Trong những năm gần đây, điều khiển công suất phản kháng là đề tài nghiên cứu cấp thiết vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì điện áp an toàn trong một hệ thống truyền tải điện quy mô lớn. Mặc dù chỉ là một yếu tố phụ trợ, nhưng nó cần thiết cho hoạt động của các hệ thống điện như: đường truyền tải điện, động cơ điện, máy biến áp, máy phát điện …
Công suất phản kháng rất cần thiết cho hoạt động của hầu hết các thiết bị điện từ, ví dụ như để tạo từ trường. Trong một số trường hợp, người ta chủ động bổ sung công suất phản kháng vào hệ thống điện, để duy trì mức điện áp cao hơn.
Chúng ta cùng thảo luận về tầm quan trọng của công suất phản kháng. Và xem xét công suất phản kháng liệu có hữu ích không? Cũng như tầm quan trọng của công suất phản kháng trong kỹ thuật điện nhé!
Công suất phản kháng là gì?
Công suất phản kháng là một thành phần của tổng công suất trong mạch điện xoay chiều. Nó bắt nguồn từ sự dịch pha giữa điện áp hình sin và dạng sóng của dòng điện. Đây là đại lượng cơ bản để phân tích và xem xét về hệ thống điện xoay chiều. Nói chung, đại lượng này chỉ được xác định cho các hệ thống điện xoay chiều (AC).
Công suất phản kháng được định nghĩa là đại lượng đặc trưng cho công suất không truyền năng lượng, là công suất vô ích. Công suất của hệ thống AC truyền qua lại trong dây dẫn điện, chảy đến các tải từ một nguồn trong một nửa chu kỳ và trở lại nguồn trong nửa chu kỳ khác theo dạng sóng AC.
Để phân biệt với công suất thực, công suất phản kháng được đo bằng VAR, viết tắt của Volt-Ampere-Reactive.
Công thức tính được biểu thị như sau:
Q = Ssinϕ
Q = UIsinϕ
Q = Ptanϕ
Trong đó:
S = công suất biểu kiến (VA)
P = công suất tiêu thụ (W)
Bù công suất phản kháng
- Công suất phản kháng được tích luỹ dưới dạng điện trường hoặc từ trường, chảy qua lại do các thành phần điện dung và điện cảm sinh ra.
- Công suất phản kháng có thể được tạo ra cũng như được hấp thụ bởi các yếu tố của hệ thống truyền tải điện nhờ vào độ nhạy shunt và các phản ứng điện từ.
- Công suất phản kháng sinh ra từ sự dịch pha. Nếu dòng điện qua một tải bị trễ áp, thì thiết bị sẽ tiêu thụ công suất phản kháng. Mức tiêu thụ công suất phản kháng của tải phụ thuộc vào sự dịch pha giữa điện áp và dòng điện.
- Vì công suất phản kháng chỉ đơn giản là di chuyển qua lại trong đường dây (đường truyền hoặc bất kỳ dây dẫn nào khác), nên nó hoạt động như một tải bổ sung. Vì vậy, công suất phản kháng được xem xét để đánh giá tất cả các loại cáp, máy biến thế, thiết bị đóng cắt và các thiết bị điện khác.
- Nếu công suất phản kháng vượt quá ngưỡng, nó sẽ làm giảm đáng kể hệ số công suất hệ thống và do đó làm giảm hiệu quả hoạt động. Điều này gây ra sụt áp không mong muốn, tổn thất dây dẫn lớn hơn, làm dây nóng lên quá mức và chi phí vận hành cao hơn.
Cách khắc phục hạn chế của công suất phản kháng
Để khắc phục những hạn chế này, kỹ thuật bù công suất phản kháng thường được sử dụng trong các hệ thống truyền tải điện để cải thiện hiệu quả hệ thống và thậm chí để hiệu chỉnh hệ số công suất.
Mặt khác, công suất phản kháng rất quan trọng đối với hoạt động đúng của thiết bị điện vì một số lý do như cần có đủ lượng công suất phản kháng để chạy nhiều thiết bị điện cũng như mạng hệ thống điện. Và được cung cấp bởi các tụ đúng công suất tại vị trí của tải tiêu thụ… mà chúng ta sẽ thảo luận tiếp trong bài viết này.
Công suất phản kháng sinh ra từ đâu
Công suất phản kháng được tạo ra hoặc hấp thụ bởi nhiều thiết bị kết nối với mạng hệ thống điện.
Do đó, công suất phản kháng qua mạng điện được kiểm soát bởi các thiết bị này. Chúng ta cùng tìm hiểu các nguồn năng lượng phản kháng này trong nội dung bên dưới nhé!
Máy phát điện
Máy phát điện đồng bộ có thể tạo ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng tùy thuộc dòng kích DC vào cuộn dây của nó. Nó tạo ra công suất phản kháng khi bị kích quá mức và hấp thụ công suất phản kháng khi dòng kích giảm quá mức. Được sử dụng phổ biến nhất là nguồn công suất phản kháng để điều khiển điện áp.
Tụ điện và lò phản ứng
Các thiết bị điện dung và điện cảm được sử dụng trong các kỹ thuật bù dòng, để kiểm soát công suất phản kháng do đó để điều chỉnh điện áp và sự ổn định của hệ thống.
Một bộ bù điện dung tạo ra công suất phản kháng, trong khi đó một bộ bù điện cảm sẽ hấp thụ công suất phản kháng.
Việc bù tụ điện thường được áp dụng cho các đường truyền để tạo ra công suất phản kháng khi cần thiết. Trong khi các tụ shunt được lắp đặt tại các trạm biến áp trong khu vực tải để tạo ra công suất phản kháng và để giữ điện áp trong mức giới hạn. Cuộn shunt chủ yếu được sử dụng để hấp thụ công suất phản kháng để giữ điện áp và cũng để bù tải điện dung trên đường dây.
Đường truyền và cáp ngầm
Cả đường truyền và cáp đều hấp thụ và tạo ra công suất phản kháng.
Một đường truyền tải nặng tiêu thụ công suất phản kháng, làm giảm điện áp của đường dây trong khi đường truyền tải nhẹ tạo ra công suất phản kháng, làm tăng điện áp của đường dây.
Bộ chuyển đổi trạng thái rắn
Có một số bộ chuyển đổi trạng thái rắn đang sử dụng trong vận hành hệ thống điện, chẳng hạn như bộ chuyển đổi HVDC.
Những bộ chuyển đổi này luôn tiêu thụ công suất phản kháng khi chúng hoạt động. Vì lý do này, hầu hết các bộ chuyển đổi sử dụng các thiết bị bù phản kháng để kiểm soát yêu cầu công suất phản kháng của các bộ chuyển đổi.
Máy biến áp
Để tạo ra từ trường, máy biến áp cần có công suất phản kháng, do đó nó hấp thụ công suất phản kháng. Tiêu thụ công suất phản kháng của máy biến áp phụ thuộc vào định mức và dòng tải.
Phụ thuộc phụ tải
Có nhiều tải tiêu thụ năng lượng phản kháng có ảnh hưởng lớn đến điện áp hoặc ổn định của hệ thống. Một số tải dạng này có thể tham khảo như: động cơ cảm ứng, máy phát điện cảm ứng; lò hồ quang, chiếu sáng phóng điện, tải không đổi như (sưởi ấm cảm ứng, sưởi ấm không gian, sưởi ấm nước, và điều hòa không khí.
Ý nghĩa của công suất phản kháng
Công suất phản kháng là cả vấn đề và giải pháp cho mạng hệ thống điện vì nhiều lý do.
Nó đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống điện cho các chức năng khác nhau như:
- Đáp ứng yêu cầu công suất phản kháng
- Cải thiện cấu hình điện áp
- Giảm tổn thất mạng
- Cung cấp đủ công suất phản kháng để đảm bảo an ninh hệ thống trong trường hợp khẩn cấp và một số chức năng khác.
Điều khiển điện áp
Tầm quan trọng của công suất phản kháng. Điều khiển điện áp bằng công suất phản kháng.
Nhìn chung, tất cả các thiết bị điện được thiết kế để hoạt động ổn định; trong giới hạn quy định của điện áp định mức (tức là, 6%) tại các tải tiêu dùng. Các biến thể điện áp chủ yếu được gây ra do sự thay đổi phụ tải trên nguồn hệ thống điện.
Nếu tải trên nguồn hệ thống điện tăng, thì sụt áp trong các thành phần của hệ thống điện sẽ tăng; do đó điện áp tại các thiết bị tải của người sử dụng giảm và ngược lại.
Những thay đổi điện áp trên hệ thống cung cấp là không mong muốn. Vì nó làm giảm hiệu suất thực tế của các thiết bị phụ tải như: đèn, động cơ và các thiết bị khác nhạy cảm với sự thay đổi điện áp…
Do đó, một hệ thống điện phải được thiết kế để duy trì các biến đổi điện áp đó; bằng cách cung cấp thiết bị điều khiển điện áp ở những nơi thích hợp. Phương pháp phổ biến nhất để duy trì cấu hình điện áp là thông qua việc tạo ra và hấp thụ công suất phản kháng. Nói chung, việc tăng công suất phản kháng làm cho điện áp hệ thống tăng lên; trong khi công suất phản kháng giảm làm cho điện áp giảm.
Thông thường nhất thiết bị này được đặt tại các trạm phát điện, trạm biến áp và bộ cấp nguồn.
Bù công suất phản kháng trong hệ thống điện
Các kỹ thuật khác nhau; được sử dụng để kiểm soát điện áp trong đường dây truyền tải điện như: điều khiển bộ kích; thay đổi máy biến áp, tụ điện shunt, tụ điện nối tiếp, tụ điện đồng bộ…. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Tùy thuộc vào sự phù hợp, tính sẵn có và mức độ mở rộng; các phương pháp này được sử dụng để kiểm soát điện áp đầu cuối.
Trong trường hợp điều kiện tải cao (nghĩa là; nhu cầu công suất phản kháng nhiều hơn so với nguồn cung cấp); dòng điện giảm từ nguồn cung cấp khiến điện áp đầu cuối giảm mạnh. Nếu có sự sụt giảm điện áp lớn hơn, nó gây ra sự cố cho các đơn vị phát điện, hỏng thiết bị và quá nhiệt của động cơ.
Trong điều kiện này, cơ chế hoạt động tự động; hoặc rơle kích hoạt thiết bị công suất phản kháng để tăng công suất phản kháng (ví dụ; điện áp đầu cực kích máy phát được gia tăng để cung cấp thêm dòng điện xoay chiều cho máy phát điện); để đưa điện áp trở về giá trị định mức. Điều này cũng đạt được với các tụ điện nối tiếp.
Trong trường hợp tải nhẹ (tức là, nhu cầu năng lượng nhỏ hơn nguồn cung cấp công suất phản kháng); điện áp đầu cuối tăng lên. Nó gây ra thiệt hại cách điện cho máy móc; hệ số công suất thấp hơn và tự động giảm tốc lực máy.
Trong điều kiện này, công suất phản kháng bổ sung trong các đường dây; được bù bằng các thiết bị bù công suất phản kháng tự động; như tụ ngưng đồng bộ, điều khiển kích bằng máy phát điện, tụ điện shunt…
Đáp ứng nhu cầu năng lượng phản kháng
Một số tải như: máy biến áp và bộ chuyển đổi HVDC cần công suất phản kháng để hoạt động đúng. Khi tải có nhu cầu công suất phản kháng lớn, sự sụt giảm điện áp sẽ diễn ra.
Khi điện áp giảm, nguồn cung cấp xả dòng nhiều hơn để duy trì nguồn điện; khiến các đường dây tiêu thụ nhiều công suất phản kháng hơn và do đó điện áp giảm hơn nữa. Điều này sẽ dẫn đến sập điện áp nếu điện áp giảm quá thấp. Sự cố sập điện áp này; gây ra sự giảm tốc lực của máy phát điện, sự mất ổn định của hệ thống; và gây ra sự cố của các thiết bị điện khác được kết nối với hệ thống điện.
Sự cố sập điện áp này; là do hệ thống điện không thể cung cấp đủ công suất phản kháng cho nhu cầu của tải.
Để khắc phục điều này; các nguồn công suất phản kháng như tụ điện nối tiếp được kết nối với các tải. Tuy nhiên, các công ty điện lực sẽ tính phí người tiêu dùng; như một hình phạt cho nhu cầu công suất phản kháng; nếu tải quá lớn tạo ra công suất phản kháng quá mức; so với nhu cầu công suất phản kháng cho phép.
Để giảm sự cố mất điện
Giảm sự cố mất điện bằng công suất phản kháng. Công suất phản kháng không đủ trong mạng hệ thống điện; là lý do chính gây mất điện trên toàn thế giới. Như trên đã nói, công suất phản kháng không đủ gây ra sập áp; dẫn đến việc đóng cửa các trạm phát điện… Trong lịch sử, đã có những sự cố mất điện điển hình như: Tại Tokyo vào ngày 23 tháng 7 năm 1987; tại Luân Đôn vào ngày 28 tháng 8 năm 2003; tại Thụy Điển và Đan Mạch vào ngày 23 tháng 9 năm 2003…
Sản sinh từ thông bằng công suất phản kháng
Cung cấp công suất phản kháng cho động cơ – Tạo ra từ thông bằng công suất phản kháng.
Tải trọng cảm ứng lớn như động cơ, máy biến áp, chấn lưu và thiết bị gia nhiệt cảm ứng; đòi hỏi công suất phản kháng lớn để tạo ra từ trường.
Trong mọi máy điện, một phần năng lượng đầu vào, tức là, công suất phản kháng được tiêu thụ; để tạo và duy trì từ thông để làm như vậy. Tuy nhiên, nó dẫn đến việc giảm hệ số công suất. Để đạt được hệ số công suất cao, các tụ điện thường được kết nối trên các thiết bị này; để cung cấp công suất phản kháng.
Lời kết,
Bài viết này, là một thảo luận nhỏ về tầm quan trọng của công suất phản kháng. Hy vọng các bạn có được những khái niệm, kiến thức về chủ đề này.
Bài viết không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy rất mong những đóng góp ý kiến của các bạn; để xây dựng nội dung bài viết ngày một hoàn thiện hơn.
