Tụ bù là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng
Tụ điện được sử dụng trong các hệ thống điện công nghiệp, đặc biệt là khi có các thiết bị cần bù công suất phản kháng. Trong bài tổng hợp dưới đây, BTB Electric sẽ giúp bạn hiểu hơn về đặc điểm cấu tạo, ứng dụng của tụ bù và cách chọn công suất tụ bù điện phù hợp.
Tụ bù là gì?
Tụ bù điện là thiết bị dùng để bù công suất phản kháng, giúp tăng hệ số công suất cosφ trong hệ thống điện. Tụ bù hoạt động bằng cách tích và phóng điện qua hai bản cực được nối với nguồn điện. Tương tự như tụ bù một pha, tụ bù 3 pha gồm ba bản cực được đấu nối với nguồn điện, thay vì hai bản cực như tụ bù một pha. Mỗi bản cực được cấu tạo từ lá nhôm, và các lớp cách điện xen giữa
Mục đích lắp đặt tụ bù trong hệ thống điện là để đảm bảo tính ổn định, an toàn khi vận hành thiết bị điện và nâng hệ số cosφ nhằm tránh bị phạt tiền từ phía điện lực. Đây cũng chính là giải pháp bù công suất phản kháng hiệu quả nhất hiện nay.
Cấu tạo của tụ bù điện
Cấu tạo của tụ bù một pha và ba pha tương đối giống nhau. Cấu tạo cơ bản của tụ bù là hai hoặc ba vật dẫn đặt cạnh nhau, ngăn cách bởi dung môi cách điện. Trong thực tế, tụ bù điện có 2-3 bản cực ở đầu là 2-3 lá nhôm, đặt gần nhau và có các lớp cách điện xen giữa. Toàn bộ kết cấu này được đặt trong bình hàn kín hình trụ, có lớp vỏ aluminum và lớp vỏ nhựa.
Hai hoặc ba đầu bản cực đưa ra ngoài ở phía trên để nối với nguồn điện. Khác với tụ bù hai pha thì tụ bù ba pha được trang bị thêm cơ cấu ngắt điện tự động khi quá tải tránh việc nổ tụ xảy ra, cơ cấu này thường được gọi với cái tên là ngấn phòng nổ.
Nguyên lý hoạt động của tụ bù điện
Tụ điện tiêu thụ một lượng năng lượng nhỏ, chủ yếu do điện trở và điện cảm bên trong gây tổn thất công suất.
Khi công suất điện truyền từ nguồn ra tải thì có 2 loại công suất được sản sinh là công suất phản kháng và công suất tác dụng. Công suất tác dụng hữu ích cho hệ thống còn công suất phản kháng là phần tiêu hao, không sinh ra công nên cần sử dụng tụ bù công suất phản kháng.
Mục đích hoạt động của tụ bù điện để nâng cao hệ số cosφ, bù công suất phản kháng lãng phí khi vận hành thiết bị điện, từ đó làm tăng công suất tác dụng có ích.
Hai loại công suất trên có quan hệ mật thiết với nhau, biểu thị qua các công thức sau:
Trong đó:
- S: Công suất biểu kiến
- P: Công suất tác dụng
- Q: Công suất phản kháng
Thông thường nguồn điện chỉ cung cấp một phần Q và lượng cần thiết còn lại do tụ bù sản sinh để nâng cao cosφ giúp P tăng lên.
Phân loại tụ bù điện
Tụ bù điện được phân loại theo nhiều cách, trong đó phổ biến nhất là theo cấu tạo và theo điện áp.
Phân loại tụ bù theo cấu tạo
Tụ bù khô là loại tụ bù hình trụ dài, nhỏ gọn, phổ biến trong tủ điện công nghiệp. Tụ bù khô được dùng cho các hệ thống điện với mức sóng hài điện áp < 3%, chất lượng điện khá tốt. Dải công suất của tụ bù khô trong khoảng 1kVAr cho đến 50kVAr.
Tụ bù dầu là loại tụ bù hình khối hộp chữ nhật, độ bền cao và công suất đa dạng. Tụ bù dầu được dùng cho tất cả hệ thống bù điện, đặc biệt trong các mạch công suất lớn, chất lượng điện kém và có sóng hài lớn do khả năng chị sóng hài tốt. Dải công suất phổ biến của tụ bù dầu là 10kVAr đến 50kVAr.
Phân loại tụ bù theo điện áp
Khi phân loại tụ bù theo điện áp, có 3 loại là hạ thế, trung thế, cao thế sử dụng cho 3 loại lưới điện tương ứng.
Tụ bù hạ thế
Tụ bù điện hạ thế sử dụng cho lưới điện hạ thế với công suất cosφ thấp, công dụng để bù công suất phản kháng, nâng cao hiệu suất hoạt động của thiết bị và giảm chi phí hóa đơn điện. Tụ bù hạ thế có 2 loại phổ biến nhất là tụ bù hạ thế 1 pha và tụ bù hạ thế 3 pha.
Tụ 1 pha có loại điện áp 230V và 250V. Tụ bù 3 pha có loại điện áp 250V dùng cho mạch điện 220V, loại 415V được dùng cho hệ thống mức điện áp chuẩn 380V và loại 440V dùng cho hệ thống điện áp cao hơn. Ngoài ra còn có loại 480V hay 525V,…
Về cấu tạo, tụ bù 3 pha có 3 cực đấu với nguồn thay vì 2 cực như trên tụ bù 1 pha. Ngoài ra tụ 3 pha được trang bị thêm ngấn phòng nổ – cơ chế tự động ngắt điện tụ bù khi quá tải để tránh nổ tụ.
Tụ bù trung thế
Tụ bù trung thế sử dụng cho lưới điện trung thế có khả năng tích và phóng điện để ổn định điện áp nguồn và bù công suất phản kháng cho các thiết bị. Tụ bù trung thế có các mức điện áp từ 3kV đến 35kV và được chia thành hai loại: loại 1 pha 2 sứ và loại 3 pha 3 sứ.
Tụ bù cao thế
Tụ bù cao thế là thiết bị điện sử dụng để bù trừ công suất phản kháng do các thiết bị cảm kháng như động cơ điện, máy biến áp tạo ra trong hệ thống điện cao thế. Hệ thống điện cao thế thường có điện áp từ 110kV đến 500kV.
Ứng dụng của tụ bù điện trong thực tế
Cách đơn giản để lắp tụ bù là đấu nối trực tiếp vào hệ thống điện song song với dây tải để bù công suất phản kháng. Đây là cách bù tĩnh hoặc bù nền. Nhưng hiện nay cách bù này không còn phổ biến và chỉ được sử dụng để bù cho các hệ thống nhỏ công suất vài chục kW.
Ứng dụng phổ biến nhất của tụ bù điện là lắp đặt trong tủ tụ bù công suất phản kháng với nhiều cấp tụ. Tủ này được điều khiển qua contactor và bộ điều khiển tụ bù để tự động đóng ngắt các tụ bù điện. Bên trong tủ thường bao gồm: Bộ điều khiển tụ bù, các cấp aptomat, contactor cho các cấp tụ, tụ bù, thường có thêm cuộn kháng nhưng cần tính chọn tránh trường hợp lắp cuộn kháng sai sẽ gây phản tác dụng, đồng hồ đo điện, vỏ tụ, dây điện và các vật tư khác.
Công thức tính công suất của tụ bù
Để chọn được tụ bù điện phù hợp cho tải, cần tính toán được công suất P của tải và hệ số cosφ:
- Hệ số công suất của tải: Cosφ1 -> φ1 -> tgφ1 (trước khi bù, cosφ1 nhỏ còn tgφ1 lớn).
- Hệ số công suất sau khi bù: Cosφ2 -> φ2 -> tgφ2 (sau khi bù, cosφ2 lớn còn tgφ2 nhỏ).
- Công suất phản kháng cần bù: Qb = P*(tgφ1 – tgφ2)
Ví dụ có tải với công suất P = 150kW
- Hệ số công suất trước khi bù là cosφ1 = 0,75 → tgφ1 = 0,9.
- Hệ số công suất sau khi bù là Cosφ2 = 0,95 → tgφ2 = 0,35.
- Công suất phản kháng cần bù là Qb = 150*(0,9 – 0,35) = 82,5 kVAr
Còn nếu với những nơi chưa biết rõ tính chất tải và công suất thì ta sẽ chọn công suất bù theo kinh nghiệm thường sẽ bù 50% đến 60% công suất máy biến áp.
=>> Xem chi tiết cách tính toán tại: Hướng dẫn tính dung lượng tụ bù máy biến áp và phụ tải
Cách chọn tụ bù điện phù hợp cho hệ thống
Chọn tụ bù điện ra sao để ứng dụng vào trong các hệ thống điện khác nhau ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu quả hoạt động của tụ cũng như hệ thống điện đó sau này.
Lắp tụ bù cho hệ thống nhỏ
Đặc điểm trong hệ thống sản xuất nhỏ là công suất không cao, hệ thống không quá phức tạp và gần như không có sóng hài, công suất phản kháng thấp. Việc lắp tụ bù hay không tùy từng khu vực đặt hệ thống điện và cân đối tài chính.
Với hệ thống điện nhỏ, lắp tụ bù với phương pháp bù tĩnh là phù hợp. Tủ điện tụ bù trong trường hợp này có cấu tạo khá đơn giản gồm vỏ tủ, 1 aptomat và 1 tụ bù điện công suất thấp không lớn hơn 10kVAr.
Lắp tụ bù cho hệ thống vừa
Đặc điểm trong hệ thống điện cho sản xuất vừa là công suất điện trung bình, công suất phản kháng trung bình, có sóng hài nhưng bé. Hệ thống này chắc chắn cần tụ bù để tiết kiệm điện và không muốn bị phạt tiền thì cần lắp tủ điện tụ bù với nhiều cấp.
Đa số đơn vị chọn tụ bù tự động để tối ưu vận hành và tăng tính chính xác khi đóng ngắt tụ, tăng độ bền cho thiết bị. Tủ tụ bù tự động bao gồm: Vỏ tủ, bộ điều khiển tự động, aptomat cho từng cấp tụ, contactor, tụ bù và các thiết bị hỗ trợ.
Lắp tụ bù cho hệ thống lớn
Trong hệ thống điện công suất lớn, công suất tiêu thụ và công suất phản kháng cao, thường có lắp đặt trạm biến áp riêng. Lắp đặt tủ tụ bù cho hệ thống này ngoài các yêu như với tủ hệ thống vừa thì việc chia cấp tụ bù phức tạp hơn, công suất tụ cao hơn và đa phần cần lắp thêm cuộn kháng để giảm thiểu sóng hài rơi trên tụ, hạn chế nổ tụ bù, giúp tăng tuổi thọ của tụ và giúp tụ hoạt động bình thường ổn định và lâu dài.
Hướng dẫn đấu tụ bù điện
Có 2 phương pháp lắp tụ bù điện phổ biến hiện nay là lắp tụ tĩnh và lắp tụ động.
Cách đấu tụ bù điện tĩnh
Phương pháp đấu tụ bù tĩnh sử dụng một hoặc nhiều tụ bù đấu song song. Cơ chế bù tĩnh tạo ra lượng công suất bù không đổi trong mọi điều kiện. Người sử dụng có thể điều khiển tụ bằng tay hoặc bán tự động. Ưu điểm của phương pháp này là dễ lắp đặt, chi phí rẻ tuy nhiên hiệu quả không cao, dễ gây tổn hao năng lượng.
Các bước lắp đặt tụ bù điện tĩnh:
- Bước 1 – Lắp aptomat: Lắp đúng vị trí aptomat vào trong tủ tụ bù và đấu đúng các mạch dây pha, dây trung tính tới các cực nguồn, cực tải.
- Bước 2 – Nối tụ bù vào aptomat: Đấu đúng cực âm – dương của tụ với dây pha – trung tính, sau đó nối tụ với aptomat.
- Bước 3 – Gắn dây trung hòa (nếu có): Nối dây trung hòa từ tụ bù tới dây trung hòa của nguồn.
- Bước 4 – Cố định tụ bù: Gắn tụ bù lên giá đỡ hoặc thanh ray trên tủ điện.
- Bước 5 – Kiểm thử và vận hành tủ: Kiểm tra điện áp tại các điểm nối, quan sát hoạt động của tụ sau khi đóng điện và theo dõi chỉ số công suất, điện áp,… của hệ thống.
Cách đấu tụ bù điện động
Phương pháp đấu tụ bù động là sử dụng tụ bù với bộ điều khiển tự động, tăng tính chính xác khi vận hành, tự động giám sát các chỉ số và thay đổi dung lượng tụ khi cần. Cách đấu này giúp hệ thống điện đạt tính ổn định công suất cao, hạn chế bù thừa tuy nhiên chi phí cao.
Các bước lắp đặt tụ bù điện động tương tự như với hệ thống điện tĩnh, bên cạnh đó có thêm bước kết nối tụ bù điện với hệ thống điều khiển và căn chỉnh dung lượng tụ bù. Sau khi lắp đặt xong, cần kiểm tra hệ thống công suất, hoạt động của tụ bù và các thiết bị, test điều khiển tự động.
Cách xả điện cho tụ bù
Trước khi sửa chữa, vận chuyển hay bảo trì, thay thế tụ bù điện đều cần xả tụ để đảm bảo an toàn tránh cháy nổ. Cách xả điện duy nhất cho tụ bù là lắp điện trở vào các cực và xả điện.
Tuyệt đối không sử dụng các biện pháp xả tụ tự phát như dùng tua vít hay kìm kẹp cá sấu. Các phương pháp này đều là dạng thủ công, không kiểm soát được lượng điện xả rất dễ gây chập cháy, nguy hiểm cho người thực thi.
Sau khi xả tụ, cần kiểm tra điện áp giữa các cực tụ bằng đồng hồ vạn năng, đảm bảo điện áp về 0. Khi xả cần trang bị quần áo bảo hộ, vị trí xả thoáng mát, tránh xa nguồn nước và vật liệu dễ cháy.
Chọn sử dụng tụ bù khô BTB Electric
Sản phẩm tụ bù khô BTB Electric là loại tụ bù khô 3 pha, dải công suất từ 5 kVAr đến 30 kVAr, thích hợp cho đa dạng hệ thống tủ điện tụ bù. Sản phẩm chỉ tổn hao chưa tới 0,2W/kVAr, độ bền đạt 130.000 giờ hoạt động. Dòng điện tối đa cho phép qua tụ là 1,5 In, dòng khởi động tối đa 200 In và trên tụ có trang bị bộ ngắt dòng khi quá áp.
Tụ bù công suất phản kháng BTB Electric đã có mặt trong nhiều hệ thống tủ điện tụ bù tại nhà máy sản xuất vừa và lớn trên cả nước, được khách hàng đánh giá cao về chất lượng sản phẩm và chính sách bảo hành tốt. Tham khảo thông tin sản phẩm tại: https://btb-electric.com/vi/tu-bu-kho/
