجهیزات مشابه می باشد که منجر به تحمیل هزینه های سنگین می گردد. در واقع اگر مصرف کنندگان توان راکتیو بخواهند این توان را از شبکه برق تامین کنند به شدت ظرفیت شبکه را اشغال نموده و هم خود و هم سایر مصرف کنندگان جهت تامین انرژی الکتریکی بیشتر نیاز به افزایش ظرفیت خواهند داشت که منجر به ایجاد چالش های جدی برای شبکه خواهد شد.

همه این مسائل و مشکلات باعث شده است که سرویس دهنده شبکه برق مشترکینی که نیاز به توان راکتیو زیادی دارند نظیر صنایع گوناگون را ملزم نماید تا این توان را به جای تامین از شبکه، خود تامین نمایند. همان طور که گفته شد راه تامین این توان استفاده از ادوات جبران ساز(تولیدکننده) توان راکتیو است که خود به انواع مختلفی تقسیم می شوند. انواع بانک های خازنی یا جبران سازهای استاتیکی از جمله این ادوات هستند که در مقالات بعدی بدان خواهیم پرداخت.

ضریب قدرت (توان) و جریمه ناشی از پایین بودن آن

همان طور که گفتیم، توان الکتریکی از دو مولفه اکتیو(با واحد وات و نماد W)  و راکتیو (با واحد وار و نماد Var) تشکیل شده است که برآیند آن ها به عنوان توان ظاهری شناخته می شود. توان ظاهری که با واحد ولت-آمپر(VA) شناخته می شود تعیین کننده ظرفیت نامی تجهیزات در شبکه می باشد. به طور مثال ظرفیت ترانسفورمرها با همین واحد بیان می شوند. یکی از شاخص های مهم مصرف توان راکتیو که جریمه های اقتصادی نیز بر مبنای آن محاسبه می شود ضریب قدرت یا ضریب توان است. ضریب قدرت برابر است با نسبت توان اکتیو به توان ظاهری. این نسبت هرچه به عدد 1 نزدیک باشد نشان دهنده پایین بودن مصرف توان راکتیو و هرچه کمتر باشد نشان دهنده حجم زیاد توان راکتیو مصرفی می باشد. در صورت خطی بودن بار می توان به صورت معادل ضریب قدرت را به صورت کسینوس اختلاف فاز ولتاژ و جریان بیان نمود چیزی که به طور معمول به نام کسینوس­فی شناخته می­شود. در تعرفه برق برای مشترکین غیرخانگی با قدرت بیش از 30 کیلووات در صورتی که متوسط ضریب قدرت در طول یک دوره مصرف زیر 0.9 باشد جریمه لحاظ خواهد شد. این جریمه با ضریبی به نام ضریب زیان محاسبه و بر روی قبوض برق اعمال می گردد.

جبران توان راکتیو

اولین گام در جبران توان راکتیو و کاهش نتایج نامطلوب ناشی از آن، پایش و ثبت ضریب قدرت و همچنین الگوی مصرف یا پروفایل مصرف توان راکتیو می باشد. ضریب قدرت به کمک دستگاه های کسینوس­فی متر قابل اندازه گیری و نمایش است اما برای اندازه­ گیری دقیق تر این شاخص در تمامی شرایط اعم از شرایطی که بارهای موجود غیرخطی و هارمونیکی باشند و همچنین ثبت مقادیر آن در طولانی، مدت نیاز به دستگاه های ثبات کیفیت توان (پاورآنالایزر/دیتالاگر) می باشد. برای انتخاب نحوه جبران توان راکتیو نیازبه سنجش سایر پارامترهای کمی و کیفی توان نظیر هارمونیک ها نیز می باشد. بعد از استخراج گزارش های مناسب کیفیت توان بر حسب نوع و شرایط بارهای الکتریکی می توان از روش های مختلف جبران سازی توان راکتیو استفاده نمود که در مقالات بعدی بدان خواهیم پرداخت.

2 دیدگاه دربارهٔ «توان راکتیو و اهمیت آن در شبکه برق»

  1. سلام. لطفا در مورد توان راكتیو در رکتیفایرهای تریستوری هم توضیح بدید.

دیدگاه‌ خود را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

پیمایش به بالا