تحسين الجهد

يبلغ جهد الإمداد الكهربائي المنخفض المعلن عنه في المملكة المتحدة، وفقًا للوائح السلامة الكهربائية والجودة والاستمرارية لعام 2002، 230 فولتًا مع هامش خطأ يتراوح بين +10% و-6%. وهذا يعني أن جهد الإمداد يمكن أن يتراوح نظريًا بين 216 فولتًا و253 فولتًا، اعتمادًا على الظروف المحلية. ومع ذلك، يبلغ متوسط ​​الجهد المُزوَّد من الشبكة الوطنية (في بريطانيا العظمى) 242 فولتًا، ^{[ 1 ]} مقارنةً بالجهد الأوروبي النموذجي الذي يتراوح بين 218 و222 فولتًا. (يبلغ متوسط ​​جهد الإمداد في أيرلندا الشمالية حوالي 239 فولتًا، و235 فولتًا في جمهورية أيرلندا. ^{[ 2 ]} )

كانت المعدات الكهربائية القديمة المصنعة للمملكة المتحدة تعمل بجهد 240 فولت، بينما كانت المعدات القديمة المصنعة لأوروبا القارية تعمل بجهد 220 فولت (انظر: الفولتية الكهربائية العالمية ). يجب تصميم المعدات الجديدة للعمل بجهد 230 فولت. من المرجح وجود مزيج من المعدات في المباني القديمة. يجب أن تعمل جميع المعدات المطروحة في السوق داخل الاتحاد الأوروبي منذ توحيد الفولتية عام 1995 بكفاءة عند فولتية ضمن نطاق 230 فولت ± 10%. يجب أن تعمل المعدات المصنفة بجهد 220 فولت بكفاءة حتى جهد 200 فولت. ^{[ 3 ]} من خلال خفض فولتية الإمداد بكفاءة إلى الحد الأدنى من نطاق الفولتية القانوني، يمكن لتقنية تحسين الفولتية أن تحقق وفورات في الطاقة تصل إلى حوالي 13% في المتوسط .

كلما ارتفع الجهد، زاد استهلاك الطاقة في حالة الأحمال المقاومة البحتة. لا يؤثر انخفاض الجهد على الطاقة التي تستهلكها الأجهزة المنزلية التي تستخدم أحمالًا مقاومة، باستثناء أجهزة مثل الغلايات والمحامص التي تستغرق وقتًا أطول لإنجاز عملها بسبب فقدان الطاقة الناتج عن الغلاف الجوي. تكمن الفائدة التجارية الرئيسية لتركيب وحدات الجهد المنخفض في الأحمال الحثية، مثل المحركات التي تشغل المضخات والمراوح وما شابه. في المنزل، يمكن أن تصل نسبة توفير الطاقة إلى 12% من فواتير الكهرباء. يعمل جهاز الجهد المنخفض على خفض الجهد إلى المستوى الأمثل لزيادة التوفير في استهلاك الكهرباء، لذا قد تلاحظ أن بعض الأشياء تستغرق وقتًا أطول قليلًا، مثل الغلاية التي قد تستغرق وقتًا أطول قليلًا للغليان. ^{[ 4 ]}

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن الثلاجات والمجمدات لا توفر الطاقة من خلال تحسين الجهد الكهربائي لمجرد احتوائها على منظم حرارة. في الواقع، تعمل الثلاجات والمجمدات بطريقة مختلفة تمامًا عن أجهزة التسخين المقاومة . فعند تشغيل جهاز التسخين المقاوم بجهد كهربائي أعلى، ينتج عنه حرارة مفيدة في وظيفته الأساسية (التسخين). أما عند تشغيل الثلاجة أو المجمد بجهد كهربائي أعلى، ينتج عنه أيضًا حرارة، ولكنها غير مفيدة في وظيفتها الأساسية (التبريد). يؤدي تحسين الجهد الكهربائي إلى تقليل طفيف في قدرة محرك الضاغط، مما يجعل منظم حرارة الثلاجة/المجمد يُبقي المحرك قيد التشغيل لفترة أطول، ولكن النتيجة الإجمالية هي تشغيل المحرك لفترة أطول مع خسائر أقل بكثير. وقد أظهرت الاختبارات التي أُجريت في جامعة مانشستر  انخفاضًا في درجة حرارة المحرك بمقدار 10 درجات مئوية عند تحسين الجهد الكهربائي، وذلك نتيجة لانخفاض الخسائر في المحرك.

يشير مصطلح الجهد الزائد إلى الجهد الذي يتجاوز الجهد المصمم للعمل عنده الجهاز بكفاءة مثلى. وقد يؤدي ذلك إلى تقليل عمر الجهاز وزيادة استهلاك الطاقة دون أي تحسن في الأداء. ويشير تعليق على لوائح التمديدات الكهربائية البريطانية BS 7671 إلى ما يلي فيما يتعلق بالجهد الزائد: "إن استخدام مصباح مصمم للعمل بجهد 230 فولت على مصدر جهد 240 فولت لن يحقق سوى 55% من عمره الافتراضي" (في إشارة إلى المصابيح المتوهجة )، و"إن استخدام جهاز خطي مصمم للعمل بجهد 230 فولت على مصدر جهد 240 فولت سيستهلك تيارًا كهربائيًا أعلى بنسبة 4.3%، وسيستهلك طاقة أعلى بنسبة 9% تقريبًا".

يمكن استخدام تقنيات متنوعة لتجنب زيادة الجهد، ولكن يجب القيام بذلك بكفاءة عالية بحيث لا تُهدر الطاقة داخل الجهاز المستخدم لتوفير الطاقة الناتجة عن استخدام الجهد الصحيح. كما أن الموثوقية مهمة أيضاً، وهناك مشاكل محتملة كامنة في تمرير الطاقة الكاملة الداخلة عبر الأجهزة الكهروميكانيكية مثل المحولات الذاتية المتغيرة التي يتم التحكم فيها بواسطة محركات مؤازرة.

يشير انخفاض الجهد إلى انخفاض الجهد عن الجهد المصمم للعمل بكفاءة مثلى. إذا لم يُراعَ في تصميم نظام الجهد المنخفض انخفاض الجهد مع المسافة إلى مستخدمي الطاقة البعيدين، فقد يؤدي ذلك إلى تلف مبكر للمعدات، أو عدم بدء تشغيلها، أو ارتفاع درجة حرارة ملفات المحرك، أو انقطاع الخدمة.

التوافقيات هي أشكال موجية للتيار والجهد عند مضاعفات التردد الأساسي لمصدر الطاقة الرئيسي 50  هرتز (أو 60  هرتز). وتنتج التوافقيات عن الأحمال غير الخطية، والتي تشمل مصادر الطاقة لأجهزة الكمبيوتر، ومحركات السرعة المتغيرة، ومصابيح التفريغ. وتنتج التوافقيات الثلاثية (المضاعفات الفردية للتوافقية الثالثة) عندما لا تكون جهود الأطوار متوازنة في أنظمة الطاقة ثلاثية الأطوار ، وتضاف إلى جهد السلك المحايد، مما يتسبب في تدفق تيارات مهدرة. ^{[ 5 ]}

تشمل الآثار المحتملة لارتفاع مستوى التوافقيات، المعروف باسم التشوه التوافقي الكلي، تلف المعدات الإلكترونية الحساسة ^{[ 5 ]} وانخفاض كفاءة محول الجهد العالي ^{[ 6 ]} . ويمكن تحسين كفاءة الأحمال الكهربائية عن طريق تخفيف التوافقيات عند مصدر التغذية، أو عن طريق منع توليدها. كما تعمل بعض أجهزة تحسين الجهد على تخفيف التوافقيات، مما يقلل الفاقد المرتبط بمحتوى التوافقيات في النظام الكهربائي.

الارتفاعات المفاجئة في الجهد الكهربائي هي زيادات كبيرة وقصيرة جدًا، وقد تكون مدمرة. تشمل أسبابها الصواعق، وتشغيل الأحمال الكهربائية الكبيرة مثل المحركات والمحولات الكهربائية، والتحويل بين مصادر توليد الطاقة لتحقيق التوازن بين العرض والطلب. على الرغم من أنها عادةً ما تدوم لأجزاء من الألف أو المليون من الثانية، إلا أن الارتفاعات المفاجئة في الجهد الكهربائي قد تُلحق الضرر بالأنظمة الإلكترونية، مما يؤدي إلى فقدان البيانات ، وتلف مكونات المعدات، وتقصير عمرها الافتراضي. تتضمن بعض أجهزة تحسين الجهد الكهربائي حماية من الارتفاعات المفاجئة في الجهد الكهربائي.

تُزوَّد المواقع الصناعية والتجارية بالكهرباء ثلاثية الأطوار . ويؤدي عدم التوازن بين الأطوار إلى مشاكل مثل ارتفاع درجة حرارة المحركات والأسلاك الكهربائية، مما ينتج عنه استهلاك غير مُجدٍ للطاقة. ^{[ 7 ]} وتستطيع بعض أجهزة تحسين الجهد تحسين توازن الإمداد الكهربائي للمبنى، مما يقلل الفاقد ويُطيل عمر محركات الحث ثلاثية الأطوار.

انخفاضات الطاقة هي انخفاضات في الجهد، غالباً ما تكون قصيرة المدة (أقل من 300 مللي ثانية)، ولكنها قد تطول أحياناً. قد تُسبب هذه الانخفاضات مشاكل عديدة في المعدات، مثل تعطل الموصلات والمرحلات مما يؤدي إلى توقف الآلات. توجد عدة تقنيات لتجاوز انخفاض الجهد، منها وحدات تزويد الطاقة غير المنقطعة، واستخدام المكثفات في دوائر التحكم بالتيار المستمر منخفضة الجهد، واستخدام المكثفات على ناقل التيار المستمر لمحركات السرعة المتغيرة. يجب الحرص على ألا تؤدي إجراءات تحسين الجهد إلى خفض الجهد إلى درجة تجعل المعدات أكثر عرضة لانخفاضات الطاقة.

معامل القدرة لمصدر كهربائي هو نسبة القدرة الحقيقية إلى القدرة الظاهرية . وهو يُحسب بقسمة القدرة المفيدة المُستهلكة في الموقع على إجمالي القدرة المسحوبة. تشمل القدرة الظاهرية القدرة غير القابلة للاستخدام، لذا يُفضّل أن يكون معامل القدرة مساويًا لـ 1. انخفاض معامل القدرة يعني أن مُزوّد ​​الكهرباء سيُزوّد ​​المستهلك فعليًا بطاقة أكبر مما هو مُبيّن في فاتورة المستهلك، ويُسمح لمُزوّدي الكهرباء بفرض رسوم على معاملات القدرة المنخفضة.

القدرة التفاعلية هي القدرة غير القابلة للاستخدام. لا تُنتج هذه القدرة أي شغل في النظام الكهربائي، ولكنها تُستخدم لشحن المكثفات أو توليد مجال مغناطيسي حول ملف الحث. يجب توليد القدرة التفاعلية وتوزيعها عبر الدائرة الكهربائية لتوفير قدرة فعالة كافية لتشغيل العمليات. تزداد القدرة التفاعلية بشكل ملحوظ مع زيادة الجهد الكهربائي نتيجةً لزيادة مفاعلة المعدات. لذا، فإن تصحيح ذلك من خلال تحسين الجهد سيؤدي إلى تقليل القدرة التفاعلية وتحسين معامل القدرة.

تُعدّ المحركات الحثية ثلاثية الأطوار من أكثر أنواع الأحمال ثلاثية الأطوار شيوعًا، وتُستخدم في مجموعة متنوعة من المعدات، بما في ذلك التبريد والمضخات وتكييف الهواء ومحركات السيور الناقلة، بالإضافة إلى تطبيقاتها الأكثر وضوحًا. ومن المعروف جيدًا تأثير انخفاض القدرة الناتج عن الجهد الزائد وعدم توازن الأطوار الثلاثة على محركات التيار المتردد. ^{[ 7 ]} يؤدي الجهد الزائد المفرط إلى تشبع القلب الحديدي، مما يُهدر الطاقة عبر التيارات الدوامية ويزيد من خسائر التخلف المغناطيسي. كما يؤدي سحب تيار زائد إلى زيادة الحرارة الناتجة عن فقدان النحاس. ويؤدي الإجهاد الإضافي الناتج عن الجهد الزائد على المحركات إلى تقليل عمرها الافتراضي. ^{[ 8 ]}

إن تجنب الجهد الزائد الذي يؤدي إلى التشبع لا يقلل من الكفاءة ^{[ 9 ]،} لذا يمكن تحقيق وفورات كبيرة في الطاقة من خلال تقليل فقد الحديد والنحاس. ومع ذلك، ينبغي أن تكون المحركات المصممة للجهد الاسمي (مثل 400 فولت) قادرة على التعامل مع التغيرات الطبيعية في الجهد ضمن حدود التغذية (+/-10%) دون تشبع، لذا من غير المرجح أن يمثل ذلك مشكلة كبيرة.

يؤدي خفض الجهد الكهربائي لمحرك الحث إلى تأثير طفيف على سرعته نتيجةً لزيادة الانزلاق، إلا أن السرعة تعتمد بشكل أساسي على تردد التيار وعدد الأقطاب. وتكون كفاءة المحرك في أفضل حالاتها عند حمل معقول (عادةً 75%) وعند الجهد المصمم، ثم تنخفض قليلاً مع تغيرات طفيفة في الجهد حول هذا النطاق. أما التغيرات الكبيرة فتؤثر على الكفاءة بشكل أكبر.

تستفيد المحركات ذات الأحمال الخفيفة جدًا (أقل من 25٪) والمحركات الصغيرة بشكل أكبر من خفض الجهد. ^{[ 9 ]}

في حالة المحركات التي تعمل بمحركات متغيرة السرعة، عند انخفاض جهد الدخل، ينخفض ​​جهد الخرج من المحرك بشكل متناسب، مما يقلل من التيار الذي يسحبه المحرك وبالتالي استهلاكه للطاقة. أما إذا كان المحرك يعمل بحمل عالٍ (أكثر من 80%)، فإن انخفاض الجهد سيؤدي إلى انخفاض عزم الدوران، وبالتالي سيزيد من استهلاك المحرك للتيار والطاقة.

عندما تُستخدم أحمال الإضاءة لفترة طويلة، يصبح توفير الطاقة في معدات الإضاءة ذا قيمة بالغة. عند خفض الجهد، ستشهد المصابيح المتوهجة انخفاضًا كبيرًا في الطاقة المستهلكة، وانخفاضًا كبيرًا في شدة الإضاءة، وزيادة في عمرها الافتراضي، كما توضح المقتطفات السابقة من دليل الكهربائيين. ولأن انخفاض شدة الإضاءة سيتجاوز انخفاض الطاقة المستهلكة، فإن كفاءة الطاقة - أو الفعالية الضوئية - للإضاءة ستنخفض. ^{[ 10 ]}

مع ذلك، يمكن لأنواع أخرى من الإضاءة الاستفادة من تحسين جودة الطاقة، بما في ذلك الأنظمة المزودة بمحولات مقاومة أو تفاعلية. تُعدّ إضاءة الفلورسنت والتفريغ أكثر كفاءة من إضاءة المتوهجة. ستشهد إضاءة الفلورسنت المزودة بمحولات مغناطيسية تقليدية انخفاضًا في استهلاك الطاقة، ولكن أيضًا انخفاضًا في شدة الإضاءة (اللومن). أما مصابيح الفلورسنت المزودة بمحولات إلكترونية حديثة، فستستهلك تقريبًا نفس القدر من الطاقة وتُصدر نفس شدة الإضاءة. ^{[ 3 ]}

يتطلب توفير نفس القدرة الكهربائية عند انخفاض الجهد تيارًا أعلى، مما يزيد من فقد الطاقة في الكابلات. مع ذلك، فإن وحدات التحكم في الإضاءة والمحولات مسؤولة عن توليد مستويات عالية من التشوه التوافقي، والذي يمكن ترشيحه باستخدام بعض أنواع مُحسِّنات الجهد، مما يقلل الحاجة إلى وحدات التحكم في الإضاءة. ^{[ 3 ]} من المخاوف الشائعة أن بعض وحدات الإضاءة قد لا تعمل عند انخفاض الجهد. ولكن هذا غير وارد، لأن الهدف من تحسين الجهد ليس مجرد خفضه قدر الإمكان، بل رفعه إلى مستوى الجهد التشغيلي الذي صُممت الوحدة للعمل عنده بأعلى كفاءة.

تستهلك السخانات طاقة أقل، لكنها تُنتج حرارة أقل. أما سخانات الفضاء أو الماء التي تعمل بنظام تحكم حراري، فتستهلك طاقة أقل أثناء التشغيل، لكنها ستحتاج إلى العمل لفترة أطول في كل ساعة لإنتاج الحرارة المطلوبة، مما لا يُحقق أي توفير.

ستستخدم مصادر الطاقة ذات الوضع المبدل نفس الطاقة كما في السابق، ولكنها ستسحب تيارًا أكبر قليلاً لتحقيق ذلك، مع زيادة طفيفة في خسائر الكابلات، وخطر طفيف لتعطل قواطع الدائرة المصغرة بسبب زيادة التيار .

يبلغ متوسط ​​كفاءة مصباح متوهج بقدرة 100 واط 17.5 لومن لكل واط، وبالتالي ينتج 1750 لومن عند جهده المقنن. أما مصباح LED الحديث، فيبلغ متوسط ​​كفاءته حوالي 150 لومن لكل واط، وبالتالي لا يحتاج لأكثر من 12 واط للحصول على نفس شدة الإضاءة. ووفقًا لمعادلات إعادة تقييم المصابيح ، فإن خفض الجهد الكهربائي على المصباح المتوهج بنسبة 10% يقلل من استهلاك الطاقة (وبالتالي القدرة) بنحو 16%، ويقلل من شدة الإضاءة بنحو 31%.

لذا، فإن مُحسِّن الجهد الذي يُخفِّض الجهد على مصباح متوهج بنسبة 10%، سيُقلِّل الطاقة بنسبة 16% وشدة الإضاءة بنسبة 31%، ليُنتج 1210 لومن فقط ويستهلك 84 واط. استبدال المصباح المتوهج بمصباح LED ذي شدة إضاءة مماثلة سيُقلِّل الاستهلاك بشكل أكثر فعالية، ليصل إلى 12 واط. علاوة على ذلك، نظرًا لانخفاض شدة الإضاءة بهذا القدر، يُمكن تحقيق وفورات أكبر بالاستبدال بمصباح متوهج بقدرة 75 واط دون مُحسِّن جهد (1312.5 لومن بافتراض معامل كفاءة 17.5 لومن/واط). كما يُمكن تقليل حجم مصباح LED إلى 8 واط، إذا كانت شدة الإضاءة المطلوبة 1210 لومن فقط.