Güc faktorunu korreksiya dövrlərində güc faktorunu necə yaxşılaşdırmaq olar?

Güc Faktorunu Anlamaq və Elektrik Səmərəliliyindəki Rolu

Güc Üçbucağı: Həqiqi, Reaktiv və Görünən Gücün İzahı

Güc faktorunun əsasında güc üçbucağı durur, bu isə üç əsas komponenti miqdarlaşdırır:

Güc növü	Ölçü Vahidi	Elektrik Sistemlərindəki Rolu
Həqiqi Güc (P)	Kilovat (kVt)	Həqiqi iş görür (məs., istilik)
Reaktiv Güc (Q)	kilovolt-amper reaktiv (kVAR)	Elektromaqnit sahələrini saxlayır
Görünən Güc (S)	kilovolt-amper (kVA)	Sistemə verilən ümumi güc

0,85 güc əmsalı yalnız görünən gücün 85%-nin faydalı iş görməsi, 15%-nin isə reaktiv güc nəticəsində itirilməsi deməkdir (Ponemon 2023). Bu səmərəsizlik paylayıcı şəbəkələrdə cərəyanın artmasına və enerji itkisinə səbəb olur.

Güc Faktorunda Gərginlik və Cərəyan Arasındakı Faza Bucağının Əsas Rolu

Güc faktoru, elektrik enerjisinin nə qədər səmərəli istifadə edildiyini ölçür və gərginlik ilə cərəyan dalğa formaları arasındakı faza bucağının (teta) kosinusuna əsaslanır. Elektrik sobaları kimi rezistiv yükleri nəzərdən keçirərkən, bu bucaq təxminən 0 dərəcəyə yaxın olur və güc faktoru 1-ə yaxınlaşır – bu da elektrik enerjisinin böyük hissəsinin istifadə edilə bilən istiliyə çevrildiyini göstərir. Lakin induktiv yük hallarında, xüsusilə də mühərriklərdə, bu, adətən geri qalma (lag) yaradır. Bu, tetanın artmasına səbəb olur və güc faktorunu əhəmiyyətli dərəcədə aşağı salır. Ən pis hallarda, heç bir iş görmədən tam geri qalma baş verərsə, güc faktoru sıfıra qədər enə bilər. Buna görə də mühərrik səmərəliliyinin vacib olduğu sənaye müəssisələrində mühəndislər həmişə bu kimi problemləri izləyirlər.

Reaktiv Gücün Təsiri və Düzəliş Tələbi

Reaktiv gücün idarə edilməsi ilə bağlı problemləri həll etməyən fabriklər nəticədə enerji təchizatçı şirkətlərindən böyük cərimələr ödəməyə məcbur olurlar. Rəqəmlər da vəziyyəti olduqca aydın göstərir – son Ponemon tədqiqatına (2023) görə, əksər müəssisələr sadəcə sistemlərinin çox yüksək reaktiv güc çəkməsi səbəbindən hər il təxminən 740 min dollar xərcləyir. Kondensator bankları bu problemə qarşı çıxaraq reaktiv gücü əsas şəbəkədən deyil, dərhal mənbədə təmin edərək bütün elektrik şəbəkəsinə olan təzyiqi azaldır. Enerji sahəsi ekspertlərinin diqqətinə çatan maraqlı bir fakt da var: əgər müəssisələr güc əmsalını təxminən 0,95-ə qaldırmağı bacarırlarsa, yerli şəbəkəyə olan təzyiq təxminən 18% azalır. Bu o deməkdir ki, zavodlar yeni, bahalı infrastruktur və ya avadanlıq əvəzetmələrinə ehtiyac duymadan daha çox yükü idarə edə bilir və bu da gələcəkdə həm pul, həm də problemlərdən xilas olmaq imkanı yaradır.

Harmonik İstehlak və Qeyri-xətti Yüklerdə Güc Əmsalına Təsiri

Açıq-rejimli güc təchizatları və dəyişən tezlik sürücüləri təmiz sinus dalğalarını pozan harmonik cərəyanlar yaradır. Bu baş verir: istənilməyən harmoniklər daha çox istifadə oluna bilən enerji təmin etmədən görünən güc göstəricilərini artırır, bu da faktiki güc əmsalını aşağı salır. 2023-cü ilin tədqiqatları göstərdi ki, çoxlu harmoniklər olan yerlərdə eyni avadanlıqlar işlədildiyi halda görünən güc tələbatı 15%-dən bəlkə də 30%-ə qədər arta bilər. Bu o deməkdir ki, belə mühitlərdə güc əmsalının düzəldilməsi üçün standart kondensator bankları artıq kifayət etmir. Bu problemi həll etmək üçün müəssisələr harmoniklərin azaldılması üçün xüsusi hazırlanmış daha inkişaf etmiş həllərə ehtiyac duyur.

Boost Konvertorlardan İstifadə edərək Aktiv Güç Əmsalının Düzəldilməsi

Açıq Rejimli Konvertorlarla Aktiv Güç Əmsalının Düzəldilməsinin (APFC) Prinsipləri

Aktiv güc faktoru korreksiyası və ya APFC, giriş cərəyanını gərginlik əyrisi ilə uyğunlaşan hamar sinusoideal nümunəyə çevirən açar çeviricilərdən istifadə edərək işləyir və bu, adətən 2023-cü ildə IEEE Transactions tərəfindən aparılan son araşdırmalara görə 0,95-dən yuxarı olan güc faktorlarına səbəb olur. Bu yanaşmanı ənənəvi passiv üsullardan fərqləndirən cəhət ondadır ki, yüksək tezlikli impuls eni modulyasiyası (PWM) vasitəsilə dəyişən yük şəraitinə davamlı olaraq uyğunlaşır. Bu tənzimləmə prosesi sistem şəraitindən asılı olaraq reaktiv gücün itirilməsini təxminən 60%-dən 80%-ə qədər azaldır. APFC-in əksər sistemləri təxminən 90%-dən 95%-ə qədər səmərəlilik səviyyəsində işləyir və bu da onları dəqiq performans metrikalarının və tənzimləyici standartların sənaye sahəsində olduqca önəmli olduğu müasir güc elektronikası tətbiqləri üçün xüsusi ilə uyğun edir.

Boost Converter-ə Əsaslanan PFC Qurğularının İşləməsi

APFC dizaynlarında boost çeviricinin topologiyaları üstünlük təşkil edir, çünki bu sxemlər giriş cərəyanının kəsilmədən getməsini və çıxış gərginliyinin artırılmasını təmin edir. İnduktivlik cərəyanını AC gərginliyi ilə uyğunlaşan sinusoidal istinadı izləmək üçün nəzarət etməklə bu sxemlər faz sürüşməsini aradan qaldırır və harmonikləri suppressiya edir. Əsas komponentlər aşağıdakılardır:

• 20–150 kHz tezlikdə işləyən yüksək tezlikli IGBT/MOSFET açarları
• Ters bərpa itkilərini minimuma endirmək üçün sürətli bərpa diasılar
• Sabit DC magistral gərginliyi üçün çoxqatlı keramik kondensatorlar

Bu konfiqurasiya geniş giriş gərginliyi diapazonunu dəstəkləyərkən demək olar vahid güclü faktoru təmin edir.

Vahid Güc Faktorunun Əldə Edilməsi Üçün İdarəetmə Strategiyaları

Müasir APFC idarəetmə blokları dəyişən şəraitdə yüksək performansı saxlamaq üçün inkişaf etmiş texnikalardan istifadə edir:

1. Orta cari rejim idarəetmə : Yükün hər səviyyəsində ümumi harmonik distortiya (THD) 5%-dən az olmaqla dəqiq cərəyan izlənməsini təmin edir.
2. Kritik keçid rejimi (CRM) : Yüngül yük altında səmərəliliyi yaxşılaşdırmaq üçün vadi keçidinə imkan verən dəyişən tezlikli keçidi dinamik olaraq tənzimləyir.
3. Rəqəmsal siqnal emalı (DSP) əsaslı alqoritmlər : Qeyri-xətti və zamandan asılı dəyişən yüklərə real vaxtda uyğunlaşmağı təmin edir.

İdarəetmə Metodu	THD (%)	Effektivlik	Xərc
Analog CRM	<8	92%	Yüksək
Rəqəmsal PWM	<3	95%	Yuksək

Rəqəmsal həllər superior harmonik performans təqdim edir, lakin daha yüksək həyata keçirmə dəyərinə malikdir.

Yüksək Güclü Tətbiqlər Üçün Paralel Boost Çeviricilər

10 kV-dan çox olan güc səviyyələri üçün paralel boost çevricilər işi bir neçə paralel mərhələyə bölür və dalğa cərəyanını ləğv etmək üçün fazalar sürüşdürülür. Bu dizayn aşağıdakılara imkan verir:

• 40% kiçik ölçülü maqnit komponentlər
• Daxili dalğalanma ləğv etmə nəticəsində EMI-nin azalması
• Yüksək güc sistemləri üçün modulyar miqyaslaşdırma

Tək mərhələli dizaynlara nisbətən, interleyvinq keçiricilik itkisini 22% qədər azaldır (Power Electronics Journal 2023), bu da onu tam yük altında >98% güc faktorunu tələb edən EV şarj stansiyaları və sənaye UPS sistemləri üçün ideal hala gətirir. Arxitektura həmçinin istilik idarəetməsini asanlaşdırır və komponentlərin ömrünü uzadır.

İrəli PFC Topologiyaları: Körpüsüz və Totem Dirəyi Dizaynları

Körpüsüz PFC Topologiyaları və Onların Səmərəlilik Üstünlükləri

Köprüsüz PFC dizaynı, əksər güc təchizatlarında rast gəlinən standart diaqonal kövrəkliyə son qoyur və bu da keçid itkilərini köhnə modellərlə müqayisədə təxminən 30% azaldır. İş prinsipi həqiqətən sadədir - cərəyan daha az yarımkeçirici birləşmələrdən keçdiyi üçün ümumi sistem daha səmərəli olur. Bu xüsusilə bu gün gördüyümüz orta və yüksək güc tətbiqləri üçün böyük fərq yaradır, xüsusilə də server güc təchizatlarında hər bir faiz səviyyəsi vacibdir. Hazırkı bazar tendensiyalarına nəzər saldıqda, son məlumatlar göstərir ki, qallium nitrid tranzistorlarla təchiz edilmiş 3,6 kVt köprüsüz PFC blokları hələ də 96%-dən yuxarı səmərəlilik səviyyəsini saxlayarkən təxminən 180 vat kub düym güc sıxlığına çatmaqdadır. Sıx yerlərlə məşğul olan və ya stend tutumunu maksimuma çatdırmağa çalışan hər kəs üçün bu təkmilləşdirmələr nəzərə alınmazsa olmayacaq əhəmiyyət daşıyır.

Müasir SMPS Sistemlərində Totem Pole PFC Arxitekturası

Totem pole PFC dizaynı, silisium karbid və qallium nitriddən ibarət bu yeni geniş zolaqlı materiallarla belə yaxşı işlədiyinə görə müasir açar rejimli enerji təchizatı mühəndisləri arasında populyarlıq qazanır. Bu topologiyaya xas olan nədir? Əlbəttə ki, o, həm irəli, həm də geri istiqamətdə axan gücü idarə edə bilir və 3kVt-lıq sistemlərlə işləyərkən təxminən 40% qədər aşağı düşən sıçrayış itkilərini azaldan yumşaq açılımı həyata keçirə bilir. Son zamanlar aparılan bəzi testlər bu paralel konfiqurasiyaların real data mərkəzlərində necə işlədiyini araşdırmışdır. Nəticələr təsir bağışlamışdır – ümumi harmonik bozulma 5%-dən aşağı olarkən səmərəlilik 98%-yə yaxın nəticə vermişdir. Bu isə elektrik avadanlıqlarından qəbul edilə bilən harmonik emissiyalar üçün IEC 61000-3-2 standartlarının tələb etdiyi şeyin dəqiq eynisidir. İstehsalçıların diqqət yetirməyə başlamasının səbəbi anlaşıla bilər.

Keçiricilik itkisinin müqayisəsi: Ənənəvi və Köprüsüz PFC Dizaynları

Ənənəvi PFC sxemləri yalnız diaod körpüsünün keçiriciliyi hesabına 1,5–2% səmərəlilik itirir. Qalxan dizaynları keçid yolunda keçirici cihazların sayını yarıya endirərək tam yük altında bu itkini 0,8–1,2%-ə qədər azaldır. Bu azalma birbaşa istilik hasilatını aşağı salır və tələbkar mühitlərdə soyutma tələblərini sadələşdirir və uzunmüddətli etibarlılığı yaxşılaşdırır.

Totem Dirəyində GaN/SiC Cihazlarının Həyata Keçirilməsi ilə Bağlı Çətinliklər

GaN və SiC komponentləri böyük üstünlüklər təqdim edir, lakin keçid zamanı gərginlik sıçramalarına səbəb olan parazitik induktivlik problemləri ilə məşğul olarkən PCB dizaynına xüsusi diqqət tələb olunur. Totem dirəyli yarım köprü konfiqurasiyalarında atlamaların qarşısını almaq üçün keçidlər arasında ölü vaxtın düzgün təyin edilməsi çox vacibdir. 100 kHz-dən yuxarı tezliklərdə, etibarlı işləməni təmin etmək üçün əksər mühəndislər güc reytinqlərini təxminən 15-20 faiz azaltmağı tövsiyə edirlər. Bu, temperatur ekstremalları və vibrasiya etibarlılığın əldə edilməsini daha da çətinləşdirən kosmik sistemlər və telekommunikasiya avadanlıqları kimi sərt şəraitdə işlədikdə daha da önəm kazanır.

Passiv Güc Faktoru Düzəlişi və Kondensator Əsaslı Həllər

İnduktorlar və Kondensatorlardan İstifadə Etdikdə Passiv Güc Faktoru Düzəlişinin (PPFC) Əsasları

Passiv güc faktorunun düzəldilməsi, qısaca PPFC, dəyişməz qiymətlərə malik induktorlar və kondensatorlardan istifadə edərək alternativ cərəyan elektrik sistemlərində yaranan reaktiv güc problemlərini aradan qaldırmaq prinsipinə əsaslanır. Təbii olaraq induktiv xarakter daşıyan mühərriklər kimi cihazlara paralel şəkildə kondensator bankları qoşduqda bu, gərginlik və cərəyan dalğalarını yenidən eyni fazaya salmağa kömək edir. Sənaye üzrə aparılan tədqiqatlar göstərir ki, bu sadəlövh yanaşma mövcud olan güc faktoru problemlərinin təxminən üçdə ikisini ilə üçdə ikisini həll edir. Baxmayaraq ki, aktiv korreksiya üsulları kimi dəyişkən rejimlərdə işləyə bilmir, lakin gündən-günə sabit yük altında işləyən müəssisələr üçün PPFC uzunmüddətli əməliyyat xərclərini nəzərə aldıqda hələ də sərfəli həll hesab olunur. Bunun büdcə baxımından ən yaxşı tərəfi isə aktiv metodlara nisbətən ümumiyyətlə xərclərin 30%-dən yarısınadək olmasıdır.

Güc Faktorunun Yaxşılaşdırılması Üçün Kondensatorların İstifadəsi: Statik və Açarlanan Banklar

Sənaye sahəsində iki əsas kondensator konfiqurasiyasından istifadə olunur:

• Statik banklar sabit yük profilləri üçün ən uyğun olan sabit kompensasiya təmin edir.
• Açılan banklar həqiqi vaxt tələbinə əsasən kondensatorun tutumunu dinamik olaraq tənzimləmək üçün relye və ya tiristor əsaslı idarəetmədən istifadə edin.

2024-cü il Sənaye Güc Sistemləri Tədqiqatına görə, dəyişən yüklü mühitlərdə açılan banklar 92–97% güc faktoruna nail olur ki, bu da adətən 85–90% həddində qalan statik blokları üstələyir.

Sənaye Reaktiv Güc Kompensasiyasında Kondensator Banklarının Quraşdırılması

Effektiv quraşdırma üç əsas prinsipə əsaslanır:

1. Xətt itkilərini (I²R) azaltmaq üçün böyük induktiv yük yaxınlığında banklar quraşdırın.
2. Yaşlanma və toleransı nəzərə almaq üçün hesablanan reaktiv güc ehtiyacının 125%-i həcmində bloklar seçin.
3. Ümumi harmonik distorsiyası 5%-i keçdiyi zaman rezonans riskini qarşısını almaq üçün harmonik filtrləri inteqrasiya edin.

Bu strategiyanı həyata keçirən müəssisələr adətən tələb haqqında aşağı ödənişlər və kommunal xidmət cərimələrindən yayınmaqla 18–24 ay ərzində xərcləri qaytarır.

Güc Faktorunun Optimal Düzəlişi üçün Kondensatorların Ölçüləndirilməsi

Çatışmaz və ya artıq düzəlişdən qaçınmaq üçün dəqiq ölçüləndirmə vacibdir. Tələb olunan reaktiv kompensasiya belə hesablanır:

Qc = P (tanθ1 - tanθ2)

Burada:

• Qc = Tələb olunan tutum (kVAR)
• P = Aktiv güc (kVt)
• θ1/θ2 = İlkin və hədəf faz bucaqları

Kiçik kondensator qrupları reaktiv gücü həll etmədən buraxır, böyük olanlar isə gərginlik tənzimləməsini sabitsizləşdirə biləcək gecikmiş güclü faktorlar yaradır. Əksər sənaye sistemləri effektivlik və sistem təhlükəsizliyini tarazlamaq üçün 0,95 ilə 0,98 arasında gecikmiş korrektə edilmiş güclü faktora yönəlib.

Aktiv və Passiv PFC Üsullarının Optimal Seçim üçün Müqayisəsi

Aktiv və Passiv PFC-nin Performans, Qiymət və Ölçü Baxımından Müqayisəsi

Aktiv PFC açar çeviricilər və rəqəmsal idarəetmə ilə 0,98-dən yuxarı güclü faktor əldə edir, passiv üsullar isə adətən kondensator qrupları ilə 0,85–0,92 aralığında maksimuma çatır. 2024-cü ilin Güc Faktoru Həlləri Hesabatına görə, aktiv sistemlər passiv konfiqurasiyalara nisbətən ümumi harmonik bozulmanı 60–80% azaldır. Əsas fərqliliklər aşağıdakılardır:

• Xərc : Aktiv PFC vahidləri passiv analoqlarından 2–3 dəfə daha bahalıdır
• Ölçü : Passiv sistemlər fiziki olaraq 30–50% az yer tutur
• FLEKSİBİLİK : Aktiv dövrlər yüklərin 20%-dən 100%-ə qədər yüksək korreksiya səmərəliliyini saxlayır

Aktiv topologiyalar komponentlərin 40% artıq sayını nəzərdə tutur, lakin dinamik reaksiyaları dəyişkən və ya həssas tətbiqlərdə onları əvəzsiz edir.

Tətbiqə xas nəzərdən keçirilmələr: Açar rejimli güc təchizatında PFC

Açar rejimli güc təchizatlarında (SMPS) aktiv PFC IEC 61000-3-2 harmonik limitlərinə uyğunlaşmaq üçün getdikcə standart halına gəlir. Sənaye təhlilləri təsdiq edir ki, 500 Vt-dan yuxarı vahidlərdə aktiv PFC tam yükdə 92% səmərə verir, passiv dizaynlara nisbətən isə bu göstərici 84%-dir. Seçim aşağıdakılardan asılıdır:

1. Qanunverici uyğunluq ehtiyacları
2. Termal dizayn məhdudiyyətləri
3. İstifadə ömrü daxilində olan dəyər hədəfləri

Server PSB-lər və tibbi cihazlar kimi yüksək səviyyəli tətbiqlər sürətli yük keçidlərini idarə etmə və təmiz giriş cərəyanını saxlama qabiliyyəti baxımından aktiv PFC-ni üstün tutur.

Məhdudiyyətlərinə baxmayaraq, aşağı qiymətli güc təchizatının niyə hələ də Passiv PFC-dən istifadə etdiyi

300 vattın altında olan güc təchizatının təxminən 70 faizi əsasən passiv PFC texnologiyasına güvənir, çünki bu, hər vatt üçün təxminən on iyirmi sentə başa gəlir. LED işıqlandırma sistemləri və ya ev elektronikası kimi sabit yük şəraitində işlədikdə passiv üsullar adətən olduqca yaxşı nəticə verir və bəzən güc faktorunu 0.9-a yaxın səviyyəyə çatdırır. Bu cür konfiqurasiyalar qiyməti qaldıran mürəkkəb aktiv komponentlərə ehtiyac duymadan əsas tənzimləmələri ödəyir, buna görə də istehsalçılar xüsusilə büdcə daraldığı zaman yenə də bunlara üstünlük verirlər. Sadəlik yalnız özü bir çox şirkət üçün performansdan çox şey qurban vermədən xərcləri azaltmaq istəyənlər üçün böyük fərq yaradır.

SSS

Elektrik sistemlərində güc üçbucağı nədir?

Güc üçbucağı üç komponentdən ibarətdir: Aktiv Güc (həqiqi iş gördüyü), Reaktiv Güc (elektromaqnit sahələrini saxlayan) və Görünən Güc (sistemin aldığı ümumi güc).

Faza bucağı güc faktorunu necə təsir edir?

Güc faktoru gərginlik və cərəyan dalğa formalıqları arasındakı faza bucağının kosinusudur. Daha böyük faza bucağı aşağı güc faktorunu göstərir və elektrik effektivliyini azaldır.

Pis güc faktorunun maliyyətə təsiri nədir?

Pis güc faktoruna malik sənaye sahələri kommunal şirkətlərdən ağır cərimələrlə qarşılaşa bilər və tez-tez illik 740.000 dollara qədər ziyan çəkirlər.

Aktiv və passiv güc faktoru düzəliş metodları nə ilə fərqlənir?

Aktiv PFC yüksək effektivlik və çeviklik üçün açar çeviricilərdən istifadə edir, passiv PFC isə kondensator banklarından istifadə edərək daha aşağı xərclər və yer tələbi təklif edir, lakin daha az uyğunlaşma imkanına malikdir.