ضریب توان و کسینوس فی چیست؟

ضریب توان چیست؟ کسینوس فی چیست؟

ضریب توان در یک سیستم الکتریکی AC بمعنی نسبت توان واقعی به توان ظاهری میباشد و مقدار آن بین ۰ تا ۱ است. توان واقعی در واقع توانایی یک مصرف کننده برای تبدیل انرژی الکتریکی به دیگر شکل‌های انرژی را بیان میکند در حالی که توان ظاهری در اثر وجود اختلاف بین ولتاژ و جریان بوجود می‌آید. با توجه به نوع بارها و میزان توان راکتیو، توان ظاهری می‌تواند از توان واقعی بیشتر باشد. در برخی کاربردها بجای اصطلاح ضریب توان از کسینوس فی نیز استفاده میگردد.

کم بودن ضریب توان (بیشتر بودن توان ظاهری نسبت به توان واقعی) در یک مدار باعث بالا رفتن جریان در مدار و نتیجتا بالا رفتن تلفات در مدار می‌شود. در واقع ضریب توان میزان راندمان و کارکرد موثر را نشان می دهد. هر چه ضریب توان بالا تر باشد میزان راندمان بالاتری خواهیم داشت.

مصرف کننده های اکتیو و راکتیو:
به طور کلی در یک مدار AC مصرف کننده‌ها از نظر نوع مصرف انرژی الکتریکی به دو دسته تقسیم میشوند:
1-مصرف کننده‌های اکتیو (مقاومتی)
2-مصرف کننده‌های راکتیو (خازنی یا سلفی)

انواع مصرف کننده‌ها در مدارهای الکتریکی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند؛ مصرف کننده‌های اکتیو همزمان با تبدیل انرژی الکتریکی به شکل دیگری از انرژی، انرژی الکتریکی را مصرف می‌کنند. این رویکرد در مصرف کننده‌های راکتیو کمی متفاوت است زیرا این مصرف کننده‌ها به جای مصرف انرژی الکتریکی این انرژی را ذخیره می‌کنند. این انرژی ذخیره شده تا زمانی در مصرف کننده باقی می‌ماند که مصرف کننده به وسیله یک جریان یا ولتاژ ثابت از طرف منبع، تغذیه شود. با پایان یافتن روند تغذیه، مصرف کننده راکتیو شروع به جبران انرژی کم شده می‌کند به این صورت که انرژی ذخیره شده خود را دوباره به مدار برمیگرداند. در مدارهای DC این عملکرد تأثیر زیادی بر روی عملکرد شبکه الکتریکی نمی‌گذارد اما در یک مدار AC 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 ماکزیمم یا پیک موج در خود نگه می‌دارند. با کاهش یافتن روند تغذیه بار، این بار انرژی ذخیره شده خود (از جنس ولتاژ یا جریان) را  به مدار باز می‌گرداند. این بازگشت انرژی تأثیرات خاصی را در مدار ایجاد میکند که به آن خواهیم پرداخت.

اصطلاح پیش فازی (Lead)و پس فازی(Lag):
در یک شبکه AC ، ولتاژ بارهای خازنی نسبت به جریان پس فاز باشد. به عبارت دیگر، جریان نسبت به ولتاژ پیش فاز است؛ لذا 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 اند و این بارها مصرف کننده توان راکتیو می گویند.
نکته : در بارهای اهمی خالص جریان و ولتاژ با یکدیگر هم فازاند.

                    مدار خازنی- پیش فاز                           مدار سلفی-پس فاز                             مدار اهمی-بدون فاز
 

ضریب توان:
مدارهایی که شامل مصرف‌کننده‌های کاملاً مقاومتی هستند (مانند لامپ‌های رشته‌ای، بخاری‌های برقی، اجاق‌های برقی و ...) ضریب توان یک دارند(زاویه فاز صفر است لذا کسینوس صفر یک میشود و مقدار توان اکتیو و ظاهری باهم برابر خواهد بود) در حالی که در مدارهای بارهای راکتیو (مانند خازن‌ها، موتورها، ترانسفورماتورها و...) ضریب توان کمتر از یک است.
ضریب توان با توجه به جهت زاویه بین جریان و ولتاژ می‌تواند پیش‌فاز (لید) یا پس‌فاز (لگ) باشد. در بارهای القایی مانند موتورهای الکتریکی یا ترانسفورماتورها شکل موج جریان عقب‌تر از ولتاژ است. این در حالیست که در بارهای خازنی مانند بانک‌های خازنی یا کابل‌های‌زیر زمینی شکل موج جریان از ولتاژ جلوتر است. ضریب توان صفر در یک مدار به این معنی ست که تمام بار مدار، راکتیو است و در هر سیکل انرژی ذخیره شده در بار به منبع باز می‌گردد در صورتیکه تمام انرژی فرستاده شده به وسیله منبع در بار مصرف می‌شود، ضریب توان ۱ است.

سیگنال قرمز : شکل موج ولتاژ، سیگنال آبی: شکل موج جریان، سیگنال سبز : توان

محاسبه ضریب توان:

power factor=P/S

توان AC در یک مصرف‌کننده دارای سه بخش است:

1. توان واقعی با P  نشان داده میشود و یکا آن وات (Watt) است و برابر است با : P=VIcos(∅)
2. توان راکتیو با Q نشان داده میشود و یکا آن وار (Var) است و برابر است با : P=VIsin(∅)
3. توان ظاهری با S نشان داده میشود و یکا آن ولت-آمپر(VA) است و برابر است با : P=VI

رابطه بین این سه پارامتر توان :S²=P²+Q²

 
اندازه‌گیری ضریب توان:
برای اندازه گیری این فاکتور نیاز به کلمپ پاور متر یا توان سنج انبری داریم. کلمپ را دور تک فاز بار که جریان از آن عبور میکند می اندازیم سپس پروب های قرمز و مشکی را به دو سر فاز و نول ولتاژ وصل کنید. سپس سلکتور را برروی توان گذاشته و مقدار توان بر حسب وات را مشاهده خواهید کرد. با استفاده از منو انتخاب، بر روی PF رفته و میزان PF را روئت خواهید کرد. در برخی مدلها امکان اندازه گیری PF سه فاز نیز امکان پذیر است.
جهت بررسی کلمپ های PF یا کلمپ های کسینوس فی به لینک زیر مراجعه کنید:

https://saenco.com/power/clamp.html