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

Công suất phản kháng là một trong hai loại công suất đều xuất hiện trong hệ thống điện, bên cạnh công suất hữu ích. Mục tiêu khi vận hành điện là bù công suất phản kháng để tăng hiệu quả hoạt động cho thiết bị và giảm chi phí. Cùng BTB Electric tìm hiểu các phương pháp tính đo công suất phản kháng và phương pháp bù trong bài viết sau.

Công suất phản kháng Q là gì?

Trong hệ thống điện thường tồn tại hai loại công suất: công suất P là công suất hữu dụng và công suất Q là công suất vô dụng. Công suất cảm kháng chính là công suất Q hay năng lượng vô công, được sản sinh bởi tính cảm ứng của các thiết bị phụ tải như máy biến áp, biến tần, động cơ điện,… Tuy nhiên loại công suất này góp phần quan trọng để tạo nên từ trường. Nếu không có công suất Q thì các phụ tải có tính cảm không thể khởi động.

Công thức tính công suất cảm kháng 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

Bản chất trên mạch điện 1 chiều DC, không có sự khác biệt giữa công suất biểu kiến S và công suất thực P nên không sản sinh ra công suất phản kháng Q. Do vậy Q chỉ xuất hiện trên mạch xoay chiều AC.

Trong mạch xoay chiều, tích số U x I chính là công suất biểu kiến S. Trong mạch điện thuần trở, dòng điện và điện áp cùng pha với nhau, tức góc φ = 0 độ hay sinφ = 0 và dẫn đến Q = 0. Khi đó cũng không xuất hiện công suất cảm kháng.

Nhưng trong thực tế, mạch xoay chiều chứa nhiều thành phần của kháng khiến dòng điện và điện áp bị lệch pha với nhau. Nếu góc φ đạt tới 90 độ tức sinφ = 1, Q = S, do vậy mạch AC phản kháng đã trả lại cho lưới điện một lượng công suất đúng bằng công suất tiêu thụ. Khi đó công suất phản kháng là lớn nhất và mạch điện hoạt động kém hiệu quả nhất.

Lợi ích khi bù công suất phản kháng

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

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

• Giảm tổn thất công suất trên phần tử truyền tải điện
• Giảm tổn thất điện áp phía phụ 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 là 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 điện như tụ bù hay máy bù đồng bộ. Trong bài viết này chúng tôi sẽ tập trung vào phương pháp dùng tụ bù điện.

Công thức tính lượng Q cần bù

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

Trong đó: 

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

Những cách bù công suất phản kháng theo tự nhiên

Phương pháp bù công suất phản kháng tự nhiên tức là điều chỉnh thông số trong mạch điện để giảm bớt việc sản sinh lượng công suất này như:

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

Những cách bù công suất phản kháng theo đóng cắt tụ bù

Bù tĩnh là bố trí cố định tụ bù với dung lượng đóng cắt bù không đổi. Việc đóng cắt có thể dùng tay với CB hoặc LBS; bán tự động với contactor hoặc mắc trực tiếp vào tải để bù đồng thời khi đóng tải. Phương pháp này dễ thực thi, chi phí không cao nhưng chỉ nên áp dụng cho tải ít có sự thay đổi về công suất.

Bù động là sử dụng tụ bù đi kèm bộ điều khiển tụ bù (hay relay hệ số công suất) với khả năng thay đổi dung lượng đóng cắt bù linh hoạt theo yêu cầu của hệ thống. Phương pháp này có thể áp dụng cho đa dạng trường hợp công suất tải nhưng chi phí cao hơn bù tĩnh nên được áp dụng tại các vị trí mà công suất trong mạch thường xuyên thay đổi lớn.

Những cách bù công suất phản kháng theo vị trí đặt tụ bù

Bù riêng là phương pháp đặt tụ bù nối trực tiếp vài thiết bị điện có tính cảm kháng, công suất tụ phù hợp với công suất động cơ. Phương pháp này được sử dụng khi công suất của thiết bị điện lớn, chiếm tỷ lệ đáng kể trong mạch điện. Ưu điểm của phương pháp này là lắp đặt dễ dàng, gọn gàng và xử lý tốt việc bù công suất cho thiết bị đó. Ngược lại thì bù riêng chỉ hoạt động khi động cơ hoạt động và dễ gây kích từ với động cơ.

Bù theo nhóm là phương pháp đặt tụ bù nối tiếp nhóm thiết bị điện trong cùng khu vực, tức là dạng bù riêng cho cụm thiết bị. Ưu điểm của phương pháp là giảm dòng điện tới tủ phân phối điện các cấp, giảm tiết diện dây dẫn và giảm tổn hao công suất truyền tải từ tủ phân phối. Nhưng nhược điểm là khi tải thay đổi công suất dễ khiến bù dư và quá tải.

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

Việc lựa chọn phương pháp bù công suất phản kháng nào đều cần xem xét tới quy mô, tính chất của mạng điện và chi phí đầu tư, khả năng vận hành sau này. Bạn có thể tham khảo sản phẩm tụ bù khô BTB Electric là giải pháp lý tưởng để hạn chế công suất phản kháng, nâng cao hiệu quả vận hành mạng điện.