Điều gì là Hệ số Công suất?
Trong kỹ thuật điện, hệ số công suất (PF) của hệ thống điện AC được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất thực (đo bằng kilowatt, kW) được tải hấp thụ và công suất biểu kiến (đo bằng kilovolt amper, kVA) chảy qua mạch. Hệ số công suất là một số vô chiều trong khoảng đóng từ -1 đến 1.
Hệ số công suất "tối ưu" là một (cũng được gọi là "unity"). Đây là khi không có công suất phản kháng nào đi qua mạch, và do đó công suất biểu kiến (kVA) bằng với công suất thực (kW). Một tải có hệ số công suất là 1 là tải hiệu quả nhất cho nguồn cung cấp.
Tuy nhiên điều này không thực tế, và hệ số công suất sẽ thực tế nhỏ hơn 1. Các phương pháp cải thiện hệ số công suất được sử dụng để giúp tăng hệ số công suất lên trạng thái lý tưởng này.
Để giải thích rõ hơn, hãy quay lại và nói về công suất là gì.
Công suất là khả năng làm việc. Trong lĩnh vực điện, công suất điện là lượng năng lượng điện có thể chuyển đổi thành dạng khác (nhiệt, ánh sáng, v.v.) theo đơn vị thời gian.
Toán học, hệ số công suất là tích của rút gọn điện áp trên phần tử và dòng điện chảy qua nó.
Xem xét trước tiên các mạch DC, chỉ có nguồn điện áp DC, cuộn cảm và tụ điện hành xử như mạch ngắn mạch và mạch hở tương ứng trong trạng thái ổn định.
Do đó toàn bộ mạch hoạt động như mạch điện trở và toàn bộ công suất điện bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Ở đây, điện áp và dòng điện ở cùng pha và tổng công suất điện được tính bằng:
Bây giờ xem xét mạch AC, ở đây cả cuộn cảm và tụ điện đều cung cấp một mức độ kháng nhất định được tính bằng:
Cuộn cảm lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng từ và tụ điện lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng tĩnh điện. Không có thứ nào tiêu tán nó. Hơn nữa, có sự dịch chuyển pha giữa điện áp và dòng điện.
Vì vậy, khi chúng ta xem xét toàn bộ mạch bao gồm điện trở, cuộn cảm và tụ điện, tồn tại một sự khác biệt pha giữa điện áp nguồn và dòng điện.
Cosin của sự khác biệt pha này được gọi là hệ số công suất điện. Yếu tố này (-1 < cosφ < 1) đại diện cho phần của tổng công suất được sử dụng để làm công việc hữu ích.
Phần khác của công suất điện được lưu trữ dưới dạng năng lượng từ hoặc năng lượng tĩnh điện trong cuộn cảm và tụ điện tương ứng.
Tổng công suất trong trường hợp này là:
Điều này được gọi là công suất biểu kiến và đơn vị của nó là VA (Volt-Amp) và ký hiệu bằng 'S'. Phần của tổng công suất điện này làm công việc hữu ích được gọi là công suất thực. Chúng ta ký hiệu nó là 'P'.
P = Công suất thực = Tổng công suất điện.cosφ và đơn vị của nó là watt.
Phần khác của công suất được gọi là công suất phản kháng. Công suất phản kháng không làm công việc hữu ích, nhưng nó cần thiết để công việc thực tế được thực hiện. Chúng ta ký hiệu nó bằng 'Q' và toán học được tính bằng:
Q = Công suất phản kháng = Tổng công suất điện.sinφ và đơn vị của nó là VAR (Volt-Amp Reactive). Công suất phản kháng dao động giữa nguồn và tải. Để hiểu rõ hơn, tất cả các loại công suất này được biểu diễn dưới dạng tam giác.
Toán học, S2 = P2 + Q2, và hệ số công suất điện là công suất thực / công suất biểu kiến.
Thuật ngữ hệ số công suất xuất hiện chỉ trong các mạch AC. Toán học, nó là cosin của sự khác biệt pha giữa điện áp nguồn và dòng điện. Nó đề cập đến phần của tổng công suất (công suất biểu kiến) được sử dụng để làm công việc hữu ích gọi là công suất thực.
Nhu cầu Cải thiện Hệ số Công suất
Công suất thực được tính bằng P = VIcosφ. Dòng điện tỷ lệ nghịch với cosφ để truyền một lượng công suất nhất định ở một mức điện áp nhất định. Do đó, hệ số công suất càng cao, dòng điện chảy càng nhỏ. Dòng điện nhỏ yêu cầu diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn nhỏ, do đó tiết kiệm dây dẫn và tiền bạc.
Từ mối quan hệ trên, chúng ta thấy rằng hệ số công suất thấp làm tăng dòng điện chảy trong dây dẫn, và do đó tổn thất đồng tăng. Sự giảm điện áp lớn xảy ra trong máy phát, máy biến áp, và đường dây truyền tải và phân phối – điều này gây ra điều chỉnh điện áp rất kém.
Công suất KVA của máy cũng được giảm bởi hệ số công suất cao, theo công thức:
Do đó, kích thước và chi phí của máy cũng được giảm.
Đó là lý do tại sao hệ số công suất điện nên được duy trì gần với 1 – điều này rẻ hơn đáng kể.
Có ba cách chính để cải thiện hệ số công suất:
Ngân hàng Tụ điện
Máy đồng bộ Điều hòa
Thiết bị Điều chỉnh Pha
Cải thiện hệ số công suất có nghĩa là giảm sự khác biệt pha giữa điện áp và dòng điện. Vì hầu hết các tải có tính chất cảm, chúng cần một lượng công suất phản kháng để hoạt động.
Một tụ điện hoặc ngân hàng tụ điện được lắp đặt song song với tải cung cấp công suất phản kháng này. Chúng hoạt động như nguồn cung cấp công suất phản kháng cục bộ, do đó ít công suất phản kháng chảy qua đường dây.
Ngân hàng tụ điện giảm sự khác biệt pha giữa điện áp và dòng điện.
Máy đồng bộ điều hòa là máy đồng bộ 3 pha không có tải gắn vào trục của chúng.
Máy đồng bộ có đặc điểm hoạt động dưới bất kỳ hệ số công suất nào dẫn trước, sau hoặc unity tùy thuộc vào kích thích. Đối với tải cảm, máy đồng bộ điều hòa được kết nối phía bên tải và được kích thích quá mức.
Máy đồng bộ điều hòa làm cho nó hành xử như một tụ điện. Nó rút dòng điện sau từ nguồn hoặc cung cấp công suất phản kháng.
