السبت، 6 يونيو 2020

تقنيات معوضات القدرة الغير الفعالة Reactive Power Compensators

الدرس القادم:ظاهرة الــقوس الارضي Ground Arcing في خطوط النقل الكهربائية.



تقنيات معوضات القدرة الغير الفعالة Reactive Power Compensators.

محتويات الدرس:
مفاهيم أساسية.
- تمثيل الأنواع المختلفة للقدرة الكهربية.
-مفهوم معامل القدرة  Power Factor.
-القدرة الغير الفعالة REACTIVE POWER.

     فى بدايات شبكات الكهرباء لم يكن هناك حاجة لاستخدام ما يعرف الآن باسم الــ  Static VAR Compensators بأنواعها المتعددة ، إذ كانت الأحمال مجاورة للتوليد ولا يوجد أحمال حثية كثيرة ، بل كانت معظم الأحمال إما إنارة أو تسخين ، وكانت الأحمال تتصل بخطوط قصيرة بالمصدر ، ومن ثم فلم يشعر أحد بمشاكل الـــ Reactive Power  والتى ظهرت مع تغير هذه الظروف فصارت لدينا أحمال حثية ضخمة تحتاج لسحب كميات هائلة من الـــ Q قد لا تستطيع المولدات الموجودة فى الخدمة إمداد الأحمال بها ، لأن زيادة القدرة الغير فعالة المسحوبة بواسطة الأحمال تعنى شيئين: الأول هو حدوث هبوط في الجهد عند الــ  Receiving end مع زيادة التحميل كما هو واضح في الشكل أسفله ، -والذى يظهر أيضا ارتفاع الجهد عند انخفاض التحميل نتيجة ارتفاع قيمة الــ Reactive Power  كما سيتبين لاحقا: 


     والأمر الثاني المترتب على ارتفاع قيمة القدرة غير الفعالة المسحوبة بواسطة الأحمال هو انخفاض في قيمة الــ Power factor  كما هو واضح من العلاقة المشهورة بين Q-P curve والتى تظهر فى الشكل التالي (مثلث القدرة)، -ومن ثم نلجأ إلى مصادر أخرى لتعويض للقدرة غير الفعالة وهو إما باستخدام المكثفات ، أو باستخدام أجهزة الـــ STATCOM . 

1- مفاهيم أساسية:

     وقبل الحديث عن هذه الأجهزة نراجع باختصار بعض المعلومات الأساسية المتعلقة بالــ ReactivePower فى الخطوط.

1-1 تمثيل الأنواع المختلفة للقدرة الكهربية:

    معظم الأجهزة الكهربائية التي تعمل على التيار المتردد (مثل المحركات والمحولات و..) تستهلك نوعين من الطاقة الكهربائية :

    1 -الأولى قدرة فعالة (Active Power) وتقدر بالـ (kW) وهذه يستهلك جزء صغير منها عبر المقاومة الأومية (R) للملفات ، والجزء الأكبر يتحول فعليا إلى طاقة أخرى مفيدة (حركية مثلا خلال المحركات أو ضوء كما فى اللمبات وهكذا) ولذا تسمى بالقدرة الفعالة أو الحقيقية.
𝑷 = 𝑽𝑰 𝐜𝐨𝐬 φ

    2 -والثانية قدرة غير فعالة (Reactive Power) وتقدر بالـ (KVAR) وهذه لا تستهلك ولا تتحول لصورة أخرى بل تتردد ذهابا وإيابا بين المصدر وبين الحمل من خلال خطوط التوصيل بينهما وتقوم داخل الحمل بمهمة إنشاء المجال المغناطيسي المطلوب لعمل هذه الأجهزة. 
𝑸 = 𝑽𝑰 𝐬𝐢𝐧 φ

                                         3 -وعند جمع هاتين القدرتين اتجاهيا ينتج لدينا القدرة الظاهرية  (Apparent Power (وتقدر بالــــ (KVA) كما فى المثلث المعروف بمثلث القدرة الشكل التالي:

      ويمكن تقريب الأمر بصورة توضيحية ، فلو تخيلنا أن لدينا صندوقا مغلقا به حمل كهربائي Electric load ومتصل به سلكان يمر خلالهما التيار الكهربائي ، فلو أنك باستخدام Multi-meter وقمت بقياس الجهد والتيار الداخلين للجهاز ثم حسبت حاصل ضربهما فستحصل على ما نسميه القدرة الظاهرية Apparent Power، وتعنى كما نقول باللغة الدارجة أن الظاهر أن القدرة الداخلة لهذا الجهاز المغلق تساوى كذا VA ، وهذا مصطلح دقيق لأنها فعلا قدرة ظاهرية أما الواقع فإنها داخل هذا الصندوق ستنقسم إلى جزئين ليس بالضرورة أن يكونا متساويين أحدهما يمثل القدرة الفعالة P والآخر يمثل القدرة غير فعالة Q ، والنسبة بينهما تحدد ما يعرف بالــ Factor Power. 

2-1 مفهوم معامل القدرة  Power Factor:

    فى مثلث القدرة تسمى الزاوية φ بين الـــ P وبين الــــ Q بزاوية القدرة Angle Power ويكون Cos هذه الزاوية مساويا لنسبة القدرة الحقيقية أو الفعالة (P) إلى القدرة الظاهرية (S) و هو ما يسمى بمعامل القدرة Power Factor .

   وكلما كانت Q أقل كلما كانت زاوية القدرة صغيرة وهذا يعنى أن معامل القدرة سيكون كبيرا ويقترب من الواحد وبالتالى تكون القدرة الفعالة المفيدة المستهلكة أكبر وهذا ما نسعى إليه.
    وكلما كانت Q كبيرة كلما كان معامل القدرة صغيرا وهذا يعنى أننا لن نحصل سوى على قدرة حقيقية فعالة إلا بقدر صغير من إجمالى القدرة الظاهرة S التى تغذى الحمل. ومن هنا كان معامل القدرة PF مؤشرا على ارتفاع كفاءة الاستفادة من القدرة المتاحة على الشبكة تماما كما لو تخيلنا زاوية الحبل الذى يشده الحصان فى الشكل التالي ،
 -فكلما اقتربت الزاوية من الصفر كلما استفدت من قوة الحصان بأقصى صورة بينما لو جعلت الزاوية 90 درجة فلن تتحرك العربة ولن تحصل على أى قوة من الحصان. 

   و عند إ عداد دراسة لإنشاء محطة توليد أو محطة توزيع بقدرة مثلا (1000KVA) لتأمين التغذية الكهربائية لمنطقة عامل القدرة لها بحدود (8.0=F.P (فإن المولد أو المحول سيكون قادرا على تأمين قدرة فعالة قدرها فقط:
(𝑷 = 𝟎. 𝟖𝑿𝟏𝟎𝟎𝟎 = 𝟖𝟎𝟎 𝑲𝑾) 
 لأنه سيحتاج لتأمين النوع الثانى من القدرة وهو القدرة غير فعالة.

أما عندما يكون معامل القدرة بحدود (0,5 = P.F) فإن هذا المولد أو المحول لن يكون قادرا إلا على تأمين قدرة فعالة فقط بحدود (500KW = P).

2-  القدرة الغير الفعالة REACTIVE POWER:

     هذا المصطلح يظهر دائما إذا كانت الأحمال التى لديك تشتمل على مكثفات أو ملفات ، أما إذا كانت الأحمال عبارة عن مقاومات فقط فعندها لن يكون لدينا سوى نوع واحد من القدرة و هو القدرة الفعالة Power Active أو أحيانا تسمى القدرة الحقيقية Power Real . 

   ففى حالة الــ Resistive Loads  يكون الجهد والتيار In-phase كما فى الشكل التالي ومن ثم يكون حاصل ضربهما وهو القدرة (I.V = P) موجبا دائما كما فى الشكل .


     ويمكن القول أن كل القدرة الكهربائية القادمة من المصدر قد تحولت إلى قدرة فعالة Active داخل الحمل ، فقد تكون تحولت مثلا إلى حرارة أو إلى ضوء أو أي صورة من صور تحويل الطاقة. 

    أما فى حالة وجود ملفات فقط أو مكثفات فقط فى الدائرة الكهربائية الموصلة على مصدر للتيار المتردد فإن هناك Phase Shift  بين الجهد والتيار قدرة 90 درجة (التيار يسبق Lead الجهد فى حالة المكثفات ، ويكون متأخرا عنه Lag في حالة الملفات). 

   ونتيجة هذا الـــ Phase Shift  فإن حاصل ضرب الجهد فى التيار تصبح موجبة فى أول ربع دورة فى حالة الملفات ثم سالبة ثم موجبة ثم سالبة فى الربع الأخير كما في الجزء الأيسر من الشكل أسفله . والعكس صحيح فى حالة المكثفات كما في الجزء الأيمن من الشكل.

    وهذا يعنى أن المكثف / الملف يختزن الطاقة المسحوبة من المصدر خلال ربع الدورة ثم يردها ثانية للمصدر خلال ربع الدورة التالى ، ويتكرر ذلك خلال ربعي الدورة الثالث والرابع . وتصبح متوسط القدرة P المسحوبة خلال دورة كاملة يساوى صفرا. 


    و كما هو واضح من الشكلين فإن متوسط القدرة P المسحوبة من المصدر خلال دورة كاملة يساوى صفرا فى حالتي المكثف والملف ، ومن هنا أطلق على هذا النوع من القدرة التى تسحب بواسطة ملفات أو مكثفات اسم القدرة غير فعالة Q Reactive Power  لأنها فى الإجمال لم تؤد أي شغل ولم تتحول إلى أى صورة أخرى مفيدة بل كل ما فعلته (فى الظاهر حتى الآن) أنها تمر خلال الأسلاك بين المصدر والحمل ذهابا وإيابا متسببة فى مرور تيار إضافى فى الأسلاك وهذا التيار الإضافى سيتسبب فى حدوث Voltage drop  على الخط ومن ثم ينخفض الجهد عند الأحمال ، بالإضافة إلى تسببها فى حدوث فقد فى الطاقة خلال مقاومة الأسلاك الواصلة للحمل (لاحظ أن القدرة الفعالة الوحيدة التى ظهرت هى القدرة المفقودة فى الأسالك ولا علاقة لها بالملفات أو المكثفات). 

  وأحيانا يطلق على الــ Q القدرة السالبة أو التخيلية والسبب واضح من الأشكال السابقة ، ففى حالة القدرة الفعالة P  Active Power فإن القدرة متغيرة القيمة لكنها دائما موجبة بينما فى حالة القدرة غير فعالة Q فإن جزء منها موجب والجزء الآخر سالب كما فى الشكل السابقين ،وبالطبع ليس معنى القدرة السالبة أو التخيلية أنها غير موجودة بالواقع ، بل يعنى أن اتجاهها قد تغير ليصبح من الحمل إلى المصدر.

  بالطبع لا يوجد فى الواقع العملى أحمال عبارة عن ملفات فقط أو مكثفات فقط وإنما يكون مع كل منهم مقاومة ما ، ومن ثم فالقدرة المسحوبة بواسطة الملف أو المكثف لن تكون كلها Q كما فى الشكل السابق بل سيكون جزء منها يعتبر P وجزء آخر يعتبر Q وتختلف نسبة كل جزء منهما حسب نوع الحمل. والشكل التالي
  -يمثل الصورة الواقعية للقدرة الفعالة وغير الفعالة المسحوبة بواسطة حمل مكون من ملف ومقاومة.


هناك تعليق واحد: