يمكن وصف القدرة التفاعلية بشكل أفضل على أنها كمية الطاقة “غير المستخدمة”، والتي يتم تطويرها بواسطة المكونات التفاعلية في دائرة كهربائية أو نظام التيار المتردد.
تعريف القدرة التفاعلية:
في دائرة التيار المستمر، يعطي ناتج “فولت × أمبير” كمية الطاقة المستهلكة بالواط بواسطة الدائرة، في حين أن هذه الصيغة صحيحة أيضاً بالنسبة لدارات التيار المتردد ذات المقاومة البحتة، فإن الوضع أكثر تعقيداً قليلاً في دوائر التيار المتردد والتي تحتوي على مكونات تفاعلية، حيث يمكن أن يتغير مبدأ “فولت × أمبير” مع هذا مع التردد.
في دائرة التيار المتردد، يتم التعبير عن ناتج الجهد والتيار على أنه “فولت أمبير” أو “كيلو فولت أمبير”، ويعرف باسم القوة الظاهرية في دائرة مقاومة بحتة غير حثية، مثل السخانات والمكاوي والغلايات والمصابيح الخيطية إلخ، تكون الممانعة صفراً عملياً، لذا فإن مقاومة الدائرة تتكون بالكامل تقريباً من مقاومة فقط.
بالنسبة لدائرة مقاومة التيار المتردد، يكون التيار والجهد في الطور، كما يمكن إيجاد القدرة في أي لحظة بضرب الجهد بالتيار في تلك اللحظة، وبسبب العلاقة الموجودة في الطور، يمكن للقدرة أن تكون عبارة عن قيم جذر متوسط التربيع تستخدم للعثور على طاقة التيار المستمر والمكافئ أو تأثير التسخين بسبب المقاومة.
ومع ذلك، إذا كانت الدائرة تحتوي على مكونات تفاعلية، فإن أشكال الجهد والتيار ستكون “خارج الطور” بمقدار ما تحدده زاوية طور الدوائر، إذا كانت زاوية الطور بين الجهد والتيار عند الحد الأقصى تساوي 90 درجة، فإن قيمة الفولت أمبير ستكون عبارة عن قيم موجبة وسالبة متساوية.
بمعنى آخر، تعيد الدائرة التفاعلية قدراً كبيراً من الطاقة إلى الإمداد الرئيسي، كما يتم استهلاكها مما يؤدي إلى أن متوسط الطاقة التي تستهلكها الدائرة يساوي صفراً بالمجمل، حيث يستمر التدفق بنفس كمية الطاقة بالتناوب، من المصدر إلى الحمل والعودة من الحمل إلى المصدر
نظراً لأن لدينا جهداً وتياراً ولكن لم يتم تبديد الطاقة، فإن التعبير عن ((P = IV (rms) لم يعد صالحاً وبالتالي يترتب على ذلك أن منتج (volt-amp) في دائرة التيار المتردد لا يعطي بالضرورة الطاقة المستهلكة.
ثم من أجل تحديد “القوة الحقيقية”، التي تسمى أيضاً الطاقة النشطة، الرمز(P)، والذي يعبر عن مقدار القدرة التي تستهلكه دائرة التيار المتردد، نحتاج إلى حساب ليس فقط منتج فولت أمبير ولكن أيضاً نحتاج الى فرق زاوية الطور بين الجهد وأشكال الموجة الحالية المعطاة بالمعادلة: (VI.cosΦ).
ثم يمكننا كتابة العلاقة بين القوة الظاهرة والقوة الفاعلة أو الحقيقية على النحو التالي:
لاحظ أن عامل القدرة (PF) يُعرَّف بأنه النسبة بين القوة النشطة بالواط والقوة الظاهرة “فولت أمبير” ويشير إلى مدى فعالية استخدام الطاقة الكهربائية.
في دائرة التيار المتردد المقاومة غير الاستقرائية، ستكون القوة النشطة مساوية للقوة الظاهرة حيث يصبح هذا الجزء مساوياً للواحد أو الوحدة. يمكن التعبير عن عامل قدرة الدائرة إما كقيمة عشرية أو كنسبة مئوية.
ولكن بالإضافة إلى القوى النشطة والظاهرية في دارات التيار المتناوب، هناك أيضاً مكون طاقة آخر موجود كلما كانت هناك زاوية طور. يُطلق على هذا المكون اسم “القوة التفاعلية” (يشار إليها أحياناً بالقدرة التخيلية) ويتم التعبير عنها بوحدة تسمى “الفولت أمبير المتفاعل”، (VAr)، ورمزها (Q) وتعطى بواسطة المعادلة: (VI.sinΦ).
القوة التفاعلية أو (VAr)، ليست في الواقع قوة على الإطلاق ولكنها تمثل ناتج فولت وأمبير خارج الطور مع بعضها البعض، الطاقة التفاعلية هي جزء من الكهرباء يساعد في إنشاء واستدامة المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي ستطلبها معدات التيار المتردد، ستعتمد كمية الطاقة التفاعلية الموجودة في دائرة التيار المتردد على تحول الطور أو زاوية الطور بين الجهد والتيار تمامًا مثل الطاقة النشطة، تكون الطاقة التفاعلية موجبة عند “تزويدها” وسالبة عند “استهلاكها”.
تُستخدم الطاقة التفاعلية في معظم أنواع المعدات الكهربائية التي تستخدم مجالاً مغناطيسياً، مثل المحركات والمولدات والمحولات، كما انها تكون أيضاً بتكوين الخسائر التفاعلية على خطوط نقل القدرة العلوية.
يمكن تمثيل العلاقة بين العناصر الثلاثة للقوة، القوة النشطة، (وات) القوة الظاهرة، (VA) والقوة التفاعلية (VAr) في دائرة التيار المتردد من خلال الجوانب الثلاثة للمثلث القائم الزاوية، يسمى هذا التمثيل مثلث القوة كما هو موضح:
من مثلث الطاقة أعلاه يمكننا أن نرى أن دارات التيار المتردد تزود أو تستهلك نوعين من الطاقة: الطاقة النشطة والقوة التفاعلية، أيضاً لا تكون القوة النشطة سالبة أبداً، في حين أن القدرة التفاعلية يمكن أن تكون إما موجبة أو سلبية من حيث القيمة، لذلك من المفيد دائماً تقليل الطاقة التفاعلية من أجل تحسين كفاءة النظام.
الميزة الرئيسية لاستخدام توزيع الطاقة الكهربائية (AC)، هي أنه يمكن تغيير مستوى جهد الإمداد باستخدام المحولات، لكن المحولات والمحركات الحثية للأجهزة المنزلية ومكيفات الهواء والمعدات الصناعية كلها تستهلك الطاقة التفاعلية التي تشغل مساحة على خطوط النقل، نظراً لأن الموصلات الأكبر والمحولات المطلوبة للتعامل مع التيارات أكبر، وبالتالي نحتاج إلى دفع ثمنها.
ولكن بالنسبة للعديد من تطبيقات الطاقة الصناعية، غالباَ ما تكون الطاقة التفاعلية مفيدة لوجود دائرة كهربائية، في حين أن الطاقة الحقيقية أو النشطة هي الطاقة التي يتم توفيرها لتشغيل محرك أو تدفئة منزل أو إضاءة مصباح كهربائي، فإن الطاقة التفاعلية توفر الوظيفة المهمة لتنظيم الجهد وبالتالي المساعدة في نقل الطاقة بشكل فعال عبر شبكة المرافق وخطوط النقل إلى حيث هو مطلوب من قبل الحمل.
في حين أن تقليل القدرة التفاعلية للمساعدة في تحسين عامل الطاقة وكفاءة النظام أمر جيد، لذلك فإن أحد عيوب الطاقة التفاعلية هو أن كمية كافية منها مطلوبة للتحكم في الجهد والتغلب على الخسائر في شبكة النقل، هذا لأنه إذا لم يكن جهد الشبكة الكهربائية مرتفعًا بدرجة كافية، فلا يمكن توفير الطاقة النشطة، لكن وجود الكثير من الطاقة التفاعلية المتدفقة في الشبكة يمكن أن يتسبب في زيادة التسخين (خسائر I^2 * R) وانخفاض غير مرغوب فيه في الجهد، وفقدان الطاقة على طول خطوط النقل.
تصحيح معامل القدرة للقدرة التفاعلية:
تتمثل إحدى طرق تجنب شحنات الطاقة التفاعلية في تثبيت مكثفات تصحيح عامل القدرة، عادةً ما يتم فرض رسوم على العملاء السكنيين فقط مقابل الطاقة النشطة المستهلكة بالكيلو وات ساعة (kWhr)؛ لأن جميع قيم عامل الطاقة السكنية أحادية الطور تقريباً هي نفسها بشكل أساسي، وبسبب مكثفات تصحيح عامل الطاقة التي يتم تضمينها في معظم الأجهزة المنزلية من قبل الشركة المصنعة.
من ناحية أخرى، فإن العملاء الصناعيين الذين يستخدمون إمدادات ثلاثية الطور لديهم عوامل طاقة مختلفة على نطاق واسع، ولهذا السبب قد يتعين على المرفق الكهربائي أن يأخذ عوامل الطاقة لهؤلاء العملاء الصناعيين في الاعتبار دفع غرامة، إذا انخفض معامل الطاقة لديهم إلى أقل من قيمة محددة؛ لأنها تكلف شركات المرافق أكثر لتزويد العملاء الصناعيين، نظراً لوجود الموصلات الأكبر والمحولات الأكبر والمفاتيح الكهربائية الأكبر وما إلى ذلك، وبالتالي هي مطلوبة للتعامل مع التيارات الأكبر.
بشكل عام، للحمل مع عامل قدرة أقل من 0.95 مطلوب المزيد من الطاقة التفاعلية، أما بالنسبة للحمل ذي قيمة معامل القدرة الأعلى من 0.95، يُعتبر جيداً، حيث يتم استهلاك الطاقة بشكل أكثر فعالية، ويعتبر الحمل بعامل قدرة 1.0 أو الوحدة مثالية لا يستخدم أي قوة تفاعلية.
ثم رأينا أن “القوة الظاهرة” هي عبارة عن مزيج من “القوة التفاعلية” و “القوة النشطة”، الطاقة النشطة أو الحقيقية هي نتيجة لدائرة تحتوي على مكونات مقاومة فقط، بينما تنتج القدرة التفاعلية من دائرة تحتوي إما على مكونات سعويه ومكونات حثية، ستحتوي جميع دوائر التيار المتردد تقريباً على مزيج من مكونات R و L و C.
نظراً لأن الطاقة التفاعلية تأخذ من الطاقة النشطة، يجب أخذها في عين الاعتبار في النظام الكهربائي للتأكد من أن الطاقة الظاهرة المقدمة كافية لتزويد الحمل، يعد هذا جانباً مهماً لفهم مصادر طاقة التيار المتردد لأن مصدر الطاقة يجب أن يكون قادراً على توفير طاقة الفولت أمبير اللازمة (VA) لأي حمل مطلوب.
