Công Suất Phản Kháng Là Gì? Phương Thức Bù Công Suất Phản Kháng

Công suất phản kháng là gì?

Công suất phản kháng và công suất điện xoay chiều là gì? Như ta đã biết dòng điện được sinh ra bởi sự dich chuyển của các hạt mang điện. Công suất hữu dụng P hay công suất có ích được tạo nên bởi những hạt mang điện chuyển động có hướng từ lưới điện đến tải tiêu thụ.

Tuy nhiên, ở dòng điện xoay chiều có các pha khác nhau liên quan đến cuộn cảm và tụ điện, nên sẽ có thêm một dạng công suất khác. Công suất phản kháng Q hay công suất vô ích có xu hướng năng lượng được truyền ngược trở lại điện lưới.

Công Suất Phản Kháng Là Gì?

Trước hết ta hãy tìm hiểu về công suất điện xoay chiều.

Khái niệm về công suất điện xoay chiều:

Công suất điện xoay chiều là phần năng lượng được chuyển qua mạch điện xoay chiều trong một đơn vị thời gian. Trong hệ thống điện xoay chiều AC sẽ có 3 dạng công suất là công suất hữu ích P, công suất biểu kiến S và công suất phản kháng Q.

Công suất điện xoay chiều
Công suất điện xoay chiều
  • Công suất hữu ích P: hay công suất hữu dụng sẽ sinh ra công có ích trong các phụ tải. Đơn vị (W) hay (kW)
  • Công suất biểu kiến S: hay công suất toàn phần thường được sử dụng trong tính toán thể hiện khả năng cung ứng năng lượng từ nguồn điện.  Đơn vị (VA) hay (kVA)
  • Công suất phản kháng Q: là công suất vô ích được sinh ra từ những thiết bị có mang dòng điện cảm ứng như động cơ điện, cuộn. Đơn vị (Var) hay (kVAr).

Khái niệm công suất phản kháng:

Công suất phản kháng (reactive power) là một thành phần của công suất tổng (apparent power) trong hệ thống điện. Nó đo lường khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng từ các thành phần không điện trở trong mạng lưới điện, chẳng hạn như cuộn cảm (inductor) và tụ điện (capacitor). Trong một mạng lưới điện hoạt động, công suất phản kháng xuất hiện do sự không đồng pha giữa dòng điện và áp suất điện trong mạng lưới.

Công suất phản kháng là gì?
Công suất phản kháng – reactive power là gì?

Ở những mạch điện xoay chiều thuần túy, dòng điện và điện áp cùng pha và công suất tại bất kỳ thời điểm năò được tính toán bằng cách nhân điện áp với dòng điện tại thời điểm đó. Tuy nhiên, nếu mạch điện chứa các thành phần phản kháng thì hình dạng sóng điện áp và dòng điện sẽ lệch pha nhau một góc 90⁰.

Công suất phản kháng của mạch điện xoay chiều
Công suất phản kháng của mạch điện xoay chiều

Công suất phản kháng là gì?

Công suất phản kháng (reactive power) có thể hiểu là năng lượng vô ích, nó được sinh ra từ những phụ tải là cảm kháng hoặc dung kháng (động cơ hay tụ điện…) Năng lượng sinh ra từ các nguồn cảm kháng hay dung kháng này sẽ chuyển ngược về nguồn cấp năng lượng, tạo nên sự lệch pha giữa hiệu điện thế U(t) và dòng điện I(t). Công suất phản kháng được xem như là thành phần không có lợi cho mạch điện.

Công suất phản kháng là gì?
Ý nghĩa công suất phản kháng

Công thức tính công suất phản kháng:

Để tính toán công suất phản kháng, chúng ta cần biết dòng điện và áp suất điện trong hệ thống. Công suất phản kháng được đo bằng đơn vị volt-ampere-reactive (VAR). Công thức tính toán công suất phản kháng như sau:

Công suất phản kháng = Điện áp (volt) x Dòng điện (ampere) x sin(φ)

Trong đó, (φ) là góc pha giữa dòng điện và áp suất điện. Góc pha này có thể được xác định bằng cách sử dụng các phương pháp đo điện học hoặc thông qua mô phỏng và tính toán trên phần mềm.

Công thức tính công suất phản kháng Q

                    Q = U . I .sinφ

 Trong đó:

Q: Công suất phản kháng (Var)
U: Điện áp (V)
I: Dòng điện (A)
φ: Lệch  pha giữa hiệu điện thế U(t) và dòng điện I(t)

Đơn vị công suất phản kháng:

Đơn vị đo công suất phản kháng Q là VAR (volt amperes reactive), 1 kvar = 1000 var

Ảnh hưởng của công suất phản kháng:

Ảnh hưởng tốt:

Công suất phản kháng là thành phần quan trọng tạo nên từ trường của động cơ, nếu không xuất hiện từ trường sẽ đồng nghĩa với việc động cơ không thể tạo nên cảm ứng từ được và không thể khởi động được.

Trên thực tế hầu hết những thiết bị sử dụng nguồn điện xoay chiều đều có cảm kháng hay dung kháng hoặc cả hai thành phần này, vì thế cả công suất hữu ích và công suất phản kháng đều phải được tính toán đầy đủ.

Ảnh hưởng xấu:

Như trên đã đề cập, công suất phản kháng Q là công vô ích gây lãng phí về kinh tế và kỹ thuật.

Về kinh tế: Công suất phản kháng tiêu thụ phần lớn điện năng và không sinh công hữu ích nhưng chúng ta vẫn phải chi phí tiền điện do lượng công suất này tiêu thụ. Vì vậy, tập đoàn điện lực Việt Nam khống chế hệ số công suất phản kháng ở mức 0.9 trong lưới điện hạ thế.

Theo quy định của Bộ Công Thương: “Thông tư Quy định về mua, bán công suất phản kháng” có hiệu lực từ ngày 10/12/2014, người sử dụng điện sẽ bị phạt tiền nếu hệ số công suất cosφ dưới mức cho phép.

Về kỹ thuật: công suất phản kháng là một trong số nguyên nhân phát sinh nhiệt của phụ tải, ảnh hưởng đến năng suất làm việc của thiết bị. Và đây là nguyên nhân gây ra hiện tượng sụt áp, tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền tải điện năng.

Vì vậy, nâng cao hệ số công suất phản kháng để hạn chế lượng công suất vô ích là việc làm cần thiết. Phương pháp nâng cao hệ số công suất phản kháng cosφ được gọi là bù công suất phản kháng.

Cách tính bù công suất phản kháng:

Công thức tính công suất phản kháng cần bù:

Để tính được công suất phản kháng cần bù thì ta cần phải xác định được công suất thực P và hệ số công suất Cosφ của tải đó:

Qb = P*(tgφ1 – tgφ2)

Trong đó:

Qb: Công suất phản kháng cần bù (Var)
P : Công suất thực
tgφ1: hệ số công suất tải trước khi bù
tgφ2: hệ số công suất tải sau khi bù

Nâng cao được hệ số công suất Cosφ sẽ giản được công suất trên toàn hệ thống cấp điện và giảm được lượng tổn thất điện áp trên đường truyền.

Bù công suất phản kháng
Bù công suất phản kháng

Ví dụ:

    • Giả sử ta có công suất tải là P = 100 (KW).
    • Hệ số công suất trước khi bù là cosφ1 = 0.75 → tgφ1 = 0.88
    • Hệ số công suất sau khi bù là Cosφ2 = 0.95 → tgφ2 = 0.33
    • Vậy công suất phản kháng cần bù là Qbù = P ( tgφ1 – tgφ2 )
    • Qbù = 100( 0.88 – 0.33 ) = 55 (KVAr)

Với lượng công suất cần bù 55 KVAr ta có thể sử dụng tụ bù 10KVAr, và để bù được đủ tải cho thiết bị ta cần 6 tụ bù 10KVAr với tỏng công suất phản kháng là 60 (KVAr).

Tính bù công suất phản kháng bằng bảng tra:

Phương pháp tính dung lượng cần bù theo công thức thường rất mất thời gian và phải có máy tính có thể bấm được hàm arcos, tan. Để quá trình tính toán nhanh, người ta thường dung bảng tra hệ số để tính dung lượng tụ bù

Lúc này, ta áp dụng công thức: Qb = P*k

Với k là hệ số cần bù tra trong bảng tra dưới đây

Bảng tra bù công suất phản kháng
Bảng tra bù công suất phản kháng

Các biện pháp nâng cao công suất phản kháng:

Phương pháp nâng cao hệ số cosφ tự nhiên:

Phương pháp nâng cao hệ số công suất cosφ tự nhiên có nghĩa là phải tìm ra những biện pháp để giảm bớt được lượng công suất phản kháng sinh ra bằng cách:

    • Thay đổi và cải tiên quy trình công nghệ, nâng cao hiệu suất làm việc của thiết bị
    • Thay thế những động cơ làm việc ở chế độ non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn, đúng với đặc tính kỹ thuật của động cơ.
    • Hạn chế sự hoạt động không tải của động cơ.
    • Thay thế những động cơ không đồng bộ bằng động cơ đồng bộ
    • Sử dụng máy biến áp có dung lượng tương đương với thiết bị, tránh làm việc ở chế độ non tải.

Phương pháp nâng cao hệ số cosφ nhân tạo:

Phương pháp nâng cao hệ số công suất cosφ nhân tạo bằng cách đặt các thiết bị bù công suất phản kháng. Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm:

Máy bù đồng bộ:

Máy bù đồng bộ là động cơ điện đồng bộ hoạt động ở chế độ không tải và dòng điện kích từ điều chỉnh để động cơ phát ra công suất phản kháng với mục đích nâng cao hệ số công suất của lưới điện.

  • Ưu điểm: máy bù đồng bộ vừa có khả năng sản xuất ra công suất phản kháng, đồng thời cũng có khả năng tiêu thụ công suất phản kháng của mạng điện.
  • Nhược điểm: máy bù đồng bộ có phần quay nên lắp ráp, bảo dưỡng và vận hành phức tạp. Máy bù đồng bộ thường để bù tập trung với dung lượng lớn. 

Bù tụ điện: Bù tụ điện là phương pháp làm cho dòng điện sớm pha hơn so với điện áp do đó có thể sinh ra công suất phản kháng cung cấp cho mạng điện.

Bù tụ điện
Bù tụ điện

* Ưu điểm: 

  • Công suất nhỏ, không có phần quay nên dễ bảo dưỡng và vận hành.
  • Có thể thay đổi dung lượng bộ tụ bù theo sự phát triển của tải.
  • Giá thành thấp hơn so với máy bù đồng bộ.

* Nhược điểm: 

  • Nhạy cảm với sự biến động của điện áp và kém chắc chắn, đặc biệt dễ bị phá hỏng khi ngắn mạch hoặc điện áp vượt quá định mức. Tuổi thọ tụ bù có giới hạn, sẽ bị hư hỏng sau nhiều năm làm việc.
  • Khi đóng tụ bù vào mạng điện sẽ có dòng điện xung, còn lúc cắt tụ điện khỏi mạng trên cực của tụ vẫn còn điện áp dư có thể gây nguy hiểm cho người vận hành.
  • Sử dụng tụ bù điện ở các hộ tiêu thụ công suất phản kháng vừa và nhỏ (dưới 5000 kVAr).

Tương quan giữa công suất phản kháng và hệ số công suất

Hệ số công suất (power factor) là một chỉ số quan trọng để xác định hiệu suất của một hệ thống điện. Nó được tính toán bằng cách chia công suất thực cho công suất biểu kiến. Hệ số công suất có giá trị từ 0 đến 1, và hiệu suất cao nhất xảy ra khi hệ số công suất bằng 1.
Công suất phản kháng có tương quan ngược với hệ số công suất. Khi công suất phản kháng tăng lên, hệ số công suất sẽ giảm. Điều này có nghĩa là hệ thống sẽ tiêu thụ nhiều năng lượnghơn để thực hiện cùng một công việc và có hiệu suất kém hơn. Khi công suất phản kháng giảm, hệ số công suất sẽ tăng và hiệu suất của hệ thống điện sẽ cải thiện.

Kết luận:

Công suất phản kháng là một khái niệm quan trọng trong ngành điện để đo lường khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng từ các thành phần không điện trở trong hệ thống. Qua bài viết này, chúng ta đã tìm hiểu về định nghĩa của công suất phản kháng, cách tính toán nó và ứng dụng trong ngành điện. Hiểu rõ về công suất phản kháng giúp chúng ta nắm bắt được hiệu suất và ổn định của hệ thống điện, và áp dụng các biện pháp để cải thiện hiệu suất và tránh các vấn đề liên quan đến công suất không cân bằng.

Hệ Thống Điện – MEP Engineer

 

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *