Trong hệ thống lưới điện, chúng ta thường nghe đến hai khái niệm quan trọng là công suất hữu dụng (P) và công suất phản kháng (Q). Công suất hữu dụng (P) là phần công suất thực tế sinh ra công có ích tại các thiết bị tiêu thụ. Ngược lại, công suất phản kháng (Q) là thành phần công suất không tạo ra công hữu ích, phát sinh do tính chất cảm ứng của các thiết bị như động cơ điện, bộ biến đổi điện áp, và nhiều loại phụ tải khác. Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của công suất phản kháng lên hệ thống điện, người ta sử dụng hệ số công suất cosφ, được tính bằng công thức: φ = arctg(Q/P).
Mục Lục
Công Suất Phản Kháng (Q) Là Gì?
Công suất phản kháng QCông suất phản kháng (Reactive Power) là một dạng năng lượng được tạo ra bởi từ trường trong các tuabin của máy phát điện, đặc biệt quan trọng đối với các tải có tính cảm.
Công suất phản kháng đóng vai trò thiết yếu trong việc tạo ra từ trường cần thiết cho quá trình khởi động của các thiết bị điện. Nếu thiếu công suất phản kháng, các thiết bị có tính cảm sẽ không thể khởi động được. Nói cách khác, công suất phản kháng có thể hiểu là năng lượng vô công, được sinh ra bởi các thành phần phản kháng trong hệ thống điện xoay chiều.
Phân Tích Công Suất Phản Kháng (Q) Trên Mạch DC và AC
Trong mạch điện một chiều (DC), tích số giữa điện áp (Vôn) và dòng điện (Ampe) biểu thị năng lượng tiêu thụ trong mạch. Tuy nhiên, công thức này chỉ đúng với các mạch xoay chiều (AC) thuần trở. Đối với các mạch AC có tính phản kháng, mối quan hệ này trở nên phức tạp hơn do sự thay đổi của tích số “Vôn x Ampe” theo tần số.
Trong mạch xoay chiều, tích số “Vôn x Ampe” được gọi là công suất biểu kiến, ký hiệu là S. Ở các mạch điện thuần trở, trở kháng gần như bằng không, và tổng trở mạch chủ yếu là điện trở. Dòng điện và điện áp trong mạch xoay chiều thuần trở luôn cùng pha. Năng lượng tiêu thụ tại một thời điểm được tính bằng cách nhân điện áp và dòng điện tại thời điểm đó. Vì dòng điện và điện áp cùng pha, giá trị RMS (Root Mean Square) có thể được sử dụng để quy đổi sang mạch một chiều DC hoặc tính toán lượng nhiệt tỏa ra từ mạch.
Tuy nhiên, trong mạch xoay chiều có chứa thành phần phản kháng, dạng sóng của điện áp và dòng điện sẽ bị lệch pha một lượng phụ thuộc vào góc lệch pha của mạch. Nếu góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện đạt đến 90 độ, tích số “Vôn x Ampe” trung bình bằng 0. Điều này có nghĩa là, mạch xoay chiều phản kháng trả lại lưới điện một lượng công suất bằng chính lượng công suất mà nó đã tiêu thụ.
Ảnh Hưởng Của Công Suất Phản Kháng (Q) Đến Hệ Thống Điện
Công suất phản kháng (Q) gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực về cả kinh tế và kỹ thuật:
- Gây lãng phí về kinh tế: Lượng công suất phản kháng tiêu thụ không sinh ra công hữu ích, dẫn đến lãng phí năng lượng và tăng chi phí vận hành hệ thống.
- Gây sụt áp và tổn thất công suất: Về mặt kỹ thuật, công suất phản kháng làm tăng sụt áp trên đường dây và gây ra tổn thất công suất trên đường truyền tải điện.
Do đó, cần có các biện pháp bù công suất phản kháng để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực, từ đó nâng cao hệ số công suất cosφ. Theo quy định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), hệ số công suất cosφ hạ thế phải đạt từ 0.90 trở lên. Quy định này nhằm mục đích giảm tổn thất công suất trên các phần tử của hệ thống cung cấp điện (như 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.
Cách Tính Công Suất Phản Kháng Cần Bù
Để tính toán công suất phản kháng cần bù (Qb) để lựa chọn tụ bù phù hợp cho một tải cụ thể, ta cần biết công suất (P) và hệ số công suất (Cosφ) của tải đó. Giả sử công suất của tải là P, hệ số công suất trước khi bù là Cosφ1 (tương ứng với tgφ1), và hệ số công suất sau khi bù là Cosφ2 (tương ứng với tgφ2). Công suất phản kháng cần bù được tính theo công thức:
Qb = P * (tgφ1 – tgφ2)
Các Biện Pháp Nâng Cao Hệ Số Công Suất Phản Kháng (cosφ)
Có hai phương pháp chính để nâng cao hệ số công suất phản kháng:
- Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên
- Nâng cao hệ số cosφ nhân tạo
Phương Pháp Nâng Cao Hệ Số cosφ Tự Nhiên
Nâng cao cosφ tự nhiên là việc tìm kiếm các biện pháp để giảm lượng công suất phản kháng mà các hộ tiêu thụ điện cần từ nguồn cung cấp. Các biện pháp bao gồm:
- Cải tiến quy trình công nghệ: Thay đổi và cải tiến quy trình công nghệ để các thiết bị điện hoạt động ở chế độ hợp lý nhất.
- Thay thế động cơ non tải: Thay thế các động cơ làm việc non tải (dưới tải) bằng các động cơ có công suất phù hợp hơn.
- Hạn chế động cơ chạy không tải: Giảm thiểu thời gian động cơ chạy không tải (không tải hoặc tải rất nhỏ).
- Sử dụng động cơ đồng bộ: Ở những nơi công nghệ cho phép, sử dụng động cơ đồng bộ thay vì động cơ không đồng bộ.
- Thay thế biến áp non tải: Thay thế các máy biến áp làm việc non tải bằng các 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 lắp đặt các thiết bị bù công suất phản kháng tại các hộ tiêu thụ điện. Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm:
-
Máy bù đồng bộ: Là động cơ đồng bộ hoạt động ở chế độ không tải.
- Ưu điểm: Máy bù đồng bộ có khả năng tạo ra công suất phản kháng và tiêu thụ công suất phản kháng của mạng điện.
- Nhược điểm: Do có phần quay, máy bù đồng bộ có cấu tạo, bảo dưỡng và vận hành phức tạp. Thường được sử dụng để bù tập trung với dung lượng lớn.
-
Bù bằng tụ điện: Là phương pháp sử dụng tụ điện để làm cho dòng điện sớm pha hơn so với điện áp, từ đó tạo ra công suất phản kháng cung cấp cho mạng điện.
- Ưu điểm:
- Kích thước nhỏ gọn, 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 bền, dễ bị hỏng khi ngắn mạch hoặc điện áp vượt quá định mức.
- Tuổi thọ tụ bù có giới hạn và sẽ bị hư hỏng sau nhiều năm làm việc.
- Khi đóng tụ bù vào mạng điện sẽ có dòng điện xung, và khi cắt tụ điện khỏi mạng, trên cực của tụ vẫn còn điện áp dư, gây nguy hiểm cho người vận hành.
- Ứng dụng: Sử dụng tụ bù điện ở các hộ tiêu thụ công suất phản kháng vừa và nhỏ (dưới 5000 kVAr).
- Ưu điểm: