توان راکتیو (Reactive Power) — به زبان ساده

در یک مدار DC، ضرب ولتاژ در جریان، توان مصرف شده را بر حسب وات نشان می‌دهد. برای مدارهای AC مقاومتی خالص نیز همین مورد صادق است. اما در مدارهای AC پیچیده‌تر شامل عناصر غیرفعال راکتیو (مانند سلف و خازن)، ضرب جریان در ولتاژ، با فرکانس تغییر می‌کند.

در یک مدار AC، ضرب ولتاژ و جریان برحسب ولت-آمپر (VA) به‌عنوان «توان ظاهری» (Apparent power) شناخته شده و با نماد S نشان داده می‌شود. در مدارهای مقاومتی خالص مانند هیتر، اتوی برقی، لامپ و غیره، عملاً راکتانس صفر است و در نتیجه، امپدانس مدار فقط از مقاومت تشکیل شده است.

در یک مدار مقاومتی AC، جریان و ولتاژ هم‌فاز هستند و توان در هر لحظه با ضرب ولتاژ در جریان همان لحظه، قابل محاسبه است. به دلیل همین «هم‌فاز» بودن، مقادیر rms را می‌توان برای تعیین مقدار توان DC معادل به‌کار برد. اگر مدار دارای اجزای راکتیو باشد، ولتاژ و جریان هم‌فاز نخواهند بود. همچنین اگر زاویه فاز بین ولتاژ و جریان، حداکثر (90 درجه) باشد، مدارِ راکتیو، توان مصرفی را به منبع برمی‌گرداند و به همین دلیل، مقدار توان میانگین مصرف شده مدار صفر است. به بیان دیگر توان بین منبع و بار در گردش است.

فیلم آموزش بررسی سیستم‌ های قدرت ۱ – مرور و حل سوالات آزمون های استخدامی در فرادرس

کلیک کنید

از آن‌جایی که ولتاژ و جریان داریم، اما توانی تلف نمی‌شود، عبارت $$P=IV (rms)$$ برای مدارهای AC معتبر نیست و لزوماً مقدار توان مصرف‌شده را نمی‌دهد. بنابراین، برای تعیین مقدار «توان حقیقی» (real power) یا «توان اکتیو» (Active power) که توسط مدار AC مصرف می‌شود، باید علاوه بر ضرب ولت-آمپر، اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان را مطابق رابطه $$VI.\cos \Phi$$ داشته باشیم.

در نتیجه، رابطه بین توان ظاهری و توان اکتیو یا حقیقی به‌صورت زیر خواهد بود:

ضریب توان (PF) $$\times$$ توان ظاهری (S) = توان اکتیو (P)

$$\frac{P}{S}$$ = PF

«ضریب توان» (power factor) یا PF، به‌عنوان نسبت بین توان اکتیو برحسب وات و توان ظاهری برحسب ولت-آمپر تعریف می‌شود و میزان موثر بودن توان الکتریکی مورد استفاده را مشخص می‌کند. در یک مدار AC مقاومتی خالص، توان اکتیو برابر با توان ظاهری است و در نتیجه ضریب توان، واحد است. ضریب توان را می‌توان به‌صورت عددی یا درصدی نشان داد.

در مدارهای AC، مولفه توان دیگری نیز تعریف می‌شود که هنگام اختلاف فاز ولتاژ و جریان در مدار وجود دارد. این توان، «توان راکتیو» (Reactive Power) و گاهی «توان موهومی» نامیده می‌شود. توان راکتیو برحسب ولت-آمپر راکتیو یا VAr و با نماد Q نشان داده می‌شود که به‌صورت $$VI.\sin \Phi$$ قابل محاسبه است.

توان راکتیو یا VAr، واقعاً توان نیست، اما ضرب ولت در آمپری را نشان می‌دهد که با هم هم‌فاز نیستند. این توان، بخشی از الکتریسیته است که به تولید و پایدار ماندن میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی لازم برای تجهیزات جریان متناوب کمک می‌کند. مقدار توان راکتیو موجود در مدار AC، به مقدار اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان بستگی دارد و مشابه توان اکتیو، وقتی عنصری تغذیه‌کننده توان راکتیو باشد، مقدار آن منفی و وقتی مصرف‌کننده باشد مثبت است. در اکثر تجهیزات الکتریکی مانند موتورها، ژنراتورها و ترانسفورماتورها توان راکتیو مصرف می‌شود. همچنین لازم است تلفات راکتیو خطوط انتقال را تغذیه کرد.

رابطه بین سه مولفه توان اکتیو (W)، توان ظاهری (VA) و توان راکتیو (VAr) در مدارهای AC با سه ضلع یک مثلث قائم‌الزاویه نشان داده می‌شود. این نمایش، «مثلث توان» نامیده می‌شود.

از مثلث بالا می‌توان مشاهده کرد که مدارهای AC، دو نوع توان را مصرف یا تغذیه می‌کنند: توان اکتیو و توان راکتیو. توان اکتیو هرگز منفی نخواهد بود، در حالی که توان راکتیو می‌تواند مثبت یا منفی باشد. کاهش توان راکتیو، همیشه یک مزیت برای بهبود بازده سیستم است.

مزیت اصلی استفاده از شبکه توزیع AC این است که سطح ولتاژ تغذیه را می‌توان با استفاده از ترانسفورماتور تغییر داد، اما ترانسفورماتورها و موتورهای القایی وسایل خانگی، هواسازها و تجهیزات صنعتی که توان راکتیو مصرف می‌کنند،‌ جریان‌های بیشتری نیاز دارند. این امر مستلزم کابل‌ها و ترانسفورماتورهای بزرگتری است.

توان راکتیو را می‌توان به کف روی یک لیوان نوشابه تشبیه کرد. شما پول یک لیوان پر از نوشابه را می‌دهید، اما آن چیزی که می‌نویشید، اغلب کمتر از یک لیوان کامل است. این به دلیل آن است که فضای اضافه‌ای از لیوان اشغال شده که همان کف است.

در بسیاری از کاربردهای صنعتی، وجود توان راکتیو در مدار مفید است. در حالی که توان اکتیو یا حقیقی، انرژی لازم برای حرکت یک موتور، گرم کردن خانه یا روشن کردن لامپ‌ها را تامین می‌کند، توان راکتیو با گردش موثر توان در شبکه و خطوط انتقال، در هرجایی که نیاز بار باشد، نقش مهم تنظیم ولتاژ را ایفا می‌کند.

هرچند کاهش توان راکتیو، ضریب توان و بازده سیستم را بهبود می‌دهد، اما از سوی دیگر یک مقدار کافی از آن برای کنترل ولتاژ و غلبه بر تلفات شبکه انتقال لازم است. این به آن دلیل است که اگر ولتاژ شبکه به اندازه کافی بالا نباشد، تامین توان اکتیو ممکن نخواهد بود. اما وجود توان راکتیو خیلی زیاد در شبکه، منجر به گرمای بیش از حد (تلفات $$I^2*R$$)، افت ولتاژ ناخواسته و اتلاف توان در خطوط انتقال می‌شود.

اصلاح ضریب توان

یک راه برای جلوگیری از توان راکتیو، نصب خازن‌های اصلاح ضریب توان است. معمولاً مصرف‌کنندگان خانگی فقط هزینه توان اکتیو را پرداخت می‌کنند (انرژی برحسب کیلووات-ساعت)، زیرا ضریب توان تکفاز همه مشترکان خانگی به‌دلیل تعبیه خازن‌های اصلاح ضریب توان در وسایل خانگی، یکسان است.

فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۱ در فرادرس

کلیک کنید

از سوی دیگر، ضریب توان مصرف‌کننده‌های صنعتی که عمدتاً برق سه‌فاز دارند، متفاوت از یکدیگر است. به همین دلیل، ممکن است شبکه، مصرف‌کننده‌هایی را که ضریب توان آن‌ها از حد مجاز کمتر است، جریمه کند. دلیل این کار آن است که شرکت‌های برق باید هادی‌ها، ترانسفورماتورها، پست‌ها و غیره را بزرگتر کنند تا بتوانند برق مصارف بزرگ را تامین نمایند.

ضریب توان بیشتر از 0.95، برای یک بار مطلوب است، زیرا توان را به شکل موثرتری مصرف می‌کند. برای یک بار با ضریب توان کمتر از 0.95، توان راکتیو بیشتری لازم است. ضریب توان 1 یا واحد نیز کامل محسوب می‌شود و توان راکتیو در این حالت صفر است.

جمع‌بندی

دیدیم که «توان ظاهری»‌، ترکیبی از «توان راکتیو» و «توان اکتیو» است. توان اکتیو یا حقیقی، در یک مدار مقاومتی خالص وجود دارد، در حالی که توان راکتیو را می‌توان در مدارهایی با اجزای خازنی و سلفی یافت. تقریباً همه مدارهای AC شامل مقاومت، سلف و خازن هستند. از آن‌جایی که توان راکتیو، توان حقیقی را در یک سیستم الکتریکی تحت‌الشعاع قرار می‌دهد، باید تامین مقدار توان ظاهری لازم را تضمین کرد.

در آموزش‌های بعدی، درباره سایر موضوعات مرتبط با مدارهای AC بحث خواهیم کرد. اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، پیشنهاد می‌کنیم به مطالب زیر مراجعه کنید:

• تقویت کننده های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
• مدارهای جریان مستقیم (DC) — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس

^^