Hiệu Suất Công Suất: Điều gì là nó? (Công thức, Mạch và Ngân hàng Dụng cụ điện)

Trường dữ liệu: Điện Cơ Bản

China

what is power factor correction

Điều gì là Hiệu chỉnh hệ số công suất?

Hiệu chỉnh hệ số công suất (còn được gọi là PFC hoặc Cải thiện hệ số công suất) được định nghĩa là một kỹ thuật được sử dụng để cải thiện hệ số công suất của mạch điện xoay chiều bằng cách giảm công suất phản kháng có trong mạch. Các kỹ thuật hiệu chỉnh hệ số công suất nhằm mục đích tăng hiệu quả của mạch và giảm dòng điện do tải tiêu thụ.

Nói chung, tụ điện và động cơ đồng bộ được sử dụng trong các mạch để giảm các yếu tố cảm ứng (và do đó công suất phản kháng). Các kỹ thuật này không được sử dụng để tăng lượng công suất thực, chỉ để giảm công suất biểu kiến.

Nói cách khác, nó giảm sự dịch chuyển pha giữa điện áp và dòng điện. Do đó, nó cố gắng giữ cho hệ số công suất gần với 1. Giá trị kinh tế nhất của hệ số công suất nằm trong khoảng từ 0,9 đến 0,95.

Bây giờ câu hỏi đặt ra, tại sao giá trị kinh tế của hệ số công suất lại là 0,95 thay vì hệ số công suất 1? Có bất lợi nào của hệ số công suất 1?

KHÔNG. Không có bất lợi nào của hệ số công suất 1. Nhưng việc lắp đặt thiết bị PFC 1 là khó khăn và tốn kém.

Do đó, các công ty cung cấp điện và năng lượng cố gắng duy trì hệ số công suất trong khoảng từ 0,9 đến 0,95 để tạo ra một hệ thống kinh tế. Và khoảng này là đủ tốt cho hệ thống điện.

Nếu mạch điện xoay chiều có tải cảm lớn, hệ số công suất có thể nằm dưới 0,8. Và nó sẽ tiêu thụ nhiều dòng điện hơn từ nguồn.

Thiết bị hiệu chỉnh hệ số công suất giảm các yếu tố cảm ứng và dòng điện tiêu thụ từ nguồn. Điều này dẫn đến một hệ thống hiệu quả và ngăn chặn tổn thất năng lượng điện.

Tại sao cần hiệu chỉnh hệ số công suất?

Trong mạch điện một chiều, công suất tiêu thụ bởi tải được tính đơn giản bằng cách nhân điện áp và dòng điện. Và dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp được áp dụng. Do đó, công suất tiêu thụ bởi tải kháng tuyến tính.

Trong mạch điện xoay chiều, điện áp và dòng điện là sóng sin. Do đó, độ lớn và hướng thay đổi liên tục. Tại thời điểm cụ thể, công suất tiêu thụ là kết quả của việc nhân điện áp và dòng điện tại thời điểm đó.

Nếu mạch điện xoay chiều có tải cảm như: cuộn dây, cuộn từ, solenoid, biến áp; dòng điện sẽ không đồng pha với điện áp. Trong điều kiện này, công suất thực tế tiêu thụ ít hơn sản phẩm của điện áp và dòng điện.

Do các phần tử không tuyến tính trong mạch điện xoay chiều, nó chứa cả kháng và điện kháng. Do đó, trong điều kiện này, sự khác biệt pha giữa dòng điện và điện áp là quan trọng khi tính toán công suất.

Đối với tải kháng thuần, điện áp và dòng điện đồng pha. Nhưng đối với tải cảm, dòng điện bị chậm so với điện áp. Điều này tạo ra điện kháng cảm.

Trong điều kiện này, việc hiệu chỉnh hệ số công suất là cần thiết nhất để giảm tác động của phần tử cảm và cải thiện hệ số công suất để tăng hiệu quả của hệ thống.

Công thức Hiệu chỉnh Hệ số Công suất

Giả sử tải cảm được kết nối với hệ thống và hoạt động ở hệ số công suất cosф1. Để cải thiện hệ số công suất, chúng ta cần kết nối thiết bị hiệu chỉnh hệ số công suất song song với tải.

Sơ đồ mạch của bố trí này được hiển thị dưới hình vẽ sau.

ví dụ về hiệu chỉnh hệ số công suất

Cụm tụ điện cung cấp thành phần phản kháng dẫn trước và giảm hiệu ứng của thành phần phản kháng chậm. Trước khi kết nối tụ điện, dòng điện tải là IL.

Tụ điện lấy dòng điện IC dẫn trước điện áp 90˚. Và dòng điện tổng cộng của hệ thống là Ir. Góc giữa điện áp V và IR được giảm so với góc giữa V và IL. Do đó, hệ số công suất cosф2 được cải thiện.

power factor correction phasor diagram

Sơ đồ Phasor Điều chỉnh Hệ số Công suất

Từ sơ đồ phasor trên, thành phần chậm của hệ thống được giảm. Do đó, để thay đổi hệ số công suất từ ф1 đến ф2, dòng điện tải được giảm bởi IRsinф2.

$I_R sin \phi_2 = I_L sin \phi_1 - I_C$

$I_C = I_L sin \phi_1 - I_R sin \phi_2$

Dung lượng của tụ điện để cải thiện hệ số công suất là;

$C = \frac{I_C}{\omega V}$

Mạch Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất

Các kỹ thuật hiệu chỉnh hệ số công suất chủ yếu sử dụng tụ điện hoặc ngân hàng tụ và đồng bộ condenser. Theo thiết bị được sử dụng để hiệu chỉnh hệ số công suất, có ba phương pháp;

Ngân hàng tụ
Đồng bộ condenser
Pha tiến

Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất Sử Dụng Ngân Hàng Tụ

Tụ điện hoặc ngân hàng tụ có thể được kết nối với giá trị dung lượng cố định hoặc biến đổi. Nó được kết nối với động cơ cảm ứng, bảng phân phối, hoặc nguồn cung cấp chính.

Dung lượng điện tụ cố định được kết nối liên tục với hệ thống. Dung lượng điện tụ có giá trị thay đổi sẽ điều chỉnh lượng KVAR theo yêu cầu của hệ thống.

Để hiệu chỉnh hệ số công suất, ngân hàng điện tụ được sử dụng để kết nối với tải. Nếu tải là tải ba pha, ngân hàng điện tụ có thể được kết nối theo kiểu sao và tam giác.

Ngân hàng điện tụ kết nối theo kiểu tam giác

Sơ đồ mạch dưới đây cho thấy ngân hàng điện tụ kết nối theo kiểu tam giác với tải ba pha.

delta connected capacitor bank

Ngân hàng điện tụ kết nối theo kiểu tam giác

Hãy tìm phương trình của điện tụ mỗi pha khi nó được kết nối theo kiểu tam giác. Trong kết nối tam giác, điện áp pha (VP) và điện áp đường (VL) là bằng nhau.

$V_P = V_L$

Dung lượng điện tụ mỗi pha (C∆) được đưa ra như sau;

$C_\Delta = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega V_L^2}$

Tụ điện nối sao

Sơ đồ mạch dưới đây cho thấy tụ điện nối sao với tải ba pha.

Tụ điện nối sao

Trong kết nối sao mối quan hệ giữa điện áp pha (VP) và điện áp dây (VL) là;

$V_P = \frac{1}{\sqrt{3}} V_L$

Dung lượng điện dung cho mỗi pha (CY) được đưa ra như sau;

$C_Y = \frac{Q_C}{\omega V_P^2} = \frac{Q_C}{\omega (\frac{V_L}{\sqrt{3}})^2} = \frac{3Q_C}{\omega V_L^2}$

Từ các phương trình trên;

$C_Y = 3 C_\Delta$

Điều này có nghĩa là dung lượng điện dung cần thiết trong kết nối sao là ba lần dung lượng điện dung cần thiết trong kết nối delta. Ngoài ra, điện áp pha hoạt động là 1/√3 lần điện áp đường dây.

Vì vậy, ngân hàng tụ điện kết nối delta là một thiết kế tốt và đó là lý do tại sao, trong kết nối ba pha, ngân hàng tụ điện kết nối delta được sử dụng nhiều hơn trong mạng lưới.

Hiệu chỉnh hệ số công suất bằng máy đồng bộ condenser

Khi máy đồng bộ bị kích thích quá mức, nó sẽ lấy dòng điện đi trước và hành xử như một tụ điện. Máy đồng bộ chạy ở điều kiện không tải và bị kích thích quá mức được gọi là máy đồng bộ condenser.

Khi loại máy này được kết nối song song với nguồn cung cấp, nó lấy dòng điện dẫn pha. Và cải thiện hệ số công suất của hệ thống. Sơ đồ kết nối của máy đồng bộ với nguồn cung cấp như được hiển thị trong hình dưới đây.

power factor correction using synchronous condenser

Cải thiện hệ số công suất bằng máy đồng bộ

Khi tải có thành phần phản kháng, nó sẽ lấy dòng điện chậm pha từ hệ thống. Để trung hòa dòng điện, thiết bị này được sử dụng để lấy dòng điện dẫn pha.

synchronous condenser phasor diagram

Sơ đồ vectơ của máy đồng bộ

Trước khi máy đồng bộ được kết nối, dòng điện được tải là IL và hệ số công suất là фL.

Khi máy đồng bộ được kết nối, nó lấy dòng điện Im. Trong điều kiện này, dòng điện tổng cộng là I và hệ số công suất là фm.

Từ sơ đồ vectơ, chúng ta có thể so sánh cả hai góc hệ số công suất (фL và фm). Và фm nhỏ hơn фL. Do đó, cosфm lớn hơn cosфL.

Loại phương pháp cải thiện hệ số công suất này được sử dụng tại các trạm cung cấp hàng loạt do những lợi ích sau.

Điện áp do động cơ rút ra được thay đổi bằng cách điều chỉnh kích thích từ trường.
Rất dễ loại bỏ các lỗi xảy ra trong hệ thống.
Độ ổn định nhiệt của cuộn dây động cơ cao. Do đó, đây là một hệ thống đáng tin cậy cho dòng điện ngắn mạch.

Phase Advancer

Động cơ cảm ứng rút dòng điện phản kháng do dòng điện kích thích. Nếu sử dụng nguồn khác để cung cấp dòng điện kích thích, cuộn dây stator sẽ không bị ảnh hưởng bởi dòng điện kích thích. Và hệ số công suất của động cơ có thể được cải thiện.

Có thể thực hiện bố trí này bằng cách sử dụng phase advancer. Phase advancer là một AC exciter đơn giản được gắn trên cùng trục với động cơ và kết nối với mạch rotor của động cơ.

Nó cung cấp dòng điện kích thích cho mạch rotor ở tần số trượt. Nếu bạn cung cấp nhiều dòng điện kích thích hơn cần thiết, động cơ cảm ứng có thể hoạt động ở hệ số công suất dẫn trước.

Nhược điểm duy nhất của phase advancer là nó không kinh tế cho động cơ kích thước nhỏ, đặc biệt là dưới 200 HP.

Active Power Factor Correction

Hiệu chỉnh hệ số công suất chủ động cung cấp kiểm soát hệ số công suất hiệu quả hơn. Thường được sử dụng trong thiết kế nguồn điện có công suất hơn 100W.

Loại mạch hiệu chỉnh hệ số công suất này bao gồm các phần tử chuyển mạch tần số cao như điôt, SCR (các công tắc điện tử công suất). Các phần tử này là phần tử chủ động. Do đó, phương pháp này được gọi là phương pháp hiệu chỉnh hệ số công suất chủ động.

Trong hiệu chỉnh hệ số công suất thụ động, các phần tử phản kháng như tụ điện và cuộn cảm được sử dụng trong mạch không được kiểm soát. Vì mạch hiệu chỉnh hệ số công suất thụ động không sử dụng bất kỳ bộ điều khiển nào và các phần tử chuyển mạch.

Do sử dụng các phần tử chuyển mạch và bộ điều khiển trong mạch, chi phí và độ phức tạp của mạch tăng so với mạch hiệu chỉnh hệ số công suất thụ động.

Sơ đồ mạch bên dưới hiển thị các phần tử cơ bản của mạch hiệu chỉnh hệ số công suất chủ động.

sửa chữa hệ số công suất chủ động

Sửa chữa hệ số công suất chủ động

Để kiểm soát các thông số mạch, một đơn vị điều khiển được sử dụng trong mạch. Nó đo điện áp và dòng điện đầu vào. Và nó điều chỉnh thời gian chuyển mạch và chu kỳ làm việc trong điện áp và dòng điện pha.

Cuộn cảm L được điều khiển bởi công tắc bán dẫn Q. Đơn vị điều khiển được sử dụng để điều khiển (BẬT và TẮT) công tắc bán dẫn Q.

Khi công tắc được BẬT, dòng điện cuộn cảm tăng lên ∆I+. Điện áp trên cuộn cảm đảo chiều cực và giải phóng năng lượng qua điôt D1 đến tải.

Khi công tắc được TẮT, dòng điện cuộn cảm giảm xuống ∆I–. Tổng thay đổi trong một chu kỳ là ∆I = ∆I+ – ∆I–. Thời gian BẬT và TẮT của công tắc được điều khiển bởi đơn vị điều khiển bằng cách thay đổi chu kỳ làm việc.

Bằng cách chọn chu kỳ làm việc phù hợp, chúng ta có thể đạt được hình dạng dòng điện mong muốn đến tải.

Cách xác định kích thước sửa chữa hệ số công suất?

Để xác định kích thước sửa chữa hệ số công suất, chúng ta cần tính toán nhu cầu về công suất phản kháng (KVAR). Và chúng ta kết nối dung lượng đó với hệ thống để đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng.

Có hai cách để tìm nhu cầu về KVAR.

Phương pháp nhân bảng
Phương pháp tính toán

Như tên gọi, trong phương pháp nhân bảng, chúng ta có thể trực tiếp tìm hằng số nhân từ bảng. Chúng ta có thể trực tiếp tìm KVAR yêu cầu bằng cách nhân hằng số với công suất đầu vào.

table multiplier method

Phương pháp nhân bảng

Trong phương pháp tính toán, chúng ta cần tính toán hệ số nhân như ví dụ dưới đây.

Ví dụ:

Một động cơ cảm ứng 10 kW có hệ số công suất là 0,71 tụ. Nếu chúng ta cần chạy động cơ này ở hệ số công suất 0,92, kích thước của tụ điện sẽ là bao nhiêu?

Công suất vào = 10kW
Hệ số công suất thực tế (cos фA) = 0,71
Hệ số công suất yêu cầu (cos фR) = 0,92

$\cos \phi_1 = 0.71 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.71$

$\phi_1 = 44.765^\circ$

$\cos \phi_2 = 0.92 \Rightarrow \phi_1 = \cos^{-1} 0.9$

$\phi_2 = 23.073^\circ$

$\tan \phi_1 = \tan (44.765^\circ) = 0.9918$

$\tan \phi_2 = \tan (23.073^\circ) = 0.4259$

$Multiplier \, Constant = 0.9918-0.4259 = 0.5658$

KVAR cần thiết = Công suất đầu vào x Hằng số nhân

$KVAR = 10 \times 0.5658$

$KVAR = 5.658$

Do đó, cần 5.658 KVAR công suất phản kháng để cải thiện hệ số công suất từ 0.71 lên 0.92. Và tụ điện được kết nối với hệ thống có dung lượng là 5.658 KVAR.

Ứng dụng của việc điều chỉnh hệ số công suất

Trong mạng lưới điện, hệ số công suất đóng vai trò quan trọng nhất trong chất lượng và quản lý hệ thống. Nó quyết định hiệu quả cung cấp điện.

Không có điều chỉnh hệ số công suất, tải sẽ rút một dòng điện lớn từ nguồn. Điều này làm tăng tổn thất và chi phí năng lượng điện. Thiết bị PFC cố gắng làm cho sóng hình dòng điện và điện áp đồng pha. Điều này sẽ tăng hiệu quả của hệ thống.
Trong mạng truyền tải, hệ số công suất cao là cần thiết. Do hệ số công suất cao, tổn thất của đường dây truyền tải giảm và cải thiện quy định điện áp.
Máy điện cảm ứng được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Để tránh quá nhiệt và cải thiện hiệu quả của máy, tụ điện được sử dụng để giảm tác động của công suất phản kháng.
Thiết bị PFC giảm sự sinh nhiệt trong cáp, thiết bị đóng cắt, máy phát điện, biến áp, v.v.
Do hiệu quả cao của mạng, chúng ta cần tạo ra ít năng lượng hơn. Điều này giảm lượng khí thải carbon vào bầu khí quyển.
Sự giảm điện áp đáng kể nhờ sử dụng thiết bị PFC với hệ thống.

Tuyên bố: Tôn trọng bản gốc, bài viết tốt đáng chia sẻ, nếu có vi phạm xin liên hệ để xóa.

Đóng góp và khuyến khích tác giả!

Chủ đề:

Hệ thống điện

Truyền tải

Về chuyên gia

Electrical4u

China

Lĩnh vực chuyên môn

Basic Electrical

Bài viết chuyên ngành

607