Công suất phản kháng là gì? Các biện pháp nâng cao hệ số công suất phản kháng

Trong hệ thống điện, ngoài công suất hữu dụng P trực tiếp sinh công, còn tồn tại một loại công suất đặc biệt là công suất phản kháng (Q). Đây là phần công suất “vô ích” sinh ra do đặc tính cảm ứng của các thiết bị điện như động cơ, máy biến áp, hay các bộ biến đổi điện áp. Loại công suất này không trực tiếp tạo ra năng lượng hữu dụng, nhưng lại ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả vận hành lưới điện và thiết bị.

Trong bài viết dưới đây, Dianyo PowerGen sẽ cùng bạn tìm hiểu chi tiết công suất phản kháng là gì,ảnh hưởng của công suất phản kháng và ý nghĩa thực tiễn của nó trong sản xuất hiện nay.

Khái niệm công suất phản kháng (Q)

Công suất phản kháng (Reactive Power - Q) là một thành phần đặc biệt trong hệ thống dòng điện xoay chiều, được sinh ra bởi các phần tử cảm kháng như cuộn dây, động cơ điện hay máy biến áp. Khác với công suất hữu ích (P) trực tiếp sinh công, công suất phản kháng không tạo ra năng lượng hữu dụng nhưng lại đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và duy trì từ trường của các thiết bị điện.

Loại công suất này được ví như “năng lượng vô công” bởi nó không trực tiếp biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng, nhưng lại không thể thiếu để thiết bị hoạt động ổn định. Đặc biệt, với các tải cảm như động cơ điện, máy bơm, quạt công nghiệp, công suất phản kháng chính là yếu tố giúp tạo ra từ trường trong giai đoạn khởi động. Nếu thiếu đi công suất phản kháng, các thiết bị này sẽ không thể khởi động hoặc vận hành đúng cách.

Trong máy phát điện công nghiệp, công suất phản kháng đóng vai trò trong việc duy trì sự cân bằng điện áp và ổn định hệ thống. Đây cũng là lý do các nhà máy, xí nghiệp thường phải quan tâm đến việc bù công suất phản kháng để nâng cao hiệu suất truyền tải, giảm tổn thất điện năng và đảm bảo hệ số công suất đạt mức tối ưu.

Phân tích công suất phản kháng (Q) trên mạch DC và AC

Trong hệ thống điện, việc phân tích công suất phản kháng (Q) trên mạch một chiều (DC) và mạch xoay chiều (AC) có sự khác biệt rõ rệt:

Trên mạch một chiều (DC)

Trong mạch điện một chiều DC, tích số của điện áp (V) và dòng điện (A) phản ánh trực tiếp năng lượng tiêu thụ trong mạch. Ở đây, điện áp và dòng điện luôn cùng pha, nên năng lượng điện được chuyển đổi hoàn toàn thành công hữu ích (P). Do đó, trong mạch DC không tồn tại công suất phản kháng (Q).

Tức là toàn bộ công suất tiêu thụ trong mạch DC đều được biến đổi thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng hoặc ánh sáng mà không có phần năng lượng “vô công” nào quay ngược về nguồn.

Trên mạch xoay chiều (AC)

Đối với mạch điện xoay chiều, phân tích trở nên phức tạp hơn vì ngoài thành phần điện trở còn có các phần tử cảm kháng và dung kháng. Khi đó, tích số Vôn x Ampe (V-A) không chỉ phản ánh công suất hữu ích (P) mà còn có thêm phần công suất phản kháng (Q).

Trong mạch xoay chiều thuần trở:

- Điện áp và dòng điện cùng pha với nhau.

- Năng lượng tiêu thụ tại một thời điểm được tính bằng tích số điện áp và dòng điện.

- Công suất biểu kiến (S) và công suất hữu ích (P) có giá trị bằng nhau, không tồn tại Q.

Trong mạch xoay chiều có tính phản kháng:

- Dạng sóng của điện áp và dòng điện lệch pha nhau một góc φ.

- Khi đó, công suất biểu kiến (S) được chia thành 2 thành phần: Công suất hữu ích (P) tạo ra công có ích và công suất phản kháng (Q) năng lượng bị trao đổi qua lại giữa tải và nguồn.

Nếu góc lệch pha φ đạt tới 90°, khi đó tích số trung bình V-A = 0 thì toàn bộ công suất tiêu thụ chỉ tồn tại dưới dạng công suất phản kháng (Q), tức là mạch vừa nhận vừa trả năng lượng về nguồn mà không sinh công hữu ích.

Công suất phản kháng chỉ tồn tại trong mạch xoay chiều có thành phần phản kháng và chính nó là yếu tố gây nên sự chênh lệch giữa công suất biểu kiến (S) và công suất hữu ích (P). 

Ảnh hưởng của công suất phản kháng

Công suất phản kháng (Q), mặc dù không trực tiếp tạo ra công hữu ích, nhưng lại gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực cả về kinh tế lẫn kỹ thuật trong hệ thống điện.

Ảnh hưởng về kinh tế

Công suất phản kháng không sinh ra công có ích, do đó phần năng lượng này được coi là lãng phí. Khi tỷ lệ công suất phản kháng trong hệ thống cao, chi phí vận hành và đầu tư thiết bị điện cũng tăng theo, cần xây dựng hệ thống dây dẫn, máy biến áp và máy phát điện công nghiệp có công suất lớn hơn để đáp ứng cả phần Q “vô ích”.

Ảnh hưởng về kỹ thuật

Về mặt kỹ thuật, công suất phản kháng gây ra:

- Sụt áp trên đường dây: Khi Q tăng, điện áp trên lưới giảm, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp cho thiết bị.

- Tổn thất công suất trên đường truyền: Q làm tăng dòng điện trên đường dây, từ đó làm gia tăng tổn thất công suất và nhiệt lượng, gây giảm hiệu quả truyền tải điện.

Quy định và yêu cầu bù công suất phản kháng

Để hạn chế ảnh hưởng tiêu cực, cần thực hiện bù công suất phản kháng hoặc nâng cao hệ số công suất cosφ. Theo quy định của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), hệ số công suất cosφ đối với điện áp hạ thế phải đạt từ 0,90 trở lên.

Mục đích của quy định này là giảm tổn thất công suất trên các phần tử của hệ thống điện (máy biến áp, đường dây…). giảm sụt áp trên lưới truyền tải và nâng cao khả năng truyền tải điện của đường dây và máy biến áp.

Cách tính công suất phản kháng cần bù

Để xác định dung lượng tụ bù công suất phản kháng cần thiết cho một tải điện, trước hết ta cần biết công suất tác dụng P (đơn vị kW) và hệ số công suất cosφ của tải.

• Giả sử tải có công suất P, hệ số công suất trước khi bù là cosφ1, khi đó tính được tgφ1.

• Hệ số công suất mong muốn sau khi bù là cosφ2, tương ứng với tgφ2.

Khi đó, công suất phản kháng cần bù được tính theo công thức:

Qb = P*(tgφ1 – tgφ2)

Trong đó:

• Qb: Công suất phản kháng cần bù (kVAr)

• P: Công suất tác dụng của tải (kW)

• φ1, φ2: Góc lệch pha trước và sau khi bù

Công thức này giúp xác định chính xác dung lượng tụ bù cần thiết để nâng cao hệ số công suất, giảm tổn thất và tối ưu hiệu quả vận hành.

Các biện pháp nâng cao hệ số công suất phản kháng

Có 2 phương pháp chính để cải thiện hệ số công suất phản kháng, bao gồm nâng cao hệ số cosφ tự nhiên và nâng cao hệ số cosφ nhân tạo.

Phương pháp nâng cao hệ số cosφ tự nhiên

Đây là cách giảm bớt lượng công suất phản kháng mà hộ tiêu thụ điện cần từ nguồn cung cấp, thông qua cải tiến và tối ưu vận hành:

- Thay đổi hoặc cải tiến quy trình công nghệ để thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất.

- Thay thế động cơ non tải bằng động cơ có công suất phù hợp.

- Hạn chế tình trạng động cơ chạy không tải.

- Ứng dụng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ ở những nơi công nghệ cho phép.

- Sử dụng máy biến áp có dung lượng phù hợp thay thế cho biến áp non tải.

Phương pháp nâng cao hệ số cosφ nhân tạo

Phương pháp này được áp dụng bằng cách bù công suất phản kháng trực tiếp tại hộ tiêu thụ, thông qua các thiết bị chuyên dụng.

- Máy bù đồng bộ: Có khả năng vừa sản xuất vừa tiêu thụ công suất phản kháng, thích hợp cho bù tập trung dung lượng lớn. Tuy nhiên, có phần quay, nên việc lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng phức tạp.

- Bù bằng tụ điện: Không có phần quay, dễ dàng lắp đặt, vận hành và bảo dưỡng. Có thể thay đổi dung lượng tụ bù theo nhu cầu tải. Giá thành thấp hơn so với máy bù đồng bộ. Tuy nhiên, phương pháp này nhạy cảm với biến động điện áp, dễ hư hỏng khi quá áp hoặc ngắn mạch, tuổi thọ giới hạn, cần thay thế định kỳ, khi đóng/cắt tụ có thể sinh dòng xung hoặc điện áp dư gây nguy hiểm cho người vận hành. Tụ bù thường được ứng dụng để bù công suất phản kháng tại các hộ tiêu thụ có quy mô vừa và nhỏ (dưới 5000 kVAr).

Kết luận

Công suất phản kháng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống điện hoạt động ổn định, tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sản xuất. Việc áp dụng các biện pháp nâng cao hệ số công suất phản kháng, từ cải tiến công nghệ đến sử dụng thiết bị bù như máy bù đồng bộ hoặc tụ điện, sẽ giúp doanh nghiệp tối ưu hóa chi phí vận hành và hạn chế tổn thất điện năng.

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng máy phát điện công nghiệp ngày càng cao, việc hiểu rõ và quản lý tốt công suất phản kháng sẽ là nền tảng để các đơn vị vận hành hệ thống điện bền vững, an toàn và kinh tế hơn. Liên hệ ngay với Dianyo PowerGen để được tư vấn chi tiết qua Hotline: 058 553 7777 hoặc truy cập website: https://dianyopowergen.com/