Công Suất Phản Kháng

Mối quan hệ giữa các loại công suất điện, bù công suất phản kháng

Hình ảnh: Mô tả mối quan hệ giữa các loại công suất điện, bù công suất phản kháng.

Trong lưới điện tồn tại 2 loại công suất:

Công suất hữu dụng P (kW) là công suất sinh ra công có ích trong các phụ tải. P = S*Cosφ.

Công suất phản kháng Q (kVAr) là công suất vô ích, gây ra do tính cảm ứng của các loại phụ tải như: động cơ điện, máy biến áp, các bộ biến đổi điện áp… Q = S*Sinφ.

Để đánh giá ảnh hưởng của công suất phản kháng đối với hệ thống người ta sử dụng hệ số công suất cosφ.

Tại sao phải bù công suất phản kháng?

Công suất phản kháng Q không sinh công nhưng lại gây ra những ảnh hưởng xấu về kinh tế và kỹ thuật:

– Về kinh tế: chúng ta phải trả tiền cho lượng công suất phản kháng tiêu thụ.

– Về kỹ thuật: công suất phản kháng gây ra sụt áp trên đường dây và tổn thất công suất trên đường truyền.

Vì vậy, ta cần có biện pháp bù công suất phản kháng Q để hạn chế ảnh hưởng của nó. Cũng tức là ta nâng cao hệ số cosφ.

Lợi ích khi nâng cao hệ số công suất 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.

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.

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 suất phản kháng cần bù là:

Qb = P*(tgφ1 – tgφ2)

Các biện pháp nâng cao hệ số công suất phản kháng:

1/ 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 phản 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.

2/ Phương pháp nâng cao hệ số cosφ nhân tạo: Phương pháp này được thực hiện bằng cách đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ở các hộ tiêu thụ điện. Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm:

a. 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 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.

b. Tụ bù điện: 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.

* 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).

Xem thêm bài viết: Tụ bù tiết kiệm điện.

Các phương thức bù công suất phản kháng bằng tụ bù:

Có hai phương thức bù công suất phản kháng bằng tụ bù:

a. Bù tĩnh (bù nền): bố trí bù gồm một hoặc nhiều tụ bù tạo nên lượng bù không đổi. Việc điều khiển có thể thực hiện bằng các cách sau:

– Bằng tay: dùng CB hoặc LBS (load – break switch).

– Bán tự động: dùng contactor.

– Mắc trực tiếp vào tải đóng điện cho mạch bù đồng thời khi đóng tải.

* Ưu điểm: đơn giản và giá thành không cao.

* Nhược điểm: khi tải dao động có khả năng dẫn đến việc bù thừa. Việc này khá nguy hiểm đối với hệ thống sử dụng máy phát. –> Vì vậy, phương pháp này áp dụng đối với những tải ít thay đổi.

b. Bù động (sử dụng bộ điều khiển tụ bù tự động): sử dụng các bộ tụ bù tự động hay còn gọi là tủ điện tụ bù tự động, có khả năng thay đổi dung lượng tụ bù để đảm bảo hệ số công suất đạt được giá trị mong muốn.

* Ưu điểm: không gây ra hiện tượng bù thừa và đảm bảo được hệ số công suất mong muốn.

* Nhược điểm: chi phí lớn hơn so với bù tĩnh. –> Vì vậy, phương pháp này áp dụng tại các vị trí mà công suất tác dụng và công suất phản kháng thay đổi trong phạm vi rất rộng.

Các phương pháp bù công suất phản kháng bằng tụ bù:

phương pháp bù công suất phản kháng bằng tụ bù điện

Hình ảnh: Sơ đồ vị trí lắp tụ bù trong mạng điện

1/ Bù riêng (Qc3, Qc7, Qc9):

Bù riêng nên được xét đến khi công suất động cơ đáng kể so với công suất mạng điện;

Bộ tụ bù mắc trực tiếp vào đầu dây nối của thiết bị dùng điện có tính cảm;

Công suất của bộ tụ bù phải được giới hạn phù hợp với công suất (kW) của động cơ.

*Ưu điểm:

– Giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng.

– Giảm dòng phản kháng tới động cơ.

– Giảm kích thước và tổn hao dây dẫn đối với tất cả dây dẫn.

*Nhược điểm:

– Vận hành khó khăn.

– Tụ bù chỉ hoạt động khi động cơ làm việc.

– Gây hiện tượng tự kích từ đối với động cơ.

2/ Bù theo nhóm (Qc6, Qc8):

* Ưu điểm:

– Giảm tiền điện do giảm tiêu thụ công suất phản kháng.

– Giảm dòng điện tới tủ động lực, tủ phân phối.

– Giảm tiết diện cáp đến các tủ phân phối.

– Giảm tổn hao công suất trên dây dẫn.

* Nhược điểm: khi có sự thay đổi đáng kể của tải, xuất hiện nguy cơ bù dư và kèm theo hiện tượng quá điện áp.

3/ Bù tập trung (Qc1, Qc2, Qc4, Qc5):

Áp dụng khi tải ổn định và liên tục;

Bộ tụ bù đấu vào thanh góp hạ áp của tủ phân phối chính và được đóng trong thời gian tải hoạt động.

* Ưu điểm:

– Giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng.

– Đơn giản trong vận hành và lắp đặt.

– Làm nhẹ tải cho máy biến áp và do đó có khả năng phát triển thêm các phụ tải khi cần thiết.

* Nhược điểm:

Dòng điện phản kháng tiếp tục đi vào tất cả lộ ra tủ phân phối chính của mạng hạ thế.

– Kích cỡ của dây dẫn, công suất tổn hao trên dây của mạng điện sau vị trí lắp tụ bù không được cải thiện.

Mối quan hệ giữa các loại công suất điện, bù công suất phản kháng

Hình ảnh: Mô tả mối quan hệ giữa các loại công suất điện, bù công suất phản kháng.

 

Trong lưới điện tồn tại 2 loại công suất:

 

Công suất hữu dụng P (kW) là công suất sinh ra công có ích trong các phụ tải. P = S*Cosφ.

Công suất phản kháng Q (kVAr) là công suất vô ích, gây ra do tính cảm ứng của các loại phụ tải như: động cơ điện, máy biến áp, các bộ biến đổi điện áp… Q = S*Sinφ.

 

Để đánh giá ảnh hưởng của công suất phản kháng đối với hệ thống người ta sử dụng hệ số công suất cosφ.

Tại sao phải bù công suất phản kháng?

 

Công suất phản kháng Q không sinh công nhưng lại gây ra những ảnh hưởng xấu về kinh tế và kỹ thuật:

 

– Về kinh tế: chúng ta phải trả tiền cho lượng công suất phản kháng tiêu thụ.

– Về kỹ thuật: công suất phản kháng gây ra sụt áp trên đường dây và tổn thất công suất trên đường truyền.

 

Vì vậy, ta cần có biện pháp bù công suất phản kháng Q để hạn chế ảnh hưởng của nó. Cũng tức là ta nâng cao hệ số cosφ.

Lợi ích khi nâng cao hệ số công suất 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.

 

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.

 

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 suất phản kháng cần bù là:

Qb = P*(tgφ1 – tgφ2)

Các biện pháp nâng cao hệ số công suất phản kháng:

1/ 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 phản 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.

2/ Phương pháp nâng cao hệ số cosφ nhân tạo: Phương pháp này được thực hiện bằng cách đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ở các hộ tiêu thụ điện. Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm:

a. 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 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.

b. Tụ bù điện: 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.

 

* 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).

 

Xem thêm bài viết: Tụ bù tiết kiệm điện.

 

Các phương thức bù công suất phản kháng bằng tụ bù:

Có hai phương thức bù công suất phản kháng bằng tụ bù:

a. Bù tĩnh (bù nền): bố trí bù gồm một hoặc nhiều tụ bù tạo nên lượng bù không đổi. Việc điều khiển có thể thực hiện bằng các cách sau:

 

– Bằng tay: dùng CB hoặc LBS (load – break switch).

– Bán tự động: dùng contactor.

– Mắc trực tiếp vào tải đóng điện cho mạch bù đồng thời khi đóng tải.

* Ưu điểm: đơn giản và giá thành không cao.

* Nhược điểm: khi tải dao động có khả năng dẫn đến việc bù thừa. Việc này khá nguy hiểm đối với hệ thống sử dụng máy phát. –> Vì vậy, phương pháp này áp dụng đối với những tải ít thay đổi.

b. Bù động (sử dụng bộ điều khiển tụ bù tự động): sử dụng các bộ tụ bù tự động hay còn gọi là tủ điện tụ bù tự động, có khả năng thay đổi dung lượng tụ bù để đảm bảo hệ số công suất đạt được giá trị mong muốn.

 

* Ưu điểm: không gây ra hiện tượng bù thừa và đảm bảo được hệ số công suất mong muốn.

* Nhược điểm: chi phí lớn hơn so với bù tĩnh. –> Vì vậy, phương pháp này áp dụng tại các vị trí mà công suất tác dụng và công suất phản kháng thay đổi trong phạm vi rất rộng.

 

Các phương pháp bù công suất phản kháng bằng tụ bù:

phương pháp bù công suất phản kháng bằng tụ bù điện

Hình ảnh: Sơ đồ vị trí lắp tụ bù trong mạng điện

 

 

1/ Bù riêng (Qc3, Qc7, Qc9):

 

Bù riêng nên được xét đến khi công suất động cơ đáng kể so với công suất mạng điện;

Bộ tụ bù mắc trực tiếp vào đầu dây nối của thiết bị dùng điện có tính cảm;

Công suất của bộ tụ bù phải được giới hạn phù hợp với công suất (kW) của động cơ.

 

*Ưu điểm:

 

– Giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng.

– Giảm dòng phản kháng tới động cơ.

– Giảm kích thước và tổn hao dây dẫn đối với tất cả dây dẫn.

 

*Nhược điểm:

 

– Vận hành khó khăn.

– Tụ bù chỉ hoạt động khi động cơ làm việc.

– Gây hiện tượng tự kích từ đối với động cơ.

 

2/ Bù theo nhóm (Qc6, Qc8):

 

* Ưu điểm:

 

– Giảm tiền điện do giảm tiêu thụ công suất phản kháng.

– Giảm dòng điện tới tủ động lực, tủ phân phối.

– Giảm tiết diện cáp đến các tủ phân phối.

– Giảm tổn hao công suất trên dây dẫn.

 

* Nhược điểm: khi có sự thay đổi đáng kể của tải, xuất hiện nguy cơ bù dư và kèm theo hiện tượng quá điện áp.

 

3/ Bù tập trung (Qc1, Qc2, Qc4, Qc5):

 

Áp dụng khi tải ổn định và liên tục;

Bộ tụ bù đấu vào thanh góp hạ áp của tủ phân phối chính và được đóng trong thời gian tải hoạt động.

 

* Ưu điểm:

 

– Giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng.

– Đơn giản trong vận hành và lắp đặt.

– Làm nhẹ tải cho máy biến áp và do đó có khả năng phát triển thêm các phụ tải khi cần thiết.

 

* Nhược điểm:

 

Dòng điện phản kháng tiếp tục đi vào tất cả lộ ra tủ phân phối chính của mạng hạ thế.

– Kích cỡ của dây dẫn, công suất tổn hao trên dây của mạng điện sau vị trí lắp tụ bù không được cải thiện.

Công suất phản kháng, công suất hư kháng,công suất ảo Q là 1 khái niệm trong ngành kĩ thuật điện dùng để chỉ phần công suất điện 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)dòng điệni(t).

Khi u(t), i(t) biến đổi theo đồ thị hàm sin thì Q = U   I   sin ⁡ φ {\displaystyle Q=U\ I\ \sin \varphi } , với U, I: giá trị hiệu dụng u(t), i(t); φ là pha lệch giữa u(t), i(t).

Công suất hư kháng Q là phần ảo của công suất biểu kiến S, S = P + iQ.

Đơn vị đo Q là var (volt amperes reactive), 1 kvar = 1000 var.

Sử dụng tụ bù để nâng cao hệ số công suất là một việc cần làm, và thực tế là các đơn vị thiết kế, các công ty lắp tủ thực hiện như 1 thói quen. Họ có thể liệt kê được các lợi ích của bù công suất phản kháng, nhưng ít ai biết rằng không phải trong trường hợp nào tụ bù cũng phát huy hiệu quả. Bài viết sau sẽ trình bày cụ thể những lợi ích của bù kèm theo những điều kiện áp dụng cụ thể.

HÌNH ẢNH TỦ TỤ BÙ

tủ tụ bù

CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG GIÚP GIẢM TIỀN PHẠT

Tiền phạt hay còn gọi là tiền mua điện năng phản kháng. Đây là lợi ích thiết thực nhất của việc nâng cao hệ số công suất Cos phi.

Khi nào thì bù giúp giảm tiền phạt?

Câu trả lời là khi hàng tháng bạn phải trả tiền phạt cos phi (tiền mua điện năng phản kháng). Điện lực sẽ bắt bạn trả tiền điện năng phản kháng khi hệ số công suất Cos phi của bạn Giá mua điện năng phản kháng để biết rõ hơn về tỉ lệ phạt.

Ví dụ bạn có một thiết bị điệncông suất 100kW, Cos phi = 0.80, mỗi ngày chạy 10h. Ta sẽ có những số liệu như sau:

  • Điện năng sử dụng trong 1 giờ : 100kW * 1h = 100kWh
  • Điện năng sử dụng trong 1 ngày (10 giờ) : 100kW * 10h = 1,000kWh
  • Điện năng sử dụng trong 30 ngày : 1,000kWh * 30 ngày = 30,000kWh
  • Tỉ lệ trả thêm tiền mua điện năng phản kháng : 6.25%

Theo quy định

Giả sử bạn sử dụng điện cho sản xuất và chỉ sử dụng trong thời gian bình thường

  • Tiền mua điện năng tác dụng : 30,000kWh * 1,278 VND/kWh = 38,340,000VND
  • Tiền mua điện năng phản kháng : 38,340,000VND * 6.25% = 2,396,250VND

Như vậy, nếu tính toán bù phù hợp, bạn có thể “né” được tiền phạt mỗi tháng khoảng 2,400,000VND. Nếu bù thì bạn phản đầu tư chi phí. Vì trong ví dụ này tôi chỉ có 1 thiết bị điện nên chỉ cần mua tụ bù và bù trực tiếp vào thiết bị điện là được. Để nâng từ Cos 0.8 => 0.9 trong ví dụ trên ta cần 25kVar. Giá đầu tư hiện tại khoảng 1,000,000VND. Như vậy chỉ 1/2 tháng ta đã lấy lại vốn.

CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG GIẢM TỔN HAO CÔNG SUẤT

Từ công suất tổn thất công suất trên đường dây truyền tải :

tổn thất công suất truyền tải

Ta thấy rằng phần tổn hao công suất do 2 thành phần tạo ra. Thành phần do công suất tác dụng thì ta không thể giảm, nhưng thành phần do công suất phản kháng thì ta hoàn toàn có thể giảm được. Hệ quả là giảm tổn hao công suất dẫn đến giảm tổn thất điện năng. Nói nôm na ra là giảm tiền điện. Vậy trường hợp này phát huy tác dụng như khi nào? Khi đường dây của chúng ta kéo quá xa. Công tơ nhà nước lại tính ở đầu trạm. Trường hợp này ta nên bù gần như tối đa 0.95 để giảm tổn thất điện năng

CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG GIẢM SỤT ÁP

Từ công suất tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải :

tổn thất điện áp đường dây

Ta thấy rằng phần tổn hao điện áp do 2 thành phần tạo ra. Thành phần do công suất tác dụng thì ta không thể giảm, nhưng thành phần do công suất phản kháng thì ta hoàn toàn có thể giảm được. Vậy trường hợp này phát huy tác dụng như khi nào? Khi đường dây của chúng ta kéo quá xa, điện áp cuối đường dây sụt giảm nhiều làm động cơ không khởi động được, phát nóng nhiều, dễ cháy. Trường hợp này bạn nên bù đến 0.98 hoặc 1. Nếu bạn đã từng sử dụng máy bơm ở cuối nguồn này sẽ hiểu điện áp tăng thêm được vài volt có ý nghĩa thế nào

CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG GIÚP TĂNG KHẢ NĂNG MANG TẢI CỦA ĐƯỜNG DÂY

Dòng điện chạy trên đường dây gồm 2 thành phần : tác dụng và phản kháng. Nếu ta bù ở cuối đường dây thì dòng phản kháng sẽ bớt. Vậy thì ta có thể cho phép đường dây tải thêm dòng tác dụng, đơn giản thế thôi

CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG GIÚP TĂNG KHẢ MÁY BIẾN ÁP

Từ S=U*I ta thấy rằng dung lượng máy biến áp gồm 2 phần P và Q. Nếu ta bù tốt thì S gần như bằng P => tăng khả năng rồi

Xuân 2020