مقياس معامل القدرة Power Factor Meter

تعريف مقياس معامل القدرة:

التعريف: يقيس مقياس معامل القدرة “معامل القدرة لنظام النقل”. معامل القدرة هو جيب تمام الزاوية بين الجهد والتيار. يحدد مقياس معامل القدرة أنواع الحمولة التي يتم استخدامها على الخط، كما يقوم بحساب الخسائر التي تحدث عليه. يُقاس معامل القدرة لخط النقل بقسمة ناتج الجهد والتيار على الطاقة. ويتم تحديد قيمة تيار الجهد والطاقة بسهولة بواسطة مقياس الفولتميتر، ومقياس التيار الكهربائي، ومقياس الواط ميتر (Wattmeter) على التوالي. تعطي هذه الطريقة دقة عالية، لكنّها تستغرق وقتًا.

شرح مقياس معامل القدرة:

مقياس معامل القدرة هو أداة كهربائية تُستخدم لقياس معامل القدرة لمختلف الآلات الكهربائية مثل مولد التيار المستمر، ومحرك التيار المتردد، والمحولات، وغيرها. ولقياس معامل القدرة لخطوط النقل والتوزيع المختلفة لإمدادات الطاقة الكهربائية المختلفة. قد تكون مصادر الطاقة هذه من محطات الشبكة أو المحطات الفرعية أو من بيوت الطاقة.

يجب أن يكون معامل القدرة (0.8) إلى الوحدة إذا انخفض عامل القدرة عن (0.8)، فسيكون الجهد والتيار غير متوازنين وتكون الطاقة مضطربة. لذلك، في محطات الشبكة الكهربائية، يجب أن يكون معامل القدرة بين (0.8) إلى الوحدة (1). معامل القدرة هو جيب تمام الزاوية (φ) بين الجهد والتيار لخطوط النقل والآلات الكهربائية.

يتغير معامل القدرة لخط النقل باستمرار بمرور الوقت. ومن ثمّ فمن الضروري أن نأخذ القراءة السريعة. يأخذ مقياس معامل القدرة قراءة مباشرة، لكنّه أقل دقة. القراءة التي تمّ الحصول عليها من مقياس معامل القدرة كافية للعديد من الأغراض لتوقع اختبار الدقة. يحتوي مقياس معامل القدرة على نظام متحرك يسمّى المؤشر وهو في حالة توازن مع القوتين المتعارضتين. وبالتالي، يظل مؤشر مقياس معامل القدرة في نفس الموضع الذي يشغله في وقت انقطاع الاتصال.

أنواع مقياس معامل القدرة:

مقياس معامل القدرة يتكون من نوعين. وهي كالتالي:

مقياس التيار الكهربائي (Electrodynamometer):

• مقياس الديناميكا الكهربائية أحادي الطور (Single Phase Electrodynamometer).

• مقياس الديناميكا الكهربائية ثلاثي الطور (Three Phases Electrodynamometer).

جهاز قياس نوع الحديد المتحرك (Moving Iron Type Meter):

• الحديد الدوّار للمجال المغناطيسي (Rotating Iron Magnetic Field).

• عدد مجالات التيار المتردد (Number of Alternating Field).

الأنواع المختلفة لمقياس معامل القدرة موضحة أدناه بالتفصيل:

مقياس معامل القدرة للتيار الكهربائي أحادي الطور:

يظهر بناء مقياس التيار الكهربائي أحادي الطور كالتالي: يحتوي المقياس على ملف ثابت يعمل كملف تيار. ينقسم هذا الملف إلى قسمين ويحمل التيار تحت الاختبار. يتناسب المجال المغناطيسي للملف طرديًا مع تدفق التيار عبر الملف. يحتوي المقياس على ملفي ضغط متطابقين (A) و(B). كلا الملفين محوريان على المغزل. لا يحتوي ملف الضغط (A) على مقاومة حثّية متصلة على التوالي مع الدائرة، والملف (B) له ملف حثّي للغاية متصل على التوالي مع الدائرة.

التيار في الملف (A) في طور مع الدائرة بينما التيار في الملف (B) يتأخر بجهد يساوي (90) درجة تقريبًا. يتم توصيل الملف المتحرك من خلال الأربطة الفضية أو الذهبية التي تقلل من عزم الدوران المتحكم في النظام المتحرك. للمقياس عزمان منحرفان، أحدهما يعمل على الملف (A)، والآخر على الملف (B). والملفات مرتبة بحيث تكون متعاكسة في الاتجاهين. المؤشر في حالة توازن عندما تكون عزم الدوران متساوية.

يتم إعطاء عزم الانحراف الذي يعمل على الملف (A) كـالتالي:

T_A = KVIM cos φ sin θ

حيث:

θ – الانحراف الزاوي من المستوى المرجعي.

M_max – القيمة القصوى للحث المتبادل بين الملفات.

يتم التعبير عن عزم الانحراف الذي يعمل على الملف (B) كـالتالي:

I_B = KVIM_max Cos (90° – φ) Sin (90° + φ)

I_B = KVIM_max cosφ sinθ

يعمل عزم الدوران المنحرف على اتجاه عقارب الساعة. قيمة الحد الأقصى للحث المتبادل هي نفسها بين المعادلتين المنحرفتين:

T_A = T_B

KVIM cosφ sinθ = KVIM_max cosφ sinθ

يعمل هذا العزم على عكس اتجاه عقارب الساعة. توضح المعادلة أعلاه أنّ عزم الانحراف يساوي زاوية طور الدائرة.

مقياس معامل القدرة للتيار الكهربائي ثلاثي الطور:

بناء المقياس ثلاثي الطور يكون كالتالي: مقياس الديناميكا الكهربائية مفيد فقط للحمل المتوازن. يتم وضع الملف المتحرك بزاوية (120) درجة. إنّها متصلة عبر أطوار مختلفة من دائرة التوريد. كلا الملفين له مقاومة متتالية:

الجهد عبر الملف (A) هو (V12) والتيار عبره (IA1). دائرة الملف مقاومة، وبالتالي فإنّ التيار والجهد في الطور مع بعضهما البعض. وبالمثل، فإنّ الجهد (V13) والتيار (IB1) في طور مع بعضهما البعض، لتكن:

Φ – زاوية الطور للدائرة.

θ – الانحراف الزاوي من المستوى المرجعي.

عزم الدوران الذي يعمل على الملف (A) هو:

T_A = KVI₁₂ Mmax Cos(30° + φ) Sin(60° + φ)

T_A = √3 KVI₁₂ Mmax Cos(30° + φ) Sin(60° + φ)

عزم الدوران الذي يعمل على الملف (B) هو:

T_B = KVI₁₂ Mmax Cos(30° – φ) Sin(120° + φ)

T_B = KVI₁₂ Mmax Cos(30° – φ) Sin(120° + φ)

يعمل عزم الدوران (T_A) و(T_B) في الاتجاهين المعاكسين:

Cos(30° – φ) Sin(120° + φ) = Cos(30° – φ) Sin(120° + φ)

وبالتالي فإنّ الانحراف الزاوي للملف يتناسب طرديًا مع زاوية طور الدائرة.

معامل القدرة الحديد الدوّار للمجال المغناطيسي:

وينفسم أداة الحديد الدوّار (moving iron instrument) المجال المغناطيسي الدوّار لبعض مجالات التيار المتردد إلى:

مقياس معامل القدرة للمجال الدوراني: فيما يلي السمة الأساسية للمجال المغناطيسي الدوّار. يحتوي مقياس معامل القدرة على ثلاثة ملفات ثابتة، ويتم إزاحة محاورها بمقدار (120) درجة عن بعضها البعض. المحاور تتقاطع مع بعضها البعض. ترتبط الملفات بالإمداد ثلاثي الطور بمساعدة محول التيار.

(P) هو الملف الثابت المتصل على التوالي بدائرة مقاومة عالية عبر الأطوار (2) و(3). توجد أسطوانة حديدية عبر الملف (P). يتم تثبيت (vanes) الحديد على الأسطوانة. تحمل المغازل أيضًا دوارات (damping vanes) ومؤشرًا. العزم الكلي للمقياس هو صفر لانحراف الحالة المستقرة:

[Cos(90° – φ) Sin(90° + φ) + Cos(330° – φ) Sin(210° + φ) + Cos(210° – φ) Sin(330° + φ)] = 0

يولد الملف (P) وأسطوانات الحديد تدفقًا متناوبًا يتفاعل مع تدفق الملفات الثابتة. يولد تفاعل الملف النظام المتحرك الذي يحدد زاوية طور التيار. يتم مغنطة دوّارات مقياس معامل القدرة بواسطة تيار الملف المتحرك الذي يكون في الطور مع جهد خط النظام.

مزايا معامل القدرة الحديد الدوّار:

• يتطلب المقياس قوة عمل كبيرة مقارنةً بمقياس نوع التيار الكهربائي.

• يتم تثبيت ملفات أدوات الحديد المتحركة بشكل دائم.

• يمتد نطاق المقياس حتى (360) درجة.

• بناء العداد قوي وبسيط.

• تعتبر أداة الحديد المتحركة رخيصة مقارنة بالمقياس الكهروديناميكي.

• يستخدم مقياس معامل القدرة لقياس معامل القدرة للحمل المتوازن.

عيوب معامل القدرة الحديد الدوّار:

• تحدث الخسارة في الجزء الحديدي من العدّاد. تعتمد الخسائر على الحمل وتكرار العداد.

• المقياس لديه دقة منخفضة.

• تتأثر معايرة العداد بسبب الاختلاف في ترددات الإمداد والجهد وأشكال الموجة وما إلى ذلك.