تاثیر مدارات دارای ضریب توان بالا در محصولات روشنایی

دسته بندی : صنعت روشنایی
عکس وبلاگ تاثیر مدارات دارای ضریب توان بالا در محصولات روشنایی

ضریب توان در یک سیستم الکتریکی متناوب ، اصطلاحی است که به نسبت توان واقعی به توان ظاهری اطلاق می‌شود و مقداری بین ۰ تا ۱ دارد. توان واقعی در واقع توانایی یک مصرف کننده برای تبدیل انرژی الکتریکی به دیگر شکل‌های انرژی را نشان می‌دهد در حالی که توان ظاهری در اثر وجود اختلاف بین ولتاژ و جریان پدید می‌آید. با توجه به نوع بارها و میزان توان راکتیو آنها توان ظاهری می‌تواند از توان واقعی نیز بیشتر باشد.
کم بودن ضریب توان (بزرگ بودن توان ظاهری نسبت به توان واقعی) در یک مدار موجب بالا رفتن جریان در مدار و در نتیجه بالا رفتن تلفات در مدار می‌شود.
ضریب توان بالا را HPF  و ضریب توان پایین را LPF  نیز می نامند .


به طور کلی در یک مدار متناوب ، می‌توان مصرف کننده‌ها را از نظر نوع مصرف انرژی الکتریکی به دو دسته تقسیم کرد:
 بارهای راکتیو :
مصرف کننده‌های اکتیو (مقاومتی)
مصرف کننده‌های راکتیو (خازنی یا سلفی)

انواع مختلف مصرف کننده‌ها در مدارهای الکتریکی رفتارهای متفاوتی از خود بروز می‌دهند؛ برای مثال مصرف کننده‌های اکتیو با تبدیل انرژی الکتریکی به شکل دیگری از انرژی, انرژی الکتریکی را مصرف می‌کنند. این رفتار در مصرف کننده‌های راکتیو کمی متفاوت است چراکه این مصرف کننده‌ها به جای مصرف انرژی الکتریکی این انرژی را ذخیره می‌کنند. این انرژی ذخیره شده تا زمانی در المان باقی می‌ماند که المان به وسیله یک جریان یا ولتاژ ثابت از طرف منبع تغذیه شود. با پایان یافتن روند تغذیه, مصرف کننده راکتیو شروع به جبران انرژی کاسته شده می‌کند بدین صورت که انرژی ذخیره شده خود را دوباره به مدار بازمی‌گرداند. در مدارهای DC این عملکرد بارهای راکتیو تأثیر زیادی بر روی عملکرد شبکه الکتریکی نمی‌گذارد اما در یک مدار AC به علت تغییر دایم میزان انرژی وارد شده به مدار بارهای راکتیو 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 ماکسیمم یا پیک موج در خود نگاه می‌دارند. با کاهش یافتن روند تغذیه بار, این بار انرژی ذخیره شده خود را که با توجه به نوع بار می‌تواند به صورت ولتاژ یا جریان باشد  به مدار بازمی‌گرداند این بازگشت انرژی تأثیرات خاصی را در مدار به دنبال خواهد داشت .
در یک مدار کاملاً مقاومتی شکل موج جریان و ولتاژ با هم هم‌زمان هستند (یعنی در یک زمان صفر و ماکسیمم می‌شوند). حال اگر در مدار بار راکتیوی مانند خازن یا القاگر وجود داشته باشد انرژی ذخیره شده در این نوع بارها باعث به وجود آمدن اختلاف بین شکل موج ولتاژ و جریان می‌شود. این انرژی ذخیره شده به منبع باز خواهد گشت در حالیکه تأثیر مثبتی در عملکرد بار نخواهد داشت. به این ترتیب یک مدار با ضریب توان پایین در مقایسه با یک مدار با ضریب توان بالا نیازمند جریان بیشتری برای ایجاد مقدار ثابتی از توان واقعی است. شکل سمت چپ ، جریان ، ولتاژ ، توان و توان متوسط را در ضریب توان یک و شکل سمت راست ،  همین مقادیر را در مدار با ضریب توان صفر نشان می دهند .


در یک مدار کاملاً مقاومتی شکل موج جریان و ولتاژ با هم هم‌زمان هستند (یعنی در یک زمان صفر و ماکسیمم می‌شوند). حال اگر در مدار بار راکتیوی مانند خازن یا القاگر وجود داشته باشد انرژی ذخیره شده در این نوع بارها باعث به وجود آمدن اختلاف بین شکل موج ولتاژ و جریان می‌شود. این انرژی ذخیره شده به منبع باز خواهد گشت در حالیکه تأثیر مثبتی در عملکرد بار نخواهد داشت. به این ترتیب یک مدار با ضریب توان پایین در مقایسه با یک مدار با ضریب توان بالا نیازمند جریان بیشتری برای ایجاد مقدار ثابتی از توان واقعی است.

مدارهایی که شامل مصرف‌کننده‌های کاملاً مقاومتی هستند (مانند لامپ‌های رشته‌ای, بخاری‌های برقی, اجاق‌های برقی و ...) ضریب توانی برابر ۱ دارند در حالی که در مدارهایی که دارای بارهای راکتیو هستند (مانند خازن‌ها, موتورها, ترانسفورماتورها و...) ضریب توان کمتر از یک است. ضریب توان صفر در یک مدار بدین معناست که تمام بار مدار به صورت راکتیو است و در هر سیکل انرژی ذخیره شده در بار به منبع باز می‌گردد در حالیکه زمانیکه ضریب توان ۱ است تمام انرژی فرستاده شده به وسیله منبع در بار مصرف می‌شود. ضریب توان یک بار با توجه به جهت زاویه بین جریان و ولتاژ می‌تواندپیش‌فاز یا پس‌فاز باشد. برای نشان دادن جهت این زاویه از علامت منفی یا مثبت نیز استفاده می‌شود.

در بارهای القایی مانند موتورهای الکتریکی یا ترانسفورماتورها شکل موج جریان عقب‌تر از ولتاژ است در حالی که این مورد در بارهای خازنی مانند بانک‌های خازنی یا کابل‌های‌زیر زمینی درست برعکس است به این ترتیب که شکل موج جریان از شکل موج ولتاژ جلوتر است. با این حال هر دو نوع این بارها انرژی را در خود ذخیره می‌کنند با این تفاوت که در بارهای القایی انرژی به صورت میدان مغناطیسی و در بارهای خازنی انرژی به صورت میدان الکترواستاتیکی ذخیره می‌شود.

اهمیت میزان ضریب توان در یک مدار به هزینه‌های مربوط به آن بازمی‌گردد. در بسیاری از کشورها مصرف کننده‌هایی که میزان ضریب توان آنها از میزان استاندارد کمتر باشد جریمه می‌شوند.  (این استاندارد برای بیشتر مصرف‌کننده‌ها مقداری بین ۰.۹ تا ۰.۹۵ است) همچنین در مدارهای پر مصرف ضریب توان پایین موجب افزایش جریان در هادی‌ها شده و هزینه‌های مربوط به انتخاب هادی را افزایش می‌دهد این جریان اضافی موجب کاهش طول عمر تجهیزات تامین کننده و توزیع کننده انرژی الکتریکی نیز می‌شود.

اصلاح ضریب توان : 


در توان ثابت با کاهش ضریب توان، توان راکتیو زیاد شده و در نتیجه مقدار موثر جریان خط افزایش می یابد. با افزایش جریان به دلیل کاهش ضریب توان یا ضریب قدرت، توان راکتیو بزرگ شده و مقدار موثر جریان خط افزایش می یابد. هم چنین سطح مقطع کابل ها بزرگ شده و موجب بالا رفتن هزینه تأسیسات می شود. هرچه جریان افزایش یابد، هزینه کلیدها، فیوزها، تابلو و دستگاه های اندازه گیری و حفاظتی و کلیه تجهیزات توزیع افزایش می یابد. اگر ضریب قدرت کاهش یابد، توان تولیدی و مفید ژنراتورها کم شده و راندمان آنها و ترانسفورمر و موتورها پایین آمده و در نتیجه بهره سیستم تأسیسات الکتریکی کاهش می یابد. در رشته قدرت، هدف اصلی در کنار انتقال و توزیع بهینه برق، کاهش هزینه ها و افزایش راندمان تأسیسات است. با این اوصاف مصرف توان راکتیو که شبکه را اشغال می کند و موجب افزایش تلفات و هزینه می شود، باید کاهش یابد.


اصلاح ضریب توان یک تکنیک است که برای خنثی کردن آثار منفی بارهای راکتیو در یک شبکه AC به کار می‌رود. در این تکنیک با استفاده از بارهای راکتیوی با ضریب توان برعکس بار وارد شده به شبکه (برای مثال استفاده از خازن برای خنثی سازی تأثیرات القاگرها در شبکه) اقدام به اصلاح ضریب توان یا نزدیک کردن هرچه بیشتر ضریب توان به عدد ۱ می‌کنند. تخهیزات مورد استفاده در فرآیند اصلاح ضریب توان عبارت‌اند از:

بارهای خازنی: از اینگونه بارها برای خنثی سازی تأثیرات بارهای القایی بر روی مدار استفاده می‌شود. از آنجایکه بارهای القایی سهم عمده‌ای از بارها در صنایع را شامل می‌شوند در بیشتر موارد اصلاح ضریب توان با استفاده از اینگونه بارها همراه است. از جمله بارهای معمول مورد استفاده به صورت بار خازنی می‌توان به بانک‌های خازنی یا موتورهای سنکرون پرتحریک اشاره کرد.

بارهای القایی: این گونه بارها برای خنثی سازی تأثیرات بارهای خازنی (که معمولاً شامل کابل‌های زیر زمینی می‌شوند) در مدار به کار می‌رود. از این گونه اصلاح کننده‌های ضریب توان در سطح کوچک و تنها در پست‌ها استفاده می‌شود.



اصلاح ضریب توان غیر فعال :
این روش یک روش ساده برای اصلاح ضریب توان در بارهای خطی است که معمولاً با استفاده از بانک‌های خازنی صورت می‌گیرد. اما این روش به اندازه اصلاح ضریب توان فعال موثر نیست. گرچه این روش به دلیل سادگی و کم هزینگی آن در سطح وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرد اما در این روش وارد و خارج کردن خازن‌ها از مدار موجب به وجود آمدن جریان‌های هارمونیکی می‌شوند و این عیب یکی از دلایلی است که تمایل برای استفاده از موتورهای سنکرون یا اصلاح ضریب توان فعال هنوز وجود دارد.

اصلاح ضریب توان فعال :
اصلاح ضریب توان فعال (Active PFC) یک سیستم الکترونیک قدرت است که میزان جریان کشیده شده توسط هر بار را به منظور نزدیک کردن هرچه بیشتر ضریب توان به یک کنترل می‌کند. در بیشتر موارد سیستم اصلاح ضریب توان فعال اینگونه عمل می‌کند که با کنترل جریان ورودی شکل موج جریان را هر چه بیشتر به شکل موج ولتاژ نزدیک می‌کند. اصلاح ضریب توان فعال می‌تواند به صورت یک طبقه یا چند طبق عمل کند این سیستم همچنین بسیار موثر بوده و می‌تواند با اصلاح ضریب توان ضریب توانی در حدود ۰٫۹۹ ایجاد کند .

منابع تغذیه و درایورهای محصولات روشنایی LED:
یک منبع تغذیه سویچینگ از یک پل یکسوساز یا مداری مشابه برای یکسو کردن خروجی استفاده می‌کند. ولتاژ خروجی منبع از همان خروجی DC یکسوساز گرفته می‌شود. مشکلی که در اینجا به وجود می‌آید این است که یکسوساز یک وسیله غیر خطی است و بنابراین ورودی آن غیر خطی خواهد بود.
برای خنثی کردن اثرات هارمونیکی یک بار غیر خطی دیگر نمی‌توان از بارهای خطی مانند خازن یا القاگر استفاده کرد. ساده‌ترین راه برای خنثی کردن اثر جریان هارمونیکی استفاده از فیلترهاست. می‌توان فیلتری طراحی کرد که تنها جریان را با فرکانس خاصی (برای مثال ۵۰ یا ۶۰ هرتز) عیور دهد. در صورت استفاده از چنین فیلترهایی بارهای غیرخطی نیز مانند بارهای خطی در مدار عمل می‌کنند و پس از آن برای اصلاح ضریب توان می‌توان از بارهای خطی استفاده کرد .

بخش روشنایی یکی از مصرف کنندگان عمده انرژی الکتریکی می باشد. در حال حاضر ۲۵% از کل تولید انرژی الکتریکی در جهان، صـرف روشنایی می شود. عمر و راندمان بالا، از جمله عوامل مهمی هستند که سبب گسترش کاربرد LED ها در روشنایی شده اسـت. جـایگزینی LED ها با ادوات نوری موجود، سبب کاهش مصرف انرژی و نیز کاهش هزینه های مربوط به نگهداری خواهد شد. در بحث تغذیه LED ها ، راندمان و عمر درایورها از اهمیت ویژه ای برخوردار است. با توجه به عمر بالای LED ها، درایورها نیز باید به گونه ای طراحـی شـوند کـه عمر بالایی داشته باشند، از طرف دیگر با گسترش کاربرد این نوع محصولات روشنایی ، بایستی مسائل مرتبط با سلامت انسـان ، محیط زیست و زیرساختهای انرژی کشور نیـز مـورد توجـه قـرار گیرند، بنابراین دستیابی به نوری با حداقل ضرر به زیرساختها ، یکی دیگر از مواردی است که بایستی در طراحی درایور مد نظر قرار گیرد. در این راستا ، یکی از موضوعات مهمی که باید در طراحی درایورهای متصل به برق شهری مورد توجه قرار گیرد، ضرورت حصول ضریب توان بالا می باشد.  بعلت مصرف بالای محصولات روشنایی در جامعه ، وجود مدارات اصلاح توان در این محصولات لازم است تا از ایجاد هزینه های زیاد ناخواسته بر روی شبکه برق کشور جلوگیری شود . اهمیت این مسئله تا این اندازه است که سازمانهای استاندارد بین المللی نیز در این خصوص مقرراتی در نظر گرفته اند استاندارد IEC ۶۲۶۱۲  که شامل الزامات عملکردی لامپهای دیود نوری (LED) بالاست سرخود ، برای کاربردهای روشنایی عمومی می باشد ، مبحث ضریب جابجایی را مطرح می کند که در پیوست (D) این استاندارد ، توضیحات جامعی در خصوص محاسبه این فاکتور داده شده و مقادیری توصیه شده است که در صورت برآورده شدن ، حداقل اثر منفی بر روی شبکه توان از سوی لامپ LED  بالاست سرخود ، مورد انتظارمی باشد. 
                                                                                                                                                هادی واحدی 

     

مقالات مرتبط

آخرین اخبار

خبر

لیست محصولات ۱۳۹۹

۱۲ مهر ۱۳۹۹
خبر

بولتن ۹۷

۱۲ مهر ۱۳۹۹
خبر

بولتن ۹۶

۱۲ مهر ۱۳۹۹

دسته بندی مقالات

مجوزهای ما

مجوز
مجوز
مجوز