Kalkulator Faktor Kuasa

Faktor kuasa mengukur sejauh mana kecekapan kuasa elektrik ditukar kepada kerja yang berguna.

PF yang rendah bermakna lebih banyak arus diperlukan untuk output kuasa yang sama, sekali gus meningkatkan kerugian dan kos.

Meningkatkan PF memberikan beberapa manfaat:

• mengurangkan bil utiliti
• mengurangkan kerugian talian
• meningkatkan kapasiti sistem
• mengelakkan caj penalti

Sasaran biasa ialah 0.95 atau lebih tinggi.

Faktor kuasa (PF) dikira dengan membahagikan kuasa sebenar dengan kuasa ketara: PF = P ÷ S, dengan P ialah kuasa sebenar dalam kilowatt (kW) dan S ialah kuasa ketara dalam kilovolt-ampere (kVA).

Secara saksama, PF sama dengan kosinus sudut fasa θ antara voltan dan arus, jadi PF = cos(θ). Sebagai contoh, beban yang menarik 100 kW pada 133.33 kVA mempunyai PF = 100 ÷ 133.33 = 0.75.

Ketiga-tiga kuantiti kuasa ini membentuk segi tiga bersudut tegak yang dikawal oleh S² = P² + Q², dengan Q ialah kuasa reaktif dalam kVAR.

Seperti yang dinyatakan oleh HyperPhysics (Georgia State University), hubungan kosinus ini wujud kerana bentuk gelombang voltan dan arus beranjak keluar dari fasa dalam litar reaktif, sekali gus mengurangkan kuasa yang boleh digunakan.

Segi tiga kuasa ialah rajah bersudut tegak yang mengaitkan tiga jenis kuasa AC:

• Kuasa sebenar P (kW) berada pada paksi mengufuk dan melakukan kerja yang berguna
• kuasa reaktif Q (kVAR) ialah sisi menegak yang mengekalkan medan magnet dan elektrik
• kuasa ketara S (kVA) ialah hipotenus

Ketiga-duanya berhubung melalui S² = P² + Q² dan tan(θ) = Q ÷ P.

Untuk beban 100 kW dengan kuasa reaktif 88.19 kVAR, S = √(100² + 88.19²) = √(10000 + 7777.5) = 133.33 kVA. Sudut θ = arctan(88.19 ÷ 100) = 41.4°, memberikan PF = cos(41.4°) = 0.75.

Khan Academy dan Encyclopaedia Britannica kedua-duanya menggambarkan perwakilan vektor ini sebagai asas analisis kuasa AC.

Ketiga-tiga kuantiti kuasa AC berkongsi dimensi fizikal yang sama tetapi menggunakan unit yang berbeza untuk menunjukkan peranan masing-masing:

• Kuasa sebenar menggunakan watt (W) atau kilowatt (kW); watt ialah unit terbitan SI yang ditakrifkan oleh BIPM sebagai satu joule per saat.
• Kuasa reaktif menggunakan volt-ampere reaktif (var atau kVAR)
• kuasa ketara menggunakan volt-ampere (VA atau kVA)

Ketiga-duanya secara berangka bersamaan volt darab ampere, tetapi nama yang berbeza mengelakkan kekeliruan antara kuasa kerja dengan kuasa beredar, mengikut konvensi IEC dan IEEE. NIST mengiktiraf watt sebagai unit SI koheren bagi kuasa.

Faktor kuasa itu sendiri adalah tanpa dimensi, berjulat dari 0 hingga 1, kerana ia merupakan nisbah dua nilai kuasa dengan unit asas yang serupa.

Arus talian bergantung pada kuasa, voltan, dan faktor kuasa:

• Untuk sistem fasa tunggal, arus I = P ÷ (V × PF).
• Untuk sistem tiga fasa, I = P ÷ (√3 × V × PF), dengan P dalam watt dan V ialah voltan talian ke talian.

Pertimbangkan beban tiga fasa 100 kW pada 480 V dengan PF = 0.75: I = 100000 ÷ (1.732 × 480 × 0.75) = 100000 ÷ 623.5 ≈ 160 ampere. Meningkatkan faktor kuasa kepada 0.95 mengurangkan arus kepada kira-kira 127 A untuk kuasa sebenar yang sama, meringankan pemanasan konduktor dan membebaskan kapasiti transformer.

Panduan IEEE menyorot bahawa arus yang lebih rendah secara langsung mengurangkan kerugian I²R, memandangkan kerugian rintangan bertambah mengikut kuasa dua arus.

Penentuan saiz kapasitor menggunakan perbezaan kuasa reaktif antara faktor kuasa sedia ada dengan sasaran anda: kVAR = P × (tan(θ₁) − tan(θ₂)), dengan θ₁ = arccos(PF_semasa) dan θ₂ = arccos(PF_sasaran).

Untuk meningkatkan beban 100 kW daripada 0.75 kepada 0.95: θ₁ = arccos(0.75) = 41.41°, tan(θ₁) = 0.8819; θ₂ = arccos(0.95) = 18.19°, tan(θ₂) = 0.3287. Pembetulan yang diperlukan = 100 × (0.8819 − 0.3287) = 55.3 kVAR.

Kapasitor membekalkan kuasa reaktif mendahului yang membatalkan kuasa reaktif mengekor daripada beban induktif, mengecilkan segi tiga kuasa. IEEE Std 1036 menyediakan panduan aplikasi untuk kapasitor sunt yang digunakan dengan cara ini pada sistem pengagihan.

Faktor kuasa dijelaskan sebagai mengekor apabila arus mengekor voltan dan mendahului apabila arus mendahului voltan.

Beban induktif seperti motor, transformer dan balast pendarfluor menghasilkan faktor kuasa mengekor kerana ia menyimpan tenaga dalam medan magnet, melambatkan bentuk gelombang arus. Beban kapasitif, bank kapasitor yang terlebih betul dan sesetengah pacuan elektronik menghasilkan faktor kuasa mendahului, di mana arus tiba mendahului voltan.

Kedua-dua keadaan mempunyai PF di bawah uniti dan kedua-duanya menarik arus reaktif berlebihan. PF mengekor dibetulkan dengan kapasitor; PF mendahului dibetulkan dengan induktor atau dengan mengeluarkan kapasitans berlebihan.

Seperti yang dijelaskan oleh HyperPhysics, tanda sudut fasa menunjukkan sama ada reaktans induktif atau kapasitif mendominasi galangan litar.

Pengiraan faktor kuasa membimbing keputusan di seluruh industri dan syarikat utiliti.

Kilang pembuatan dengan bilangan motor yang besar menggunakannya untuk menentukan saiz bank kapasitor dan mengelakkan caj tambahan utiliti yang sering dikenakan di bawah 0.90 PF. Jurutera fasiliti menggunakan PF untuk menentukan saiz transformer dan suis gear yang betul, memandangkan PF yang buruk memaksa penggunaan peralatan bersaiz berlebihan bagi beban sebenar yang sama. Syarikat utiliti memantau PF untuk mengurangkan kerugian pengagihan dan menangguhkan pembaikan infrastruktur.

Angka-angka ini bergantung untuk audit tenaga dan pengurusan caj permintaan oleh:

• Pusat data
• Sistem HVAC
• Bengkel kimpalan
• Pacuan lif

Pengecas kenderaan elektrik dan pacuan frekuensi boleh ubah semakin banyak menyertakan pembetulan PF aktif bagi memenuhi had harmonik dan kualiti kuasa IEC 61000-3-2, sekali gus mengekalkan tarikan arus berhampiran uniti.

Kesilapan biasa semasa mengira faktor kuasa termasuk:

• Kesilapan yang kerap berlaku ialah mengelirukan kW dengan kVA; membahagikan kuasa sebenar dengan kuasa sebenar sentiasa menghasilkan 1.0, jadi anda mesti menggunakan kuasa ketara sebenar pada penyebut.
• Kesilapan lain ialah terlupa faktor √3 dalam pengiraan arus tiga fasa, yang terlebih menyatakan arus terhasil sebanyak kira-kira 73% (faktor √3).
• Ramai orang juga terlebih membetulkan faktor kuasa melebihi uniti, menolak sistem ke dalam keadaan mendahului yang boleh menyebabkan kenaikan voltan dan resonans dengan bank kapasitor.
• Menggunakan darjah di mana radian diperlukan (atau sebaliknya) dalam langkah tan(θ) dan arccos menghasilkan ralat yang besar.
• Akhir sekali, mengabaikan herotan harmonik terlebih menyatakan manfaat kapasitor mudah, memandangkan faktor kuasa sebenar merangkumi komponen herotan di luar sesaran cos(θ), seperti yang dijelaskan oleh IEEE Std 1459.

Faktor kuasa yang baik secara amnya adalah 0.95 atau lebih tinggi, dan nilai satu (1.0) adalah ideal secara teori.

Kebanyakan syarikat utiliti menetapkan ambang pengebilan sekitar 0.90 hingga 0.95; kejatuhan di bawah nilai ini akan mencetuskan caj permintaan kuasa reaktif atau pengebilan berasaskan kVA yang meningkatkan kos. PF yang lebih tinggi bermakna arus yang ditarik adalah hampir sefasa dengan voltan, jadi hampir semua kuasa yang dibekalkan melakukan kerja yang berguna.

Selain mengelakkan penalti, faktor kuasa yang kuat mengurangkan pemanasan konduktor, membebaskan kapasiti transformer dan kabel ganti, serta menambah baik pengawalseliaan voltan di seluruh fasiliti.

Standard kualiti kuasa IEEE dan IEC menganggap penambahbaikan PF yang berterusan sebagai langkah kecekapan teras. Pembetulan daripada 0.75 kepada 0.95 boleh mengurangkan permintaan kuasa ketara sebanyak kira-kira 20% untuk beban nyata yang sama.