چگونه ضریب توان را در مدارهای اصلاح ضریب توان بهبود بخشید؟

درک ضریب توان و نقش آن در بازده الکتریکی

مثلث توان: توان حقیقی، توان راکتیو و توان ظاهری توضیح داده شده‌اند

در مرکز ضریب توان، مثلث توان قرار دارد که سه مؤلفه کلیدی را کمّی می‌کند:

نوع قدرت	یکای اندازه‌گیری	نقش در سیستم‌های الکتریکی
توان حقیقی (P)	کیلووات (kW)	کار واقعی انجام می‌دهد (مثلاً گرمایش)
توان راکتیو (Q)	کیلوولت-آمپر راکتیو (kVAR)	میدرهای الکترومغناطیسی را حفظ می‌کند
توان ظاهری (S)	کیلوولت-آمپر (kVA)	کل توان تحویل‌شده به سیستم

ضریب توان 0.85 به این معنی است که تنها 85 درصد از توان ظاهری کار مفید انجام می‌دهد و 15 درصد آن به دلیل توان راکتیو تلف می‌شود (Ponemon 2023). این ناکارآمدی باعث افزایش جریان کشیده‌شده و تلفات انرژی در شبکه‌های توزیع می‌شود.

زاویه فاز بین ولتاژ و جریان به عنوان عامل کلیدی در ضریب توان

ضریب توان در اصل نشان‌دهنده میزان کارآمدی استفاده از انرژی الکتریکی است و به صورت کسینوس زاویه فاز (تتا) بین شکل موج ولتاژ و جریان محاسبه می‌شود. هنگامی که بارهای مقاومتی مانند هیترهای برقی را بررسی می‌کنیم، این زاویه تقریباً نزدیک به ۰ درجه باقی می‌ماند، بنابراین ضریب توان به ۱ نزدیک می‌شود — یعنی بیشتر انرژی الکتریکی به گرمای قابل استفاده تبدیل می‌شود. اما در بارهای القایی، به ویژه موتورها که نوعی تاخیر (لاگ) ایجاد می‌کنند، وضعیت تغییر می‌کند. این امر باعث افزایش زاویه تتا شده و ضریب توان را به شدت کاهش می‌دهد. در شرایط بسیار نامطلوب، زمانی که تاخیر کامل وجود داشته باشد اما هیچ کار مفیدی انجام نشود، ضریب توان می‌تواند تا حد صفر کاهش یابد. به همین دلیل مهندسان همواره در محیط‌های صنعتی که کارایی موتور اهمیت دارد، به این مسائل توجه ویژه‌ای دارند.

تأثیر توان راکتیو و نیاز به اصلاح آن

کارخانه‌هایی که مشکلات ضریب توان خود را برطرف نمی‌کنند، در پایان مجبور به پرداخت جریمه‌های سنگینی به شرکت‌های تأمین برق می‌شوند. اعداد و ارقام نیز داستان را به وضوح بیان می‌کنند – طبق تحقیقات اخیر مؤسسه پونمون در سال ۲۰۲۳، اکثر کارخانه‌ها هر سال حدود ۷۴۰٫۰۰۰ دلار فقط به این دلیل که سیستم‌هایشان توان راکتیو زیادی می‌کشند، هزینه می‌پردازند. بانک‌های خازنی با تأمین توان راکتیو مورد نیاز در محل مبدأ، در مقابل این مشکل عمل می‌کنند و نیاز به کشیدن این توان از شبکه اصلی را از بین می‌برند که این امر فشار کل شبکه الکتریکی را کاهش می‌دهد. متخصصان انرژی یافته‌های جالبی نیز در این زمینه داشته‌اند. وقتی واحدها بتوانند ضریب توان خود را تا حدود ۰٫۹۵ افزایش دهند، تنش روی شبکه‌های محلی تقریباً ۱۸٪ کاهش می‌یابد. این بدین معناست که کارخانه‌ها می‌توانند بار بیشتری را بدون نیاز به زیرساخت‌های جدید پرهزینه یا تعویض تجهیزات تحمل کنند و در نتیجه هم پول و هم دردسرهای آینده را صرفه‌جویی کنند.

حرارت هارمونیک و تأثیر آن بر ضریب توان در بارهای غیرخطی

منابع تغذیه سوئیچینگ و درایوهای فرکانس متغیر، جریانهای هارمونیک ایجاد میکنند که شکل موج سینوسی تمیز را به هم میریزند. آنچه اتفاق میافتد این است که این هارمونیکهای ناخواسته، مقدار توان ظاهری را افزایش میدهند بدون اینکه انرژی مفید بیشتری تحویل دهند و در نتیجه ضریب توان واقعی کاهش مییابد. مطالعات اخیر در سال 2023 نشان دادهاند که در مکانهایی با تعداد زیادی هارمونیک، نیاز به توان ظاهری ممکن است بین ۱۵٪ تا حتی ۳۰٪ افزایش یابد، در حالی که تجهیزات همانند قبل کار میکنند. این بدین معناست که بانکهای خازنی معمولی دیگر برای اصلاح ضریب توان در چنین محیطهایی کافی نیستند. واحدهای صنعتی که با این مشکل مواجه هستند، به راهحلهای پیشرفتهتری نیاز دارند که به طور خاص برای کاهش هارمونیکها طراحی شده باشند.

اصلاح فعال ضریب توان با استفاده از مبدل‌های بوست

اصول اصلاح فعال ضریب توان (APFC) با مبدل‌های سوئیچینگ

تصحیح ضریب توان فعال یا APFC با استفاده از مبدل‌های سوئیچینگ کار می‌کند که جریان ورودی را به الگویی هموار از موج سینوسی تغییر شکل می‌دهند که با منحنی ولتاژ هماهنگ است، که معمولاً طبق تحقیقات اخیر منتشر شده در IEEE Transactions در سال ۲۰۲۳، منجر به ضریب توانی بیش از ۰٫۹۵ می‌شود. آنچه این روش را از تکنیک‌های غیرفعال سنتی متمایز می‌کند، تطبیق پیوسته آن با بارهای متغیر از طریق مدولاسیون عرض پالس (PWM) با فرکانس بالا است. این فرآیند تنظیم بین ۶۰ تا ۸۰ درصد از توان راکتیو تلف شده را کاهش می‌دهد، بسته به شرایط سیستم. اکثر سیستم‌های APFC با راندمانی حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد کار می‌کنند که آن‌ها را به‌ویژه برای کاربردهای الکترونیک قدرت امروزی مناسب می‌سازد، جایی که معیارهای دقیق عملکرد و استانداردهای نظارتی در محیط‌های صنعتی اهمیت زیادی دارند.

عملکرد مدارهای PFC مبتنی بر مبدل بوست

توپولوژی‌های مبدل بوست به دلیل امکان جریان ورودی پیوسته و افزایش ولتاژ خروجی، در طراحی‌های APFC غالب هستند. با کنترل جریان سلف به گونه‌ای که دنباله‌روی از یک مرجع سینوسی منطبق با ولتاژ متناوب داشته باشد، این مدارها از تغییر فاز جلوگیری کرده و هارمونیک‌ها را کاهش می‌دهند. قطعات اصلی شامل:

• سوئیچ‌های IGBT/MOSFET با فرکانس بالا که در محدوده ۲۰ تا ۱۵۰ کیلوهرتز کار می‌کنند
• دیودهای با بازیابی سریع برای کاهش تلفات بازیابی معکوس
• خازن‌های سرامیکی چندلایه برای تثبیت ولتاژ باس DC

این پیکربندی ضریب توانی نزدیک به یک را تضمین می‌کند و در عین حال محدوده وسیعی از ولتاژهای ورودی را پشتیبانی می‌کند.

راهبردهای کنترلی برای دستیابی به ضریب توان واحد

کنترل‌کننده‌های مدرن APFC از تکنیک‌های پیشرفته‌ای استفاده می‌کنند تا عملکرد بالا را در شرایط متغیر حفظ کنند:

1. کنترل حالت جریان میانگین : ردیابی دقیق جریان را با کمتر از ۵٪ تشوه هارمونیکی کل (THD) در تمام بارها فراهم می‌کند.
2. حالت هدایت بحرانی (CRM) : به‌صورت پویا فرکانس سوئیچینگ را تنظیم می‌کند و امکان سوئیچینگ در دره (Valley Switching) را برای بهبود بازده در بارهای کم فراهم می‌کند.
3. الگوریتم‌های مبتنی بر پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) : تطبیق بلادرنگ با بارهای غیرخطی و متغیر با زمان را فراهم می‌کنند.

روش کنترل	THD (%)	کارایی	هزینه
CRM آنالوگ	<8	92%	کم
PWM دیجیتال	<3	95%	بالا

راه‌حل‌های دیجیتال عملکرد بهتری در هارمونیک ارائه می‌دهند، اما هزینه پیاده‌سازی بالاتری دارند.

مبدل‌های بوست تداخلی برای کاربردهای با توان بالا

برای سطوح توان بالاتر از 10 کیلووات، مبدل‌های بوست تداخلی بار کار را بین چندین مرحله موازی توزیع می‌کنند که نسبت به هم اختلاف فاز دارند تا جریان ریپل را خنثی کنند. این طراحی امکان‌های زیر را فراهم می‌کند:

• اجزای مغناطیسی 40٪ کوچک‌تر
• کاهش EMI از طریق لغو ذاتی ریپل
• مقیاس‌پذیری ماژولار برای سیستم‌های با توان بالا

در مقایسه با طراحی‌های تک‌مرحله‌ای، میان‌ریزی (Interleaving) تلفات هدایت را به میزان ۲۲٪ کاهش می‌دهد (مجله الکترونیک قدرت، ۲۰۲۳)، که این ویژگی آن را به‌خوبی برای ایستگاه‌های شارژ خودروهای برقی (EV) و سیستم‌های UPS صنعتی مناسب می‌سازد که نیازمند ضریب توان بیش از ۹۸٪ در بار کامل هستند. این معماری همچنین مدیریت حرارتی را تسهیل کرده و عمر مؤلفه‌ها را افزایش می‌دهد.

توپولوژی‌های پیشرفته PFC: طراحی‌های بدون بردی و توتوم پول

توپولوژی‌های PFC بدون بردی و مزایای کارآیی آن‌ها

طراحی PFC بدون پل دیود، از مبدل یکسو ساز دیودی استاندارد که در بیشتر منابع تغذیه وجود دارد، حذف می‌کند و این امر باعث کاهش حدود ۳۰٪ تلفات هدایتی نسبت به مدل‌های قدیمی‌تر می‌شود. نحوه عملکرد آن در واقع بسیار ساده است — از آنجا که جریان از طریق تعداد کمتری اتصال نیمهرسانا عبور می‌کند، سیستم کلی کارآمدتر می‌شود. این موضوع به‌ویژه در کاربردهای متوسط تا بالای توان که امروزه در همه جا دیده می‌شوند، تفاوت چشمگیری ایجاد می‌کند، به‌ویژه در منابع تغذیه سرور که هر درصد کارایی اهمیت دارد. با نگاهی به تحولات فعلی در بازار، اعداد و ارقام اخیر نشان می‌دهد که واحدهای PFC بدون پل با ترانزیستور نیترید گالیوم با توان ۳٫۶ کیلووات به چگالی توانی در حدود ۱۸۰ وات بر اینچ مکعب دست یافته‌اند، در حالی که همچنان کارایی بالاتر از ۹۶٪ را حفظ می‌کنند. برای کسانی که با فضاهای محدود سروکار دارند یا تلاش می‌کنند ظرفیت رک را به حداکثر برسانند، این بهبودها مزایای قابل توجهی هستند که نمی‌توان از آنها چشم پوشی کرد.

معماری Totem Pole PFC در سیستم‌های مدرن SMPS

طراحی PFC توتِم پول در میان مهندسان منابع تغذیه سوئیچینگ مدرن به دلیل عملکرد عالی آن با مواد جدید با باند گسترده مانند کاربید سیلیسیوم و نیترید گالیم در حال افزایش محبوبیت است. چه چیزی این توپولوژی را برجسته می‌کند؟ خب، این مدار می‌تواند جریان توان را در هر دو جهت تحمل کند و توانایی انجام سوئیچینگ نرم را دارد که حدود ۴۰٪ از تلفات سوئیچینگ را در سیستم‌های ۳ کیلوواتی کاهش می‌دهد. برخی آزمایش‌های اخیر به بررسی عملکرد این پیکربندی‌های تداخلی در مراکز داده واقعی پرداخته‌اند. اعداد بسیار قابل توجه بودند - بازدهی نزدیک به ۹۸٪ در حالی که اعوجاج هارمونیک کلی زیر ۵٪ حفظ شده است. این دقیقاً همان چیزی است که استانداردهای IEC 61000-3-2 برای انتشارات هارمونیک قابل قبول از تجهیزات الکتریکی الزام می‌کند. به همین دلیل منطقی است که تولیدکنندگان شروع به توجه کردن کرده‌اند.

مقایسه تلفات هدایت: طراحی‌های سنتی در مقابل طراحی‌های PFC بدون دیود پل

مدارهای سنتی PFC تنها به دلیل هدایت پل دیودی، ۱٫۵ تا ۲ درصد از بازدهی خود را از دست می‌دهند. طراحی‌های بدون پل با کاهش تعداد المان‌های هادی در مسیر به نصف، این تلفات را در بار کامل به ۰٫۸ تا ۱٫۲ درصد می‌رسانند. این کاهش به‌طور مستقیم منجر به تولید گرمای کمتر شده و نیازهای خنک‌سازی را ساده‌تر کرده و قابلیت اطمینان بلندمدت را در محیط‌های پرچالش بهبود می‌بخشد.

چالش‌های پیاده‌سازی دستگاه‌های GaN/SiC در مدار PFC ستونی

اجزای GaN و SiC مزایای بزرگی ارائه می‌دهند، اما هنگامی که با مسائل ناشی از القای خازنی که منجر به نوسانات ولتاژ در طی انتقال سوئیچ می‌شود روبرو هستیم، نیاز به توجه ویژه به طراحی برد مدار چاپی (PCB) دارند. تنظیم صحیح زمان مرده بین سوئیچ‌ها بسیار مهم است، اگر قصد داریم از مشکلات عبور مستقیم جریان (shoot through) در پیکربندی‌های نیمه پل توتوم پول (totem pole) جلوگیری کنیم. برای فرکانس‌های بالای 100 کیلوهرتز، اکثر مهندسان پیشنهاد می‌کنند توان اسمی را حدود 15 تا 20 درصد کاهش دهند تا دستگاه‌ها به‌صورت قابل اعتمادی کار کنند. این موضوع در محیط‌های سخت‌تر مانند سیستم‌های هوافضا یا تجهیزات مخابراتی که شرایط دمایی شدید و لرزش، دستیابی به قابلیت اطمینان را بسیار دشوارتر می‌کند، حتی حیاتی‌تر می‌شود.

اصلاح ضریب توان غیرفعال و راه‌حل‌های مبتنی بر خازن

مبانی اصلاح ضریب توان غیرفعال (PPFC) با استفاده از القاگرها و خازن‌ها

تصحیح ضریب توان غیرفعال، یا به اختصار PPFC، با استفاده از القاگرها و خازن‌هایی که مقدارشان ثابت می‌ماند، مشکلات توان راکتیو در سیستم‌های الکتریکی AC را خنثی می‌کند. هنگامی که بانک‌های خازنی را در کنار تجهیزاتی مانند موتورهای ذاتاً القایی نصب می‌کنیم، به هم‌تراز شدن موج‌های ولتاژ و جریان کمک می‌کند. مطالعات صنعتی نشان می‌دهد این روش ساده حدود دو سوم تا سه چهارم تمام مشکلات ضریب توان موجود را برطرف می‌کند. چیزی که از دیدگاه بودجه واقعاً مطلوب است این است که معمولاً هزینه آن بین ۳۰ تا ۵۰ درصد روش‌های تصحیح فعال است. البته این روش نمی‌تواند مانند برخی سیستم‌های هوشمند به صورت پویا تنظیم شود، اما برای تأسیساتی که بارهای ثابتی را طی روزهای متوالی اجرا می‌کنند، PPFC همچنان از نظر صرفه‌جویی عملیاتی بلندمدت، ارزش بسیار خوبی ارائه می‌دهد.

استفاده از خازن‌ها برای بهبود ضریب توان: بانک‌های ثابت و سوئیچ‌شونده

دو نوع پیکربندی اصلی خازن در محیط‌های صنعتی استفاده می‌شود:

• بانک‌های ثابت جبران ثابت ارائه می‌دهند و برای پروفایل‌های بار ثابت مناسب‌تر هستند.
• بانک‌های سوئیچ‌شده از کنترل‌های مبتنی بر رله یا تریستور استفاده می‌کنند تا خازن‌ها به صورت پویا بر اساس تقاضای لحظه‌ای تنظیم شوند.

بر اساس مطالعه سیستم‌های برق صنعتی سال ۲۰۲۴، بانک‌های سوئیچ‌شده در محیط‌های با بار متغیر به ضریب توان ۹۲ تا ۹۷ درصد می‌رسند و عملکرد بهتری نسبت به واحدهای ثابت دارند که معمولاً به ۸۵ تا ۹۰ درصد می‌رسند.

استقرار بانک خازنی در جبران توان راکتیو صنعتی

استقرار موثر از سه اصل اساسی پیروی می‌کند:

1. بانک‌ها را در مجاورت بارهای القایی اصلی نصب کنید تا اتلاف خط (I²R) کاهش یابد.
2. ظرفیت واحدها را ۱۲۵ درصد نیاز محاسبه‌شده به توان راکتیو در نظر بگیرید تا عرضه سن و تحملات باشد.
3. هنگامی که اعوجاج هارمونیکی کلی بیش از ۵ درصد باشد، فیلترهای هارمونیک را ادغام کنید تا از خطرات تشدید جلوگیری شود.

وسایلی که این استراتژی را اجرا می‌کنند، معمولاً هزینه‌ها را در عرض ۱۸ تا ۲۴ ماه از طریق کاهش هزینه‌های تقاضا و اجتناب از جریمه‌های شرکت توزیع بازیابی می‌کنند.

اندازه‌گیری خازن‌ها برای تصحیح بهینه ضریب توان

اندازه‌گیری دقیق برای جلوگیری از تصحیح ناکافی یا بیش‌ازحد ضروری است. جبران کنده شده مورد نیاز به صورت زیر محاسبه می‌شود:

Qc = P (tanθ1 - tanθ2)

جایی که:

• Qc = خازن مورد نیاز (kVAR)
• P = توان حقیقی (kW)
• θ1/θ2 = زوایای فاز اولیه و هدف

خازن‌های کوچک‌تر از حد مطلوب، توان راکتیو را بدون پوشش باقی می‌گذارند، در حالی که خازن‌های بزرگ‌تر از حد مطلوب، ضریب توان پیشرو ایجاد می‌کنند که ممکن است تنظیم ولتاژ را ناپایدار کند. اکثر سیستم‌های صنعتی به دنبال دستیابی به ضریب توان تصحیح‌شده بین 0.95 تا 0.98 با تأخیر هستند تا تعادلی بین کارایی و ایمنی سیستم برقرار شود.

مقایسه روش‌های PFC فعال و غیرفعال برای انتخاب بهینه

مقایسه عملکرد، هزینه و اندازه بین PFC فعال و غیرفعال

PFC فعال با استفاده از مبدل‌های سوئیچینگ و کنترل دیجیتال، ضرایب توان بالاتر از 0.98 دستیابی می‌یابد، در حالی که روش‌های غیرفعال معمولاً حداکثر به محدوده 0.85 تا 0.92 با بانک‌های خازنی می‌رسند. طبق گزارش راهکارهای ضریب توان سال 2024، سیستم‌های فعال پرتوزی کلی هارمونیکی (THD) را نسبت به سیستم‌های غیرفعال 60 تا 80 درصد کاهش می‌دهند. مهم‌ترین مسائل متداول شامل موارد زیر است:

• هزینه : واحدهای PFC فعال ۲ تا ۳ برابر گران‌تر از معادل غیرفعال هستند
• اندازه : سیستم‌های غیرفعال ۳۰ تا ۵۰ درصد فضای فیزیکی کمتری اشغال می‌کنند
• انعطاف‌پذیری : مدارهای فعال بازده بالای اصلاح را از ۲۰٪ تا ۱۰۰٪ بار حفظ می‌کنند

اگرچه توپولوژی‌های فعال شامل ۴۰ درصد بیشتر قطعات هستند، پاسخ دینامیکی آن‌ها باعث می‌شود در کاربردهای متغیر یا حساس ضروری باشند.

ملاحظات خاص کاربرد: PFC در منابع تغذیه سوئیچینگ

در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)، PFC فعال به طور فزاینده‌ای استاندارد شده است تا با محدودیت‌های هارمونیک IEC 61000-3-2 سازگاری داشته باشد. تحلیل‌های صنعتی تأیید می‌کنند که PFC فعال در واحدهای ۵۰۰ وات به بالا، بازدهی ۹۲ درصدی در بار کامل دارد، در مقایسه با ۸۴ درصد برای طراحی‌های غیرفعال. انتخاب به عوامل زیر بستگی دارد:

1. نیازهای انطباق با مقررات
2. محدودیت‌های طراحی حرارتی
3. اهداف هزینه چرخه عمر

کاربردهای پیشرفته مانند منابع تغذیه سرور و دستگاه‌های پزشکی، PFC فعال را ترجیح می‌دهند، زیرا قادر به مدیریت انتقال‌های سریع بار و حفظ جریان ورودی تمیز هستند.

چرا منابع تغذیه کم‌هزینه هنوز به PFC غیرفعال با وجود محدودیت‌ها وابسته هستند

حدود ۷۰ درصد منابع تغذیه زیر ۳۰۰ وات به دلیل هزینه پایین (حدود ده تا بیست سنت در هر وات) از فناوری PFC غیرفعال استفاده می‌کنند. در شرایط بار ثابت، مانند سیستم‌های روشنایی LED یا الکترونیک مصرفی خانگی، روش‌های غیرفعال معمولاً عملکرد قابل قبولی دارند و گاهی ضریب توان نزدیک به ۰٫۹ را به دست می‌آورند. این سیستم‌ها بدون نیاز به اجزای فعال پیچیده که هزینه را افزایش می‌دهند، الزامات اولیه مقررات را برآورده می‌کنند؛ به همین دلیل تولیدکنندگان به ویژه در شرایط محدودیت بودجه به این روش برمی‌گردند. تنها سادگی این روش برای بسیاری از شرکت‌ها تفاوت ایجاد می‌کند تا هزینه‌ها را کاهش دهند بدون آنکه عملکرد زیادی از دست بدهند.

‫سوالات متداول‬

مثلث توان در سیستم‌های الکتریکی چیست؟

مثلث توان از سه مؤلفه تشکیل شده است: توان حقیقی (انجام کار واقعی)، توان راکتیو (تداوم میدان‌های الرومغناطیسی) و توان ظاهری (توان کل تحویل‌شده به سیستم).

زاویه فاز چگونه بر ضریب توان تأثیر می‌گذارد؟

ضریب توان کسینوس زاویه فاز بین شکل موج ولتاژ و جریان است. زاویه فاز بزرگ‌تر نشان‌دهنده ضریب توان پایین‌تری است که باعث کاهش بازده الکتریکی می‌شود.

پیامدهای مالی ضریب توان ضعیف چیست؟

صنایعی که دارای ضریب توان ضعیف هستند ممکن است مجازات‌های سنگینی از شرکت‌های تأمین برق دریافت کنند و اغلب به دلیل عدم بازده، تا ۷۴۰٫۰۰۰ دلار آمریکا در سال هزینه پرداخت کنند.

روش‌های اصلاح ضریب توان فعال و غیرفعال چگونه با یکدیگر تفاوت دارند؟

اصلاح فعال ضریب توان (Active PFC) از مبدل‌های سوئیچینگ برای دستیابی به بازده بالا و انعطاف‌پذیری استفاده می‌کند، در حالی که اصلاح غیرفعال ضریب توان (Passive PFC) از بانک‌های خازنی استفاده می‌کند که هزینه و فضای کمتری می‌طلبد اما انطباق‌پذیری کمتری دارد.