מקדם הספק

מקדם הספק ($\cos \phi$) של צרכן חשמלי במעגל חשמלי עם זרם חילופין הוא היחס בין הספק יעיל (ממשי) לבין ההספק המרוכב של צרכן או עומס. ככל שמקדם ההספק גדול יותר כן גדול יותר חלקו של ההספק הפעיל בהשוואה להספק המדומה, וכן הניצול של האנרגיה העוברת טוב יותר. מקדם ההספק במדינת ישראל כיום הוא 0.92.

צרכן חשמל אוהמי (התנגדותי) הוא התקן שהתנגדותו הפנימית והספק הצריכה שלו הם ממשיים בלבד, וכל הספק הצריכה פעיל. צרכן בעל התנגדות אוהמית והשראתית אינו אוהמי; לדוגמה, מנועים שיש בהם התנגדות אוהמית והתנגדות השראתית, שבהם קיימת זווית מופע בין הזרמים, וצרכנים אלה צורכים הספק פעיל והספק היגבי השראתי.

תאוריה

משולש ההספקים במעגל זרם חילופין

במשולש ההספקים (ראו איור) ניתן לראות את היחס בין הספק ממשי, הספק מדומה והספק כולל מרוכב.

אם ההספק הממשי הוא P וההספק המדומה Q, אז ההספק המרוכב S הוא:

$\ S=P+jQ$

ומקדם ההספק:

$\cos \phi ={\frac {P}{S}}$

עבור מקור מתח חילופין רגיל, ניתן לקשר את ההספק למתח V וזרם I באמצעות:

$S=V\times I$

$\cos \phi ={\frac {P}{V\times I}}$

ובמקור תלת-פאזי:

$S={\sqrt {3}}\times V\times I$

$\cos \phi ={\frac {P}{{\sqrt {3}}\times V\times I}}$

במתקני מתח נמוך וברשתות, צרכנים מחוברים במקביל למקור, לכן המתח בנוסחה זו קבוע. שינוי מקדם הספק ניתן להשיג אך ורק על ידי שינוי הזרם. למטרה זו משתמשים בקבלים המחוברים במקומות שונים במקביל למתח ההזנה.

שיפור מקדם ההספק

מקדם הספק ירוד גורם לשתי תופעות שליליות:

1. עליית זרם ברשת, וכתוצאה מכך עליית מפלי מתח והפסדי הספק בקווי העברה. הדבר פוגע בטיב האנרגיה החשמלית.
2. עקב עלויות זרם ברשת שטח החתך יוגדל וכך אביזרי הרשת יתייקרו.

הרשות לשירותים ציבוריים - חשמל מחייבת את הצרכנים התעשייתיים לנקוט באמצעים אשר יביאו לשיפור מקדם ההספק ל-0.92. מקדם הספק גבוה מזה אינו רצוי, ואסור שמקדם ההספק יהיה שווה ל-1, כיוון שדבר זה גורם למעגל להיכנס לתהודה מקבילית, תהודת זרמים. צרכני חשמל באופן כללי צורכים גם הספק פעיל וגם הספק היגבי השראתי. ברשת החשמל, חברת החשמל תשאף להקטין ברשתות את הכמות המלאה של צריכת הספק היגבי השראתי, כי הגנרטורים מייצרים הספק מדומה ואם קיימת אפשרות לספק הספק היגבי השראתי במקום הצריכה אז מקדם הספק ייגדל. חברת החשמל מגבילה את צרכני החשמל בצריכה של הספק היגבי השראתי. לא ניתן לשנות את הצריכה של ההספק הפעיל.

היתרונות הכלכליים של שיפור מקדם ההספק הם:

1. הקטנת הפסדי הספק בקווים בצורה משמעותית.
2. הקטנת מפלי מתח. מהנוסחאות הנ"ל אנו רואים שאם נשפר את מקדם ההספק, משמעותו, נקטין את צריכת Q ונקרב אותו לערך מעל 0.92; נקטין זרם ברשת וכך קטנים הפסדי הספק ברשת בצורה משמעותית. בעקבות הקטנת הזרם, נקטין גם את מפלי המתח כי הם ביחס ישר לערך הזרם.
3. הקטנת שטחי חתך של קווי הרשת; ידוע ששטחי חתך של מוליכים בוחרים בהתאם לזרם העובר בהם, כמובן ששיפור מקדם הספק יגרום להקטנת זרם בקווים ואז תתאפשר בחירת שטח חתך קטן בהשוואה לרשת ללא שיפור מקדם הספק.
4. אפשרות לבחירת שנאי הרשת בהספקים קטנים.
5. הקטנת עלות אנרגיה לצרכן.

דרכים לשיפור מקדם ההספק

על ידי התקנה והפעלה נכונה של מתקן החשמל

• מנועי השראה מהווים את העומס הנפוץ ביותר במתקני חשמל; הצריכה שלהם זהו ההספק הפעיל התלוי במקדם העמסה של המנוע וההספק ההיגבי שכמעט ואינו תלוי במקדם העמסה. לכן יעיל יותר להפעיל מנוע אחד בהעמסה הקרובה ל-100% במקום הפעלה של שני מנועים בהעמסה הפחותה מ-50%; על ידי ניתוק של מספר מנועים הפועלים בהעמסה נמוכה ניתן להקטין לחלוטין את צריכת ההספק ההיגבי (הכוללת) ולשפר מקדם הספק ללא אמצעים מיוחדים.
• שימוש נכון בשנאי הספק; שנאי הספק מהווה עומס השראתי, מקדם ההספק של השנאי בריקם מאוד נמוך (פחות מ-0.2), שליטה נכונה על העמסה של השנאים תסייע לשמור על מקדם הספק גבוה של המתקן.

שימוש בסוללות הקבלים לשיפור מקדם הספק.

• שיפור טבעי - שיפור המתבצע כאשר במערכת יש צרכנים קיבוליים שמקזזים את ההספק השראתי, בנוסף לכך ניתן להוסיף עומסים התנגדותיים.
• שיפור על ידי מנוע סינכרוני - מנועים חשמליים סינכרוניים עובדים במקדמי הספק קיבולי שמקזזים את ההספק השראתי. מנועים יכולים לבוא במקום מנועים השארתים שקיימים במתקן ובנוסף אליהם.
• שיפור על ידי קבלים - הקבלים מקזזים את הערך השארתי למערכת וגורמים לשיפורו.
• הדרך המקובלת ביותר לשפר את מקדם ההספק בתעשייה במערכת תלת פאזית זהות, היא חיבור בשיטת "המשולש", היות שדרוש קבל בעל קיבולת הקטנה פי 3 כדי לספק קיבול מסוים כאשר הקבלים מחוברים במשולש לעומת חיבור בשיטת "הכוכב".

שיטות התקנה של קבלים לצורך שיפור מקדם הספק במתקן תעשייתי

התקנה אינדיבידואלית

בשיטה זו הפסדי הספק ומפלי מתח מקוזזים עד לנקודת החיבור של הקבלים, כלומר במתקן כולו כולל כבל ראשי, קווי הזנה ללוחות משניים וקווי חלוקה לצרכנים. לכן קטנים כל אמצעי הגנה והמיתוג. אבל השיטה דורשת השקעה כספית התחלתית גבוהה, לכן השיטה מחייבת חישוב כלכלי של חיסכון בשימוש כמות הקבלים.

שיפור קבוצתי

בשיטה זו הקבלים מחוברים במקביל ללוח משני, שמזין קבוצת צרכנים בעלי מקדם הספק ירוד מאוד, הדבר נעשה על מנת להבטיח סלקטיביות של הגנות ושטחי חתך של הקווים במיתקן. בשיטה זו קיזוז הפסדי הספק ומפלי מתח נעשים רק בכבל ראשי ובקו הזנה של לוח משני שעליו מחוברים קבלים. בשיטה זו דרש חישוב כלכלי לבדיקת חיסכון כספי וחישוב חשמלי לבדיקת סלקטיביות של הגנות וכבלים.

שיפור מרכזי

בשיטה זו סוללת הקבלים מתחברת לפסי צבירה של לוח ראשי במתקן וברוב המקרים הוא מופעל מבקר. שיטה זו נפוצה וזולה ביותר, אך היא לא משנה שום דבר במתקן. השיטה רק מקטינה זרם כללי, שטח חתך של כבל ראשי, ושנאי המזין את המתקן שברוב המקרים שייכים לחברת חשמל. שימוש בשיטה זו דורש קיום עקומת העמסה של המיתקן, שלפיה ניתן לתכנת את הבקר. חסרונות השיטה:

1. קשה לתקן את ההספק בצורה מדויקת, בפרט כאשר לא כל הצרכנים עובדים יחד והעומס משתנה לאורך זמן. ברוב המקרים מערכת הקבלים מופעלת על ידי בקר לשיפור מקדם ההספק במעגל, מנתק או מחבר את הקבלים לפי הצורך.
2. תיקון ההספק נעשה רק על קטע הרשת המחבר את המקור (תחנת כוח) אל נקודת הפיצול של הרשת (לוח ראשי), הצרכנים המקבילים.

קישורים חיצוניים

• מקדם הספק, אתר חברת החשמל