ضریب توان (خازن و متعلقات)

ضریب توان در یک سیستم الکتریکی AC اصطلاحی است که به نسبت توان واقعی به توان ظاهری گفته میشود و مقداری بین ۰ تا ۱ دارد. توان واقعی در واقع توانایی یک مصرف کننده برای تبدیل انرژی الکتریکی به دیگر شکل‌های انرژی را نشان می‌دهد در حالی که توان ظاهری در اثر وجود اختلاف بین ولتاژ و جریان پدید می‌آید. با توجه به نوع بارها و میزان توان راکتیو آنها توان ظاهری می‌تواند از توان واقعی نیز بیشتر باشد.

کم بودن ضریب توان (بزرگ بودن توان ظاهری نسبت به توان واقعی) در یک مدار موجب بالا رفتن جریان در مدار و در نتیجه بالا رفتن تلفات در مدار می‌شود. در اصل ضریب توان میزان راندمان و کارکرد موثر را نشان می دهد . هر چه ضریب توان بالا تر باشد میزان راندمان بالاتر است .

به طور کلی در یک مدار AC می‌توان مصرف کننده‌ها را از نظر نوع مصرف انرژی الکتریکی به دو دسته تقسیم کرد: 1-مصرف کننده‌های اکتیو (مقاومتی)2-مصرف کننده‌های راکتیو (خازنی یا سلفی) انواع مختلف مصرف کننده‌ها در مدارهای الکتریکی رفتارهای متفاوتی از خود بروز می‌دهند؛ برای مثال مصرف کننده‌های اکتیو با تبدیل انرژی الکتریکی به شکل دیگری از انرژی، انرژی الکتریکی را مصرف می‌کنند. این رفتار در مصرف کننده‌های راکتیو کمی متفاوت است چرا که این مصرف کننده‌ها به جای مصرف انرژی الکتریکی این انرژی را ذخیره می‌کنند. این انرژی ذخیره شده تا زمانی در المان باقی می‌ماند که المان به وسیله یک جریان یا ولتاژ ثابت از طرف منبع تغذیه شود. با پایان یافتن روند تغذیه، مصرف کننده راکتیو شروع به جبران انرژی کاسته شده می‌کند بدین صورت که انرژی ذخیره شده خود را دوباره به مدار بازمی‌گرداند. در مدارهای DC این عملکرد بارهای راکتیو تأثیر زیادی بر روی عملکرد شبکه الکتریکی نمی‌گذارد اما در یک مدار AC به علت تغییر دایم میزان انرژی وارد شده به مدار بارهای راکتیو می‌توانند موجب ایجاد اختلال در عملکرد شبکه شوند به این صورت که در آغاز هر سیکل بارهای راکتیو مانند یک مصرف کننده از مدار انرژی دریافت می‌کنند و این انرژی را تا لحظه ماکسیمم یا پیک موج در خود نگاه می‌دارند. با کاهش یافتن روند تغذیه بار، این بار انرژی ذخیره شده خود را – که با توجه به نوع بار می‌تواند به صورت ولتاژ یا جریان باشد – به مدار بازمی‌گرداند این بازگشت انرژی تأثیرات خاصی را در مدار به دنبال خواهد داشت که به آنها خواهیم پرداخت.

در یک شبکه AC ، ولتاژ دو سر بارهای خازنی به طور مداوم در حال تغییراست(که خازن با این تغییر ، مخالفت می کند ) و باعث می شود ولتاژ نسبت به جریان پس فاز باشد . به عبارت دیگر ، جریان نسبت به ولتاژ پیش فاز است (Lead)بنابراین به این دستگاه ها تولید کننده توان راکتیو می گویند.و در بارهای سلفی دقیقا برعکس این موضوع می باشد و جریان نسبت به ولتاژ پس فاز است(Lag) و این بارها مصرف کننده توان راکتیو می باشند و در بارهای اهمی خالص جریان و ولتاژ با یکدیگر هم فاز می باشند.

مدارهایی که شامل مصرف‌کننده‌های کاملاً مقاومتی هستند (مانند لامپ‌های رشته‌ای، بخاری‌های برقی، اجاق‌های برقی و …) ضریب توانی برابر ۱ دارند در حالی که در مدارهایی که دارای بارهای راکتیو هستند (مانند خازن‌ها، موتورها، ترانسفورماتورها و…) ضریب توان کمتر از یک است. ضریب توان صفر در یک مدار بدین معناست که تمام بار مدار به صورت راکتیو است و در هر سیکل انرژی ذخیره شده در بار به منبع باز می‌گردد در حالیکه زمانیکه ضریب توان ۱ است تمام انرژی فرستاده شده به وسیله منبع در بار مصرف می‌شود.

ضریب توان یک بار با توجه به جهت زاویه بین جریان و ولتاژ می‌تواند پیش‌فاز یا پس‌فاز باشد. برای نشان دادن جهت این زاویه از علامت منفی یا مثبت نیز استفاده می‌شود. در بارهای القایی مانند موتورهای الکتریکی یا ترانسفورماتورها شکل موج جریان عقب‌تر از ولتاژ است در حالی که این مورد در بارهای خازنی مانند بانک‌های خازنی یا کابل‌های‌زیر زمینی درست برعکس است به این ترتیب که شکل موج جریان از شکل موج ولتاژ جلوتر است. با این حال هر دو نوع این بارها انرژی را در خود ذخیره می‌کنند با این تفاوت که در بارهای القایی انرژی به صورت میدان مغناطیسی و در بارهای خازنی انرژی به صورت میدان الکترواستاتیکی ذخیره می‌شود.

در صورتی که φ , را زاویه بین جریان و ولتاژ در نظر بگیریم، آنگاه برای به دست آوردن ضریب توان یا |Cos φ| خواهیم داشت:

ضریب توان در یک مدار تک فاز (یا یک مدار سه فاز متعادل) را می‌توان از روش وات‌متر- آمپرمتر- ولت‌متر اندازگیری کرد. به این ترتیب که توان به دست آمده به صورت وات (توان واقعی) را بر حاصل ضرب ولتاژ و جریان (توان ظاهری) تقسیم می‌کنیم. نسبت به دست آمده در واقع میزان ضریب توان بار است. البته ضریب توان در یک مدار سه فاز نامتعادل را نمی‌توان به این روش اندازه‌گیری کرد. برای اندازه‌گیری ضریب توان می‌توان از یک دستگاه اندازه‌گیری مستقیم ضریب توان نیز استفاده کرد. نوع انالوگ این دستگاه از دو قاب گردان الکترودینامیکی تشکیل شده است. این دو قاب گردان به صورت موازی به مدار متصل شده‌اند. اگر این دو قاب را A و B بنامیم در سر راه قاب A یک مقاومت و در سر راه قاب B یک القاگر قرار داده شده است به این ترتیب جریان در قاب B نسبت به قاب A با تاخیر همراه است. در حالتی که ضریب توان ۱ باشد جریان در قاب A با جریان مدار هم زاویه است و بنابراین گشتاور بیشینه در قاب A به وجود می‌آید و میزان ضریب توان را حداکثر مشخص می‌کند بنابراین ۱ بودن ضریب توان مشخص خواهد شد. در ضریب توان صفر، جریان جاری در قاب B با جریان مدار هم زاویه است و بنابر این گشتاور بیشینه در این قاب به وجود خواهد آمد که نشان دهنده مینیمم بودن ضریب توان است.

در ضریب توان‌های بین این دو مقدار دستگاه اندازه‌گیری با توجه به نسبت گشتاور در دو قاب میزان ضریب توان را مشخص می‌کند.نوع دیگری از دستگاه‌های اندازه‌گیری مستقیم ضریب توان دستگاه‌های دیجیتال هستند. این دستگاه‌ها با اندازه‌گیری میزان اختلاف زمانی بین شکل موج جریان و ولتاژ یا اندازه‌گیری میزان توان ظاهری و توان واقعی میزان ضریب توان را تشخیص می‌دهند. روش اول – یعنی اندازه‌گیری میزان اختلاف بین جریان و ولتاژ – تنها در صورتی قابل استفاده است که شکل موج جریان و ولتاژ کاملاً سینوسی باشد. در بارهایی مانند یکسوکننده‌ها استفاده از این روش میزان درست ضریب توان را اندازه‌گیری نخواهد کرد.