Definition of Power Factor, Formula, Types, Disadvantages in Hindi

पावर फैक्टर (Power Factor) क्या होता है

पावर फैक्टर (Power Factor) क्या होता है या किसे कहते हैं? इसे सरल या आसान भाषा में elentechpk के साथ समझें तो पावर फैक्टर (Power Factor) वह माप होता है जो यह प्रदर्शित करता है कि हमारा इलेक्ट्रिक सिस्टम source द्वारा ली जाने वाली कुल power (apparent power) का कितने प्रतिशत भाग का उपयोग (real power) कर रहा है। इसको यह भी कह सकते हैं कि हमारा इलेक्ट्रिक सिस्टम कितनी efficiency (दक्षता) से काम कर रहा है।

Definition of Power Factor(पावर फैक्टर की परिभाषा)

पावर फैक्टर (Power Factor) को पावर सिस्टम में अलग-अलग जगह पर अलग-अलग रूप में उपयोग में लेने के कारण अलग-अलग रूप से परिभाषित किया जाता है।

1. किसी भी AC circuit में voltage vector तथा current vector के बीच के phase angle के cosine को power factor कहते हैं।पावर फैक्टर का कोई मात्रक (unit) नहीं होता है।

2. AC circuit में active power (real power) और apparent power (आभासी शक्ति) के ratio को भी power factor कहते हैं।

Power factor formula, cos φ = Real Power / Apparent Power

cos φ = P / S

cos φ = VI cos φ / VI

3. किसी series AC circuit में resistance और impedance के ratio को भी power factor कहा जाता है।

Power factor formula, cos φ = Resistance / Impedance

cos φ = R / Z

4. किसी AC circuit में working current और total current के अनुपात को भी power factor कहते हैं।

Power factor formula, cos φ = Working Current / Total Current

cos φ = Iw / I

इसे cosφ (कॉस फाई) से प्रदर्शित करते हैं तथा इसका मान unity (1) या उससे कम होता है।

पावर फैक्टर में unity power factor सबसे अच्छा माना जाता है।

cosφ में φ (फाई) phase angle होता है।

पावर फैक्टर का मान 0 से 1 के बीच होता है।

पावर फैक्टर का मान DC circuit में unity होता है, जबकि AC power system में यह एक या एक से कम होता है और इसकी प्रवृत्ति lagging होती है। AC power system सामान्यतः lagging power factor पर काम करता है।

पावर फैक्टर, phase angle (φ) के व्युत्क्रमानुपाती होता है, यानी जैसे-जैसे phase angle कम होता है, power factor बढ़ता है। लेकिन ध्यान देने वाली बात यह है कि power factor बढ़ने से AC system की efficiency बढ़ती है (कम नहीं होती)।

DC circuit में शक्ति गुणांक (power factor) का मान unity होता है क्योंकि DC में capacitive reactance और inductive reactance का मान नगण्य होता है, इसलिए R = Z होता है।

Power factor formula

cos φ = Real Power / Apparent Power

cos φ = P / S

cos φ = VI cos φ / VI

Power Factor Triangle

एसी परिपथ द्वारा खपत की गई शक्ति को बेहतर ढंग से समझने के लिए, धारा त्रिभुज को वोल्टेज V से गुणा करके शक्ति त्रिभुज (OAB) बनाया जाता है।Power Factor Triangle में तीनों power के मान इस प्रकार हैं:

कर्ण = आभासी शक्ति (Apparent Power S)
Formula: S = VI
S = √(P² + Q² , cos φ = P / √(P² + Q²)
Unit: (kVA)

आधार = सक्रिय शक्ति (Active Power P) या Real Power
Formula: P = VI cosφ
Unit: (kW)

लंब = प्रतिक्रियाशील शक्ति (Reactive Power Q)
Formula: Q = VI sin φ
Unit: (kVAR)

Active Power (एक्टिव पावर):
वह power जो वास्तव में उपयोग (useful work) में आती है, उसे active power या real power कहते हैं। यह विशेष रूप से resistive load में होती है और हर instant पर positive रहती है।

इसे P से प्रदर्शित करते हैं तथा इसकी unit watt होती है।
इसका सूत्र होता है:
P = VI cosφ जहाँ φ (फाई) voltage और current के बीच का phase angle होता है।

Reactive Power (रिएक्टिव पावर):
वह power जो source और load के बीच आगे-पीछे घूमती रहती है, उसे reactive power कहते हैं। यह सीधे कोई useful work नहीं करती, लेकिन इसका महत्व बहुत अधिक होता है क्योंकि इसके बिना motor और transformer में magnetic field generate नहीं हो सकती।

Reactive power दो प्रकार की होती है:

• Capacitive reactive power
• Inductive reactive power

इसे Q से प्रदर्शित करते हैं और इसे wattless power भी कहते हैं।
इसका सूत्र होता है:
Q = VI sinφ

Apparent power

पावर सिस्टम में source द्वारा दी गई total power, active तथा reactive power का vector sum ही apparent power कहलाता है। यह power triangle में कर्ण के रूप में होता है। इसका मात्रक Volt-Ampere (VA) होता है तथा इसे S से प्रदर्शित करते हैं।

इसका formula होता है:
S = Vrms × Irms पावर triangle में तीनों power के मान इस प्रकार हैं

Power factor can be easily understood through this example.

पावर फैक्टर को आसान भाषा में समझने के लिए एक उदाहरण को समझते हैं

माना कि कोई एक आदमी है जिसका नाम मैक (Mac) है और वह एक भारी load खींच रहा है। अब उसका जो वास्तविक प्रयास (force) load को आगे की ओर खींचने में लग रहा है, यही उसकी working power (kW) है, जो load को आगे की ओर बढ़ाती है।

लेकिन मैक (Mac) या उस आदमी का कंधा सीधी लाइन में न होकर, load की वजह से कुछ ऊपर की ओर भी खींचता है। यह ऊपर की ओर लगने वाला बल reactive power (kVAR) कहलाता है।

अब यह power load को आगे नहीं बढ़ाती, बल्कि system पर अतिरिक्त दबाव डालती है और system पर load भी बढ़ जाता है।

अब मैक (Mac) द्वारा लगाई गई कुल power, जिसे apparent power (kVA) कहते हैं, वह kW और kVAR का एक vector योग होता है, जिससे कुल power बनती है।

इस संबंध को power triangle में दर्शाया जाता है। Power triangle में बहुत ही आसानी से समझाया गया है, जहाँ kW, kVAR और kVA के बीच का कोण (angle) ही power factor को निर्धारित करता है।

Power factor kitne prakar ke hote hain?

किसी भी AC circuit में power factor का मान load पर depend करता है, इसलिए types of load को समझना बहुत जरूरी होता है।Power factor मुख्यतः 3 प्रकार के होते हैं:

Unity Power Factor (cosφ = 1)
Leading Power Factor (Capacitive load)
Lagging Power Factor (Inductive load)

Resistive Load (रेजेस्टिव लोड): Unity Power Factor

AC circuit में resistive load में voltage तथा current एक ही phase में होते हैं, इसलिए इनके बीच phase difference शून्य होता है। इस कारण cosφ = 1 होता है और power factor unity होता है।
रेजेस्टिव लोड विद्युत ऊर्जा को heat ऊर्जा में परिवर्तित कर देता है। इस प्रकार के load में कोई magnetic field उत्पन्न नहीं होता है।
उदाहरण: electric heater, bulb, soldering iron आदि।

Capacitive Load (कैपेसिटिव लोड): Leading Power Factor

जब AC circuit में capacitive load को जोड़ा जाता है तो current, voltage से आगे (leading) होता है। जिससे power factor leading हो जाता है। RC circuit में धारा voltage से अग्रगामी होती है।
कैपेसिटिव लोड का उपयोग power factor सुधारने के लिए किया जाता है। यह load विद्युत ऊर्जा को electric field में संग्रहीत कर लेता है।
उदाहरण: power bank, motor starter आदि।

Inductive Load (इंडक्टिव लोड): Lagging Power Factor

जब AC circuit में inductive load को जोड़ा जाता है तो voltage current का विरोध करता है, जिसके कारण current voltage से पीछे (lagging) हो जाती है और power factor पश्चगामी हो जाता है। RL circuit का power factor lagging होता है।
इंडक्टिव लोड विद्युत ऊर्जा को मैग्नेटिक फील्ड में परिवर्तित कर देता है, इसके लिए इसमें copper wire की winding का उपयोग किया जाता है।
इस प्रकार के load में rotating parts भी होते हैं।
उदाहरण: पंखा, motor, pump, transformer, air conditioner आदि।

Disadvantages of Low Power Factor

अब हम देखते हैं single phase power (VI), जैसे three phase power में √3VI cosφ होता है। यहाँ मैं आपको single phase के basis पर समझा रहा हूँ। अब यदि cosφ = P / (V × I) होता है, और power (P) तथा voltage (V) constant रहते हैं, तो cosφ inversely proportional हो जाता है current (I) के।

मतलब:
cosφ ∝ 1 / I

यदि power factor कम होता है, तो current बढ़ जाती है। अब जब current बढ़ेगी, तो इसके कई नुकसान (disadvantages) होते हैं, जिन्हें हम समझते हैं:

सबसे पहले:
पावर फैक्टर current के व्युत्क्रमानुपाती होता है, यानी
cosφ ∝ 1 / I

मतलब अगर cosφ कम होगा तो current बढ़ेगी। अब जब current increase होगी, तो power loss भी increase होगा, क्योंकि
Power loss ∝ I²

यानी I²R loss बढ़ जाता है।

1. Power loss बढ़ जाता है

जब power loss बढ़ता है, तो efficiency (दक्षता) कम हो जाती है।

दक्षता (Efficiency) = Output / Input
या
Efficiency = Output / (Output + Losses)

अगर losses बढ़ेंगे तो efficiency कम हो जाएगी।

2. Power system की efficiency कम हो जाती है
जैसे: transformer, alternator, switchgear आदि।

जब efficiency कम होगी, तो output power भी कम मिलेगी।

3. Low power factor से current बढ़ती है, जिससे alternator, transformer और अन्य AC machines की KVA rating बढ़ जाती है।

क्योंकि:
Apparent power (S) = V × I

अगर voltage constant है और current बढ़ती है, तो KVA (apparent power) बढ़ेगा।

परिणाम:

• KVA rating बढ़ेगी
• मशीन का size बढ़ेगा
• cost भी बढ़ेगी

जैसे:

• Transformer का size बढ़ेगा
• Alternator का size बढ़ेगा
• Switchgear का size बढ़ेगा

4. Conductor size बढ़ जाता है

क्योंकि current ∝ area (cross-sectional area)

मतलब:
अगर current बढ़ेगी → conductor का cross-section area बढ़ेगा → size और cost दोनों बढ़ेंगे

5. Voltage regulation खराब (poor)

इसी तरह KVA rating भी current पर depend करती है, इसलिए current बढ़ने पर conductor और equipment दोनों का size बढ़ जाता है। यह सब low power factor के disadvantages हैं।

अब ध्यान से समझिए:
cosφ inversely proportional होता है current (I) के, यानी
अगर cosφ कम होगा तो current बढ़ेगा।

जब current बढ़ता है, तो voltage drop (V = I × Z) भी बढ़ जाता है (Ohm’s law के अनुसार)।

Voltage drop बढ़ने से:

• Output voltage constant नहीं रहता
• System voltage vary करने लगता है
• Voltage regulation खराब (poor) हो जाता है

Voltage regulation ideally zero होना चाहिए, यानी voltage drop नहीं होना चाहिए। इसलिए voltage regulation अच्छा होना बहुत जरूरी है।

6. Industrial point:
अगर आप system को low power factor पर operate करते हैं, तो electric power supply company penalty (जुर्माना) लगाती है।

कंपनी generally कहती है कि आप कम से कम 0.95 power factor वाला equipment use करें।

अगर आप इससे कम power factor पर काम करते हैं:

• Current बढ़ेगी
• Equipment की rating बढ़ेगी
• पूरे power system का size बढ़ेगा
• Installation cost बहुत ज्यादा हो जाएगी

जैसे:

• बड़े transformer लगाने पड़ेंगे
• बड़े alternator लगाने पड़ेंगे
• Switchgear का size बढ़ेगा

इसलिए:
Low power factor पर काम करने पर:

• Company penalty लगाती है
• Extra cost देना पड़ता है

7. अन्य नुकसान:

• Equipment cost बढ़ता है
• Conductor cost बढ़ता है
• Machines का cost बढ़ता है
• Capital cost (स्थिर लागत) बढ़ जाती है
• Energy losses बढ़ जाते हैं
• Current ज्यादा होने से temperature भी बढ़ जाता है

Conclusion (निष्कर्ष)

पावर फैक्टर (Power Factor) किसी भी AC power system की efficiency को दर्शाने वाला एक बहुत महत्वपूर्ण parameter है। यह हमें बताता है कि कुल दी गई power में से कितनी power वास्तव में useful work में उपयोग हो रही है।

अगर power factor अच्छा (unity के करीब) होता है, तो system की efficiency बढ़ती है, current कम रहता है, power loss कम होता है और equipment का size तथा cost भी कम रहता है। वहीं अगर power factor कम होता है, तो current बढ़ जाता है, losses बढ़ते हैं, voltage drop होता है और पूरे system की performance खराब हो जाती है।

इसलिए हर electrical system में power factor को सुधारना (power factor improvement) बहुत जरूरी होता है, ताकि system efficient, economical और सुरक्षित तरीके से काम कर सके।

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