توان راکتیو چیست و چرا مفید است؟

در سال‌های اخیر، کنترل توان راکتیو موضوع یک مطالعه سیستماتیک بوده است، زیرا نقش مهمی در حفظ پروفایل ولتاژ ایمن در یک سیستم انتقال در مقیاس بزرگ ایفا می‌کند. اگرچه محصول جانبی سیستم های جریان متناوب است، اما برای عملکرد قابل قبول سیستم های الکتریکی مختلف مانند خطوط انتقال، موتور، ترانسفورماتور و غیره مورد نیاز است. برای عملکرد تمام دستگاه های انرژی الکترومغناطیسی برای تولید میدان مغناطیسی ضروری است. در برخی موارد برای حفظ ولتاژ گره بالاتر به شدت به شبکه سیستم قدرت تزریق می شود. اجازه دهید اهمیت توان راکتیو را به طور خلاصه مورد بحث قرار دهیم. آیا توان راکتیو مفید است؟ اهمیت توان راکتیو

توان راکتیو چیست؟

کمیتی است که به یک مفهوم اساسی برای تجزیه و تحلیل و درک سیستم برق AC تبدیل شده است. به طور کلی، این کمیت فقط برای سیستم های الکتریکی جریان متناوب (AC) تعریف می شود. توان راکتیو یکی از مولفه های توان کل در یک مدار AC است که منشأ آن در تغییر فاز بین شکل موج ولتاژ سینوسی و جریان است. به عنوان دامنه نوسان توان بدون انتقال خالص انرژی تعریف می شود. توان‌راکتیو یک نتیجه یا محصول جانبی یک سیستم AC است که در هادی قدرت به جلو و عقب حرکت می کند، یعنی در طول نیم سیکل از یک منبع به اجزای راکتیو جریان می یابد و در طول نیم چرخه دیگر شکل موج AC به منبع باز می گردد.

بنابراین مقدار متوسط توان صفر است، که به این معنی است که بار هرگز توان‌راکتیو را مصرف نمی کند. در مورد مدار سه فاز، در هر لحظه توان راکتیو سه فاز به صفر می رسد. برای تمایز از توان اکتیو که کار مفیدی را انجام می دهد، توان‌راکتیو به جای وات، با “VAR” که مخفف Volt-Ampere-Reactive است اندازه گیری می شود.

ذخیره توان راکتیو

توان‌راکتیو به طور موقت به شکل میدان های الکتریکی یا مغناطیسی ذخیره می شود که به دلیل اجزای خازنی و القایی به جلو و عقب جریان می یابد. توان‌راکتیو می‌تواند توسط عناصر سیستم انتقال قدرت به ترتیب به‌دلیل حساسیت شنت و راکتانس سری، تولید و جذب شود. همانطور که بحث شد، منشأ آن در تغییر فاز است، اگر جریان عبوری از دستگاه از ولتاژ عقب بماند، آنگاه دستگاه توان‌راکتیو را مصرف می کند. بسته به تغییر فاز بین ولتاژ و جریان، میزان مصرف توان‌راکتیو دستگاه تعیین می شود.

از آنجایی که توان‌راکتیو به سادگی در خط (خط انتقال یا هر هادی دیگر) به جلو و عقب حرکت می کند، به عنوان یک بار اضافی عمل می کند. بنابراین توان‌راکتیو برای رتبه بندی کلیه کابل ها، ترانسفورماتورها، تابلو برق و سایر تجهیزات الکتریکی در نظر گرفته می شود. این بدان معناست که همه آن تاسیسات باید برای توان ظاهری طراحی شوند که هم توان اکتیو و هم توان راکتیو را در نظر می گیرد. اگر توان‌راکتیو در مقادیر بیش از حد وجود داشته باشد، ضریب توان سیستم را تا حد زیادی کاهش می دهد و در نتیجه بازده عملیاتی را کاهش می دهد. این باعث افت ولتاژ نامطلوب، تلفات رسانایی بیشتر، گرمایش اضافی و هزینه های عملیاتی بالاتر می شود.

تکنیک‌های جبران توان راکتیو

تجهیزات توان راکتیوبه منظور غلبه بر این محدودیت‌ها، تکنیک‌های جبران توان‌راکتیو معمولاً در سیستم‌های انتقال الکتریکی برای بهبود کارایی سیستم و حتی برای اصلاح ضریب توان استفاده می‌شوند. از طرفی توان‌راکتیو به دلایل متعددی برای عملکرد صحیح تجهیزات الکتریکی مهم است که در این مقاله به اختصار به آنها خواهیم پرداخت. هدف این مقاله ارائه یک بیان عادی است مبنی بر اینکه برای راه اندازی بسیاری از دستگاه های الکتریکی و همچنین شبکه سیستم قدرت به مقدار کافی توان‌راکتیو نیاز است که توسط منابع توان‌راکتیو دقیقاً در محلی که مصرف می شود ارائه می شود.

منابع و سینک های توان راکتیو

توان‌راکتیو توسط بسیاری از تجهیزات متصل به شبکه سیستم قدرت تولید یا جذب می شود. بنابراین جریان توان راکتیو از طریق شبکه توسط این تجهیزات کنترل می شود. اجازه دهید نگاهی به این منابع توان راکتیو بیندازیم. کنترل توان‌راکتیو توسط منابع آلترناتور و سینک های توان‌راکتیو .

ژنراتورها

ماشین های سنکرون قادر به تولید یا جذب توان راکتیو بسته به تحریک DC به سیم پیچ میدان آن هستند. هنگامی که بیش از حد برانگیخته می شود، توان‌راکتیو را تولید می کند و در صورت تحریک کمتر، توان راکتیو را جذب می کند. رایج ترین منبع توان‌راکتیو برای کنترل ولتاژ است.

خازن ها و راکتورها

دستگاه های خازنی و القایی در تکنیک های جبران سری و شنت برای کنترل توان راکتیو از این طریق برای تنظیم ولتاژ و پایداری سیستم استفاده می شوند. یک جبران کننده خازنی توان‌راکتیو تولید می کند، در حالی که یک جبران کننده القایی توان‌راکتیو را جذب می کند.

جبران خازن سری به طور کلی برای خطوط انتقال برای تولید توان‌راکتیو در زمانی که بیشترین نیاز را دارد در حالی که خازن های شنت در ایستگاه های فرعی در نواحی بار نصب می شوند برای تولید توان‌راکتیو و برای حفظ ولتاژ در محدوده استفاده می شود. راکتورها (شنت) عمدتاً برای جذب توان‌راکتیو برای پایین نگه داشتن ولتاژ و همچنین برای جبران بار خازنی روی خط استفاده می شوند.

خطوط انتقال و کابل های زیرزمینی

هم خطوط انتقال و هم کابل ها توان‌راکتیو را جذب و تولید می کنند. یک خط انتقال با بار سنگین، توان‌راکتیو را مصرف می‌کند و ولتاژ خط را کاهش می‌دهد در حالی که یک خط انتقال با بار کم، توان‌راکتیو تولید می‌کند و ولتاژ خط را افزایش می‌دهد.

مبدل های حالت جامد

چندین مبدل حالت جامد در کارکرد سیستم قدرت وجود دارد، مانند مبدل های HVDC. این مبدل ها در هنگام کار همیشه توان راکتیو مصرف می کنند. به همین دلیل، اکثر مبدل ها از دستگاه های جبران راکتیو برای کنترل توان‌راکتیو مورد نیاز مبدل ها استفاده می کنند.

ترانسفورماتورها

برای تولید میدان مغناطیسی، ترانسفورماتور به توان راکتیو نیاز دارد، بنابراین توان راکتیو را جذب می کند. مصرف توان‌راکتیو یک ترانسفورماتور به درجه بندی و بارگذاری جریان بستگی دارد.

بارها

بارهای مصرف کننده توان راکتیو زیادی وجود دارند که تأثیر زیادی بر ولتاژ و پایداری باس یا سیستم دارند. برخی از این بارها عبارتند از: موتورهای القایی، ژنراتورهای القایی، کوره های قوس الکتریکی، روشنایی تخلیه شده، بارهای ثابت مانند (گرمایش القایی، گرمایش فضا، گرمایش آب و تهویه مطبوع).

اهمیت توان راکتیو

توان‌راکتیو به دلایل مختلفی هم مشکل و هم راه حل شبکه سیستم قدرت است. نقش مهمی در سیستم قدرت الکتریکی برای عملکردهای مختلف مانند برآوردن توان راکتیو مورد نیاز، بهبود پروفیل های ولتاژ، کاهش تلفات شبکه، تامین ذخیره کافی برای تضمین امنیت سیستم در مواقع اضطراری و چندین عملکرد دیگر ایفا می کند. اجازه دهید برخی از دلایل را به طور خلاصه مورد بحث قرار دهیم، که توان راکتیو را بسیار مهم می کند.

کنترل ولتاژ

اهمیت توان راکتیو کنترل ولتاژ توسط توان راکتیو به طور کلی، تمام تجهیزات الکتریکی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به طور رضایت‌بخش در محدوده‌های مشخص شده ولتاژ نامی (یعنی 6± درصد) در پایانه‌های مصرف‌کننده کار کنند. تغییرات ولتاژ عمدتاً به دلیل تغییر بار در منبع سیستم قدرت ایجاد می شود. اگر بار منبع سیستم قدرت افزایش یابد، افت ولتاژ در اجزای سیستم قدرت افزایش می یابد و در نتیجه ولتاژ در پایانه های مصرف کننده کاهش می یابد و بالعکس. این تغییرات ولتاژ در سیستم تغذیه نامطلوب است زیرا باعث انحراف عملکرد واقعی تجهیزات در انتهای مصرف کننده مانند لامپ ها، موتورها و سایر تجهیزات حساس به تغییرات ولتاژ می شود.

بنابراین، یک سیستم قدرت باید طوری طراحی شود که با ارائه تجهیزات کنترل ولتاژ در مکان های مناسب، تغییرات ولتاژ را حفظ کند. رایج ترین روش حفظ پروفیل ولتاژ از طریق تزریق و جذب توان راکتیو است. به طور کلی افزایش توان راکتیو باعث افزایش ولتاژ سیستم و کاهش توان راکتیو باعث کاهش ولتاژ می شود. توان راکتیو و کنترل ولتاژ تجهیزات کنترل ولتاژ در دو یا بیشتر از دو مکان (با اجتناب از انتقال توان راکتیو از راه دور به دلیل تلفات بیش از حد توان راکتیو) در شبکه سیستم قدرت قرار می گیرد زیرا افت ولتاژ متفاوتی در بخش های مختلف سیستم های انتقال و توزیع وجود خواهد داشت. همچنین مشخصات بار در مدارهای مختلف سیستم قدرت متفاوت خواهد بود. معمولاً این تجهیزات در ایستگاه های تولید برق، پست های انتقال و فیدرها قرار می گیرند.

کنترل ولتاژ در خط انتقال نیرو

تکنیک های مختلفی برای کنترل ولتاژ در خط انتقال نیرو استفاده می شود مانند کنترل تحریک، ترانسفورماتورهای تغییر دهنده شیر، خازن های شنت، خازن های سری، کندانسورهای سنکرون و بوسترها. هر روشی مزایا و معایب خاص خود را دارد. بسته به مناسب بودن، در دسترس بودن و گرانی، از این روش ها برای کنترل ولتاژ انتهای گیرنده استفاده می شود. در شرایط بارگذاری زیاد (یعنی تقاضای توان راکتیو بیشتر از برق عرضه شده است)، جریان بیشتری از منبع تغذیه گرفته می شود که منجر به کاهش شدید ولتاژ انتهای گیرنده می شود. اگر افت ولتاژ بیشتری وجود داشته باشد، باعث از کار افتادن واحدهای تولید، خرابی تجهیزات و گرم شدن بیش از حد موتورها می شود.

در این شرایط، مکانیزم کارکرد خودکار یا رله‌ها تجهیزات توان‌راکتیو را فعال می‌کنند به طوری که توان‌راکتیو افزایش می‌یابد (به عنوان مثال، ولتاژ ترمینال تحریک ژنراتور برای ارائه جریان متناوب بیشتر به دینام افزایش می‌یابد) تا ولتاژ را به مقدار نامی بازگرداند. این امر با راکتورهای سری و خازن های سری نیز به دست می آید. در شرایط بارگذاری سبک (یعنی تقاضای توان کمتر از عرضه توان راکتیو است)، ولتاژ انتهای گیرنده به مقدار بیشتری افزایش می‌یابد. باعث آسیب عایق به ماشین آلات، کاهش ضریب قدرت و خاموش شدن خودکار تجهیزات می شود. در این شرایط، توان راکتیو اضافی در خطوط توسط تجهیزات جبران توان راکتیو خودکار مانند کندانسور سنکرون، کنترل تحریک توسط دینام، خازن‌های شنت و راکتورها جبران می‌شود.

برای برآوردن تقاضای توان راکتیو

برخی از بارها مانند ترانسفورماتورها و مبدل های HVDC برای عملکرد مناسب نیاز به توان‌راکتیو دارند. زمانی که بارها تقاضای توان‌راکتیو زیادی داشته باشند، افت ولتاژ رخ خواهد داد.

با کاهش ولتاژ، جریان بیشتری از منبع تغذیه برای حفظ برق کشیده می‌شود، که باعث می‌شود خطوط توان‌راکتیو بیشتری مصرف کنند و در نتیجه ولتاژ افت بیشتری پیدا کنند. اگر ولتاژ خیلی کم شود، این امر منجر به فروپاشی ولتاژ می شود. این فروپاشی ولتاژ باعث قطع شدن ژنراتورها، ناپایداری سیستم و قطع شدن سایر تجهیزات متصل به سیستم برق می شود این فروپاشی ولتاژ به این دلیل است که سیستم قدرت قادر به تامین تتوان‌راکتیو تقاضای بار نیست که به دلیل کمبود تولید و انتقال توان‌راکتیو برآورده نمی شود.

به منظور غلبه بر این، منابع توان راکتیو مانند خازن های سری به بارها به صورت محلی وصل می شوند که در آن توان‌راکتیو توسط بارها مورد نیاز است. با این حال، اگر بارها تتوان‌راکتیو بیش از حد تقاضای توان‌راکتیو مجاز را جذب کنند، شرکت‌های برق مصرف‌کنندگان را به عنوان جریمه برای تقاضای توان‌راکتیو دریافت می‌کنند.

برای کاهش خاموشی برق

کاهش خاموشی های برق با kVAR توان راکتیو ناکافی در شبکه سیستم برق یکی از دلایل اصلی بوده است. در قطع برق در سراسر جهان. همانطور که بحث شد، مقدار ناکافی توان راکتیو باعث فروپاشی ولتاژ می شود که در نهایت منجر به خاموش شدن ایستگاه های تولید و تجهیزات مختلف می شود. برخی از این خاموشی ها عبارتند از، در توکیو در 23 ژوئیه 1987; در لندن در 28 اوت 2003; در سوئد و دانمارک در 23 سپتامبر 2003.

برای تولید شار مغناطیسی

تامین توان‌راکتیو برای موتورها-تولید شار مغناطیسی توسط توان‌راکتیو اکثر بارهای القایی مانند موتورها، ترانسفورماتورها، بالاست ها و تجهیزات گرمایش القایی به توان‌راکتیو برای تولید میدان مغناطیسی نیاز دارند. در هر ماشین الکتریکی، بخشی از انرژی ورودی، یعنی توان راکتیو برای ایجاد و حفظ شار مغناطیسی مصرف می‌شود. با این حال، منجر به کاهش ضریب توان می شود.

به منظور دستیابی به ضریب توان بالا، خازن ها به طور کلی در سراسر این دستگاه ها برای تامین توان‌راکتیو متصل می شوند. این یک نکته کوچک در مورد اهمیت توان راکتیو است. امیدوارم در مورد این مفهوم ایده بگیرید. شاید، شما دانش زیادی در مورد این موضوع دارید، بنابراین لطفاً نظرات، تجربیات و اطلاعات بیشتر در مورد این موضوع را در بخش نظرات زیر اضافه کنید.