بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی تأثیر ضریب توان بر بهرهوری مصرف برق در صنایع
خلاصه
بنابر اطلاعات مندرج در بروشور سازمان ملی بهره وری انرﮊی ایران ١٨ تا ٢٠ درصد امکان صرفهجویی در مصرف انرﮊی صنایع وجود دارد که با ایجاد بهرهوریاینبیشتر میتوان صرفهجویی را به عمل آورد نظر به اینکه انرﮊی برق به عنوان یک انرﮊی کلیدی جهت صنایع میباشد و بیشترین انرﮊی مصرفی نیز انرﮊی برق می باشد لزوم بررسی روشهایی جهت بهینه سازی مصرف انرﮊی برق در صنایع لازم به نظر میرسد.
انتقال توان الکتریکی از نظر رابطه فرمولی از رابطه کند P تبعیت میکند می جهت انتقال یک توان ثابت تحت ولتاﮊ مشخص (ولتاﮊ تحویلی به مصرفکننده) ملاحظهگردد می که حاصلضرب جریان در cos φ یک مقدار ثابت خواهد بود که در صورت پائین بودن ضریب توان(cos φ) مقدار جریان افزایش می یابد که در صورت اصلاح آن و نزدیک کردن آن به مقدار ماکزیمم (یک) مقدار جریان در حداقل مقدار خود خواهد بود که بدین ترتیب تأثیرات منفی ناشی از عبور جریان (تلفات و اشغال ظرفیت) کاهش خواهد یافت.
در این تحقیق نمونههایی از صنایع مختلف جهت توصیف موضوع انتخاب گردیدهواند در هر نمونه مقدار ضریب توان محاسبه گردیده و همچنین مقدار خازن و هزینه نصب تجهیزات مورد نیاز جهت اصلاح توان برآورد گردیده است و در صورت اصلاح ضریب توان جهت هر مورد مقدار کاهش تلفات در سیستم انتقال مصرفکننده و نیز مقداری از ظرفیت تجهیزات انتقال که بدین ترتیب آزاد خواهد شد محاسبه گردیده است و در نهایت تأثیر اصلاح ضریب توان بر بهرهوری مصرف برق جهت مصرفکنندگان صنعتی مورد بررسی قرار گرفته است.
واﮊههای کلیدی: بهرهوری ـ ضریب توان ـ توان راکتیو ـ توان اکتیو ـ تلفات
مقدمه
در جریان متناوب سینوسی تمام وسایل برقی اعم از انتقال دهندهها (سیستمهای انتقال انرﮊی و ترانسفورماتورها) و گیرندهها (مصرفکنندههای انرﮊی) کم و بیش یک نوعکنندهمصرف سلفی هستند که برحسب اهمیت آنها میتوان در درجه اول از موتورهای القایی نام برد حدود ٦٥ تا ٨٠ درصد از توان راکتیو شبکه متعلق به این الکتروموتورهاست که عمدتاﹰ نیز در صنایع بکار میروند. سیمهای انتقال در شبکههای به هم پیوسته و سراسری نیز توان راکتیو قابل ملاحظهراای به خود تخصیص میدهند.
البته توان راکتیو یک توان مصرفی نیست ولی چون دستگاهی مانند ﮊنراتور و یا هر وسیله دیگر باید این توان را آماده نگه دارد میتوان دستگاههایی را که احتیاج به چنین توان دارند مصرفکنندههای توان راکتیو نامید.
در ابتداﺀ و اختراع و استفاده از صنعت برق با توجه به اینکه مصرف انرﮊی نیز جهت مصارف روستایی و خانگی موجود است توان راکتیو کمتری بدین ترتیباست مصرف میگردیده اما پس از توسعه صنعت و استفاده از انرﮊی برق به عنوان محرک اولیه سیستمهای مکانیکی با استفاده از الکتروموتور، تأثیرات ناشی از وجود توان راکتیو نیز آشکار گردید.
در کشورهای توسعه یافته که درصد بیشتری از انرﮊی برق در صنایع مصرف میگردد و نیز هزینههای تولید انرﮊی نیز بالا میباشد به این موضوع توجه کافی گردیده است.
در کشور ما نیز مصرفکنندگان بزرگ صنعتی از تجهیزات اصلاح ضریب توان استفاده میکنند و همچنین شرکتهای توزیع برق نیز تجهیزات مورد نیاز جهت اصلاح ضریب توان را در پستهای توزیع برق نصب می نمایند اما به علل مختلف از جمله پائین بودن هزینههای انرﮊی برق در کشور قسمت عمده مصرفکنندگان صنعتی کمتر به تبعات ناشی از پائین بودن ضریب توان توجه دارند. بنا به تعریف، توان در یک سیستم الکتریکی عبارتست از حاصلضرب ولتاﮊ در جریان. اما به علت همین خاصیت سلفی بودن در مصرفکننده جریان به اندازه زاویه φ با ولتاﮊ اختلاف فاز دارد.
همین اختلاف فاز باعث میگردد حاصلضرب نقطهای جریان و ولتاﮊ در نقاط پیک و صفر منطبق بر یکدیگر نباشد و آن قسمت از جریان که در نقاط پیک و صفر کاملاﹰ بر ولتاﮊ منطبق است باعث بوجود آمدن توان اکتیو و قسمت دیگر جریان باعث بوجود آمدن توان راکتیو می گردد.
پس ملاحظه می گردد که هر اندازه که این زاویه کوچکتر باشد توان راکتیو کمتر و در کمترین حالت صفر است و هر اندازه این زاویه بزرگتر باشد توان راکتیو بیشتر خواهد بود که در بیشترین حالت ْ٩٠ است و کلیه توان در این حالت توان راکتیو خواهد بود.
بیان فوق با استفاده از بردارها سادهتر میباشد. از آنجایی که قوانین ریاضی حاکم بر سینوسیها با قوانین برداری تطابق دارد، لذا تجزیه توان به دو قسمت توان اکتیو و راکتیو و همچنین جریان به جریان اکتیو و راکتیو با نمادهای برداری به صورت ذیل میباشد.
ملاحظه میگردد که مؤلفهای از جریان که توان اکتیو را انتقال میدهد به اندازه ضریب cos φ با جریان اصلی تفاوت دارد این مقدار جریان اضافی می تواند باعث اشغال ظرفیت موجود خطوط انتقال و نیز بوجود آمدن تلفات در آنها گردد.
الف: تأثیر ضریب توان بر تلفات در کابلها و سیمها و خطوط انتقال
تلفات در کابل ها و سیم ها با توان دوم جریان تناسب دارد و با توجه به رابطه ذیل به دست میآید:
a تلفات ناشی از عبور جریان اکتیو
b تلفات ناشی از عبور جریان راکتیو
ملاحظه میگردد که علاوه بر مؤلفه جریان اکتیو، مؤلفه جریان راکتیو نیز مستقیماﹰ باعث بوجود آمدن تلفات می گردد. البته در صورتی که اصلاح ضریب توان صورت گیرد وcosφ1 به cosφ 2 تبدیل گردد آنگاه از رابطه زیر مستقیماﹰ مقدار کاهش تلفات به دست میآید.
:WL کاهش تلفات در خط یا کابل پس از اصلاح ضریب قدرت ازCosφ1 به Cosφ2
:PW قدرت اکتیو منتقل شده توسط کابل فوق :V ولتاﮊ شبکه
:r مقاومت اهمی کابل یا سیم (در هر متر) :l طول کابل یا سیم (به متر)
درصد کاهش تلفات با توجه به مقدار اولیه و مقدار نهایی ضریب توان مطابق شکل (١) خواهد بود.
ب: تأثیر ضریب توان در به وجود آمدن افت ولتاﮊ و اشغال ظرفیت کابل یا سیم
دستگاههای مختلفی که در کارخانجات مورد استفاده قرار میگیرند دارای یک محدوده ولتاﮊ کاری میباشند و درصد افت ولتاﮊ در هنگام بار کامل معمولاﹰ نباید ٥% بیشتر باشد. وقتی ضریب توان کم باشد جهت تأمین یک توان ثابت جریان بیشتری از کابل یا سیم ها عبور خواهد کرد. جهت جلوگیری از افت ولتاﮊ بیش از حد باید سطح مقطع سیم یا کابل مورد استفاده را با توجه به جریان ورودی انتخاب کنیم. هر دو عامل مقاومت اهمی و سلفی مربوطه به کابل یا هاسیم باعث افت ولتاﮊ میگردند. هرگاه اضافه شدن جریان در اثر کاهش ضریب توان به قدری باشد که باعث افت ولتاﮊ بیشتر از ٥% گردد آنگاه مجبور خواهیم بود که سطح مقطع سیم و کابل را بیشتر انتخاب کنیم تا کاهش افت ولتاﮊ جبران گردد که مستقیماﹰ بر روی هزینه انتقال تأثیر خواهد گذاشت. به عنوان نمونه کاهش ظرفیت توان انتقالی یک سیم با سطح مقطع mm ٣٥ با توجه به کلمقدار cos φ مطابق ش (٢) خواهد بود.
شکل ٢ـ منحنی درصد توان قابل انتقال نسبت به cos φ جهت کابل نمره ٣٥
ظرفیت سایر سیم و کابلها نیز با منحنی مشابه منحنی فوق تغییر می نماید. همانطوری که در شکل ملاحظه میگردد هرگاه Cos φ از ١ به مقدار ٦٢/٠ کاهش یابد قدرت قابل انتقال نصف میگردد. البته بیان موضوع توسط روابط به شرح زیر میباشد و با استفاده از بردارهای توان اکتیو و راکتیو خواهیم داشت:
ج: تأثیر ضریب توان بر قدرت ظاهری ترانسفورماتور
نظر به اینکه همواره عامل محدود کننده مقدار جریان میباشد، لذا اصولاﹰ ظرفیت ترانسفروماتورها با حاصلضرب جریان در ولتاﮊ و به صورت KVA نشان داده میشود. در غیر این صورت اگر بخواهیم توان قابل عبور از ترانس را بیان کنیم باید در جدول و یا در یک منحنی توان قابل عبور با توجه به ضریب توان را جهت مصرفکننده مشخص کنیم. با فرض عبور یک توان ثابت مقدار ظرفیتی که در اثر تغییر ضریب توان از cosφ1 به cosφ2 در ترانس آزاد خواهد گردید مطابق فرمول زیر میباشد:
فرمول فوق با تغییرات φ1 وφ2 به صورت شکل (٣) در میآید.
شکل ٣ـ مقدار ظرفیت آزاد شده ترانس در اثر تغییر ازφ2 بهφ1
به عنوان مثال: اگر قدرت ظاهری ترانسفورماتوری KVA ٤٠٠ باشد تحت ضریب توان ٧/٠ مقدار KW ٢٨٠ توان را میتواند انتقال دهد و در صورتی که این ضریب توان به ١ تبدیل شود توان KW ٤٠٠ را میتواند عبور دهد.
اصلاح ضریب توان
همانطوری که قبلاﹰ نیز بیان گردید زمانی که جریان نسبت به ولتاﮊ پس فاز باشد آنگاه بردار جریان قابل تجزیه به دو مؤلفه اکتیو و راکتیو میباشد حال اگر بتوانیم جریانی به مدار تزریق نمائیم که بتواند بدون اینکه جریان اکتیو داشته باشد جریان راکتیو مصرف نماید به طوری که جریان آن نسبت به ولتاﮊ ٩٠ درجه پیش فاز باشد و از نظر برداری در خلاف جریان راکتیو سلفی باشد آنگاه مجموع این دو جریان راکتیو صفر خواهد شد و جریان راکتیو سلفی حذف خواهد گردید این مصرفکننده جریان پیشفاز خازن می باشد و خواهیم داشت: IC . V V.IA .tgφ Ptgφ توان راکتیو خازنی مورد نیاز در صورتی که IC کوچکتر از IR باشد زاویهφ1 بهφ2 تبدیل خواهد شد و اگر برابر باشد آنگاه φ برابر صفر خواهد
