Công suất phản kháng là gì? Cách tạo ra công suất bù kháng

Công suất phản kháng là gì?

Công suất phản kháng (Reactive power) hay còn có tên gọi khác là công suất hư kháng, công suất ảo là một phần công suất được tạo ra bởi từ trường trong tuabin máy phát điện , nó rất quan trọng đặc biệt với các tải cảm.

Reactive power góp phần quan trọng tạo nên từ trường trong quá trình khởi động , nếu như không có nó đồng nghĩa với việc không khởi động được các phụ tải có tính cảm.

Công suất phản kháng có thể được hiểu là năng lượng vô công, được sinh ra bởi các thành phần phản kháng trong trong hệ thống điện xoay chiều .

Công suất hư kháng được chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng, được tạo ra bởi sự lệch pha giữa hiệu điện thế U(t) và dòng điện I(t). Nó là loại công suất không có lợi của mạch điện.

Công suất phản kháng trong mạch điện DC và AC

Trong mạch điện một chiều DC, tích số “Vôn x Ampe” thể hiện năng lượng tiêu thụ trong mạch điện. Tuy nhiên, mặc dù công thức này đúng với các mạch AC thuần trở nhưng nó lại phức tạp hơn đối với các mạch AC có tính phản kháng vì tích số này có thể biến đổi theo tần số.

Trong mạch xoay chiều, tích số “Vôn x Ampe” được gọi là Công suất biểu kiến, được kí hiệu là S. Trong các mạch điện thuần trở thì trở kháng gần như bằng 0, và tổng trở mạch bao gồm hầu hết là các điện trở.

Dòng điện và điện áp cùng pha với nhau trong mạch xoay chiều thuần trở, và năng lượng tiêu thụ tại một thời điểm được tính bằng cách nhân điện áp và dòng điện tại thời điểm đó với nhau.

Vì dòng điện và điện áp cùng pha với nhau nên giá trị RMS có thể được dùng để quy đổi sang mạch một chiều DC hoặc tính toán lượng nhiệt tỏa ra từ mạch.

Tuy nhiên, trong mạch xoay chiều chứa thành phần phản kháng, dạng sóng của áp và dòng sẽ bị lệch pha với nhau một lượng tùy vào góc lệch pha của mạch.

Nếu góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện đạt tới ngưỡng 90 độ, tích số “Vôn x Ampe” (V-A) trung bình bằng 0. Nói cách khác, mạch xoay chiều phản kháng trả lại cho lưới điện một lượng công suất bằng chính lượng công suất mà nó tiêu thụ.

Ý nghĩa của công suất phản kháng

Công suất phản kháng là cả vấn đề và giải pháp cho mạng hệ thống điện vì nhiều lý do.

Nó đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống điện cho các chức năng khác nhau như:

• Đáp ứng yêu cầu công suất phản kháng
• Cải thiện cấu hình điện áp
• Giảm tổn thất mạng
• Cung cấp đủ công suất phản kháng để đảm bảo an ninh hệ thống trong trường hợp khẩn cấp và một số chức năng khác.

Cách tạo ra công suất phản kháng là gì?

Chúng được tạo ra từ việc hấp thụ các thiết bị được kết nối với mạng của hệ thống điện năng. Để giúp các bạn hình dung rõ hơn thì chúng tôi sẽ cung cấp một số cách để tạo ra loại công suất này. Cụ thể:

• Máy phát điện: Thiết bị tạo công suất phản kháng này phụ thuộc vào dòng kích DC và các hệ thống dây dẫn của chúng. Hiện chúng được sử dụng nhiều vào việc điều khiển điện áp.

• Tụ điện và lò phản ứng: Thiết bị điện dung và điện cảm ứng được sử dụng rất nhiều. Chúng được dùng trong kỹ thuật bù dòng, giúp kiểm soát được công suất hư kháng. Nhờ đó mà có thể điều chỉnh được điện áp và tính ổn định của toàn bộ hệ thống. Việc bù tụ điện được áp dụng chủ yếu cho hệ thống đường truyền nhằm tạo ra các công suất phản kháng phù hợp.
• Cáp ngầm và hệ thống đường truyền: Đường truyền tải nặng điện năng tiêu thụ giúp giảm điện áp. Từ đó tạo ra công suất ảo và tăng điện áp của đường dây điện.
• Hệ thống máy biến áp: Máy biến áp cần công suất ảo để tạo ra từ trường. Mức độ tiêu thụ phụ thuộc vào định mức và dòng tải.

Công thức tính công suất hư kháng

Công suất tính Q như sau:

     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)

Để đánh giá ảnh hưởng của công suất hư kháng đối với hệ thống người ta sử dụng hệ số công suất ảo cosφ,

• φ=arctg P/Q
• P: Công suất hữu dụng
• Q: Công suất phản kháng

Tại sao phải bù công suất phản kháng?

Bởi trên thực tế mặc dù công suất phản kháng Q không sinh ra công nhưng lại gây ra những ảnh hưởng xấu đến kỹ thuật và kinh tế:

• Lượng công suất hư kháng tiêu thụ không sinh công nên gây ra lãng phí về mặt kinh tế.
• Về kỹ thuật, công suất ảo gây ra sụt áp trên đường dây và tổn thất công suất trên đường truyền.

Vì vậy, chúng ta cần có biện pháp bù công suất phản kháng Q để làm hạn chế ảnh hưởng của nó, tức là ta nâng cao hệ số cosφ. Hệ số công suất cosφ hạ thế từ 0,90 trở lên là được chấp nhận, điều này được quy định bởi Tập đoàn Điện lực Việt Nam.

Quy định này được đưa ra nhằm mục đích giảm tổn thất công suất trên phần tử của hệ thống cung cấp điện (máy biến áp, đường dây …), giảm tổn thất điện áp trên đường truyền tải đồng thời tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp.

Lợi ích khi nâng cao hệ số công suất ảo cosφ:

• Giảm tổn thất công suất trên phần tử của hệ thống cung cấp điện (máy biến áp, đường dây …).
• Giảm tổn thất điện áp trên đường truyền tải.
• Tăng khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp.

Cách tính công suất phản kháng cần bù

Muốn tính công suất phản kháng cần bù để chọn tụ bù cho tải nào đó thì ta cần biết công suất (P) và hệ số công suất (Cosφ) của tải đó: Giả sử ta có công suất của tải là P, hệ số công suất của tải là Cosφ1 → tgφ1 (trước khi bù), hệ số công suất sau khi bù là Cosφ2 → tgφ2.

Công thức tính công suất phản kháng Q cần bù:

                      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

Việc nâng cao hệ số công suất cosφ sẽ giúp giảm tối thiểu công suất trên phần tử của toàn hệ thống cấp điện và giảm tổn thất điện áp trên đường truyền. Từ đó tăng khả năng truyền tải điện trên đường dây và máy biến áp.

Các biện pháp nâng cao hệ số công suất phản kháng

Có hai cách nâng cao công suất phản kháng là: Phương pháp nâng cao hệ số cosφ tự nhiên và phương pháp nâng cao hệ số cosφ nhân tạo.

Phương pháp nâng cao hệ số cosφ tự nhiên

Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để hộ tiêu thụ điện giảm bớt được lượng công suất hư kháng mà chúng cần có ở nguồn cung cấp.

• Thay đổi và cải tiến quá trình công nghệ để các thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất.
• Thay thế các động cơ làm việc non tải bằng những động cơ có công suất nhỏ hơn.
• Hạn chế động cơ chạy không tải.
• Ở những nơi công nghệ cho phép thì dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ.
• Thay biến áp làm việc non tải bằng máy biến áp có dung lượng nhỏ hơn.

Phương pháp nâng cao hệ số cosφ nhân tạo

Phương pháp này được thực hiện bằng cách đặt các thiết bị bù công suất ảo Q ở các hộ tiêu thụ điện. Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm:

– Máy bù đồng bộ: chính là động cơ đồng bộ làm việc trong chế độ không tải.

• 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 ảo Q 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 bằng tụ: là phương pháp làm cho dòng điện sớm pha hơn so với điện áp. Do đó, có thể sinh ra công suất hư kháng cung cấp cho mạng 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. Và 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).

Hy vọng các kiến thức hữu ích mà AME Group vừa cung cấp bên trên sẽ giúp bạn hiểu công suất phản kháng là gì? Chúng có ứng dụng như thế nào? Cảm ơn bạn đã quan tâm đến bài viết và hẹn gặp lại ở những bài chia sẻ tiếp theo của chúng tôi.