Cách tính và bù công suất phản kháng trong hệ thống điện

Lê Hồng Phong

Công suất phản kháng là một trong hai loại công suất xuất hiện trong hệ thống điện, bên cạnh công suất hữu ích. Mục tiêu khi vận hành bằng điện là bù công suất phản kháng để tăng hiệu suất thiết bị và giảm chi phí. Hãy cùng KTH ELECTRIC tìm hiểu các phương pháp đo công suất phản kháng và phương pháp bù công suất phản kháng trong bài viết sau.

Công suất phản kháng Q là gì?

Trong hệ thống điện thường có hai loại công suất: Công suất P là công suất hữu ích và công suất Q là công suất vô dụng. Công suất cảm ứng là công suất Q hay năng lượng không tải, được tạo ra bởi đặc tính cảm ứng của các thiết bị tải như máy biến áp, bộ biến tần, động cơ điện,… Tuy nhiên, loại công suất này góp phần quan trọng trong việc tạo ra từ trường. Không có công suất Q thì tải cảm ứng không thể khởi động được.

Công thức tính công suất cảm Q là:

Trong đó:

• S: Công suất biểu kiến, là tích của giá trị điện áp U và cường độ dòng điện I trong mạch.
• sinφ: sin của góc lệch giữa điện áp và dòng điện

Đặc điểm công suất phản kháng trên mạch DC và AC

Về bản chất, trên mạch điện một chiều, không có sự khác biệt giữa công suất biểu kiến ​​S và công suất thực P, do đó công suất phản kháng Q không được tạo ra. Do đó, Q chỉ xuất hiện trên mạch điện xoay chiều.

Trong mạch điện xoay chiều, tích U x I là công suất biểu kiến ​​S. Trong mạch thuần điện trở, dòng điện và điện áp cùng pha với nhau, nghĩa là góc φ = 0 độ hoặc sinφ = 0 và dẫn đến Q = 0. Khi đó không có suất điện cảm.

Nhưng trên thực tế, mạch điện xoay chiều chứa nhiều thành phần điện trở khiến dòng điện và điện áp lệch pha nhau. Nếu góc φ đạt 90 độ thì sinφ = 1, Q = S nên mạch điện xoay chiều phản kháng đã trả về lưới một lượng điện năng đúng bằng công suất tiêu thụ. Khi đó công suất phản kháng là lớn nhất và mạch hoạt động kém hiệu quả nhất.

Lợi ích của việc bù công suất phản kháng

Công suất phản kháng gây ra tác hại cả về mặt kỹ thuật và kinh tế. Công suất này càng lớn thì càng lãng phí chi phí vận hành, đồng thời gây sụt áp đường dây và mất công suất hữu ích.

Để hạn chế những rủi ro trên, việc bù công suất phản kháng là cần thiết, nghĩa là giảm hệ số sinφ đồng nghĩa với việc tăng hệ số cosφ lên mức lý tưởng. Điều này sẽ giúp:

• Giảm tổn thất điện năng trên các bộ phận truyền tải điện
• Giảm tổn thất điện áp ở phía tải
• Tăng hiệu suất truyền tải điện trên đường dây và máy biến áp

Các phương pháp bù công suất phản kháng Q

Có hai phương pháp để bù công suất phản kháng Q: dùng cách tự nhiên – điều chỉnh hệ thống điện hiện có, và dùng cách nhân tạo – bổ sung thiết bị bù công suất vào mạch như tụ điện hoặc tụ điện đồng bộ. Trong bài viết này chúng ta sẽ tập trung vào phương pháp sử dụng tụ điện.

Công thức tính lượng Q cần bù

Trước khi bù công suất Q cần tính toán lượng Q cần bù. Công thức tính công suất phản kháng cần bù như sau:

Trong đó:

• Qb là lượng điện năng cần bù (đơn vị kVAr)
• P: Công suất hữu ích
• cosφ1: Hệ số công suất của tải trước khi bù
• cosφ2: Hệ số công suất của tải sau khi bù

Ví dụ: trên mạch có công suất hữu ích là 5000W, hệ số cosφ1 = 0,5 và hệ số cosφ2 = 0,9. Tính tanφ1 – tanφ2 = 1,25. Từ đó tính Qb = 5000 x 1,25 = 6250 (kVAr) là lượng công suất phản kháng cần bù.

Các cách tự nhiên để bù công suất phản kháng

Phương pháp bù công suất phản kháng tự nhiên có nghĩa là điều chỉnh các thông số trong mạch điện để giảm việc sản xuất lượng công suất này như:

• Cải tiến công nghệ của thiết bị để tối ưu hóa hiệu suất
• Ưu tiên sử dụng động cơ đồng bộ thay vì không đồng bộ
• Ưu tiên động cơ, máy biến áp công suất (công suất) nhỏ trong trường hợp vận hành không tải
• Hạn chế thời gian chạy không tải của động cơ

Cách bù công suất phản kháng bằng tụ bù

Bù tĩnh là sự sắp xếp cố định của các dãy tụ điện có công suất chuyển mạch bù không đổi. Việc chuyển đổi có thể được thực hiện thủ công bằng CB hoặc LBS; bán tự động có contactor hoặc nối trực tiếp với tải để bù đồng thời khi đóng tải. Phương pháp này dễ thực hiện, giá thành không cao nhưng chỉ nên áp dụng cho các tải có công suất thay đổi ít.

Bù động là việc sử dụng tụ điện đi kèm với bộ điều khiển tụ điện (hoặc rơle hệ số công suất) có khả năng thay đổi linh hoạt công suất chuyển mạch bù theo yêu cầu hệ thống. Phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều trường hợp công suất tải khác nhau nhưng giá thành cao hơn so với bù tĩnh nên được áp dụng ở những nơi công suất trong mạch thường xuyên thay đổi lớn.

Các cách bù công suất phản kháng theo vị trí tụ điện

Bù riêng là phương pháp đặt tụ điện nối trực tiếp vào một số thiết bị điện có điện cảm và điện kháng, dung lượng tụ điện phù hợp với công suất động cơ. Phương pháp này được sử dụng khi công suất của thiết bị điện lớn, chiếm tỷ trọng đáng kể trong mạch điện. Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng, gọn gàng trong việc lắp đặt và xử lý tốt việc bù điện cho thiết bị đó. Ngược lại, bù riêng chỉ có tác dụng khi động cơ đang chạy và dễ gây kích thích cho động cơ.

Bù nhóm là phương pháp đặt tụ điện nối tiếp với một nhóm thiết bị điện trong cùng một khu vực, tức là một hình thức bù riêng cho cụm thiết bị. Ưu điểm của phương pháp là giảm dòng điện tới các tủ phân phối điện ở các cấp, giảm tiết diện dây dẫn và giảm tổn thất điện năng truyền tải từ các tủ phân phối. Nhưng nhược điểm là khi tải thay đổi công suất dễ gây ra hiện tượng bù thừa, quá tải.

Bù tập trung là phương pháp bố trí các tụ điện trong tủ tụ điện và tủ phân phối. Ưu điểm của phương pháp là dễ vận hành vì đồng bộ với hoạt động của tủ điện, giảm tải cho máy biến áp và dễ dàng thay đổi công suất phụ tải. Tuy nhiên, nhược điểm là tiết diện dây lớn, dòng điện phản kháng đi trực tiếp từ tủ phân phối đến các nhánh và thiết bị.

Việc lựa chọn bất kỳ phương pháp bù công suất phản kháng nào cũng đòi hỏi phải xem xét quy mô và tính chất của mạng lưới điện, chi phí đầu tư và khả năng vận hành trong tương lai. Bạn có thể tham khảo sản phẩm Tụ điện khô BTB là giải pháp lý tưởng nhằm hạn chế công suất phản kháng và nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện.