शक्ति गुणांक

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योजनाबद्ध दिखा रहा है कि शक्ति गुणांक की गणना कैसे की जाती है

विद्युत अभियन्त्रण में, एसी विद्युत् प्रणाली के शक्ति गुणांक को विद्युत भार द्वारा अवशोषित के वास्तविक विद्युत् परिपथ में बहने वाली स्पष्ट विद्युत् के अनुपात रूप में परिभाषित किया जाता है। वास्तविक विद्युत् वोल्टेज और विद्युत प्रवाह के तात्कालिक उत्पाद का औसत है और कार्य करने के लिए बिजली की क्षमता का प्रतिनिधित्व करती है। विद्युत प्रवाह और वोल्टेज स्पष्ट विद्युत् आरएमएस का उत्पाद है। भार में संग्रहीत ऊर्जा के कारण और स्रोत में वापस आ जाने के कारण, या गैर-रैखिक भार के कारण जो स्रोत से खींची गई धारा के तरंग आकार को विकृत करता है, आभासी विद्युत् वास्तविक विद्युत् से अधिक हो सकती है, इसलिए अधिक धारा प्रवाहित होती है अकेले वास्तविक विद्युत् को स्थानांतरित करने के लिए परिपथ की आवश्यकता होगी। एक से कम का शक्ति गुणांक परिमाण इंगित करता है कि वोल्टेज और विद्युत प्रवाह चरण में नहीं हैं, जिससे दोनों का औसत उत्पाद (गणित) कम हो जाता है। ऋणात्मक विद्युत् कारक तब होता है जब उपकरण (जो सामान्य रूप से भार होता है) वास्तविक विद्युत् उत्पन्न करता है, जो फिर स्रोत की ओर प्रवाहित होती है।

विद्युत विद्युत् प्रणाली में, कम विद्युत् कारक वाला भार उच्च विद्युत् कारक वाले भार की तुलना में उपयोगी विद्युत् की समान मात्रा के लिए अधिक धारा खींचता है। उच्च धाराएँ वितरण प्रणाली में खोई हुई ऊर्जा को बढ़ाती हैं और इसके लिए बड़े तारों और अन्य उपकरणों की आवश्यकता होती है। बड़े उपकरण और बर्बाद ऊर्जा की लागत के कारण, विद्युत उपयोगिताओं सामान्यतः औद्योगिक या वाणिज्यिक ग्राहकों को उच्च लागत चार्ज करती हैं जहां कम विद्युत् कारक होता है।

शक्ति गुणांक संशोधन भार के शक्ति गुणांक को बढ़ाता है, वितरण प्रणाली के लिए दक्षता में सुधार करता है जिससे यह जुड़ा हुआ है। कम शक्ति गुणांक (जैसे प्रेरणी मोटर) के साथ रैखिक भार को संधारित्र या प्रेरक के निष्क्रिय नेटवर्क के साथ ठीक किया जा सकता है। गैर-रैखिक भार, जैसे कि दिष्टकारी प्रणाली से खींची गई धारा को विकृत करते हैं। ऐसे स्थितियों में, विरूपण का प्रतिकार करने और विद्युत् कारक को बढ़ाने के लिए सक्रिय या निष्क्रिय विद्युत् कारक सुधार का उपयोग किया जा सकता है। शक्ति गुणांक के सुधार के लिए उपकरण केंद्रीय सबस्टेशन पर हो सकते हैं, वितरण प्रणाली में फैले हुए हैं, या बिजली की खपत करने वाले उपकरण में निर्मित हैं।

सामान्य मामला

योजनाबद्ध दिखा रहा है कि शक्ति गुणांक की गणना कैसे की जाती है

शक्ति गुणांक के लिए सामान्य अभिव्यक्ति द्वारा दिया गया है

${\mbox{power factor}}=P/P_{a}$

$P_{a}=I_{rms}V_{rms}$ जहां $P$ आदर्श वाटमीटर द्वारा मापी गई वास्तविक विद्युत् है, $I_{rms}$ आदर्श एम्मीटर द्वारा मापी गई आरएमएस धारा है, और $V_{rms}$ आदर्श वाल्टमीटर द्वारा मापी गई आरएमएस वोल्टेज है। प्रत्यक्ष विद्युत्, $P_{a}$, आरएमएस धारा और आरएमएस वोल्टता का गुणनफल है।

यदि भार बिजली वापस जनरेटर की ओर सोर्स कर रहा है, तो $P$ और ${\mbox{power factor}}$ ऋणात्मक होगा।

आवधिक तरंगें

यदि तरंगरूप समान अवधि के साथ आवधिक होते हैं जो भौतिक मीटर के औसत समय से बहुत कम है, तो विद्युत् कारक की गणना निम्न द्वारा की जा सकती है

${\mbox{power factor}}=P/P_{a}$

$P_{a}=I_{rms}V_{rms}$ :$P={\frac {1}{T}}\int _{t'}^{t'+T}i(t)v(t)dt$

$I_{rms}^{2}={\frac {1}{T}}\int _{t'}^{t'+T}{i(t)}^{2}dt$

$V_{rms}^{2}={\frac {1}{T}}\int _{t'}^{t'+T}{v(t)}^{2}dt$

जहां $i(t)$ तात्कालिक धारा है, $v(t)$ तात्कालिक वोल्टेज है, $t'$ यादृच्छिक शुरुआती समय है, और $T$ तरंगों की अवधि है।

गैर आवधिक तरंग रूप

यदि तरंगरूप आवधिक नहीं हैं और भौतिक मीटरों का औसत समय समान है, तो आवधिक मामले के समीकरणों का उपयोग अपवाद के साथ किया जा सकता है $T$ तरंग अवधि के अतिरिक्त मीटर का औसत समय है।

रैखिक समय-अपरिवर्तनीय परिपथ

विद्युत प्रवाह की गणना एसी वोल्टेज से की जाती है और धारा में शून्य विद्युत् कारक वाले भार में प्रवेश होता है (ϕ= 90°, कॉस(ϕ) = 0)। नीली रेखा भार में प्रवेश करने वाली तात्कालिक विद्युत् को दर्शाती है: पहली (या तीसरी) तिमाही चक्र के दौरान प्राप्त सभी ऊर्जा दूसरी (या चौथी) तिमाही चक्र के दौरान ग्रिड में वापस आ जाती है, जिसके परिणामस्वरूप औसत बिजली प्रवाह (हल्की नीली रेखा) ) शून्य का।

लैगिंग शक्ति गुणांक के साथ भार के लिए एसी वोल्टेज और विद्युत प्रवाह से गणना की गई तात्कालिक और औसत विद्युत् (ϕ =45 डिग्री, कॉस (ϕ) ≈ 0.71)। नीली रेखा (तात्क्षणिक विद्युत्) दर्शाती है कि भार द्वारा प्राप्त ऊर्जा का एक भाग लेबल वाले चक्र के भाग के दौरान ग्रिड में वापस आ जाता है ϕ.

रैखिक समय-अपरिवर्तनीय प्रणाली (इस लेख के बाकी हिस्सों के लिए बस रैखिक परिपथ के रूप में संदर्भित), उदाहरण के लिए, प्रतिरोधों, प्रेरकों और संधारित्र के संयोजन वाले परिपथ में ज्यावक्रीय लाइन वोल्टेज के लिए ज्यावक्रीय प्रतिक्रिया होती है। (इस लेख के बाकी हिस्सों के लिए बस रैखिक परिपथ के रूप में संदर्भित), उदाहरण के लिए, प्रतिरोधों, प्रेरकों और संधारित्र के संयोजन वाले परिपथ में ज्यावक्रीय लाइन वोल्टेज के लिए ज्यावक्रीय प्रतिक्रिया होती है।

परिभाषा और गणना

एसी विद्युत् में दो घटक होते हैं:

• वास्तविक विद्युत् या सक्रिय विद्युत् (P) (कभी-कभी औसत विद्युत् कहा जाता है), वाट (W) में व्यक्त किया गया है

• प्रतिक्रियाशील ऊर्जा ( ($Q$), सामान्यतः प्रतिक्रियाशील वोल्ट-एम्पीयर (वीएआर) में व्यक्त किया जाता है

साथ में, वे जटिल विद्युत् बनाते हैं ($S$) वोल्ट-एम्पीयर (VA) के रूप में व्यक्त किया गया। जटिल विद्युत् का परिमाण स्पष्ट विद्युत् है ($|S|$), वोल्ट-एम्पीयर (VA) में भी व्यक्त किया गया।

VA और वीएआर गैर-एसआई इकाइयाँ हैं जो गणितीय रूप से वाट के समान हैं, लेकिन वाट के अतिरिक्त इंजीनियरिंग अभ्यास में इसका उपयोग यह बताने के लिए किया जाता है कि भौतिक मात्रा क्या व्यक्त की जा रही है। एसआई स्पष्ट रूप से इस उद्देश्य के लिए इकाइयों का उपयोग करने या भौतिक मात्रा के बारे में जानकारी के एकमात्र स्रोत के रूप में उपयोग करने की अनुमति नहीं देता है

शक्ति गुणांक को वास्तविक विद्युत् से स्पष्ट विद्युत् के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। चूंकि बिजली संचरण लाइन के साथ स्थानांतरित होती है, इसमें विशुद्ध रूप से वास्तविक विद्युत् सम्मलित नहीं होती है जो एक बार भार में स्थानांतरित होने पर काम कर सकती है, बल्कि इसमें वास्तविक और प्रतिक्रियाशील विद्युत् का संयोजन होता है, जिसे स्पष्ट विद्युत् कहा जाता है। शक्ति गुणांक लाइन में बहने वाली कुल स्पष्ट विद्युत् के सापेक्ष संचरण लाइन के साथ प्रेषित वास्तविक विद्युत् की मात्रा का वर्णन करता है।

शक्ति गुणांक की गणना कोण θ के कोसाइन के रूप में भी की जा सकती है, जिसके द्वारा धारा तरंग वोल्टेज तरंग के पीछे या आगे बढ़ती है,

रैखिक भार का शक्ति गुणांक सुधार

रैखिक भार का शक्ति गुणांक सुधार

नुकसान को कम करने और भार पर वोल्टेज विनियमन में सुधार करने के लिए बिजली वितरण प्रणाली में सामान्यतः उच्च विद्युत् कारक वांछनीय होता है। विद्युत भार के पास क्षतिपूर्ति करने वाले तत्व आपूर्ति प्रणाली पर स्पष्ट बिजली की मांग को कम कर देंगे। नेटवर्क की स्थिरता और दक्षता में सुधार के लिए विद्युत विद्युत् संचरण उपयोगिता द्वारा विद्युत् कारक सुधार लागू किया जा सकता है। अलग-अलग विद्युत ग्राहक जो कम विद्युत् कारक के लिए अपनी उपयोगिता द्वारा चार्ज किए जाते हैं, वे अपने विद्युत् कारक को बढ़ाने के लिए सुधार उपकरण स्थापित कर सकते हैं जिससे कि लागत कम हो सके।

शक्ति गुणांक संशोधन एसी विद्युत् परिपथ के शक्ति गुणांक को प्रतिक्रियाशील विद्युत् की आपूर्ति या अवशोषित करके 1 के करीब लाता है, संधारित्र या प्रेरक को जोड़ता है जो क्रमशः भार के आगमनात्मक या धारिता प्रभाव को रद्द करने के लिए कार्य करता है। मोटर भार के आगमनात्मक प्रभाव को प्रतिसंतुलन करने के मामले में, संधारित्र को स्थानीय रूप से जोड़ा जा सकता है। ये संधारित्र आगमनात्मक भार की मांग को पूरा करने के लिए प्रतिक्रियाशील विद्युत् उत्पन्न करने में मदद करते हैं। यह उस प्रतिक्रियाशील विद्युत् को उपयोगिता जनरेटर से भार तक प्रवाहित होने से रोकेगा। बिजली उद्योग में, प्रेरकों को प्रतिक्रियाशील विद्युत् का उपभोग करने के लिए कहा जाता है और संधारित्र को इसकी आपूर्ति करने के लिए कहा जाता है, भले ही प्रतिक्रियाशील विद्युत् प्रत्येक एसी चक्र पर आगे और पीछे चलने वाली ऊर्जा है।

चालू या बंद होने पर शक्ति गुणांक सुधार उपकरणों में प्रतिक्रियाशील तत्व वोल्टेज में उतार-चढ़ाव और गुणावृत्ति शोर पैदा कर सकते हैं। प्रणाली के नो-भार नुकसान को बढ़ाते हुए, वे प्रतिक्रियाशील विद्युत् की आपूर्ति या अभिगम करेंगे, भले ही आस-पास कोई भार हो रहा हो। सबसे खराब स्थिति में, प्रतिक्रियाशील तत्व प्रणाली के साथ और एक दूसरे के साथ गुंजयमान स्थिति बनाने के लिए बातचीत कर सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रणाली अस्थिरता और गंभीर अधिवोल्टता में उतार-चढ़ाव होता है। जैसे, अभियांत्रिकी विश्लेषण के बिना प्रतिक्रियाशील तत्वों को केवल लागू नहीं किया जा सकता है।

स्लो-ब्लो फ्यूज, 4. घुसपैठ-सीमित कान्टैक्टर, 5. संधारित्र (एकल-चरण या तीन-चरण इकाइयां, डेल्टा-कनेक्शन), 6. ट्रांसफार्मर (नियंत्रण और वेंटिलेशन प्रशंसकों के लिए)

एक स्वचालित शक्ति गुणांक सुधार इकाई में कई संधारित्र होते हैं जो संपर्ककर्ताओं के माध्यम से बदले जाते हैं। इन संपर्ककर्ताओं को नियामक द्वारा नियंत्रित किया जाता है जो विद्युत नेटवर्क में विद्युत् कारक को मापता है। नेटवर्क के भार और शक्ति गुणांक के आधार पर, शक्ति गुणांक कंट्रोलर संधारित्र के आवश्यक ब्लॉक को चरणों में बदलेगा जिससे कि यह सुनिश्चित हो सके कि शक्ति गुणांक चयनित मान से ऊपर रहता है।

बदले किए गए संधारित्र के सेट के स्थान पर, अभारित तुल्यकालिक मोटर प्रतिक्रियाशील विद्युत् की आपूर्ति कर सकती है। तुल्यकालिक मोटर द्वारा खींची गई प्रतिक्रियाशील विद्युत् इसके क्षेत्र विनिमय का कार्य है। इसे तुल्यकालिक कलापरिवर्तित्र के रूप में जाना जाता है। यह चालू है और विद्युत नेटवर्क से जुड़ा है। यह प्रमुख शक्ति गुणांक पर काम करता है और प्रणाली के वोल्टेज का समर्थन करने या प्रणाली शक्ति गुणांक को निर्दिष्ट स्तर पर बनाए रखने के लिए आवश्यकतानुसार नेटवर्क पर वोल्ट-एम्पीयर प्रतिक्रियाशील (वीएआर) डालता है।

तुल्यकालिक कलापरिवर्तित्र की स्थापना और संचालन बड़े विद्युत मोटर्स के समान हैं। इसका प्रमुख लाभ यह है कि आसानी से सुधार की मात्रा को समायोजित किया जा सकता है, यह एक परिवर्ती संधारित्र की तरह व्यवहार करता है। संधारित्र के विपरीत, आपूर्ति की जाने वाली प्रतिक्रियाशील विद्युत् की मात्रा वोल्टेज के समानुपाती होती है, न कि वोल्टेज का वर्ग, यह बड़े नेटवर्क पर वोल्टेज स्थिरता में सुधार करता है। तुल्यकालिक कलापरिवर्तित्र का उपयोग अधिकांशतः उच्च-वोल्टेज प्रत्यक्ष-धारा संचरण परियोजनाओं या बड़े औद्योगिक संयंत्रों जैसे स्टील मिलों के संबंध में किया जाता है।

उच्च-वोल्टेज विद्युत् प्रणाली या बड़े, उतार-चढ़ाव वाले औद्योगिक भार के शक्ति गुणांक सुधार के लिए, स्थिर वीएआर प्रतिकारक या स्टैटकॉम जैसे बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का तेजी से उपयोग किया जाता है। ये प्रणालियाँ कान्टैक्टर-स्विच्ड संधारित्र बैंकों की तुलना में बहुत अधिक तेजी से शक्ति गुणांक के अचानक परिवर्तन की भरपाई करने में सक्षम हैं और ठोस-अवस्था होने के कारण, तुल्यकालिक कलापरिवर्तित्र की तुलना में कम रखरखाव की आवश्यकता होती है।

गैर रेखीय भार

बिजली व्यवस्था पर गैर-रैखिक भार के उदाहरण दिष्टकारी हैं (जैसे बिजली आपूर्ति में उपयोग किए जाते हैं), और आर्क डिस्चार्ज उपकरण जैसे फ्लोरोसेंट लैंप, विद्युत वेल्डिंग मशीन या विद्युत चाप भट्ठी क्योंकि इन प्रणालियों में विद्युत प्रवाह स्विचिंग क्रिया द्वारा बाधित होता है, विद्युत प्रवाह में आवृति घटक होते हैं जो विद्युत् प्रणाली आवृति के गुणक होते हैं। विरूपण शक्ति गुणांक इस बात का माप है कि भार विद्युत प्रवाह का गुणावृत्ति विरूपण भार को हस्तांतरित औसत विद्युत् को कितना कम करता है।

ज्यावक्रीय वोल्टेज और गैर-ज्यावक्रीय विद्युत प्रवाह इस कंप्यूटर विद्युत् सप्लाई भार के लिए 0.75 का विरूपण शक्ति गुणांक देता है।

गैर-ज्यावक्रीय घटक

केवल ज्यावक्रीय धाराओं और आवृत्ति के वोल्टेज वाले रैखिक परिपथ में, विद्युत् कारक केवल धारा और वोल्टेज के बीच चरण के अंतर से उत्पन्न होता है। यह विस्थापन विद्युत् कारक है।

गैर-रैखिक भार धारा तरंग के आकार को ज्या तरंग से किसी अन्य रूप में बदलते हैं। गैर-रैखिक भार मूल (मौलिक आवृत्ति) एसी धारा के अतिरिक्त गुणावृत्ति धाराएं बनाते हैं। व्यावहारिक बिजली प्रणालियों में यह महत्वपूर्ण है जिसमें गैर-रैखिक भार होते हैं जैसे कि दिष्टकारी, विद्युत प्रकाश के कुछ रूप, विद्युत चाप भट्टियां, वेल्डिंग उपकरण, स्विच्ड-मोड बिजली की आपूर्ति, चर गति ड्राइव और अन्य उपकरण हैं। रैखिक संधारित्र और प्रेरक से युक्त निस्यंदक गुणावृत्ति धाराओं को आपूर्ति प्रणाली में प्रवेश करने से रोक सकते हैं।

वास्तविक विद्युत् या प्रतिक्रियाशील विद्युत् को मापने के लिए, गैर-ज्यावक्रीय धाराओं के साथ ठीक से काम करने के लिए डिज़ाइन किए गए वाटमीटर का उपयोग किया जाना चाहिए।

विरूपण विद्युत् कारक

विरूपण शक्ति गुणांक प्रणाली में सम्मलित गुणावृत्ति वोल्टेज और विद्युत प्रवाह से जुड़ा विरूपण घटक है।

${\begin{aligned}{\mbox{distortion power factor}}&={\frac {I_{1}}{I_{rms}}}\\&={\frac {I_{1}}{\sqrt {I_{1}^{2}+I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }}}\\&={\frac {1}{\sqrt {1+{\frac {I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }{I_{1}^{2}}}}}}\\&={\frac {1}{\sqrt {1+THD_{i}^{2}}}}\\\end{aligned}}$

${\mbox{THD}}_{i}$ भार विद्युत प्रवाह का कुल गुणावृत्ति विरूपण है।

$THD_{i}={\frac {\sqrt {\displaystyle \sum _{h=2}^{\infty }I_{h}^{2}}}{I_{1}}}={\frac {\sqrt {I_{2}^{2}+I_{3}^{2}+I_{4}^{2}+\cdots }}{I_{1}}}$

$I_{1}$ धारा का मूलभूत घटक है और $I_{\mbox{rms}}$ कुल विद्युत प्रवाह है - दोनों वर्ग माध्य मूल-मान हैं (विरूपण शक्ति गुणांक का उपयोग व्यक्तिगत ऑर्डर गुणावृत्ति का वर्णन करने के लिए भी किया जा सकता है, कुल विद्युत प्रवाह के स्थान पर संबंधित विद्युत प्रवाह का उपयोग करके)। कुल गुणावृत्ति विरूपण के संबंध में यह परिभाषा मानती है कि वोल्टेज अपरिवर्तित रहता है (ज्यावक्रीय, गुणावृत्ति के बिना)। यह सरलीकरण अधिकांशतः कठोर वोल्टेज स्रोतों (वितरण नेटवर्क में भार डाउनस्ट्रीम में परिवर्तन से प्रभावित नहीं होने) के लिए अच्छा सन्निकटन है। नेटवर्क में धारा विकृति से विशिष्ट जनरेटर का कुल गुणावृत्ति विरूपण 1-2% के क्रम में है, जिसके बड़े पैमाने पर निहितार्थ हो सकते हैं लेकिन सामान्य अभ्यास में इसे अनदेखा किया जा सकता है।

परिणाम जब विस्थापन विद्युत् कारक (डीपीएफ) से गुणा किया जाता है, तो समग्र, वास्तविक विद्युत् कारक या सिर्फ विद्युत् कारक (पीएफ) होता है:

${\mbox{PF}}={\frac {\cos {\varphi }}{\sqrt {1+THD_{i}^{2}}}}$

तीन-चरण नेटवर्क में विकृति

व्यवहार में, तीन-चरण वितरण नेटवर्क में उपकरणों पर विरूपण के स्थानीय प्रभाव कुल गुणावृत्ति विरूपण के अतिरिक्त कुछ आदेश गुणावृत्ति के परिमाण पर निर्भर करते हैं।

उदाहरण के लिए, ट्रिपलेन, या शून्य-अनुक्रम, गुणावृत्ति (तीसरा, 9वां, 15वां, आदि) में लाइन-टू-लाइन की तुलना में समकला होने का गुण होता है। डेल्टा-वाई ट्रांसफार्मर में, इन गुणावृत्ति के परिणामस्वरूप डेल्टा वाइंडिंग्स में धाराएं फैल सकती हैं और परिणामस्वरूप अधिक प्रतिरोधक ताप हो सकता है। ट्रांसफॉर्मर के वाई-समाकृति में, ट्रिपलेन गुणावृत्ति इन धाराओं को नहीं बनायेगा, लेकिन ग्राउंड और न्यूट्रल में गैर-शून्य धारा का परिणाम होगा। यह कुछ स्थितियों में तटस्थ तार को अधिभार कर सकता है और किलोवाट-घंटे मीटरिंग प्रणाली और बिलिंग राजस्व में त्रुटि पैदा कर सकता है। ट्रांसफॉर्मर में धारा गुणावृत्ति की उपस्थिति भी ट्रांसफॉर्मर के चुंबकीय कोर में बड़ी एडी धाराओं का परिणाम देती है। भंवर धारा हानियाँ सामान्यतः आवृत्ति के वर्ग के रूप में बढ़ती हैं, ट्रांसफॉर्मर की दक्षता को कम करती हैं, अतिरिक्त गर्मी को नष्ट करती हैं, और इसकी सेवा जीवन को कम करती हैं।

ऋणात्मक-अनुक्रम गुणावृत्ति (5वां, 11वां, 17वां, आदि) चरण के बाहर 120 डिग्री को मौलिक गुणावृत्ति के समान लेकिन उलट क्रम में जोड़ता है। जनरेटर और मोटर में, ये धाराएं चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती हैं जो शाफ्ट के घूमने का विरोध करती हैं और कभी-कभी यांत्रिक कंपन को नुकसान पहुंचाती हैं।

स्विच्ड-मोड बिजली की आपूर्ति

Main article: स्विच्ड-मोड पावर सप्लाई पावर फैक्टर

गैर-रैखिक भार का विशेष रूप से महत्वपूर्ण वर्ग लाखों व्यक्तिगत कंप्यूटर हैं जो सामान्यतः मूल्यांकन निर्गम विद्युत् के साथ बदले-मोड विद्युत् सप्लाई (एसएमपीएस) को कुछ वाट से लेकर 1 किलोवाट से अधिक तक सम्मलित करते हैं। ऐतिहासिक रूप से, इन बहुत कम लागत वाली बिजली आपूर्तियों में साधारण पूर्ण तरंग दिष्टकारी सम्मलित था जो केवल तभी संचालित होता था जब मुख्य तात्कालिक वोल्टेज निविष्ट संधारित्र पर वोल्टेज से अधिक हो जाता था। यह पीक-टू-एवरेज निविष्ट विद्युत प्रवाह के बहुत उच्च अनुपात की ओर जाता है, जो कम विरूपण विद्युत् कारक और संभावित गंभीर चरण और तटस्थ लोडिंग चिंताओं का कारण बनता है।

एक विशिष्ट स्विच्ड-मोड बिजली आपूर्ति पहले डायोड सेतु के माध्यम से एसी मेन को डीसी बस में परिवर्तित करती है। निर्गम वोल्टेज तब इस डीसी बस से प्राप्त होता है। इसके साथ समस्या यह है किदिष्टकारी गैर-रैखिक उपकरण है, इसलिए निविष्ट विद्युत प्रवाह अत्यधिक गैर-रैखिक है। इसका मतलब है कि निविष्ट विद्युत प्रवाह में वोल्टेज की आवृत्ति के गुणावृत्ति में ऊर्जा होती है। यह बिजली कंपनियों के लिए समस्या प्रस्तुत करता है, क्योंकि वे सरल संधारित्र या प्रेरक जोड़कर गुणावृत्ति धारा के लिए क्षतिपूर्ति नहीं कर सकते हैं, क्योंकि वे रैखिक भार द्वारा खींची गई प्रतिक्रियाशील विद्युत् के लिए कर सकते हैं। कई न्यायालयों को निश्चित विद्युत् स्तर से ऊपर की सभी बिजली आपूर्ति के लिए शक्ति गुणांक सुधार की आवश्यकता होने लगी है।

नियामक एजेंसियों जैसे यूरोपीय संघ ने विद्युत् कारक में सुधार की विधि के रूप में गुणावृत्ति सीमा निर्धारित की है। घटती घटक लागत ने दो अलग-अलग तरीकों के कार्यान्वयन को तेज कर दिया है। धारा यूरोपीय संघ मानक ईएन61000-3-2 का अनुपालन करने के लिए, 75 वाट से अधिक निर्गम विद्युत् वाली सभी स्विच्ड-मोड बिजली आपूर्ति में कम से कम निष्क्रिय शक्ति गुणांक सुधार सम्मलित होना चाहिए। 80 से अधिक बिजली आपूर्ति प्रमाणन के लिए 0.9 या अधिक के शक्ति गुणांक की आवश्यकता होती है।

गैर-रैखिक भार में शक्ति गुणांक सुधार (पीएफसी)

निष्क्रिय पीएफसी

गुणावृत्ति (विद्युत विद्युत्) विद्युत प्रवाह को नियंत्रित करने का सबसे सरल तरीका इलेक्ट्रॉनिक निस्यंदक का उपयोग करना है जो केवल लाइन आवृति (50 या 60 हर्ट्ज) पर विद्युत प्रवाह पारित करता है। फ़िल्टर में संधारित्र या प्रेरक होते हैं और गैर- रैखिक उपकरण को रैखिक भार की तरह अधिक दिखता है। निष्क्रीय पीएफसी का उदाहरण वैली-फिल परिपथ है।

निष्क्रिय पीएफसी का नुकसान यह है कि इसके लिए समतुल्य विद्युत् सक्रिय पीएफसी परिपथ की तुलना में बड़े प्रेरक या संधारित्र की आवश्यकता होती है। साथ ही, व्यवहार में, निष्क्रिय पीएफसी अधिकांशतः शक्ति गुणांक को सुधारने में कम प्रभावी होता है।

सक्रिय पीएफसी

सक्रिय पीएफसी रेटिंग दिखाते हुए 610 डब्ल्यू बिजली आपूर्ति इकाई (कंप्यूटर) की पैकेजिंग से लिए गए विनिर्देश

सक्रिय पीएफसी शक्ति गुणांक को बेहतर बनाने के लिए भार द्वारा खींचे गए विद्युत प्रवाह के तरंगरूप को बदलने के लिए विद्युत् इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग है। कुछ प्रकार के सक्रिय पीएफसी बक कन्वर्टर, बूस्ट कनर्वटर, बक-बूस्ट कनवर्टर और तुल्यकालिक कलापरिवर्तित्र है। सक्रिय शक्ति गुणांक संशोधन एकल चरण या एकाधिक चरण हो सकता है।

स्विच्ड-मोड विद्युत् सप्लाई के मामले में, ब्रिज दिष्टकारी और मुख्य निविष्ट संधारित्र के बीच बूस्ट कन्वर्टर डाला जाता है। बूस्ट कन्वर्टर अपने निर्गम पर निरंतर वोल्टेज बनाए रखने का प्रयास करता है, जबकि धारा खींचती है जो हमेशा चरण में और लाइन वोल्टेज के समान आवृत्ति पर होती है। बिजली आपूर्ति के अंदर अन्य स्विच्ड-मोड कनवर्टर डीसी बस से वांछित निर्गम वोल्टेज का उत्पादन करता है। इस दृष्टिकोण के लिए अतिरिक्त अर्धचालक बदले और इलेक्ट्रॉनिक्स को नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है लेकिन सस्ते और छोटे निष्क्रिय घटकों की अनुमति देता है। यह अधिकांशतः अभ्यास में प्रयोग किया जाता है।

तीन-चरण एसएमपीएस के लिए, वियना दिष्टकारी समाकृति का उपयोग विद्युत् कारक को काफी हद तक सुधारने के लिए किया जा सकता है।

निष्क्रिय पीएफसी वाले एसएमपीएस लगभग 0.7–0.75 का शक्ति गुणांक प्राप्त कर सकते हैं, सक्रिय पीएफसी वाले एसएमपीएस, 0.99 शक्ति गुणांक तक, जबकि बिना किसी शक्ति गुणांक संशोधन के एसएमपीएस का शक्ति गुणांक लगभग 0.55–0.65 होता है।

उनके बहुत विस्तृत निविष्ट वोल्टेज सीमा के कारण, सक्रिय पीएफसी के साथ कई बिजली की आपूर्ति स्वचालित रूप से लगभग 100 वोल्ट (जापान) से 240 वोल्ट (यूरोप) तक एसी बिजली पर काम करने के लिए समायोजित हो सकती है। लैपटॉप के लिए बिजली की आपूर्ति में यह सुविधा विशेष रूप से स्वागत योग्य है।

गतिशील पीएफसी

डायनेमिक शक्ति गुणांक संशोधन (डीपीएफसी), जिसे कभी-कभी वास्तविक समय शक्ति गुणांक संशोधन के रूप में संदर्भित किया जाता है, का उपयोग तेजी से भार परिवर्तन (जैसे बड़े निर्माण स्थलों पर) के स्थितियों में विद्युत स्थिरीकरण के लिए किया जाता है। डीपीएफसी तब उपयोगी होता है जब मानक शक्ति गुणांक सुधार के कारण अधिक या कम सुधार होता है। डीपीएफसी शक्ति गुणांक को बेहतर बनाने के लिए संधारित्र या प्रेरक को जल्दी से जोड़ने और पृथक करने के लिए अर्धचालक बदले, सामान्यतः थाइरिस्टर का उपयोग करता है।

वितरण प्रणाली में महत्व

150 केवी सबस्टेशन में 75 एमवीएआर संधारित्र बैंक

1.0 से नीचे के बिजली कारकों को वास्तविक विद्युत् (वाट) की आपूर्ति के लिए आवश्यक न्यूनतम वोल्ट-एम्पीयर से अधिक उत्पन्न करने के लिए उपयोगिता की आवश्यकता होती है। इससे उत्पादन और पारेषण लागत बढ़ जाती है। उदाहरण के लिए, यदि भार शक्ति गुणांक 0.7 जितना कम था, तो स्पष्ट विद्युत् भार द्वारा उपयोग की जाने वाली वास्तविक विद्युत् का 1.4 गुना होगी। परिपथ में लाइन विद्युत प्रवाह भी 1.0 शक्ति गुणांक पर आवश्यक विद्युत प्रवाह का 1.4 गुना होगा, इसलिए परिपथ में नुकसान दोगुना हो जाएगा (क्योंकि वे विद्युत प्रवाह के वर्ग के समानुपाती होते हैं)। वैकल्पिक रूप से, प्रणाली के सभी घटकों जैसे जनरेटर, परिचालक, ट्रांसफार्मर और स्विचगियर को अतिरिक्त विद्युत प्रवाह ले जाने के लिए आकार (और लागत) में बढ़ाया जाएगा। जब शक्ति गुणांक एकता के करीब होता है, उसी केवीए रेटिंग के लिए ट्रांसफॉर्मर को अधिक भार विद्युत प्रवाह की आपूर्ति की जा सकती है।

उपयोगिताओं सामान्यतः उन वाणिज्यिक ग्राहकों से अतिरिक्त लागत लेती हैं जिनके पास कुछ सीमा से कम शक्ति गुणांक होता है, जो सामान्यतः 0.9 से 0.95 है। इंजीनियरों को अधिकांशतः भार के शक्ति गुणांक में रुचि होती है, जो उन कारकों में से एक है जो विद्युत् संचरण की दक्षता को प्रभावित करते हैं।

ऊर्जा की बढ़ती लागत और बिजली के कुशल वितरण पर चिंता के साथ, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में सक्रिय पीएफसी अधिक आम हो गया है। कंप्यूटर के लिए धारा ऊर्जा स्टार दिशानिर्देश पीसी की बिजली आपूर्ति में मूल्यांकन निर्गम के 100% पर ≥ 0.9 के शक्ति गुणांक की मांग करते हैं। इंटेल और यू.एस. पर्यावरण संरक्षण एजेंसी द्वारा लिखित श्वेत पत्र के अनुसार, आंतरिक बिजली आपूर्ति वाले पीसी को कंप्यूटर के लिए एनर्जी स्टार 5.0 प्रोग्राम आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए सक्रिय शक्ति गुणांक सुधार के उपयोग की आवश्यकता होगी।

यूरोप में, आईईसी एन 61000-3-2 के लिए आवश्यक है कि उपभोक्ता उत्पादों में शक्ति गुणांक संशोधन सम्मलित किया जाए।

छोटे ग्राहकों, जैसे घरों, से सामान्यतः प्रतिक्रियाशील विद्युत् के लिए शुल्क नहीं लिया जाता है और इसलिए ऐसे ग्राहकों के लिए शक्ति गुणांक मीटरिंग उपकरण स्थापित नहीं किए जाएंगे।

माप तकनीक

एकल-चरण परिपथ (या संतुलित तीन-चरण परिपथ) में शक्ति गुणांक को वाटमीटर-एमीटर-वाल्टमीटर विधि से मापा जा सकता है, जहां वाट में विद्युत् को मापा वोल्टेज और विद्युत प्रवाह के उत्पाद से विभाजित किया जाता है। संतुलित बहुफेज प्रणाली का शक्ति गुणांक किसी भी चरण के समान होता है। असंतुलित बहुफेज प्रणाली का शक्ति गुणांक विशिष्ट रूप से परिभाषित नहीं है।

एक प्रत्यक्ष पठन विद्युत् कारक मीटर को विद्युत् गतिकी प्रकार के मूविंग कॉइल मीटर के साथ बनाया जा सकता है, जो उपकरण के चलने वाले हिस्से पर दो लंबवत कॉइल ले जाता है। उपकरण का क्षेत्र परिपथ विद्युत प्रवाह द्वारा सक्रिय होता है। दो गतिमान कॉइल, A और B, परिपथ भार के साथ समानांतर में जुड़े हुए हैं। कॉइल, A, प्रतिरोधक के माध्यम से और दूसरा कॉइल, B, प्रेरक के माध्यम से जुड़ा होगा, जिससे कि कॉइल B में धारा A में धारा के संबंध में विलंबित हो। एकता विद्युत् कारक पर, A में धारा चरण में है परिपथ विद्युत प्रवाह के साथ, और कॉइल A अधिकतम आघूर्ण बल प्रदान करता है, जो यंत्र संकेतक को पैमाने पर 1.0 चिह्न की ओर ले जाता है। शून्य शक्ति गुणांक पर, कॉइल B में विद्युत प्रवाह परिपथ विद्युत प्रवाह के साथ चरण में होता है, और कॉइल B संकेतक को 0 की ओर ड्राइव करने के लिए आघूर्ण बल प्रदान करता है। शक्ति गुणांक के मध्यवर्ती मूल्यों पर, दो कॉइल द्वारा प्रदान किए गए आघूर्ण बल जुड़ते हैं और संकेतक अन्तःस्थायी पद लेता है।

अन्य विद्युत् यांत्रिक उपकरण पोलराइज़्ड-वेन प्रकार है। इस उपकरण में स्थिर क्षेत्र का तार घूर्णन चुंबकीय क्षेत्र का उत्पादन, ठीक बहुफेज मोटर की तरह करता है। क्षेत्र कॉइल या तो सीधे बहुफेज वोल्टेज स्रोतों से जुड़े होते हैं या एकल-चरण अनुप्रयोग होने पर चरण-स्थानांतरी प्रतिघातक से जुड़े होते हैं। एक दूसरा स्थिर क्षेत्र का तार, वोल्टेज कॉइल के लंबवत, परिपथ के चरण में धारा के समानुपाती होता है। उपकरण की चलती प्रणाली में दो वैन होते हैं जो धारा कॉइल द्वारा चुम्बकित होते हैं। संचालन में, गतिमान वैन वोल्टेज स्रोत और धारा स्रोत के बीच विद्युत कोण के समतुल्य भौतिक कोण ग्रहण करते हैं। इस प्रकार के उपकरण को दोनों दिशाओं में धाराओं के लिए रजिस्टर करने के लिए बनाया जा सकता है, जिससे विद्युत् कारक या चरण कोण का चार-चतुर्थांश प्रदर्शित होता है।

डिजिटल उपकरण सम्मलित हैं जो सीधे वोल्टेज और धारा तरंगों के बीच के समय अंतराल को मापते हैं। इस प्रकार के कम लागत वाले उपकरण तरंगों के शिखर को मापते हैं। अधिक परिष्कृत संस्करण केवल मौलिक गुणावृत्ति के शिखर को मापते हैं, इस प्रकार विकृत तरंगों पर चरण कोण के लिए अधिक सटीक रीडिंग देते हैं। वोल्टेज और विद्युत प्रवाह फेज से शक्ति गुणांक की गणना केवल तभी सटीक होती है जब दोनों तरंग ज्यावक्रीय हों।

विद्युत् गुणवत्ता विश्लेषक, जिन्हें अधिकांशतः विद्युत् विश्लेषक कहा जाता है, वोल्टेज और विद्युत प्रवाह तरंगरूप (सामान्यतः या तो एक चरण या तीन चरण) की अंकीय अभिलेखन करते हैं और वास्तविक विद्युत् (वाट), स्पष्ट विद्युत् (वीए) शक्ति गुणांक, एसी वोल्टेज की सही गणना करते हैं। एसी विद्युत प्रवाह, डीसी वोल्टेज, डीसी विद्युत प्रवाह, आवृति, आईईसी61000-3-2/3-12 गुणावृत्ति माप, आईईसी61000-3-3/3-11 अनुकंपी माप, डेल्टा अनुप्रयोगों में व्यक्तिगत चरण वोल्टेज जहां कोई तटस्थ रेखा नहीं है, कुल गुणावृत्ति विरूपण, चरण और व्यक्तिगत वोल्टेज या धारा गुणावृत्ति के आयाम, आदि।

स्मृति चिन्ह

अंग्रेजी भाषा के विद्युत् इंजीनियरिंग के छात्रों को याद रखने की सलाह दी जाती है: ईएलआई आईसीई मैन या ईएलआई ऑन आईसीई - वोल्टेज E, प्रेरक L में धारा I का नेतृत्व करता है। धारा I संधारित्र C में वोल्टेज E का नेतृत्व करता है।

अन्य सामान्य स्मरक सिविल है - एक संधारित्र (C) में विद्युत प्रवाह (I) लीड वोल्टेज (V), वोल्टेज (V) विद्युत प्रवाह (I) को एक प्रेरक (L) में ले जाता है।

बाहरी कड़ियाँ

• Harmonics and how they relate to power factor (PDF), U Texas.