فرمول توان مصرفی و محاسبه جریان سه فاز و تک فاز

در این مطلب آموزشی با انواع بار و فرمول توان مصرفی در پروژه های صنعتی آشنا میشویم سپس فرمول و نحوه محاسبه توان ظاهری کل یک پروژه صنعتی را بطور کامل و کاربردی توضیح می دهیم. همچنین با مباحث فرمول توان ظاهری تک فاز و سه فاز، فرمول توان اکتیو و راکتیو، فرمول محاسبه جریان سه فاز و تکفاز آشنا میشوید. با ما همراه باشید.

مفهوم توان مصرفی و فرمول توان مصرّفی در پروژه های صنعتی و تعیین پارامترهای مرتبط با آن

در فیلم زیر مباحث مربوط به انواع بار الکتریکی مصرفی، محاسبه فرمول توان مصرفی، فرمول توان الکتریکی، فرمول توان ظاهری تک فاز و سه فاز، فرمول توان اکتیو و راکتیو و فرمول محاسبه جریان سه فاز و تکفاز را ببینید.

 

هر مصرف کننده الکتریکی که در پروژه مورد استفاده قرار می گیرد از جمله موتورهای الکتریکی، سیستم های گوناگونی هم چون سیستم های روشنایی، تاسیسات گرمایشی و سرمایشی، هیترها و …، همگی بار الکتریکی مصرفی نامیده می شوند.

انواع بارهای الکتریکی مصرفی پروژه

همان طور که میدانید بار الکتریکی مصرفی در یک پروژه صنعتی به دو دسته کلی به شرح زیر تقسیم می‌گردد:

• بارهای فرایندی (Process Load): به بارهایی گفته می شود که در مسیر اهداف فرایندی طراحی حضور دارند و توان مصرفی آن ها محاسبه گردیده است. مانند پمپ ها، کمپرسورها و یا کنترل ولو موجود در یک پروژه.
• بار غیر فرایندی (Non-Process Load) یا عمومی (General): سایر بارهای الکتریکی هستند که در پروژه مورد نیاز می باشند اما در واحد فرایندی محاسبه نمی گردند. بارهای مصرفی ساختمان های اداری، تاسیسات گرمایشی و سرمایشی و انواع سیستم های روشنایی (مانند داخل ساختمان ها و معابر) از جمله این بارها هستند که توسط مهندس برق و بر اساس نقشه پروژه (Site Plan) و ساختمان ها محاسبه و در نهایت به سایر بارهای موجود در پروژه اضافه می گردد.

تعداد تجهیزات فرایندی و توان مصرفی آن ها توسط واحد فرآیند ارائه می گردد. واحد فرایند جهت شناسایی یکسان بارهای فرایندی در تمامی واحدهای طراحی هم چون سیویل، مکانیک، پایپینگ، برق، کنترل و تجهیزات ابزار دقیق به تمامی بارهای مصرفی، کد منحصر به فردی به نام کد فرایندی (PID-TAG) اختصاص می دهد. به همراه این کد، ویژگی هایی چون شرح عملکرد بار الکتریکی مصرفی و موارد دیگری افزوده می گردد که به صورت زیر ارائه می شوند:

1. PID-TAG: یک کد منحصر به فرد متعلق به بار مصرفی یک تجهیز
2. Description: شرح عملکرد بار مصرفی
3.  Service/Stand By: مشخص کننده حضور مستقیم و یا رزرو بودن بار مصرفی در فرایند
4. توان مصرفی (Power): بر حسب کیلووات یا اسب بخار (Kw,Hp)
5. Normal/Emergency: مشخص کننده نوع عملکردی بار مصرفی در حالت عادی و یا زمان قطع برق

 

برای درک بهتر مفاهیم بالا به مثال زیر توجه کنید:

• AC101A-AC101B-AC101A
• Air Compressor
• 2SER+1STBY
• Kw 75
• Normal

اصطلاحات بالا بدین معناست.

بیشتر بخوانید: پلان جانمایی تصفیه خانه فاضلاب و تاسیسات برقی آن

در بخشی از یک پروژه صنعتی، سه عدد، کمپرسور هوا (Air Compressor) نصب شده است. به این سه تجهیز به ترتیب کدهای فرایندی  AC101A ,AC101B,AC101C اختصاص داده شده است. دو تجهیز همیشه در حال کار بوده (2SER) و تک تجهیز دیگر در حالت رزرو است(1STBY).در هنگام استفاده از دیزل ژنراتور در زمانی که ممکن است قطع ناگهانی برق رخ دهد؛ نیازی به راه اندازی این کمپرسورها وجود ندارد.

بار فرآیندی – موتور الکتریکی (ElectroMotor)

از پر کاربردترین بار الکتریکی مصرفی در پروژه های صنعتی، الکتروموتورها هستند. در نمونه زیر، یک موتور الکتریکی با توان مفید ۷۵ کیلووات به تصویر کشیده شده است. این توان خروجی (Output Power) بر روی شفت موتور پیاده می شود و جنس آن مکانیکی است. در حالی که در چنین شرایطی، واحد برق بر اساس توان الکتریکی تحویلی یا همان توان ورودی (Input Power) محاسبه می شود…

شکل (1). توان ورودی (Input Power) و خروجی (Output Power) الکتروموتورها

به دلیل ارائه راندمان های گوناگون توسط سازندگان گوناگون در یک الکتروموتور با کیلووات (توان) مشخص، توان ورودی تحویل شده به الکتروموتورها نیز متفاوت است. هرچه کیفیت ساخت یک موتور الکتریکی بالاتر باشد؛ راندمان آن به 100(درصد) نزدیک تر خواهد بود. یک راندمان به صورت ایده آل می تواند 100(درصد) باشد.

در این گونه محاسبات، بیش تر مهندسان برق، دچار اشتباه می شوند و توان خروجی یک موتور الکتریکی (توان بر روی شفت) را همان توان مصرفی در نظر می گیرند که در نتیجه تمامی پارامترهای الکتریکی بر این اساس محاسبه می شوند. پیرو این اشتباه محاسباتی، سایر پارامترها هم چون “خازن تصحیح ضریب قدرت” نیز به غلط محاسبه می شوند.

راندمان موتور، الکتروموتور 75 کیلووات ساخت شرکت زیمنس (Siemens)، 91 درصد است. به بیان دیگر، توان الکتریکی مصرفی برای این الکتروموتور 82.4 کیلووات محاسبه می شود. در نتیجه مصرف این مجموعه موتوری، 165 کیلوات است نه 150 کیلووات.

انواع توان الکتریکی

قبل از آنکه فرمول توان برای انواع توان الکتریکی مانند فرمول محاسبه توان مصرفی، فرمول توان راکتیو و فرمول توان ظاهری را شرح دهیم هر کدام از سه نوع توان الکتریکی را به اختصار شرح می‌دهیم.

• توان اکتیو با واقعی (P): توان واقعی مقدار انرژی قابل استفاده‌ای است که می‌تواند به بار منتقل شود. معمولاً درصدی از کل توان موجود است. اگر بار کاملاً مقاومتی باشد، تمام توان به عنوان توان واقعی در نظر گرفته می‌شود، اگرچه این حالت به ندرت اتفاق می‌افتد. توان واقعی، که بر حسب وات (W)، کیلو وات و اسب بخار اندازه‌گیری می‌شود، به عنوان توان اکتیو، توان حقیقی یا توان مصرفی نیز شناخته می‌شود.
• توان راکتیو (Q): توان راکتیو توانی است که در زوایای قائمه نسبت به توان واقعی عمل می‌کند. برای تولید و حفظ میدان‌های مغناطیسی در اجزای راکتیو، مانند سلف‌ها یا خازن‌ها، استفاده می‌شود. توان راکتیو مانند توان واقعی به بار نمی‌رود و در عوض به شبکه بازگردانده می‌شود، جایی که می‌تواند بر کیفیت توان تأثیر بگذارد. در حالت ایده‌آل، بار یک مدار باید مقدار کمی توان راکتیو داشته باشد تا راندمان انرژی را به حداکثر برساند و هزینه‌ها و اتلاف انرژی را کاهش دهد. توان راکتیو بر حسب ولت‌آمپر راکتیو (VAR) اندازه‌گیری می‌شود.
• توان ظاهری (S): این ترکیب توان واقعی و توان راکتیو است که بر حسب ولت‌آمپر (VA) اندازه‌گیری می‌شود. این مقدار کامل انرژی مصرف شده توسط یک مدار است. شرکت‌های برق بر اساس این مقدار هزینه دریافت می‌کنند، حتی اگر مدار فقط توان واقعی را مصرف کند.

پارامترهای مرتبط با بار الکتریکی مصرفی

در این قسمت با پارامترهای بار الکتریکی مصرفی و فرمول های آنها به شرح زیر آشنا میشویم:

• فرمول توان مصرفی یا فرمول توان الکتریکی
• فرمول محاسبه جریان سه فاز و تکفاز
• فرمول توان ظاهری تک فاز و سه فاز
• فرمول توان اکتیو و راکتیو

فرمول محاسبه توان مصرفی یا فرمول توان الکتریکی

توان مصرفی موتور از روی فرمول زیر محاسبه میشود توان الکتریکی از تقسیم توان مکانیکی موتور بر راندمان موتور محاسبه می‌شود. که واحد آن معمولا وات، کیلووات و یا اسب بخار می‌باشد.

 

بر این اساس…

فرمول محاسبه جریان موتور سه فاز

در زیر فرمول محاسبه جریان سه فاز را می‌توانید مشاهده کنید.

فرمول محاسبه جریان موتور تک فاز

فرمول محاسبه جریان تک فاز به شرح زیر است:

فرمول محاسبه توان ظاهری سه فاز و تک فاز

فرمول محاسبه توان ظاهری (Apparent Power) سه فاز و تک فاز به شرح زیر میباشد.

فرمول محاسبه توان اکتیو و راکتیو

فرمول محاسبه توان راکتیو (Reactive Power) به شرح زیر است:

نکته: توان اکتیو (Active Power) الکتروموتور نیز همان توان مصرفی الکتروموتور در نظر گرفته می شود.

در نهایت، فرمول محاسبه توان مصرفی به شرح زیر است:

 کل توان الکتریکی مصرفی در یک پروژه = مجموع توان الکتریکی مصرفی فرآیندی (در حالت سرویس) + مجموع توان مصرفی غیر فرایندی (عمومی)

نکته: توان الکتریکی موتورهایی که به صورت رزرو موجود هستند، در این محاسبه لحاظ نمی گردد.

این اطلاعات در واحد های طراحی به این صورت مورد استفاده قرار نمی گیرد ولی می تواند ایده ای نو در رابطه با محاسبه پارامترهای مرتبط با توان کل برق مصرفی ارائه نماید.

 

در زیر جدول ضریب توان و راندمان الکتروموتورهای سه فاز با ولتاژهای ۳۸۰ و ۴۰۰ ولت جهت محاسبات اولیه، مشاهده می شود:

 

در زیر جدول ضریب توان و راندمان الکتروموتورهای تک فاز لحاظ شده است:

بیشتر بخوانید: 2 روش راه‌اندازی موتور سه‌فاز با برق تک‌فاز

فرمول محاسبه جریان و توان برای ولتاژهای AC و DC

در ادامه میخواهیم فرمول محاسبه جریان و توان را در قالب جدول و بصورت خلاصه شرح دهیم:

فرمول‌های محاسبه جریان(Current)، کیلووات(KW)، کاوا (KVA) و اسب بخار (HP) برای ولتاژهای AC و DC

تعاریف:

•  E = ولتاژ
•  I = جریان (آمپر)
•  PF= ضریب توان (Power Factor)
•  EFF= بازدهی (Efficiency)
•   HP= اسب بخار (Horsepower)

جریان متناوب دو فاز (چهار سیمه) امروزه کمتر رایج است، اما در برخی سیستم‌های قدیمی یا خاص صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این سیستم:

1. تعداد فازها: دو فاز مجزا با اختلاف فازی 90 درجه وجود دارد.
2. تعداد سیم‌ها: چهار سیمه (دو فاز + نول + زمین)
3. مزیت‌ها: توزیع یکنواخت‌تر توان نسبت به تک‌فاز
4. فرمول‌های محاسبه: برای محاسبات توان و جریان، معمولاً ضریب ۲ در نظر گرفته می‌شود، زیرا دو مدار تک‌فاز به‌صورت موازی عمل می‌کنند.

در سیستم‌های مدرن، بیشتر از تک‌فاز (برای بارهای کوچک) و سه‌فاز (برای بارهای صنعتی) استفاده می‌شود.

توضیح فرمول‌ محاسبه جریان و توان

1. محاسبه جریان (آمپر) با داشتن اسب بخار (HP)
   برای محاسبه جریان لازم است توان مکانیکی (HP) را بر ولتاژ (E)، بازدهی (EFF) و ضریب توان (PF) تقسیم کنیم. در سیستم‌های دو فاز و سه فاز، عوامل اضافی مانند  2 و  1.73 برای تنظیم توان سیستم لحاظ شده‌اند.
2. محاسبه جریان (آمپر) با داشتن کیلووات (KW)
   برای محاسبه جریان، توان واقعی (KW) را بر ولتاژ (E) و ضریب توان (PF) تقسیم می‌کنیم. این فرمول نشان می‌دهد که چقدر توان واقعی در مدار مصرف می‌شود.
3. محاسبه جریان (آمپر) با داشتن کاوا (KVA)
   این فرمول مشابه مورد قبل است، اما کاوا (KVA) توان ظاهری را نشان می‌دهد و به ضریب توان وابسته نیست.
4. محاسبه کیلووات (KW)
   توان واقعی با ضرب ولتاژ (E)، جریان (I) و ضریب توان (PF) محاسبه می‌شود. در سیستم‌های سه فاز، عدد  1.73 نیز در فرمول قرار می‌گیرد.
5. محاسبه کاوا (KVA)
   توان ظاهری با ضرب ولتاژ و جریان به دست می‌آید، اما ضریب توان در این محاسبه لحاظ نمی‌شود.
6. محاسبه اسب بخار خروجی (HP)
   توان خروجی یک سیستم بر اساس ولتاژ، جریان، بازدهی و ضریب توان تعیین می‌شود. عدد  746 برای تبدیل وات به اسب بخار استفاده شده است.

اهمیت میزان توان مصرفی در انتخاب قطعات تابلو برق صنعتی

تعیین میزان توان مصرفی موتورها یکی از مهم‌ترین عوامل تاثیرگذار در انتخاب تجهیزات الکتریکی در تابلو برق صنعتی است. این عامل به طور مستقیم بر روی ابعاد، نوع و ظرفیت تجهیزاتی که در تابلو برق صنعتی استفاده می‌شود، تاثیر می‌گذارد. از روی توان مصرفی موتورها می توان جریان موتور سه فاز و یا تک فاز را مشخص کرد از انجایی که موتورها در لحظه راه اندازی، جریانی چند برابر جریان نامی خود می‌کشند. این جریان بالا می‌تواند به تجهیزات تابلو برق آسیب برساند. لذا، قطعاتی مانند کنتاکتورها، فیوزها و بی متال‌ها باید توانایی تحمل این جریان را داشته باشند. شرکت نیکسا با سابقه طولانی در اجرای پروژه های برق صنعتی آماده مشاوره جهت انتخاب بهترین روش راه اندازی موتورها و سایر تجهیزات برقی متناسب با نحوه عملکرد و توان مصرفی پروژه شما است، جهت ارتباط با سازنده تابلو برق صنعتی با شماره 02188526643 تماس بگیرید.

سخن پایانی

در مقاله بعدی نحوه جانمایی بارهای الکتریکی و اختصاص آن‌ها به تابلوهای برق و در نهایت “محاسبه توان مصرفی تابلوهای برق”و تجمیع آن‌ها جهت محاسبه کل توان برق مصرفی، توضیحاتی ارائه می‌گردد. در این مقاله درباره فرمول توان مصرفی، فرمول توان الکتریکی، فرمول توان ظاهری تک فاز و سه فاز، فرمول توان اکتیو و راکتیو، فرمول محاسبه جریان سه فاز و تکفاز صحبت کردیم.