Hệ số công suất là gì? Ý nghĩa của hệ số công suất

Hệ số công suất là gì? Chúng có ý nghĩa gì mà các doanh nghiệp, hay nhà máy sản xuất lại đặc biệt quan tâm đến hệ số công suất trong quá trình sử dụng nguồn điện cấp từ điện lưới Quốc gia trong quá trình sản xuất của mình như vậy?

Tất cả câu trả lời sẽ có ở bên dưới, chúng ta cùng đọc và tìm hiểu nguyên nhân nhé!

Bắt đầu thôi!

Hệ số công suất là gì?

Trong kỹ thuật điện, khi nói đến hệ số công suất, chúng ta ngầm hiểu ý chỉ và duy nhất liên quan đến mạch điện xoay chiều, tức là không có hệ số công suất trong mạch DC do tần số bằng 0 và không có độ lệch góc pha (Φ) giữa dòng điện và điện áp.

Hệ số công suất là tỷ lệ giữa công suất thực và công suất biểu kiến tính bằng volt-ampe. Là tỷ lệ giữa điện trở và trở kháng trong mạch điện xoay chiều. Hay là cosin của góc giữa dòng điện và điện áp được gọi là hệ số công suất.

Hệ số công suất tiếng Anh là gì?

Hệ số công suất trong tiếng Anh có nghĩa là Power factor, thường được viết tắt là P.f. Bạn nào hay tham khảo các tài liệu về kỹ thuật điện từ các nguồn tư liệu nước ngoài, chắc chắn sẽ gặp từ này thường xuyên trong những nội dung nói về công suất, máy phát điện, máy biến áp hay công suất phản kháng,…

Ý nghĩa của hệ số công suất

Hệ số công suất là một đại lượng vật lý có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong mạch điện xoay chiều. Vì hệ số công suất là đại lượng dùng để đánh giá mức độ sử dụng điện năng của một nhà máy hay công ty sản xuất là như thế nào? Hợp lý, tiết kiệm hay hoang phí, ảnh hưởng nguồn điện lưới.

Ngoài ra, hệ số công suất còn những ý nghĩa đặc biệt khác, chúng ta cùng tìm hiểu tiếp theo nội dung bên dưới nhé!

Hệ số công suất của mạch điện xoay chiều

Trong mạch điện AC, hệ số công suất được định nghĩa là tỷ lệ công suất thực được tiêu thụ bởi tải với công suất biểu kiến ​​chạy trong mạch điện. Hệ số công suất Cosφ thường có giá trị nằm trong phạm vi từ 0 đến 1. Hệ số công suất <1 chỉ ra điện áp và dòng điện lệch pha nhau.

Ví dụ:

Khi tải là cuộn cảm, chỉ có công suất phản kháng không có công suất thực thì hệ số công suất là 0.

Khi tải là điện trở, chỉ có công suất thực không có công suất phản kháng thì hệ số công suất là 1.

Hệ số công suất trong một số mạch điện thuần

Chúng ta cùng xem xét hệ số công suất trong một số mạch điện thuần cơ bản như sau:

• Trong mạch điện trở thuần, hệ số công suất là 1 do dòng điện và điện áp thay đổi cực theo từng bước. Năng lượng điện truyền theo một hướng duy nhất trên mạch trong mỗi chu kỳ.
• Trong mạch điện dung thuần túy, hệ số công suất bằng 0 do dòng điện và điện áp lệch pha nhau một góc 90 ° , trong đó dòng điện sớm và điện áp trễ.
• Trong mạch cảm ứng thuần túy, hệ số công suất bằng 0 do dòng điện và điện áp lệch pha nhau một góc 90 °, trong điện áp sớm và dòng điện trễ.

Công suất phản kháng là gì?

Công suất phản kháng có ký hiệu là: Q

Hay còn được gọi là công suất vô ích, công suất ảo hay công suất hư kháng…

Công suất phản kháng chỉ phần công suất vô công chuyển ngược về nguồn, được sinh ra trong mỗi chu kỳ bởi các tải cảm như cuộn dây hay tụ điện. Công suất phản kháng biểu thị rằng năng lượng được lưu trữ và sau đó được giải phóng dưới dạng từ trường hoặc trường tĩnh điện trong cuộn cảm và tụ điện.

Đơn vị của công suất phản kháng là Volt-Ampere nghĩa là VAR trong đó 1 VAR = 1V*1A.

Chúng ta có công thức tính công suất phản kháng như sau:

• Q = UISinθ
• Q = √ (S²– P²)
• VAR = √ (VA² – W²)
• kVAR = √ (kVA² – kW²)

Trong đó:

• θ: góc pha
• Q: công suất phản kháng (VAR, kVAR)
• S: công suất biểu kiến (VA, kVA)
• P: công suất thực (W, kW)

Bù công suất phản kháng

Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất P và công suất phản kháng Q.

Công suất thực P đặc trưng cho khả năng sinh ra công hữu ích của thiết bị (là phần công suất được biến thành cơ năng, quang năng và nhiệt năng…), đơn vị là W hoặc kW.

Công suất phản kháng Q là công suất từ hóa trong các máy phát điện xoay chiều, máy biến áp, nó không sinh ra công, đơn vị là VAr hoặc kVAr.

Những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng tiêu biểu như:

• Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60 – 65% tổng công suất phản kháng của mạng điện.
• Máy biến áp tiêu thụ khoảng 20-25%.
• Đường dây trên không và các thiết bị điện khác tiêu thụ khoảng 10%.

Bù công suất phản kháng là gì

Không cần tiêu tốn nhiều năng lượng từ máy phát điện để tạo ra công suất phản kháng. Thực ra, việc cung cấp công suất phản kháng cho các thiết bị điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn máy phát.

Mà người ta hay đặt các tụ điện ở phụ tải để sinh ra công suất phản kháng. Mục đích là tránh truyền tải công suất phản kháng trên đường dây. Phương pháp này được gọi là bù công suất phản kháng.

Khi lắp đặt tụ bù công suất phản kháng thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch sẽ nhỏ đi, giúp cho hệ số công suất cosφ của mạch sẽ được nâng cao.

Mối liên hệ giữa P, Q và góc φ được thể hiện qua công thức:

Khi P không đổi, nhờ có bù công suất phản kháng, thì công suất phản kháng Q truyền tải trên đường dây sẽ giảm xuống, do đó góc φ cũng giảm, làm cho hệ số công suất cosφ tăng lên.

Công suất biểu kiến

Công suất biểu kiến được ký hiệu là: S

Tổng công suất trong một mạch điện xoay chiều, cả tiêu tán và tiêu thụ được gọi là công suất biểu kiến. Hay, công suất toàn phần bao gồm công suất phản kháng và công suất thực được gọi là công suất biểu kiến. Là tích của điện áp R.M.S và dòng điện R.M.S.

Công suất biểu kiến chúng ta thường thấy nhất là trên tem thông tin của máy phát điện hoặc các bộ lưu điện UPS…

Đơn vị của công suất biểu kiến S là Volt-amp (VA). Tức là 1VA = 1V*1A.

• Khi mạch là điện trở thuần, thì công suất biểu kiến bằng công suất thực.
• Trong mạch điện cảm hoặc điện dung, thì công suất biểu kiến lớn hơn công suất.

Công thức của công suất biểu kiến được thể hiện như sau:

S = UI

S = √ (P² + Q²)

kVA = √(kW² + kVAR²)

Trong đó:

S: Công suất biểu kiến, công suất toàn phần (VA, kVA)

P: Công suất tiêu thụ, công suất thực (W, kW)

Q: Công suất phản kháng, công suất vô công (VAR, kVAR)

Công suất thực- Công suất tiêu thụ

Công suất thực, hay công suất tiêu thụ là năng lượng cung cấp cho thiết bị và thực hiện sinh công hữu ích, hiệu quả.

Công suất tiêu thụ được ký hiệu là: P và được đo bằng đơn vị Watts (W), trong đó 1W = 1V*1A

Công suất tiêu thụ trong mạch DC:

Trong mạch DC, không có khái niệm về góc pha giữa dòng điện và điện áp, hay nói cách khác là không có tần số (f). Chỉ có điện áp trên tải và dòng điện chạy qua nó,

tức là, P = UI.

Trong đó:

P: Công suất tiêu thụ (W)

U: Điện áp trên mạch (V)

I: Dòng điện chạy qua mạch (A)

Công suất tiêu thụ trong mạch điện xoay chiều:

Công suất tiêu thụ trong đoạn mạch xoay chiều được định nghĩa là đại lượng vật lý đặc trưng cho tốc độ sinh công của đoạn mạch đó.

Công thức tính công suất tiêu thụ:

• P = UICosθ                            (Trong mạch AC một pha)
• P = √3U_LI_L Cosθ                     (Trong mạch AC 3 pha)
• P = 3U_Ph I_PhCosθ
• P = √ (S² – Q²)
• P =√ (VA² – VAR²)
• kW = √ (kVA² – kVAR²)

Trong đó:

P: Công suất tiêu thụ của đoạn mạch (W, kW)

S: Công suất biểu kiến (VA, kVA)

Q: Công suất phản kháng (VAR, kVAR)

Cách tính hệ số công suất

Để tính hệ số công suất chuẩn xác nhất, bạn cần một máy phân tích chất lượng điện năng hoặc máy phân tích công suất đo cả công suất tiêu thụ (kW) và công suất biểu kiến ​​(kVA) và để tính tỷ lệ của kW/ kVA.

Công thức hệ số công suất có thể được biểu thị:

PF = P/S

Hoặc:

PF = W/VA

Trong đó watts đo công suất hữu ích trong khi VA đo công suất cung cấp. Về cơ bản là tỷ lệ của năng lượng hữu ích cho nguồn cung cấp.

Tầm quan trọng của hệ số công suất

Hệ số công suất là một đại lượng quan trọng cần xem xét trong mạch điện xoay chiều. Vì với bất kỳ hệ số công suất nào nhỏ hơn 1, có nghĩa là hệ thống dây điện của mạch phải mang nhiều dòng điện hơn mức cần thiết. Với công suất phản kháng bằng 0 trong mạch. Để cung cấp cùng một công suất cho tải điện trở.

Như hình ảnh trên chứng minh, hệ số công suất so sánh công suất thực được tiêu thụ với công suất biểu kiến ​​hoặc nhu cầu của tải. Năng lượng để thực hiện công được gọi là công suất tiêu thụ.

Bạn có thể tránh các hình phạt hệ số công suất bằng hiệu chỉnh hệ số công suất.

Hệ số công suất kém đồng nghĩa với việc bạn sử dụng năng lượng kém hiệu quả. Điều này quan trọng với các công ty vì nó có thể dẫn đến:

• Hư hại nhiệt cho cách điện và các thành phần mạch khác
• Giảm lượng năng lượng hữu ích có sẵn
• Yêu cầu tăng kích thước dây dẫn và thiết bị
• Bị nhà cung cấp điện lực phạt

Cuối cùng, hệ số công suất làm tăng chi phí chung của hệ thống phân phối điện vì hệ số công suất thấp hơn đòi hỏi dòng điện cao hơn để cung cấp cho tải.

Cách tính tụ bù hệ số công suất đơn giản nhất

Để điều chỉnh hệ số công suất đơn giản nhất là dùng tụ bù cho phụ tải. Nhưng làm sao để chọn được tụ bù có giá trị phù hợp? Mình sẽ đưa ra một vài ví dụ để giúp các bạn dễ hình dung hơn trong việc chọn lựa tụ bù dựa theo thông số có sẵn của hệ thống của mình nhé!

Ví dụ 1

Động cơ cảm ứng 3 pha, công suất thực 5kW có hệ số công suất là 0.75. Cần chọn tụ bù như thế nào để cải thiện hệ số công suất lên 0.90?

• Cách 1: (Dựa vào bảng tra hệ số công suất)

Công suất tiêu thụ động cơ = 5kW

Từ Bảng, ta tra được hệ số  từ 0.75 đến 0.90 là 0.40

Yêu cầu tụ điện kVAR để cải thiện hệ số công suất từ 0.75 đến 0.90

Tụ điện kVAR = kW x Bảng Hệ số 0.75 và 0.90

= 5kW x 0.40 = 2 kVAR

Và giá trị các tụ điện được lắp trong mỗi pha:

2/3 = 0,667 kVAR

• Cách 2 (Phương pháp tính toán cổ điển)

Ta có P = 5 kW

Hệ số công suất ban đầu = Cosθ₁ = 0,75

Hệ số công suất cần nâng = Cosθ₂ = 0,90

θ₁ = Cos^-1 = (0,75) = 41°.41; Tanθ₁ = Tan (41°.41) = 0.8819

θ₂ = Cos^-1 = (0,90) = 25°.84; Tanθ₂ = Tan (25°.50) = 0.4819

Yêu cầu tụ điện kVAR để cải thiện hệ số công suất từ 0,75 đến 0,90

Tụ điện yêu cầu kVAR = P(Tan θ₁ – Tan θ₂)

= 5(0.8819 – 0.4819) = 2 kVAR

Và giá trị các tụ điện được lắp trong mỗi pha:

2/3 = 0,667 kVAR

Một số nguyên nhân gây ra hệ số công suất thấp

Nguyên nhân chính của hệ số công suất thấp là tải cảm.

Như trong mạch điện cảm thuần túy, dòng điện chậm 90 ° so với điện áp, góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp gây ra hệ số công suất bằng 0.

Khi hệ số công suất thấp, sinh ra rất nhiều nhược điểm và chúng ta phải cải thiện hệ số công suất.

Sau đây là các nguyên nhân của yếu tố năng lượng thấp:

• Động cơ cảm ứng một pha và ba pha, động cơ hoạt động ở hệ số công suất kém, tức là:
  • Tải đầy, Cosθ = 0,8 -0,9
  • Tải nhỏ, Cosθ = 0,2 -0,3
  • Không tải, Cosθ = 0.
• Tải trọng thay đổi trong hệ thống điện (Như chúng ta biết rằng tải trên hệ thống điện là khác nhau. Trong thời gian tải thấp, điện áp cung cấp được tăng lên làm tăng dòng từ hóa gây ra hệ số công suất giảm)
• Lò sưởi công nghiệp
• Đèn phóng điện (Chiếu sáng cường độ cao) Đèn hồ quang (vận hành hệ số công suất rất thấp)
• Máy biến thế
• Dòng điện hài

Lợi ích của việc hiệu chỉnh nâng cao hệ số công suất

Như thông tin chúng ta đã xem qua các mục ở trên, chúng ta hiểu việc hệ số công suất kém gây ra nhiều hệ quả như thế nào rồi. Vậy việc điều chỉnh nâng cao hệ số công suất có những ưu điểm và lợi ích gì? Các bạn cùng theo dõi tiếp nhé!

• Điều chỉnh hệ số công suất làm tăng hiệu quả của hệ thống và thiết bị
• Giảm điện áp thấp
• Giảm kích thước của một dây dẫn và cáp làm giảm chi phí đầu tư
• Tăng sức mạnh sẵn có
• Giảm mất dòng
• Phù hợp hiệu suất máy điện (Máy biến áp, Máy phát điện, …)
• Không bị công ty cung cấp điện phạt
• Tiết kiệm trong hóa đơn tiền điện
• Sử dụng tốt hơn hệ thống điện, đường dây và máy phát điện…
• Tiết kiệm năng lượng cũng như chi phí đầu tư các thiết bị điện được giảm

Lời kết,

Qua nội dung bài viết này, mình đã cung cấp chi tiết các thông tin, kiến thức cơ bản nhất về hệ số công suất. Cũng như giúp các bạn trả lời được những câu hỏi như:

• Hệ số công suất là gì
• Hệ số công suất của mạch điện AC
• Ý nghĩa của hệ số công suất
• Tầm quan trọng của hệ số công suất
• Cũng như cách sử dụng tụ bù để bù hệ số công suất như thế nào

Trong quá trình hoàn thành nội dung, chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Mình rất mong sẽ nhận được những đóng góp khen chê từ các bạn đọc, giúp bài viết ngày một hoàn thiện hơn. Cảm ơn!