kVAr là gì? Phân biệt kVAr với kVA, kW và kVArh

kVAr là đơn vị đo lường xuất hiện phổ biến trong các hệ thống điện công nghiệp, đặc biệt là các ứng dụng sử dụng loại tải cảm ứng như động cơ điện, máy biến áp và các bộ biến đổi điện áp. kVAr rất dễ bị nhầm lẫn với kVA hay kW. Vậy chính xác kVAr là gì? Cách phân biệt với các đơn vị trên ra sao? Bạn hãy theo dõi bài viết sau đây của BTB Electric để tìm hiểu. 

kVAr là gì?

kVAr là đơn vị của công suất phản kháng (tên tiếng Anh là Kilovolt-Ampere Reactive). 

Công suất phản kháng (còn được gọi là công suất hư kháng, công suất ảo) được hiểu là năng lượng vô công, sinh ra bởi các thành phần phản kháng trong hệ thống điện xoay chiều AC như cuộn kháng và tụ bù.

Công suất phản kháng đóng góp vào quá trình tạo nên từ trường khi khởi động, có vai trò quan trọng đối với các tải có tính cảm (động cơ, máy biến áp) và tải điện dung (tụ điện). Loại công suất này được chuyển về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ do sự chênh lệch giữa hiệu điện thế (U) và cường độ dòng điện (I). kVAr càng cao sẽ làm tăng tổn thất đường dây và làm giảm hiệu suất hệ thống.

Tuy không có lợi cho mạch điện nhưng công suất ảo Q cần thiết để duy trì mức điện áp cần thiết cho công suất thực tế thực hiện công việc hữu ích.

Công thức tính kVAr

kVAr biểu thị sự chênh lệch giữa 2 đại lượng U và I. Khi có giá trị hiệu điện thế và cường độ dòng điện, công thức tính kVAr được áp dụng như sau:

Trong đó:

• Q: Công suất phản kháng (kVAr)
• U: Điện áp (V)
• I: Dòng điện (A)
• φ: Độ lệch pha giữa hiệu điện thế (U) và dòng điện (I) 

Tại sao phải bù công suất phản kháng?

Lưới điện tồn tại 2 loại công suất phổ biến:

• Công suất tác dụng P (kW): Là công suất sinh ra công có ích trong các phụ tải. 
• Công suất phản kháng Q (kVAr): Là công suất vô ích, sinh ra do tính cảm ứng của động cơ điện, máy biến áp, các bộ biến đổi điện áp…

Hai loại công suất này có quan hệ mật thiết với nhau, biểu thị qua các công thức:

Trong đó:

• S: Công suất biểu kiến
• P: Công suất tác dụng
• Q: Công suất phản kháng

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

• Kinh tế: Người sử dụng phải trả tiền cho lượng công suất phản kháng tiêu thụ. 
• Kỹ thuật: Công suất phản kháng gây ra sụt áp và tổn thất công suất trên đường truyền.

Vì vậy, cần có biện pháp bù công suất phản kháng Q, tức là nâng cao hệ số cos phi để hạn chế ảnh hưởng của loại công suất vô ích này.

Lợi ích khi nâng cao hệ số công suất cosφ:

• Tránh bị phạt tiền từ Điện lực (theo Thông tư Quy định về mua, bán công suất phản kháng có hiệu lực từ 10/12/2014 của Bộ Công thương).
• Giảm tổn thất công suất trên các phần tử của hệ thống cung cấp điện (máy biến áp, đường dây…). 
• Giảm tổn thất điện năng trên đường truyền tải đường dài. 
• Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp.

Biện pháp nâng cao công suất phản kháng

Trước khi bù công suất phản kháng, cần phải tính lượng Q cần bù. Công thức tính công suất phản kháng cần bù: 

Trong đó: 

• Qb: là lượng công suất cần bù (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

Sau khi tính được Q bù, có thể áp dụng 2 phương pháp nâng cao công suất phản kháng theo cách tự nhiên hoặc nhân tạo. 

Nâng cao hệ số Cosφ tự nhiên

Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên, tức là tìm các biện pháp để điều chỉnh hệ số công suất trên hệ thống điện hiện có. Một số biện pháp có thể áp dụng như:

• Cải tiến công nghệ để tối ưu hiệu suất thiết bị. 
• Thay thế động cơ làm việc non tải bằng những động cơ có công suất nhỏ hơn. 
• Hạn chế sử dụng động cơ chạy không tải. 
• Thay thế động cơ không đồng bộ bằng động cơ đồng bộ.
• Thay biến áp làm việc non tải bằng máy biến áp có dung lượng nhỏ. 

Nâng cao hệ số Cosφ nhân tạo

Phương pháp này bản chất là sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng để tránh tiền phạt từ Điện lực. Các thiết bị này gồm: 

Máy bù đồng bộ

Đây chính là động cơ đồng bộ làm việc trong chế độ không tải. 

• Ưu điểm: Có khả năng sản xuất công suất phản kháng, cũng có khả năng tiêu thụ công suất phản kháng của mạng điện. 
• Nhược điểm: Quá trình lắp ráp, bảo dưỡng và vận hành phức tạp. Máy bù đồng bộ thường để bù tập trung với dung lượng lớn nên không phù hợp với quy mô hộ gia đình, xưởng sản xuất nhỏ.

Tụ bù điện

Sử dụng tụ bù điện làm cho dòng điện sớm pha hơn so với điện áp, từ đó có thể sinh ra công suất phản kháng và cải thiện hệ số công suất, hoạt động chống lại tải cảm ứng bằng cách cung cấp công suất phản kháng dẫn đầu. 

Ưu điểm: 

• Công suất nhỏ, dễ vận hành và bảo dưỡng. 
• Có thể thay đổi dung lượng tụ bù theo sự phát triển của tải. 
• Giá thành thấp hơn máy bù đồng bộ. 

Nhược điểm: 

• Nhạy cảm với sự biến động của điện áp, dễ bị hư hỏng khi ngắn mạch hoặc quá áp.
• Tuổi thọ tụ bù có giới hạn. 
• Khi đóng tụ bù vào mạng điện sẽ xuất hiện dòng điện xung, đến lúc cắt tụ điện vẫn còn điện áp dư trên cực của tụ có thể gây nguy hiểm cho người vận hành. 

Có 2 phương thức bù công suất phản kháng bằng tụ bù, gồm:

• Bù tĩnh (bù nền) là phương thức cố định tụ bù với dung lượng đóng cắt bù không đổi. Việc điều khiển có thể thực hiện bằng 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 có ưu điểm đơn giản, chi phí không cao nhưng chỉ nên áp dụng cho tải ít có sự thay đổi về công suất để tránh bù thừa.
• Bù động là sử dụng tụ bù kèm bộ điều khiển tụ bù tự động, có khả năng thay đổi dung lượng tụ bù nhằm đảm bảo hệ số công suất đạt giá trị mong muốn. Biện pháp này không gây ra hiện tượng bù thừa nhưng chi phí lại lớn hơn bù tĩnh. Vì vậy, bù động chỉ nên áp dụng tại các vị trí mà công suất tác dụng và công suất phản kháng thay đổi trong phạm vi rất rộng.

Bộ lọc sóng hài AHF

Không chỉ có chức năng lọc sóng hài, AHF còn được thiết kế để chuyển hướng dòng tải điện nhằm cân bằng các pha và bù công suất phản kháng. Tuy nhiên, thiết bị này chỉ phù hợp với hệ thống máy móc trong các khu công nghiệp, không phù hợp với hộ gia đình do chi phí đầu tư lớn. 

Phân biệt kVAr với kVA, kW và kVArh

Mối quan hệ giữa kW, kVA và kVAr

• kVA (Kilovolt-ampe) là đơn vị đo công suất biểu kiến, cho biết tổng công suất sử dụng trong một hệ thống, bao gồm cả công suất thực và công suất phản kháng.
• kW (Kilowatt) là đơn vị công suất thực tế để tải thực hiện công việc có ích.
• kVAr (Kilovolt-ampe phản kháng) là đơn vị công suất phản kháng, biểu thị công suất dao động giữa nguồn và các thành phần phản kháng như cuộn cảm và tụ điện.

Mối quan hệ giữa 3 đại lượng này được thể hiện như sau: 

Trong đó: 

• S: Công suất biểu kiến (kVA)
• P: Công suất thực tế (kW)
• Q: Công suất phản kháng (kVAr)

Dựa vào công thức trên, hệ số công suất được tính: Đây cũng chính là giá trị cosφ: PF = cosφ

Công suất phản kháng được tính khi biết công suất biểu kiến và công suất thực tế: 

Ví dụ: Một hệ thống có công suất thực tế 200kW, hệ số công suất = 0.8. 

Công suất biểu kiến được tính: 

Công suất phản kháng tính được:

Phân biệt kVAr với kVArh

kVAr đề cập đến công suất phản kháng, trong khi kVArh đề cập đến năng lượng phản kháng:

• kVAr là thước đo công suất phản kháng tức thời trong hệ thống điện, biểu thị công suất dao động giữa nguồn và tải. 
• kVArh (kilovolt) là đơn vị đo năng lượng phản kháng được tiêu thụ hoặc tạo ra trong một khoảng thời gian nhất định, biểu thị sự tích lũy công suất phản kháng theo thời gian.

Một số câu hỏi về kVAr

Câu hỏi 1: kVar có xuất hiện ở mạch điện 1 chiều DC không?

Trả lời: Bản chất 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 kVAr chỉ xuất hiện trên mạch xoay chiều AC.

Câu hỏi 2: kVAr ảnh hưởng đến hóa đơn điện thế nào?

Trả lời: Nếu hệ số công suất cosΦ thấp (do kVAr cao), các đơn vị tiêu thụ điện sẽ bị Điện lực tính phí phạt. Việc bù công suất phản kháng giúp tiết kiệm hóa đơn tiền hàng tháng.

Câu hỏi 3: Làm thế nào để đo kVAr trong hệ thống?

Trả lời: Cách đơn giản nhất là dùng đồng hồ đo công suất phản kháng (kVAr meter) hoặc thiết bị phân tích điện năng (Power Analyzer).