توان راکتیو چیست؟ بررسی تاثیرات آن بر شبکه برق

در فرایند تامین برق مصرفی، همه‌ انرژی الکتریکی تولید شده صرف انجام کار نمی‌شود و بخشی از آن تحت عنوان توان راکتیو فقط در شبکه وجود دارد. به این توان که غیرقابل‌استفاده است؛ توان موهومی نیز می‌گویند. آشنایی با مفهوم توان راکتیو و اثرات بر آن بر شبکه برق، می‌تواند به درک کامل‌تر از شبکه‌ برق کمک کند.

در  این مقاله از برقتو به سراغ بررسی کامل توان راکتیو رفته‌ایم و از تعریف و کاربرد گرفته تا فرمول توان راکتیو و نحوه‌ محاسبه‌ آن را بررسی کرده‌ایم؛ با ما همراه باشید.

توان راکتیو چیست؟

همه انرژی الکتریکی تولید شده در شبکه قدرت به مصرف نمی‌رسد و بخش بزرگی از آن تحت عنوان توان راکتیو (Reactive Power) بین منبع تولید و مصرف کننده در حال رفت و برگشت است که قابل‌استفاده نیست. توان راکتیو یا موهومی در منابع علمی و دانشگاهی معمولا به صورت زیر تعریف می‌شود:

وجود توان راکتیو در شبکه می‌تواند منجر به افزایش تلفات توان شود و راندمان را کاهش دهد. در نتیجه، مهندسان شبکه‌ برق با اقدامات مختلف تلاش می‌کنند مقدار آن را کاهش دهند. البته وجود توان راکتیو برای تولید میدان مغناطیسی ترانسفورماتورها و موتورهای القایی نیز ضروری است. در واقع نمی‌توان مقدار این بخش از توان غیرقابل استفاده را به صفر رساند.

تفاوت توان اکتیو و توان راکتیو

تفاوت توان اکتیو و توان راکتیو چیست؟ احتمالا این پرسش ذهن شما را مشغول کرده و دنبال پاسخ مناسبی برای آن هستید. این دو توان مولفه‌ای از کل توان تولید شده هستند که با یکدیگر 90 درجه اختلاف فاز دارند. در مثلث توان، این اختلاف فاز به خوبی نشان داده شده است.

• توان اکتیو (p): توان اکتیو همان توان مفیدی است که به آن بار مصرف نیز می‌گویند. در واقع این توان است که دستگاه‌های الکتریکی را روشن می‌کند و موتورها به حرکت درمی‌آورد. توان اکتیو را در مقیاس‌های بزرگ با KW و MW نشان می‌دهند.
• توان ظاهری (s): به کل توانی که از منبع خارج می‌شود و به سمت بار می‌رود؛ توان ظاهری می‌گویند. مولفه‌ توان ظاهری از جمع برداری توان‌های اکتیو و راکتیو در مثلث بالا به دست می‌آید. واحد این توان در مقایس‌های بزرگ MVA است.
• توان راکتیو (Q): این توان که کار مفیدی را انجام نمی‌دهد؛ فقط بین منبع و بارهای القایی و خازنی به طور رفت و برگشت در جریان است. این توان را با کیلووار (KVAR) و در مقیاس‌های بزرگ‌تر با مگاوار  (MVAR) اندازه‌گیری می‌کنند.

چرا توان راکتیو در شبکه‌ برق وجود دارد؟

در شبکه‌ قدرت که جریان AC حاکم است و عنصرهای سلفی و خازنی بسیار زیادی وجود دارد؛ بین جریان و ولتاژ اختلاف فاز ایجاد می‌شود. در نتیجه، همین اختلاف فاز باعث ایجاد توان راکتیو در شبکه خواهد شد. مقدار توان راکتیو در شبکه هم به همین مقدار اختلاف فاز بستگی دارد؛ هر چقدر این اختلاف بیشتر باشد، توان راکتیو بیشتری هم در شبکه در حال رفت و برگشت خواهد بود. به طور کلی اینگونه نیز می‌توان گفت:

برخی از عنصرهای شبکه‌ برق در حال ایجاد توان راکتیو هستند که از جمله مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موتورهای القایی و ترانسفورماتورها اشاره کرد. در واقع این عنصرها با ایجاد میدان مغناطیسی، باعث ایجاد توان راکتیو در شبکه می‌شوند. در مقابل، خازن‌ها و موتورهای خازنی در راستای کاهش این توان در شبکه‌ قدرت ایفای نقش می‌کنند.

محاسبه توان راکتیو؛ فرمول توان راکتیو

فرمول توان راکتیو در حالت تک فاز به صورت زیر است:

Q = S × sin(φ)

• Q: توان راکتیو با واحد اندازه‌گیری ولت آمپر راکتیو (VAR)
• S: توان ظاهری با واحد اندازه‌گیری ولت آمپر (VAR)
• Φ: زاویه‌ بین توان ظاهری و راکتیو در مثلث توان

زاویه‌ Φ در محاسبه‌ توان راکتیو بسیار مهم است و با توجه به نوع بار (القایی-خازنی)، می‌تواند مثبت یا منفی باشد.

در بارهای القایی، زاویه‌ی اختلاف فاز همواره مثبت است؛ در نتیجه توان راکتیو در شبکه ایجاد می‌شود و Q همواره مثبت خواهد بود:

Q = S × sin(φ)+

در بارهای خازنی این زاویه منفی خواهد شد و این عنصرها تلاش می‌کنند مقدار توان راکتیو شبکه را جبران کنند. در بارهای خازنی، Q همواره منفی خواهد شد.

Q = S × sin(φ)-

فرمول‌های گفته شده برای حالت تک فاز بود و برای محاسبه‌ توان موهومی در حالت سه فاز متعادل از رابطه‌های زیر استفاده می‌شود.

مشکلات توان راکتیو در شبکه‌ قدرت

وجود بخش کمی از توان راکتیو برای پایداری شبکه و تولید میدان مغناطیسی الزامی است؛ اما افزایش بیش از اندازه آن مشکلات مختلفی را برای شبکه برق به وجود می‌آورد. برخی از این مشکلات عبارت‌اند از:

افزایش تلفات توان

هنگامی که توان راکتیو بالا می‌رود، توان کل (S) هم افزایش می‌یابد؛ در نتیجه، این موضوع می‌تواند باعث بالا رفتن جریان عبوری از هادی‌های برق شود. با افزایش جریان هم تلفات توان (P =RI²) افزایش می‌یابد.

افت ولتاژ در شبکه

افزایش بیش از حد توان راکتیو می‌تواند باعث افت ولتاژ شبکه برق شود. با افت ولتاژ، شبکه ناپایدار می‌شود و ممکن است تجهیزات و حتی موتورها آسیب ببینند.

افزایش هزینه تولید انرژی

یکی دیگر از معایب توان موهومی این است که ضریب توان را کاهش می‌دهد. با کاهش ضریب توان، سیستم مجبور است که جریان بیشتری را بکشد تا بتواند همان میزان توان را تامین کند. این موضوع هم می‌تواند منجر به افزایش هزینه‌ تولید انرژی شود.

کاهش توان راکتیو با اصلاح ضریب توان

به نسبت توان حقیقی به توان ظاهری، ضریب توان می‌گویند که آن را با cos(φ) نشان می‌دهند. برای کاهش توان موهومی در شبکه باید با کاهش زاویه‌ بین ولتاز و جریان، مقدار cos(φ) را افزایش داد. به این کار اصلاح ضریب توان می‌گویند که به افزایش توان اکتیو و کاهش توان راکتیو کمک می‌کند.

بر اساس استانداردهای موجود، ضریب قدرت برای مصرف‌کنندگان نباید از 0.9 کمتر شود که در غیر این صورت شامل جریمه خواهند شد.

راهکارهای جبران توان راکتیو در شبکه

مهندسان شبکه برای جلوگیری از افزایش تلفات و افت ولتاژ، با راهکاری مختلف به دنبال کم کردن توان راکتیو هستند. برای این کار، از روش‌های مختلفی استفاده می‌کنند که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.

استفاده از بانک خازنی

ساده‌ترین روش برای کنترل توان راکتیو، کمک گرفتن از بانک‌های خازنی است. بانک‌های خازنی در راستای کاهش توان راکتیو کار می‌کنند. علاوه بر شبکه، کارخانه‌ها نیز به منظور  اصلاح ضریب توان و جلوگیری از جریمه‌های سنگین به استفاده از بانک‌های خازنی با ضریب توان بیشتر از 0.9 روی می‌آورند.

جبران‌کننده‌ها توان راکتیو

در برخی از شبکه‌های قدرت، از تجهیزات پیشرفته‌تری به نام جبران‌کننده‌های توان راکتیو استفاده می‌کنند. این تجهیزات گران‌تر از بانک‌های خازنی هستند؛ اما قابلیت تنظیم سریع و هوشمند توان راکتیو را دارند. مهم‌ترین مزیت جبران‌کننده‌های پیشرفته، واکنش سریع و کنترل لحظه‌ای آن است.

فیلترها

در برخی از سیستم‌ها برای کنترل توان راکتیو و اعوجاجات به سراغ فیلترهای ترکیبی مانند اکتیو فیلتر می‌روند. این فیلترها علاوه بر جبران توان موهومی، به کاهش اعوجاجات هم کمک می‌کنند.

بهبود موتورهای القایی

یکی دیگر از راهکارهای موثر این است که موتورهای القایی را بهبود داد. به عنوان مثال، موتور کولرهای آبی مصرف زیادی دارند و در تابستان می‌توانند تراز برق را تحت‌تاثیر قرار دهند. در طرح جدید دولت، این موتورها را با موتورهای کم‌مصرف‌تر BLDC تعویض می‌کنند.

توان راکتیو را باید مدیریت کرد!

توان راکتیو به عنوان یکی از چالش‌های شبکه‌ قدرت، همواره مورد‌توجه بوده است. این توان که بین تولید و مصرف در حال رفت و برگشت است؛ کار مفیدی انجام نمی‌دهد. با این حال، وجود آن برای شبکه الزامی است تا میدان مغناطیسی لازم برای کارکرد موتورهای القایی و ترانسفورماتورها ایجاد شود.

از طرفی مهندسان قدرت نباید از افزایش بی‌رویه‌ توان راکتیو چشم‌پوشی کنند؛ چرا که بالا رفتن آن در وهله اول می‌تواند تلفات شبکه را افزایش داده و باعث کاهش راندمان شود. همچنین با جبران توان راکتیو می‌توان در هزینه‌های تولید انرژی نیز صرفه‌جویی کرد.

سوالات متداول