- 1. Tải trọng điện trở
- 2. Tải trọng phản kháng
- Tầm quan trọng của hệ số công suất
- Cải thiện hệ số công suất
- Tính hệ số công suất cho tải của bạn
- Hệ số sức mạnh thống nhất và lý do tại sao nó không thực tế
Ngoài an toàn và độ tin cậy, một số mục tiêu khác bao gồm cả hiệu quả cần được theo đuổi trong thiết kế và thực hiện các hệ thống điện. Một trong những thước đo hiệu quả trong hệ thống điện là hiệu suất mà hệ thống biến năng lượng mà nó nhận được thành công hữu ích. Hiệu suất này được chỉ ra bởi một thành phần của hệ thống điện được gọi là Hệ số công suất. Hệ số công suất cho biết lượng điện năng thực sự đang được sử dụng để thực hiện công việc hữu ích của tải và lượng điện năng bị “lãng phí”. Nghe có vẻ tầm thường như tên gọi của nó, nó là một trong những yếu tố chính đằng sau hóa đơn tiền điện cao và sự cố mất điện.
Để có thể mô tả đúng hệ số công suất và ý nghĩa thực tế của nó, điều quan trọng là phải làm mới bộ nhớ của bạn về các loại tải điện và các thành phần khác nhau của Công suất tồn tại.
Từ các lớp điện cơ bản, phụ tải điện thường có hai loại;
- Tải điện trở
- Tải trọng phản ứng
1. Tải trọng điện trở
Tải điện trở, như tên của nó, các tải trọng này được tạo thành từ các phần tử điện trở thuần túy. Đối với loại tải này (xem xét điều kiện lý tưởng), tất cả công suất cung cấp cho nó bị tiêu tán để làm việc do dòng điện cùng pha với điện áp. Một ví dụ điển hình về tải điện trở bao gồm bóng đèn sợi đốt và pin.
Thành phần công suất liên quan đến tải điện trở được gọi là Công suất thực. Công suất thực tế này đôi khi còn được gọi là Công suất làm việc, Công suất thực hoặc Công suất thực. Nếu bạn chưa quen với nguồn AC và cảm thấy bối rối với tất cả các dạng sóng này, thì bạn nên đọc về kiến thức cơ bản về AC để hiểu cách hoạt động của nguồn AC.
2. Tải trọng phản kháng
Mặt khác, tải phản kháng phức tạp hơn một chút. Trong khi chúng gây ra sự sụt giảm điện áp và hút dòng điện từ nguồn, chúng không tiêu tán năng lượng hữu ích như vậy bởi vì năng lượng chúng lấy từ nguồn không hoạt động. Đây là phí đối với bản chất của Tải phản ứng.
Tải phản kháng có thể là điện dung hoặc cảm ứng. Trong tải cảm ứng, công suất được sử dụng để thiết lập từ thông mà không có bất kỳ công việc trực tiếp nào được thực hiện trong khi đối với tải điện dung, công suất được sử dụng để sạc tụ điện chứ không trực tiếp tạo ra công việc. Do đó, công suất tiêu tán trong tải phản kháng được gọi là Công suất phản kháng. Phụ tải phản kháng được đặc trưng bởi sự dẫn dòng (Tải điện dung) hoặc trễ (Tải cảm ứng) phía sau điện áp, do đó, sự lệch pha thường tồn tại giữa dòng điện và điện áp.
Hai biểu đồ trên biểu thị tải Cảm ứng và Tải điện dung trong đó Hệ số công suất trễ và dẫn đầu tương ứng. Sự thay đổi của hai loại phụ tải này dẫn đến sự tồn tại của ba thành phần công suất trong hệ thống điện, đó là;
- Sức mạnh thực tế
- Công suất phản kháng
- Sức mạnh biểu kiến
1. Sức mạnh thực tế
Đây là công suất liên quan đến tải điện trở. Nó là thành phần công suất tiêu hao cho hiệu suất của công việc thực tế trong hệ thống điện. Từ sưởi ấm đến chiếu sáng, v.v., Nó được biểu thị bằng Watts (W) (cùng với hệ số nhân, kilo, Mega, v.v.) và được biểu thị bằng chữ P.
2. Công suất phản khángĐây là công suất liên quan đến tải phản kháng. Do sự chậm trễ giữa điện áp và dòng điện trong tải phản kháng, năng lượng được rút ra trong phản kháng, (điện dung hoặc cảm ứng) không tạo ra công suất. Nó được gọi là Công suất phản kháng và đơn vị của nó là Công suất phản kháng Volt-Ampe (VAR).
3. Sức mạnh biểu kiếnHệ thống điện điển hình bao gồm cả tải điện trở và tải cảm, hãy nghĩ về bóng đèn và lò sưởi của bạn cho tải điện trở và thiết bị có động cơ, máy nén, v.v. là tải cảm ứng. Như vậy trong hệ thống điện, Công suất tổng là tổ hợp của thành phần công suất phản kháng và công suất thực, công suất tổng này còn được gọi là Công suất biểu kiến.
Công suất biểu kiến được cho bằng tổng của Công suất thực và công suất phản kháng. Đơn vị của nó là vôn-amps (VA) và được biểu diễn theo phương trình toán học;
Công suất biểu kiến = Công suất thực + Công suất phản kháng
Trong các tình huống lý tưởng, công suất thực tiêu tán trong hệ thống điện thường lớn hơn công suất phản kháng. Hình ảnh dưới đây cho thấy sơ đồ vectơ được vẽ bằng cách sử dụng ba Thành phần Nguồn
Biểu đồ vectơ này có thể được biến đổi thành tam giác công suất như hình dưới đây.
Hệ số công suất có thể được tính bằng cách lấy góc theta (ϴ) như hình trên. Ở đây theta là góc giữa Công suất thực và Công suất biểu kiến. Sau đó, tuân theo quy tắc cosin (Liền kề trên cạnh huyền), hệ số công suất có thể được ước tính bằng tỷ số giữa công suất thực tế với công suất biểu kiến. Các công thức để tính Hệ số công suất được đưa ra dưới đây
PF = Công suất thực / Công suất biểu kiến hoặc PF = Cosϴ
Đặt điều này song song với phương trình xác định công suất biểu kiến, dễ dàng nhận thấy rằng việc tăng công suất phản kháng (có nhiều phụ tải phản kháng) dẫn đến tăng công suất biểu kiến và giá trị góc ϴ lớn hơn cuối cùng dẫn đến hệ số công suất thấp khi thu được cosin (cos ϴ) của nó. Mặt khác, giảm tải phản kháng (công suất phản kháng) dẫn đến tăng hệ số công suất, cho thấy hiệu suất cao trong hệ thống có tải phản kháng ít hơn và ngược lại. Giá trị của Hệ số công suất sẽ luôn nằm giữa giá trị 0 và 1, càng gần giá trị này thì hiệu quả của hệ thống càng cao. Ở Ấn Độ, giá trị hệ số công suất lý tưởng được coi là 0,8. Giá trị của hệ số công suất không có đơn vị.
Tầm quan trọng của hệ số công suất
Nếu giá trị của hệ số công suất thấp, điều đó có nghĩa là năng lượng từ nguồn điện lưới đang bị lãng phí vì một phần lớn của nó không được sử dụng cho các công việc có ý nghĩa. Đó là do phụ tải ở đây tiêu thụ công suất phản kháng nhiều hơn so với công suất thực. Điều này gây căng thẳng cho hệ thống cung cấp gây quá tải cho hệ thống phân phối vì cả công suất thực do tải yêu cầu và công suất phản kháng được sử dụng để đáp ứng các tải phản kháng sẽ được lấy từ hệ thống.
Sự căng thẳng và “lãng phí” này thường dẫn đến hóa đơn tiền điện khổng lồ cho người tiêu dùng (đặc biệt là người tiêu dùng công nghiệp) vì các công ty tiện ích tính toán mức tiêu thụ theo công suất biểu kiến, do đó, họ cuối cùng phải trả tiền điện không được sử dụng để đạt được bất kỳ công việc “có ý nghĩa” nào. Một số công ty cũng phạt người tiêu dùng của họ nếu họ lấy thêm công suất phản kháng vì nó gây ra quá tải trên hệ thống. Mức phạt này được áp dụng để giảm hệ số công suất thấp gây ra các tải được sử dụng trong các ngành công nghiệp.
Ngay cả trong những tình huống mà nguồn điện được cung cấp bởi các máy phát điện của công ty, tiền bạc bị lãng phí vào các máy phát điện lớn hơn, dây cáp cỡ lớn hơn, v.v. được yêu cầu cung cấp điện khi một số lượng lớn nó sẽ bị lãng phí. Để hiểu rõ hơn về điều này, hãy xem xét ví dụ dưới đây
Một nhà máy đang vận hành tải 70kW có thể được cấp nguồn thành công bằng Máy phát điện / Máy biến áp và các loại cáp có công suất 70 kVA nếu nhà máy đang hoạt động với hệ số công suất là 1. Nhưng nếu hệ số công suất giảm xuống 0,6 thì ngay cả với cùng một tải 70KW, máy phát điện hoặc máy biến áp lớn hơn có công suất 116,67 kVA (70 / 0,6) sẽ được yêu cầu, vì máy phát / máy biến áp sẽ phải cung cấp công suất bổ sung cho tải phản kháng. Bên cạnh sự gia tăng lớn về yêu cầu điện năng, kích thước của cáp được sử dụng cũng sẽ cần phải tăng lên, dẫn đến tăng đáng kể chi phí thiết bị và tăng tổn thất điện năng do điện trở dọc theo dây dẫn. Hình phạt cho điều này vượt ra ngoài hóa đơn tiền điện cao ở một số quốc gia, vì các công ty có hệ số công suất kém thường bị phạt một số tiền lớn để khuyến khích chấn chỉnh.
Cải thiện hệ số công suất
Với tất cả những gì đã nói, bạn sẽ đồng ý với tôi rằng việc điều chỉnh hệ số công suất kém sẽ có ý nghĩa kinh tế hơn là tiếp tục trả hóa đơn tiền điện khổng lồ, đặc biệt là đối với các ngành công nghiệp lớn. Người ta cũng ước tính rằng hơn 40% hóa đơn tiền điện có thể được tiết kiệm trong các ngành công nghiệp và nhà máy sản xuất lớn nếu hệ số công suất được điều chỉnh và giữ ở mức thấp.
Bên cạnh việc giảm chi phí cho người tiêu dùng, việc vận hành một hệ thống hiệu quả góp phần vào độ tin cậy và hiệu quả chung của lưới điện, vì các công ty điện lực có thể giảm tổn thất đường dây và chi phí bảo trì đồng thời giảm số lượng máy biến áp và cơ sở hạ tầng hỗ trợ tương tự cần thiết cho hoạt động của họ.
Tính hệ số công suất cho tải của bạn
Bước đầu tiên để hiệu chỉnh hệ số công suất là xác định hệ số công suất cho tải của bạn. Điều này có thể được thực hiện bởi;
1. Tính công suất phản kháng sử dụng chi tiết điện kháng của tải
2. Xác định công suất thực do tải tiêu hao và kết hợp với công suất biểu kiến để thu được hệ số công suất.
3. Công dụng của máy đo hệ số công suất.
Máy đo hệ số công suất chủ yếu được sử dụng vì nó giúp dễ dàng thu được hệ số công suất trong các thiết lập hệ thống lớn, trong đó việc xác định chi tiết điện trở của tải và công suất thực tiêu tán có thể là một lộ trình khó khăn.
Với hệ số công suất đã biết, sau đó bạn có thể tiến hành hiệu chỉnh nó, điều chỉnh càng gần càng tốt về 1.n tải điện trở hoặc điện trở cảm ứng (tải) trong hệ thống bằng điện trở điện dung vì cả hai sẽ triệt tiêu lẫn nhau.
Do việc sử dụng tải cảm ứng là nguyên nhân phổ biến hơn gây ra hệ số công suất thấp, đặc biệt là trong các cơ sở công nghiệp (do sử dụng động cơ nặng, v.v.), một trong những phương pháp đơn giản nhất để hiệu chỉnh hệ số công suất là bằng cách loại bỏ điện kháng cảm ứng thông qua việc sử dụng các tụ điện hiệu chỉnh tạo ra điện kháng điện dung trong hệ thống.
Tụ điện hiệu chỉnh hệ số công suất hoạt động như một máy phát dòng điện phản kháng, chống lại / bù trừ công suất bị “lãng phí” bởi tải cảm ứng. Tuy nhiên, cần cân nhắc thiết kế cẩn thận khi lắp các tụ điện này vào các thiết lập để đảm bảo hoạt động trơn tru với thiết bị như bộ truyền động tốc độ thay đổi và cân bằng hiệu quả với chi phí. Tùy thuộc vào cơ sở và sự phân bố phụ tải, thiết kế có thể bao gồm các tụ điện có giá trị cố định được lắp đặt tại các điểm tải cảm ứng hoặc các tụ điện hiệu chỉnh tự động được lắp đặt trên các thanh cái của bảng phân phối để hiệu chỉnh tập trung thường hiệu quả hơn về chi phí trong các hệ thống lớn.
Việc sử dụng tụ điện hiệu chỉnh hệ số công suất trong thiết lập có mặt trái của nó, đặc biệt là khi không sử dụng đúng tụ điện hoặc hệ thống không được thiết kế phù hợp. Việc sử dụng các tụ điện có thể tạo ra một số thời gian ngắn "quá áp", khi được bật, có thể ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của thiết bị như bộ truyền động tốc độ thay đổi, khiến chúng tắt liên tục hoặc làm nổ cầu chì trên một số tụ điện. Tuy nhiên, nó có thể được giải quyết bằng cách cố gắng điều chỉnh trình tự điều khiển chuyển mạch, trong trường hợp truyền động tốc độ hoặc loại bỏ dòng sóng hài trong trường hợp cầu chì.
Hệ số sức mạnh thống nhất và lý do tại sao nó không thực tế
Khi giá trị của Hệ số công suất của bạn bằng 1, thì hệ số công suất được cho là hệ số công suất hợp nhất. Có thể rất hấp dẫn để đạt được hệ số công suất tối ưu bằng 1, nhưng hầu như không thể đạt được do thực tế là không có hệ thống nào thực sự lý tưởng. Theo nghĩa không tải hoàn toàn là điện trở, điện dung hoặc cảm ứng. Mỗi tải bao gồm một số phần tử của phần tử khác bất kể nhỏ như thế nào, chẳng hạn như dải hệ số công suất có thể thực hiện được điển hình thường lên đến 0,9 / 0,95. Chúng tôi đã tìm hiểu về các đặc tính ký sinh này của các phần tử RLC trong các bài báo về Tụ điện và ESR của chúng tôi.
Hệ số công suất là yếu tố quyết định mức độ sử dụng năng lượng của bạn và số tiền bạn phải trả trong hóa đơn tiền điện (đặc biệt đối với các ngành công nghiệp). Nói cách khác, nó là yếu tố đóng góp lớn vào chi phí hoạt động và có thể là yếu tố đằng sau việc giảm tỷ suất lợi nhuận mà bạn đã không chú ý đến. Cải thiện hệ số công suất của hệ thống điện của bạn có thể giúp giảm hóa đơn tiền điện và đảm bảo hiệu suất tối đa.