تحسين معامل القدرة عمليًا

حساب تحسين معامل القدرة يُكتب في سطر واحد، أما التطبيق الهندسي فلا. فمجموعة المكثفات التي يبدو حجمها صحيحًا على الورق قد تسخن بسبب التوافقيات، أو تُخرج المولدة عن الخدمة، أو تدفع منشأة قليلة الحمل إلى معامل قدرة متقدّم، أو تترك غرامة شركة الكهرباء على حالها. يعرض هذا الدليل حساب التحجيم أولًا، ثم القرارات العملية: موقع المكثفات، والتشغيل الثابت أو الآلي، والتوافقيات والمفاعلات المضادة للتوافقيات، والتفريغ، والمولدات، وفاتورة الكهرباء.

تحجيم المجموعة: Q = P (tan φ1 − tan φ2)

تزوّد المكثفات القدرة غير الفعّالة محليًا، فلا تعود الشبكة في الجهة المغذية مضطرة إلى نقلها. القدرة الفعلية P لا تتغير، وإنما يصغر الجزء غير الفعّال من P tan φ1 عند معامل القدرة الحالي إلى P tan φ2 عند المعامل المستهدف:

لنأخذ منشأة تسحب 400 kW بمعامل قدرة 0.75 من لوحة توزيع رئيسية ثلاثية الطور بجهد 400 V، والمعامل المستهدف 0.95:

تُختار هنا مجموعة قياسية بسعة 225 kVAr. ينخفض تيار الخط بنحو 21 %، ولأن مفاقيد النحاس تتناسب مع مربع التيار فإن المفاقيد في ملفات المحول والمغذيات تنخفض بنحو 38 % ((421.1 / 533.3)² = 0.62). وإذا كانت المنشأة تتغذى من محول بقدرة 630 kVA فإن تحميله ينخفض من نحو 85 % إلى نحو 67 %، مما يحرر سعة لأحمال جديدة. تنفّذ حاسبة مكثفات تحسين معامل القدرة هذه الخطوات وتعطي السعة لكل طور، ويحلّ محوّل kVA إلى kW مثلث القدرة، وتبيّن حاسبة تحميل المحول التغير في المفاقيد.

يُبنى التحجيم على منحنى الحمل المقاس لا على رقم واحد. فالمنشأة التي يتأرجح حملها بين 100 kW ليلًا و400 kW نهارًا تحتاج إلى تعويض مختلف تمامًا عند طرفي هذا المدى، ولهذا وُجدت المجموعات الآلية.

أين تُركّب المكثفات

هناك ثلاثة ترتيبات أساسية، وكثير من المواقع يجمع بينها.

• التعويض الفردي عند المحرك. يوصل مكثف ثابت على أطراف المحرك ويُشغَّل ويُفصل معه. بذلك يُزال التيار غير الفعّال من كامل المسار حتى المصدر، بما فيه الدائرة النهائية، فتنخفض مفاقيد الكابلات وهبوط الجهد إلى أقصى حد. يناسب هذا المحركات الكبيرة التي تعمل ساعات طويلة بحمل ثابت، لكنه الأعلى كلفة لكل kVAr لأن المكثف يبقى معطلًا كلما توقف محركه.
• التعويض الجماعي. مجموعة واحدة تخدم لوحة توزيع فرعية تغذي عدة أحمال، فتخفف الحمل عن مغذي تلك اللوحة، وكلفتها لكل kVAr أقل من الوحدات الفردية.
• التعويض المركزي عند لوحة الجهد المنخفض الرئيسية. مجموعة مكثفات آلية واحدة تخدم المنشأة كلها، وهي الأقل كلفة لكل kVAr والأفضل استغلالًا للمكثفات المركبة لأن تنوع الأحمال يُستفاد منه. لا تخفف هذه الطريقة الحمل عن الكابلات الداخلية التي تبقى تنقل التيار غير الفعّال بين الأحمال واللوحة الرئيسية، لكنها تصحح معامل القدرة الذي تقيسه شركة الكهرباء وتخفف تحميل المحول.

المجموعات الثابتة مقابل الآلية

المجموعة الثابتة موصولة دائمًا ما دامت تغذيتها قائمة، وتناسب طلبًا ثابتًا تقريبًا على القدرة غير الفعّالة، مثل طلب المغنطة في المحول عند اللاحمل. وإذا حُجّمت على الحمل الكامل فإنها تُفرط في التعويض حين ينخفض الحمل.

أما المجموعة الآلية فمقسمة إلى مراحل، تُشغَّل كل منها بكونتاكتور مخصص للمكثفات أو بمفتاح ثايرستوري. يقيس منظم معامل القدرة التيار والجهد، عادة عبر محول تيار واحد على التغذية الداخلة، ويُدخل المراحل ويُخرجها للمحافظة على معامل قدرة مستهدف. كثيرًا ما تكون أحجام المراحل غير متساوية، كنسب 1:2:2:2، بحيث تعطي مراحل قليلة عددًا كبيرًا من التركيبات. وتُستخدم المجموعات ذات المفاتيح الثايرستورية حيث يتغير الحمل أسرع مما تستطيع الكونتاكتورات متابعته، كما في اللحام والرافعات، لأنها تفصل وتوصل دون تيار اندفاعي ودون تآكل.

إعدادان في المنظم يستحقان الانتباه. فزمن إعادة التوصيل يجب ألا يقل عن زمن تفريغ المكثف، لأن الإغلاق على مكثف مشحون بطور معاكس يسبب حالة عابرة كبيرة. ويجب أن يرى محول التيار الحمل كله وبقطبية صحيحة، فمحول التيار الموضوع في غير مكانه أو المعكوس القطبية سبب شائع لعدم ظهور أي أثر للمجموعة الجديدة.

المكثفات الثابتة عند المحركات: تجنّب الإثارة الذاتية

عند فصل محرك موصول على أطرافه مكثف مباشرة، يستمر المحرك في الدوران مدة من الزمن. فإذا كان المكثف يزوّد قدرة غير فعّالة أكبر مما يحتاجه المحرك لمغنطة نفسه، فقد يعمل الاثنان كمولد حثي ذاتي الإثارة، ويرتفع جهد الأطراف فوق جهد التغذية. القاعدة العامة أن تبقى قدرة المكثف دون القدرة غير الفعّالة للمغنطة عند اللاحمل، ويمكن تقديرها من تيار اللاحمل بالعلاقة √3 × U × I0. ويُصدر المصنّعون قيمًا قصوى موصى بها لقدرة المكثف لمحركاتهم، وتوصياتهم هي المرجع.

وهناك تحذيران إضافيان. لا تُركّب مكثفات على أطراف المحركات التي تُقلع بطريقة ستار-دلتا أو تُعكس أو تُشغَّل تشغيلًا متقطعًا أو تُغذّى من مغيّر سرعة، فلمغيّر السرعة وصلة DC خاصة به ويجب ألا تُوصل مكثفات على خرجه. وإذا وُصل المكثف بعد مرحّل الحمل الزائد فإن المرحّل يرى تيارًا أصغر مما يسحبه المحرك، فيجب تخفيض ضبطه تبعًا لذلك.

التوافقيات والرنين

تسحب مغيّرات السرعة والمقوّمات وأنظمة UPS ومشغّلات إنارة LED تيارًا غير جيبي يحتوي على توافقيات. وتقلّ مفاعلة المكثف مع ازدياد التردد، فيجذب المكثف التيار التوافقي وقد يسخن. والمشكلة الأخطر هي الرنين التوازي بين مجموعة المكثفات ومحاثة محول التغذية. ورتبة التوافقية الرنينية تقريبًا:

يتجاهل هذا التقدير ممانعة الشبكة في الجهة المغذية والتخميد، لكنه يكشف الخطر: رنين قرب التوافقية السابعة، بجوار التوافقيتين الخامسة والسابعة اللتين تنتجهما مغيّرات السرعة سداسية النبضات. ومع دخول المراحل وخروجها يتحرك تردد الرنين، وقد يقع على توافقية موجودة فيضخّم الجهد التوافقي ويسخّن المكثفات.

العلاج المعتاد في المنشآت الغنية بالتوافقيات هو مجموعة مزوّدة بملفات إخماد (مفاعلات مضادة للتوافقيات). لكل مرحلة مفاعل على التوالي يضبط تردد مجموعة المكثف والمفاعل دون أدنى توافقية مؤثرة، فتبدو المرحلة حثية عند ترددات التوافقيات ولا يمكنها أن تُحدث رنينًا مع المحول. ويُعبَّر عن هذا الضبط بمعامل الضبط p، وهو نسبة مفاعلة المفاعل إلى مفاعلة المكثف عند التردد الأساسي:

تعتمد قيمة p المناسبة على طيف التوافقيات المقاس، ولا سيما على مدى أهمية التوافقية الثالثة، لذا تُختار بناءً على مسح للتوافقيات وتوصيات المورّد لا وفق قاعدة ثابتة. ويرفع المفاعل الجهد على المكثف إلى نحو U / (1 − p)، فتُستخدم في هذه المجموعات مكثفات بجهد مقنن أعلى من جهد المنظومة. والمجموعة المزوّدة بملفات إخماد ليست مرشّح توافقيات، فوظيفتها حماية المكثفات وتجنب الرنين، أما خفض مستويات التوافقيات فيتطلب تصميمًا منفصلًا لمرشّح مضبوط أو فعّال. يغطي المعيار IEC 60831 مكثفات التوازي ذاتية الالتئام للجهد المنخفض، ويغطي IEC 61921 مجموعة تحسين معامل القدرة للجهد المنخفض بوصفها تجميعة كاملة.

التفريغ والتشغيل

قد يبقى المكثف المفصول مشحونًا بجهد خطِر. ويشترط المعيار IEC 60831-1 أن تُزوَّد كل وحدة مكثف بوسيلة تفرّغها إلى 75 V أو أقل خلال 3 دقائق، وهي عادة مقاومات تفريغ مدمجة. ويجب اعتبار أي مكثف مشحونًا إلى أن يُفرَّغ ويُتحقق من ذلك. وعند توصيل مكثف مُفرَّغ يسحب تيارًا اندفاعيًا قصيرًا وعاليًا، ولا سيما إذا كانت مراحل أخرى موصولة على التوازي. وتحدّ الكونتاكتورات المخصصة للمكثفات المزوّدة بمقاومات تخميد مسبقة التلامس، أو التشغيل الثايرستوري، من هذا التيار.

الإفراط في التعويض والمولدات

إذا وُصلت قدرة kVAr أكبر مما يحتاجه الحمل يصبح معامل القدرة متقدّمًا. على تغذية الشبكة العامة يهدر ذلك السعة وقد يرفع الجهد، وتفرض عليه بعض التعرفات رسومًا. أما على المولدة فالأمر أخطر، إذ لا يسمح منحنى قدرة المولدة المتزامنة إلا بقدر صغير من الحمل غير الفعّال المتقدّم قبل أن تضعف الإثارة إلى حد يهدد استقرار التشغيل. ومع مولدة قليلة الحمل قد تكفي مجموعة مكثفات متوسطة لدفع المولدة خارج هذا الحد، فيرتفع الجهد أو تُفقد الإثارة. والممارسة الشائعة هي ربط المجموعة الآلية بمفتاح التحويل بحيث تُفصل، أو تُقصر على مراحل متفق عليها مع مورّد المولدة، كلما عمل الموقع على المولدة.

قراءة فاتورة الكهرباء

شركات الكهرباء التي تحاسب على القدرة غير الفعّالة تقيس الطاقة غير الفعّالة kVArh إلى جانب kWh. ومعامل القدرة المتوسط لفترة الفوترة هو:

تختلف التعرفات اختلافًا كبيرًا. فبعضها يحاسب على kVArh الزائدة عن نسبة محددة من kWh، وبعضها يضيف رسمًا إضافيًا عندما ينخفض معامل القدرة عن حد معين، وبعضها يحاسب على أقصى طلب بوحدة kVA. وتعتمد الحدود والأسعار على شركة الكهرباء وفئة التعرفة، فتُقرأ من جدول التعرفة الخاص بك. ولاحظ أن المتوسط الشهري يخفي ساعات انخفاض معامل القدرة، بينما تعتمد رسوم الطلب بوحدة kVA على أسوأ فترة قياس للطلب.

القياس قبل التركيب وبعده

قبل شراء المجموعة، يُسجَّل أسبوع على الأقل من قيم kW وkVAr ومعامل القدرة والتوافقيات عند المدخل الرئيسي بمحلل جودة القدرة. هذا السجل يحدد أحجام المراحل ويبيّن هل يلزم استخدام ملفات الإخماد. وبعد التشغيل يُعاد القياس: ينبغي أن يحافظ المنظم على المعامل المستهدف على امتداد مدى الحمل دون إفراط في التعويض ليلًا، وألا يرتفع التشوّه التوافقي في الجهد. ثم تؤكد الفواتير القليلة التالية هل انخفضت رسوم kVArh فعلًا.

هذا الدليل للتثقيف العام. يُتّبع في أي تركيب حقيقي ما تنص عليه بيانات المصنّع والمعايير المعمول بها وأنظمة شركة الكهرباء.