Công suất phản kháng gắn với sự trao đổi năng lượng trong mạch điện xoay chiều. Động cơ và máy biến áp cần công suất phản kháng để hình thành từ trường khi hoạt động. Với cùng công suất tác dụng và điện áp, nhu cầu phản kháng tăng làm tăng dòng điện phía nguồn. Điều này làm tăng tổn hao và sụt áp trên đường cấp điện. Vì vậy, bù công suất phản kháng phù hợp giúp giảm dòng điện và cải thiện hệ số công suất.

1. Công suất phản kháng là gì?

Công suất phản kháng là thành phần công suất liên quan đến trao đổi năng lượng trong mạch xoay chiều. Cuộn cảm tích trữ năng lượng trong từ trường, còn tụ điện tích trữ năng lượng trong điện trường. Các phần tử này luân phiên nhận và hoàn trả năng lượng trong mỗi chu kỳ. Đại lượng này có ký hiệu Q, với đơn vị đo là var hoặc kvar. Trong đó, 1 kvar tương đương 1.000 var.

Động cơ không đồng bộ và máy biến áp khô cần công suất phản kháng để hình thành từ trường. Theo quy ước, tải cảm hấp thụ công suất phản kháng, còn tụ điện cung cấp công suất phản kháng. Q không biểu thị phần công suất chuyển thành cơ năng, nhiệt hoặc ánh sáng. Tuy nhiên, dòng điện phản kháng vẫn gây tổn hao trên điện trở của đường dây. Tổn hao này thuộc công suất tác dụng của hệ thống.

Công suất phản kháng

2. Mối quan hệ giữa công suất phản kháng và hệ số công suất

Hệ số công suất PF là tỷ lệ giữa công suất tác dụng P và công suất biểu kiến S. Công thức tổng quát là PF = P/S, với P tính bằng kW và S tính bằng kVA. Trong điều kiện hình sin, PF = cos φ và S² = P² + Q². Hai quan hệ này áp dụng cho mạch một pha hoặc mạch ba pha cân bằng. Trong đó, Q là công suất phản kháng, tính bằng kvar. Ký hiệu φ, đọc là phi, biểu thị góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện.

Với công suất tác dụng không đổi, độ lớn công suất phản kháng tăng làm hệ số công suất giảm. Ví dụ, tải tiêu thụ 100 kW với PF bằng 0,8 cần công suất biểu kiến 125 kVA. Khi PF đạt 0,95, cùng mức công suất tác dụng chỉ cần khoảng 105,3 kVA. Ở cùng điện áp, dòng điện phía nguồn cũng giảm. Tuy nhiên, khi có sóng hài, PF tổng còn chịu ảnh hưởng của méo dạng sóng. Vì vậy, PF tổng có thể khác cos φ của thành phần cơ bản.

3. Tại sao phải bù công suất phản kháng?

Bù công suất phản kháng phù hợp giúp cải thiện hệ số công suất và giảm dòng điện phía nguồn. Tụ bù cấp công suất phản kháng tại chỗ cho tải cảm, giảm phần phải nhận từ nguồn. Với cùng công suất tác dụng và điện áp, hệ thống cần truyền tải dòng điện nhỏ hơn. Tổn hao trên điện trở tỷ lệ với bình phương dòng điện khi điện trở không đổi. Do đó, giảm dòng điện giúp hạn chế tổn hao trên đường dây. Đồng thời, việc giảm thành phần dòng điện phản kháng giúp hạn chế sụt áp trên đường cấp điện. Các lợi ích này tập trung ở phần mạng phía trước điểm bù.

Việc bù còn giảm công suất biểu kiến mà máy biến áp và đường dây phải đáp ứng. Chẳng hạn, bù phù hợp phía hạ áp giúp giảm dòng điện qua máy biến áp dầu. Qua đó, máy có thêm khả năng cấp tải trong giới hạn định mức. Chi phí điện năng phản kháng có thể giảm nếu hợp đồng mua bán điện áp dụng khoản này. Tuy nhiên, mức bù cần dựa trên số liệu đo thực tế và sự thay đổi của phụ tải. Việc lựa chọn cũng cần cân nhắc chi phí đầu tư và bảo trì hệ thống bù.

4. Các phương án bố trí và điều khiển tụ bù

Trong hệ thống hạ áp, tụ bù được phân loại theo cách điều khiển và vị trí lắp đặt. Về điều khiển, hai hình thức phổ biến là bù cố định và bù tự động. Bù cố định dùng bộ tụ có dung lượng xác định, phù hợp với phụ tải tương đối ổn định. Tụ có thể đóng cắt cùng thiết bị để tránh tiếp tục bù khi tải ngừng hoạt động. Với phụ tải thay đổi, bù tự động đóng hoặc cắt từng cấp tụ theo nhu cầu. Bộ điều khiển theo dõi hệ số công suất để điều chỉnh mức bù quanh giá trị đặt.

Theo vị trí, tụ bù được bố trí tập trung, theo nhóm hoặc riêng cho từng thiết bị. Bù tập trung đặt bộ tụ tại thanh cái của tủ phân phối hạ áp tổng. Cách này giảm nhu cầu phản kháng từ nguồn, nhưng không giảm dòng phản kháng trên các nhánh phía sau. Bù theo nhóm đặt tụ tại tủ phân phối cấp điện cho một khu vực hoặc nhóm tải. Bù riêng đặt tụ gần đầu cực thiết bị, như động cơ có nhu cầu phản kháng đáng kể. Mỗi vị trí có thể áp dụng bù cố định hoặc tự động, tùy đặc điểm phụ tải.

Tủ tụ bù công suất MBT

5. Cách tính dung lượng bù công suất phản kháng

Để tính dung lượng bù, cần xác định công suất tác dụng và hệ số công suất tại điểm bù. Với tải cảm, công thức tính là Qc = P × (tan φ₁ − tan φ₂). Trong đó, Qc tính bằng kvar, còn P là công suất tác dụng, tính bằng kW. φ₁ và φ₂ là góc lệch pha trước bù và sau bù. Hai góc tương ứng với hệ số công suất ban đầu và mục tiêu. Công thức áp dụng khi điện áp và dòng điện hình sin; hệ ba pha cần cân bằng. Để tính tan φ, dùng quan hệ tan φ = √[1/(cos φ)² − 1].

Ví dụ, phụ tải của máy biến áp dầu 3 pha tiêu thụ 100 kW với cos φ₁ = 0,8. Mục tiêu sau bù là cos φ₂ = 0,95. Khi đó, tan φ₁ = 0,75 và tan φ₂ ≈ 0,329. Dung lượng bù cần thiết là Qc ≈ 100 × (0,75 − 0,329) = 42,1 kvar. Đây là kết quả tại mức tải đang xét, cần kiểm tra thêm khi phụ tải thay đổi. Việc chọn cấp tụ còn phụ thuộc mức biến động phụ tải và điều kiện vận hành. Khi có sóng hài, cần đánh giá riêng trước khi chọn thiết bị bù.

6. Lưu ý khi lắp đặt, vận hành và bảo trì

Trước khi lắp hệ thống bù công suất phản kháng, cần đo tải và đánh giá sóng hài. Dung lượng và các cấp tụ phải phù hợp nhu cầu phản kháng thực tế. Bù dư khi tải giảm có thể làm tăng điện áp tại điểm lắp tụ. Nếu sóng hài đáng kể, cần xét nguy cơ cộng hưởng giữa tụ và điện cảm của hệ thống. Cuộn kháng nối tiếp phù hợp giúp hạn chế cộng hưởng và quá tải tụ. Khi chọn điện áp định mức của tụ, cần xét mức tăng điện áp do cuộn kháng.

Với tủ điện trạm điện do MBT cung cấp, cần bảo đảm thông gió và tản nhiệt cho tụ bù. Vỏ kim loại của tủ và tụ phải được nối đất. Cáp, thiết bị đóng cắt và bảo vệ phải phù hợp dòng điện, kể cả ảnh hưởng sóng hài. Trong vận hành, cần theo dõi hệ số công suất, dòng điện và nhiệt độ các cấp tụ. Định kỳ kiểm tra mối nối và dấu hiệu phồng hoặc hư hỏng của tụ. Trước bảo trì, phải cô lập nguồn, xả điện và đo xác nhận hết điện áp trên tụ. Thời gian đóng lại tụ phải tuân thủ hướng dẫn của nhà sản xuất. Việc bảo trì cần do nhân viên kỹ thuật đủ năng lực thực hiện.