توان راکتیو

بازدید: 1995

توان راکتیو را می‌توان در بهترین حالت، به‌عنوان یک کمیت “بدون استفاده” توصیف کرد؛ که توسط المان های راکتیو مدارAC تولید می‌شود.

در یک مدار DC، “ولت* آمپر” توان مصرف‌شده در مدار برحسب وات است. با این‌وجود، اگرچه این فرمول برای مدارهای AC کاملا مقاومتی نیز صادق است؛ اما در مدارهای AC حاوی المان های راکتیو، وضعیت کمی پیچیده‌تر می‌شود، زیرا ولت*آمپر با فرکانس تغییر می‌کند.

در یک مدار AC، ولتاژ و جریان برحسب ولت-آمپر ( VA ) یا کیلو ولت-آمپر ( kVA ) بیان می‌شود؛ که با نام توان ظاهری شناخته می‌شود و نماد آن S است. در یک مدار کاملا مقاومتی غیرالقایی، مانند بخاری، اتو، کتری و لامپ‌های رشته‌ای و غیره، راکتانس عملا صفر است و از این‌رو امپدانس مدار تقریبا به طورکامل تنها از یک مقاومت تشکیل شده‌است.

برای یک مدار مقاومتی AC، جریان و ولتاژ هم‌فاز بوده و توان در هر لحظه‌ای، به‌صورت ضرب جریان در ولتاژ همان لحظه به‌دست می‌آید و به‌دلیل رابطه”هم‌فاز”، از مقادیر rms می‌توان برای یافتن توان DC یا اثر گرمایی معادل استفاده کرد.

اگر مدار دارای المان های راکتیو باشد؛ شکل موج‌های جریان و ولتاژ با یک زاویه‌فاز معین، “غیرهم‌فاز” می‌باشند. اگر زاویه‌فاز بین جریان و ولتاژ حداکثر °90 باشد؛ ولت*آمپر دارای مقادیر برابر مثبت و منفی خواهد بود. به بیان دیگر، مدار راکتیو، به‌اندازه ای که توان مصرف می‌کند به منبع تغذیه برمی‌گرداند؛ از این‌رو، توان مصرفی متوسط مدار، صفر است؛ زیرا همان مقدار انرژی، به طور متناوب از منبع بار رفته و به بار به منبع برمی‌گردد.

به دلیل این‌که، ولتاژ و جریان وجود دارد اما توان توزیع نمی‌گردد؛ P=IV (rms) دیگر معتبر نیست و درنتیجه، نتیجه‌ی ولت*آمپر در یک مدار AC، لزوما توان مصرفی نیست. برای تعیین توان واقعی یا توان اکتیو که نماد P دارد و توسط مدار مصرف می‌شود؛ نه‌تنها ولت * آمپر بلکه زاویه‌فاز بین شکل‌موج جریان و ولتاژ که با معادله VI.cosΦ بیان می‌شود را نیز باید در نظر بگیریم. می‌توانیم رابطه بین توان ظاهری و اکتیو و راکتیو را به‌صورت زیر بنویسیم:

توجه داشته‌باشید؛ که نسبت توان اکتیو برحسب وات به توان ظاهری برحسب ولت-آمپر، به عنوان ضریب توان ( PF ) تعریف می‌شود و نشان‌دهنده‌ی چگونگی استفاده برق به طور موثر است. در یک مدار غیرالقایی مقاومتی AC، توان اکتیو برابر با توان ظاهری است و کسر P/S برابر با یک می‌شود. ضریب توان مدارها را می‌توان برحسب اعشار یا درصد بیان نمود.

اما علاوه بر توان‌های اکتیو و ظاهری، در مدارهای AC، یک جزء توان دیگری وجود دارد که تنها زمانی وجود دارد؛ که زاویه‌فاز موجود باشد. این جزء توان راکتیو خوانده می‌شود (گاهی اوقات به‌عنوان توان موهومی نیز شناخته می‌شود) این توان برحسب “ولت-آمپر راکتیو” ( VAr ) توصیف می‌شود، نمادآن Q بوده و با معادله VI.sinΦ بیان می‌گردد.

توان راکتیو یا VAr، در واقع، توان نیست اما محصولی برحسب ولت-آمپر است؛ زمانی‌که خارج از فاز بودن رخ می‌دهد. توان راکتیو بخشی از الکتریسیته است؛ که به ایجاد و حفظ میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی موردنیاز تجهیزات جریان متناوب کمک می‌کند. مقدار توان راکتیو در یک مدار AC به تغییر فاز یا زاویه‌فاز بین ولتاژ و جریان بستگی دارد و دقیقا مانند توان اکتیو، توان راکتیو هنگام “تامین شدن” مثبت و هنگام “مصرف” منفی است.

توان راکتیو، توسط بیشتر انواع تجهیزات الکتریکی که از میدان مغناطیسی استفاده می‌کنند؛ مانند موتورها، ژنراتورها و تراسفورماتورها استفاده می‌شود. هم‌چنین این توان، برای تامین تلفات راکتیو در خطوط انتقال برق لازم است. رابطه سه جز توان، توان اکتیو ( وات )، توان ظاهری ( VA ) و توان راکتیو ( VAr ) در یک مدار AC را می‌توان با سه ضلع مثلث قائم‌الزاویه نشان داد. مثلث توان به صورت زیر نشان داده شده است:

توان در مدار AC

از مثلث توان بالا می‌توان دریافت؛ که مدارهای AC، دو نوع توان را تامین یا مصرف می‌کنند: توان اکتیو و توان راکتیو. هم‌چنین، توان اکتیو هرگز منفی نیست؛ درحالی‌که توان اکتیو می‌تواند دارای ارزش مثبت و منفی باشد؛ پس کاهش قدرت توان راکتیو، به‌منظور بهبود کارایی سیستم همیشه سودمند است.

مزیت اصلی استفاده از توزیع برق الکتریکی AC، این است که؛ می‌توان سطح ولتاژ منبع تغذیه را با استفاده از ترانسفورماتورها تغییر دارد. اما ترانسفورماتورها و موتورهای القایی لوازم خانگی، تهویه هوا و تجهیزات صنعتی، همگی انرژی راکتیو مصرف کرده که هادی‌های بزرگتر فضای خطوط انتقال را اشغال می‌کنند و برای ترانسفورماتورها، نیاز به کنترل جریان‌های بزرگتر است که باید برای آن، هزینه پرداخت شود.

از بسیاری جهات، می‌توان توان راکتیو را مانند کفِ روی یک پیمانه یا لیوان ماء‌الشعیر درنظرگرفت. شاید ابتدا تصور شود که یک لیوان ماء‌الشعیر، یک لیوان کامل است، اما درواقعیت، همیشه کمتر از یک لیوان پر است و دلیل آن، این است که کف ماء‌الشعیر فضای هدر رفته اضافی در لیوان را اشغال می‎کند و فضای کمتری برای مایع واقعی آن باقی می‌گذارد و این ایده از بسیاری از جهات برای توان راکتیو نیز صادق است.

برای بسیاری از کاربردهای صنعتی، توان راکتیو اغلب برای داشتن مدارالکتریکی مفید است, درحالی‎‌که توان اکتیو یا واقعی، انرژی تامین‌شده برای کارکردن موتور، گرمایش خانه یا روشن‌کردن لامپ الکتریکی است. توان راکتیو، عملکرد مهم تنظیم ولتاژ را فراهم می‌کند و درنتیجه به انتقال موثر انرژی از طریق شبکه و خطوط انتقال برق کمک می‌کند؛ جایی که برای بار موردنیاز است.

باوجود این‌که کاهش توان راکتیو برای کمک به بهبود ضریب توان و کارایی سیستم امری مفید است؛ اما یکی از معایب توان راکتیو این است که برای کنترل ولتاژ و غلبه بر تلفات در شبکه انتقال، مقدار کافی از آن لازم است و دلیل آن این است که اگر ولتاژ شبکه الکتریکی به اندازه کافی بالا نباشد؛ نمی‌توان برق اکتیو را تامین کرد. اما داشتن بیش از حد توان راکتیو در شبکه، می‌تواند سبب گرم‌شدن بیش حد ( تلفات I²R )، افت ولتاژ نامطلوب و ازبین رفتن توان در امتداد خطوط انتقال شود.

تصحیح ضریب توان برای توان راکتیو

یک راه برای جلوگیری از شارژهای توان راکتیو، نصب خازن‌های اصلاح ضریب توان است. معمولا ساکنان مناطق مسکونی، فقط برای توان اکتیو مصرف شده در کیلووات ساعت ( kWhr ) شارژ می‌شوند؛ زیرا تقریبا تمام مقادیر ضریب توان مناطق مسکونی و تک‌فاز اساسا یکسان بوده، زیرا خازن‌های اصلاح ضریب توان توسط سازنده‌های بیشتر لوازم خانگی تعبیه شده‌است.

از طرف دیگر، مصرف‌کنندگان صنعتی که از منبع سه‌فاز استفاده می‌کنند؛ دارای ضرایب توان کاملا متفاوتی می‌باشند و از این‌رو، اگر ضریب توان آن‌ها کمتر از مقدار تعیین‌شده شود، ممکن است اداره برق مجبور شود، ضریب توان این مصرف‌کنندگان صنعتی را با جریمه درنظر بگیرد؛ زیرا تامین برق برای مصرف‌کنندگان صنعتی در شرکت‌های برق هزینه بیشتری دارد، چون نیاز به رساندن جریان‌های بزرگتر، به هادی‌های بزرگتر، ترانسفورماتورهای بزرگتر، تابلو برق بزرگتر و غیره است.

درحالت کلی، برای یک بار با ضریب‌توان کمتر از 0.95، توان راکتیو بیشتری نیاز است؛ اما یک بار، با ضریب توان بیشتر از آن، به دلیل مصرف انرژی به‌طور موثرتر، خوب تلقی می‌شود. بار با ضریب توان 1، کامل است و از هیچ توان راکتیوی استفاده نمی‌کند.

دیدیم که “توان ظاهری”، ترکیبی از ” توان راکتیو ” و ” توان اکتیو ” است. توان اکتیو یا واقعی مداری است که فقط دارای اجزای مقاومتی است؛ درحالی‌که توان راکتیو، از مدار حاوی اجزای خازنی و القایی حاصل می‌شود. تقریبا تمام مدارهای AC، ترکیبی از این اجزای R، L و C می‌باشد.

ازآن‌جایی، که توان راکتیو دربرابر توان اکتیو برنده است ؛ باید در یک سیستم الکتریکی در نظر گرفته شود تا اطمینان حاصل شود که توان ظاهری تامین شده، برای تامین بار کافی است. این یک جنبه مهم در درک منبع برق AC است؛ زیرا منبع تغذیه، باید توانایی تامین ولت- آمپر (VA) لازم را برای هر بار مشخصی داشته باشد.