Phân tích nguyên lý kiến thức công suất phản kháng q

“Công suất phản kháng” có thật hay không? Khi mà từ nhà máy điện công suất phát lên lưới hầu như chỉ là công suất P do hệ số công suất được cải tạo về mức gần như hoàn hảo bằng

Phân Tích Về Công Suất Phản Kháng và Công Suất Hữu Dụng P

“Công suất phản kháng” có thật hay không? Khi mà từ nhà máy điện công suất

phát lên lưới hầu như chỉ là công suất P do hệ số công suất được cải tạo về mức gần như hoàn hảo bằng 1 Chỉ tới khi phụ tải tiêu hao nhiều năng lượng điện để hình thành từ trường gây sụt áp, tăng dòng điện thì các trạm bù mới hình thành để cung cấp Năng lượng Từ Trường cho những tải nào cần tới Và thậm chí các trạm

bù cũng không thể đáp ứng trước nhu cầu biến đổi của phụ tải nhất là khi chi phí thay mới, lặp đặt trạm bù là điều mà các công ty điện lực cần phải tính toán lại không thể thay đổi ngày một ngày hai Vậy là yêu cầu về việc bù “Công suất

phản kháng” tại phụ tải được đặt ra nhằm “Cải tạo chất lượng cung cấp điện”

Vậy “Công suất phản kháng” đó thực chất là gì? Trên thực tế đường dây truyền tải không hề phân phối công suất này từ nhà máy điện vì trước khi phát lên lưới hệ số công suất luôn được điều chỉnh về mức gần như bằng 1, mức có lợi nhất trong việc truyền công suất đi xa Nếu xét trong trường hợp máy phát được sử dụng để cải tạo chất lượng điện áp, dùng kích từ để tăng điện áp đầu ra nhằm khắc phục sụt áp trên lưới điện, như vậy có phải đường dây lúc này có truyền tải “Công

suất phản kháng” hay không?

Xét về cấu tạo của máy phát điện, khi tốc độ quay của Roto đã đạt giới hạn trong tính toán thiết kế của nhà sản xuất thì chỉ còn một cách để tăng dòng điện và điện

áp ngõ ra của máy phát, đó là tăng kích từ để tăng độ lớn của từ trường Từ trường trong máy phát tỉ lệ thuận với dòng điện được sinh ra Vì từ trường tăng đồng nghĩa với sức điện động tăng theo và lực điện động tác dụng lên các electron điện tích cũng tăng, chuyển động của các hạt mang điện diễn ra nhanh hơn và xét trong một chu kỳ với tốc độ máy phát không đổi, đã có nhiều dòng điện hơn được tạo ra Trước đây bản thân mình từng gật gù và hài lòng với cách giải thích như sau:

- Hệ số công suất của máy phát điện đại diện cho lượng công suất Q mà máy phát

có thể tạo ra Trong trường hợp hệ số công suất của nhà máy trước khi phát lên lưới chưa đạt yêu cầu từ 0,95 đến 1, người ta sẽ vận hành máy phát để tạo ra một

lượng Q bù nhằm ổn định hệ số công suất với sự trợ giúp của bộ AVR (Automatic Voltage Regulator) và bộ kích từ máy phát Ví dụ như công suất

danh định của một máy phát chạy bằng turbine hơi nước là 22,4MVA(20160kW),

hệ số công suất là pf (power factor) = 0,9 (những thông số này được cung cấp từ nhà sản xuất) Một cách dễ dàng, có thể tính được công suất Q mà máy phát này có thể tạo ra (tương ứng với kích từ cực đại) là 9764kVAr Và khả năng “Bù công

suất phản kháng” của máy phát được giải thích là do máy phát có thể tạo ra công

suất Q Tuy nhiên, không thể vận hành máy phát ở mức công suất Q cao, vì cần dòng kích từ lớn và gây nóng máy phát Vì vậy bên trong nhà máy điện thông thường sẽ tiến hành bù trên thanh cái tổng trước để nâng hệ số công suất lên khoảng 0,92-0,95 Phần còn lại sẽ cho máy phát bù tiếp và như vậy là hệ số công suất đạt yêu cầu, sau đó là hòa đồng bộ và phát lên lưới Mình đã từng rất hài lòng với câu trả lời này

- Trong ví dụ phía trên có một vấn đề mà có thể nhiều người sẽ gặp phải, đó là trình tự tư duy khi tiếp nhận thông tin về máy phát điện Khi chúng ta nhìn vào thông số máy phát 22,4MVA(20160kW) pf = 0.9, chúng ta thường đi theo chiều xuôi dữ kiện đó là từ 22,4MVA đến 20160kW rồi mới đến pf = 0.9, điều này khiến chúng ta một lần nữa gặp khó khăn đối với vấn đề tiếp nhận Công suất biểu kiến, Công suất tác dụng và Hệ số công suất của máy phát điện Mình xin đưa ra một trình tự mới như sau: tại nhà máy chế tạo máy phát điện, nhà sản xuất tiến hành tính toán dựa trên những điều kiện chuẩn về nhiệt độ, áp suất và lượng nhiên liệu tối ưu nạp vào Turbine làm quay trục động cơ Kết hợp với sự lựa chọn kết cấu máy phát điện, độ bền của vật liệu, độ chịu nhiệt, khả năng giãn nở v.v Sau cùng, lựa chọn tối ưu về công suất trên trục quay của Turbine là công suất đáp ứng được yêu cầu vận hành ổn định, liên tục trong một thời gian dài mà không gặp phải bất

kỳ sự cố hay vấn đề nào Do đó, công suất P = 20160kW trong ví dụ trên mới là công suất có trước Công suất này có thể coi là công suất tối đa mà nhà chế tạo thiết kế, là công suất sau khi đã loại trừ đi các thành phần tổn hao trên trục quay của máy phát Khi Turbine máy phát hoạt động ở công suất này, thiết bị sẽ đảm

bảo an toàn và hoạt động liên tục Phần kết cấu (khung, vỏ, chi tiết máy) của Turbine-Generator cũng hoàn toàn đáp ứng tốt cho hoạt động tại mức công suất này Tuy nhiên, công suất này chỉ là công suất được tính toán và chế tạo cho những thông số chuẩn và ổn định Khi vận hành ngoài thực tế sẽ có sai lệch vì khác biệt bởi nhiệt độ, áp suất, nhiên liệu và thêm vào đó là các loại tổn hao mới Đặc biệt quan trọng hơn đó là sự biến động từ phụ tải với các tải cần nhiều Năng lượng Từ Trường, dòng điện sẽ bị tiêu hao trong pi/2 chu kỳ gây hiện tượng trễ pha Giải pháp được tính đến đó là tăng giá trị ngõ ra máy phát dựa vào từ trường trong máy phát Lúc này, hệ số công suất pf = 0.9 đại diện cho khả năng tối đa của giá trị tăng thêm mà máy phát có thể tạo ra dựa vào việc tăng độ lớn của từ trường bên trong bằng cách tăng kích từ Giá trị này vẫn thường được gọi là “Công suất

phản kháng”, dễ dàng được tính toán và có độ lớn là Q = 9764kVAr Và công

suất 22,4MVA, là thông số sau cùng có được từ những giá trị nêu trên Nếu có bạn nào thắc mắc tại sao hệ số công suất là 0.9 mà không phải 1 thì hãy lưu ý rằng hệ

số công suất này không phải độ lệch pha giữa điện áp với dòng điện mà là thông số đại diện cho khả năng sinh công suất tăng thêm Q của máy phát Trước tiên, chúng

ta hãy tạm thời quên các kiến thức có liên quan và coi đây là một bài toán ngược Khi công suất trên trục máy phát đã đạt giới hạn theo thiết kế (20160kW), để tăng thêm giá trị tại ngõ ra của máy phát cần tăng dòng kích từ Dòng kích từ càng tăng thì từ trường hình thành trong máy phát càng lớn, dòng điện và điện áp được tạo ra trên Stator càng lớn Tuy nhiên dòng kích từ sẽ khiến máy phát nóng lên, nếu duy trì lâu sẽ giảm tuổi thọ làm việc Với dòng kích từ lớn và liên tục thậm chí còn có thể là nguyên nhân gây hư hỏng máy phát sau một thời gian hoạt động Nhà sản

xuất đã giới hạn khả năng sinh công suất tăng thêm Q này bằng thông số “hệ số công suất của máy phát điện” Thông qua việc tính toán trước về độ lớn của

công suất Q mà máy phát có thể đáp ứng tốt nhất, từ đó chuyển ngược trở về hệ số công suất cos(phi) với góc phi được tính từ công thức tang(phi) = Q/P Do đó, nếu

pf = 1 tức là tang(phi) = 0 và Q = 0 chính là một máy phát điện chỉ hoạt động dựa vào công suất từ trục quay của Turbine mà không hề có bộ kích từ để sinh công suất Q Khi nhà sản xuất chọn ra một giá trị pf cho sản phẩm của họ, điều đó có nghĩa là giá trị đó đã được tính toán trong sự phù hợp để vận hành lâu dài và ổn định với chi phí chế tạo cho phép

- Trở lại ví dụ ban đầu, mọi chuyện sẽ không có vấn đề về việc tại sao lại cho rằng cùng một lúc đường dây truyền tải cả công suất P và công suất Q? Từ máy phát điện, cả công suất P và Q đều được tạo ra nhưng thành phần chính yếu nhất tại ngõ

ra của máy phát đơn thuần chỉ là điện áp và dòng điện Nếu khẳng định sự tồn tại của công suất Q, điều đó có nghĩa là cùng một lúc trong dây dẫn tuy chỉ có một loại dòng điện nhưng lại có đến 2 thành phần công suất? Có thể hình dung rằng dây dẫn như một ống nước, trong ống nước có dòng điện là chất lỏng đang chảy,

và trong thành phần của dòng điện có 2 loại chất lỏng có 2 màu sắc khác nhau (P

và Q) cùng được truyền đi cùng một lúc? Điều này không phù hợp, vì dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện, và dòng điện là dòng điện chứ

không có dòng điện của công suất P hay dòng điện của công suất Q Kết hợp với lập luận về việc chuyển hóa điện năng thành năng lượng từ trường như ở phần đầu của bài viết Mình đi đến giả thuyết rằng công suất Q thực chất chỉ là đại lượng do con người đặt ra để lý giải một cách đơn giản cho một hiện tượng của ngành điện Bản chất thực của công suất Q là sự tiêu hao điện năng để hình thành từ trường, vì cần có một đại lượng để đại diện cho quá trình này khi tính toán nên tên gọi Q (Reactive power) - Công suất phản kháng đã được tạo ra Trải qua một thời gian dài áp dụng và đưa vào trong khuôn khổ kiến thức, dần dần con người chấp nhận

và áp dụng đều đặn dẫn đến đại lượng này trở thành giá trị chấp nhận đúng Vậy do đâu mà con người có thể xác định được “Công suất phản kháng”? Sử dụng các thiết bị đo công suất Q thậm chí có thể hiển thị được giá trị kVAr, vậy công suất này hiện hữu hay không? Nếu nhìn nhận vấn đề này thì có lẽ nhiều người sẽ nản lòng và chấp nhận rằng có tồn tại công suất Q Mình xin đưa ra cách

lý giải như sau:

- Lấy ví dụ về một bộ bù “Công suất phản kháng”, sử dụng thiết bị APFC (Automatic Power Factor Controller) Thiết bị này cần 2 loại tín hiệu, một là tín hiệu nhận trực tiếp từ điện áp và hai là tín hiệu của dòng điện thông qua CT(Current Transformer - Biến dòng) Từ APFC sẽ có một số ngõ ra với các tiếp điểm cấp nguồn cho cuộn dây của các Contactor có nhiệm vụ đóng/mở mạch nối với các tụ điện APFC căn cứ vào tín hiệu nhận được từ điện áp và dòng điện để so sánh và đối chiếu, từ đó cấp hoặc ngắt tín hiệu điện cho cuộn dây của các Contactor để đóng hoặc mở các mạch nối với tụ bù nhằm tăng hoặc giảm lượng công suất bù tương ứng Vậy do đâu mà thiết bị APFC có thể xác định được hệ số công suất trong mạch? Câu trả lời chính là dựa vào tín hiệu dao động của điện áp

và dòng điện

+ Xét một đồ thị dao động của điện áp và dòng điện xoay chiều trong trường hợp của một tải không chuyển hóa điện năng thành năng lượng từ trường Có thể thấy rằng dao động của Điện áp và Dòng điện là cùng pha với nhau Bên trong thiết bị APFC sẽ có một linh kiện dùng để xác nhận thời điểm về trục hoành (giá trị 0) của dao động Điện áp và dao động Dòng điện Khi thời điểm mà 2 dao động này về trục hoành là trùng nhau (hoặc sai lệch gần như bằng 0), điều đó có nghĩa là trong mạch điện có hệ số công suất pf = 1

+ Bây giờ đến đồ thị của một thiết bị có xảy ra hiện tượng chuyển hóa điện năng thành năng lượng từ trường, do dòng điện bị hấp thu và tiêu hao vào quá trình tạo năng lượng từ trường dẫn đến dòng điện bị “mất đi” trong một khoảng thời gian xác lập Linh kiện bên trong APFC sẽ ghi nhận được khoảng thời gian chênh lệch giữa thời điểm về đến trục hoành (giá trị 0) của dao động Điện áp và Dòng điện tại (a) và (b) Giá trị sai lệch này chính là góc lệch pha giữa Điện áp và Dòng điện của mạch Nếu có yêu cầu cần phải hiển thị “Công suất phản kháng”, đơn giản là một tổ hợp tính toán bên trong thiết bị sẽ sử dụng góc lệch pha này để tiến hành phép toán với giá trị điện áp và dòng điện rồi từ đó xuất kết quả ra ngoài màn hình hiển thị

Tóm lại, vấn đề thực sự mà mình muốn đề cập trong bài viết này đó là bản chất của “Công suất Phản Kháng” là một loại tổn hao điện năng để chuyển hóa thành năng lượng từ trường Trên thực tế, thành phần bị tiêu hao chính là Dòng điện xoay chiều biến thiên cần cho việc chuyển hóa và tạo ra một Từ Trường biến thiên. “Công suất Phản Kháng” không có thật và không hề tồn tại, đây chỉ là một khái niệm, một đại lượng tương đương được những người đi trước đặt ra

nhằm công thức hóa và dễ dàng kiểm soát việc cân đối công suất trong hệ thống điện Đại lượng này được công thức hóa một cách thuận lợi dựa vào việc hình thành giản đồ vectơ công suất khi U(C) trễ pha 1 góc pi/2, U(L) sớm pha một góc pi/2 và U(R) cùng pha với I, kết hợp với công thức lượng giác trong tam giác vuông

Việc chấp nhận và vận dụng về “Công suất phản kháng” cũng như quá trình tính toán liên quan giúp đơn giản hơn rất nhiều trong quá trình ổn định hệ thống điện, đó là điều mà chúng ta không cần phải thay đổi Chỉ có điều, trong ngôn ngữ của tiếng Việt, cách gọi “Công suất Phản Kháng” hay “Công suất Vô

Công” sẽ gây ra sự đánh lạc hướng và xa rời bản chất thực sự của loại năng lượng

này Vì thế mình có một đề xuất đó là để có thể tìm hiểu tốt hơn và nắm rõ bản chất của công suất Q, hãy gọi đó là “Công suất chuyển hóa Từ Trường” đối với các tải AC

Sự thật là thực tế dòng điện một chiều không hề đòi hỏi Công suất Q Những phụ tải một chiều đương nhiên vận hành mà không cần đến Công suất Q

Lý do cơ bản cho vấn đề này là ở phạm vi ứng dụng giữa nguồn điện một chiều và xoay chiều dựa trên một đặc điểm chính: nguồn điện xoay chiều tạo ra bởi dao động điện và có khả năng để kiểm soát, điều chỉnh trong giới hạn của phụ tải với nguồn cấp không đổi Mình lấy ví dụ minh họa như sau, trời mùa hè nóng bức và

chúng ta có 2 quạt điện để tạo ra gió làm mát Với quạt điện AC, chúng ta muốn nhiều gió hơn thì sẽ thay đổi tốc độ quạt bằng cách ấn nút với số lớn hơn (mình không đi sâu vào cấu tạo của quạt điện), còn với quạt DC, để tăng tốc độ của quạt

sẽ không có nút ấn nào hết vì bản chất của năng lượng DC là muốn tăng thì chỉ có cách tăng nguồn cấp, phải cấp một dòng DC lớn hơn và thay một quạt mới vì nếu quạt cũ có kích thước nhỏ sẽ không phù hợp với dây dẫn cỡ lớn và bị nóng lên bởi một nguồn cấp lớn

Trong thực tiễn đời sống, năng lượng AC được ứng dụng nhiều bởi dải tương tác rộng trên nhiều lĩnh vực mà dễ thấy nhất là phục vụ trong đời sống và sản xuất công nghiệp Với các thiết bị đòi hỏi hoạt động ở nhiều cấp tốc độ hoặc phải đảo chiều quay, v.v sẽ dễ dàng hơn nếu tác động dựa vào nguyên lý biến thiên của từ trường (Động cơ DC cũng có thể hoạt động ở nhiều cấp tốc độ nhưng có nhiều hạn chế hơn so với động cơ AC, mình không đi sâu vào vấn đề này)

Tiếp theo đây, mình xin tiếp tục chia sẻ với các bạn thêm một vài kinh nghiệm có liên quan tới công suất P và Q

1 Thực tế là không riêng bất kỳ ai, rất nhiều thế hệ học sinh sinh viên nói chung đều gặp không ít phiền toái về công suất P và Q này Đa phần đều do ngay từ thuở đầu khi biết đến P và Q, chúng ta đều tự mình ám thị rằng đó là "Công suất Hữu

Công (Công suất Tác Dụng) và Công suất Vô Công (Công suất Phản Kháng)" Đối với tiếng Việt, khi nhắc tới "Vô Công" là chúng ta hình dung ngay tới "Chẳng ích lợi gì cả" Điều này gây ra một tâm lý chung rằng công suất này

không quan trọng Vậy để dễ hiểu hơn, cách gọi mới đó là Công suất chuyển hóa

Từ Trường Q, lý do như sau:

- Đối với các thiết bị, động cơ được xếp vào loại tải "cảm" như cách gọi bấy lâu

nay, để bắt đầu hoạt động thì các tải loại này cần một thời gian nhất định để tích

trữ năng lượng dưới dạng từ trường Từ "cảm" ở đây có thể được hiểu chính là " Cảm ứng" Thông thường mọi người đều biết rằng khi động cơ mới khởi động,

dòng khởi động thường tăng vọt lên trước khi trở về định mức Điều này xảy ra

bởi giai đoạn khởi động, các cuộn dây quấn trong động cơ cần được "thấm đẫm" bởi điện năng trước khi có đủ năng lượng để tạo ra một từ trường quay Và

một điều đơn giản để trở nên dễ hiểu, Q là năng lượng cần tích trữ vào trong các dây quấn để sinh ra từ trường Khi năng lượng trong dây quấn chuyển hóa thành từ trường, điều đó có nghĩa là đã hoàn tất một sự chuyển hóa và tất yếu năng lượng sẽ biến mất, chúng ta coi đó là một dạng tổn hao Để duy trì, các dây quấn sẽ tiếp tục hấp thu năng lượng từ nguồn cấp để tái chuyển hóa thành từ trường quay,

vì dòng điện là liên tục nên chỉ duy nhất lần khởi động đầu tiên là xảy ra hiện

tượng dòng tăng vọt còn lại sau đó tuy dây quấn vẫn hấp thu và chuyển hóa năng lượng, nhưng hiện tượng tăng dòng điện sẽ không còn Vì sao chúng ta nói rằng dây quấn cần tiếp tục chuyển hóa năng lượng điện trường thành từ trường, vì đơn giản rằng nếu từ trường sau khi chuyển hóa vẫn tồn tại thì chúng ta đã có thể rút phích cắm điện ra mà quạt vẫn cứ quay

- Trong giản đồ vectơ, vectơ của công suất Q vuông góc với vectơ công suất P và sớm pha một góc pi/2 Từ lý giải ở phía trên, chắc hẳn các bạn cũng có thể hiểu được rằng công suất Q cần có trước, phải đi trước để tạo ra từ trường quay, rồi sau

đó mới đến lượt công suất P phát huy tác dụng khi gắn với một tải cụ thể Từ góc pha pi/2, chúng ta cũng phần nào có thể đoán ra rằng xét trong một chu kỳ 2pi của dòng AC, thời gian cần thiết để hấp thu, chuyển hóa và hình thành từ trường yêu cầu đối với tải AC là pi/2 ở phần dương đồ thị dòng xoay chiều Thời gian pi/2 là giai đoạn dòng điện hình sin đi từ 0 lên tới giá trị biên độ, do đó nếu từ trường được hình thành trong giai đoạn này sẽ tỉ lệ thuận với dòng điện đồng nghĩa với việc từ trường tăng dần để đạt đủ giá trị nhằm chuyển hóa điện năng thành cơ năng Tuy nhiên, chu kỳ 2pi ở đây phải được hiểu là chu kỳ dao động tương ứng của tải phù hợp với nguồn cấp Nếu một tải có công suất lớn được nối với nguồn cấp có công suất không đáp ứng thì chắc chắn vượt quá thời gian pi/2 tải này vẫn chưa thể khởi động thành công, năng lượng cần tích trữ cho các cuộn dây quá lớn dẫn đến thời gian cần thiết cho việc chuyển hóa năng lượng thành từ trường quay vượt quá chu kỳ dao động của nguồn Thông thường, một khi điện năng được chuyển hóa thành cơ năng lúc đó nguồn cấp chỉ cần giữ vai trò “duy trì” cho sự hoạt động Nhưng khi điện năng vẫn chưa thể chuyển hóa thành cơ năng, tải sẽ tiếp tục “hút” điện từ nguồn cấp để cố gắng tạo ra từ trường quay đủ lớn Vì công suất cần thiết lớn hơn khả năng đáp ứng, sau chu kỳ pi/2 mà tải vẫn chưa thể khởi động thì sau đó khi dòng AC đã ở phần âm của đồ thị, từ trường được tạo ra sẽ lại

bị triệt tiêu Từ trường được tạo ra và biến mất liên tục trong khi tải vẫn chưa thể khởi động, nhưng việc liên tục nhận dòng điện sẽ khiến cho tải gặp hiệu ứng sinh nhiệt I2t, thời gian kéo dài càng lâu thì lượng nhiệt tích lũy càng lớn và tăng nhanh dẫn đến việc có thể bị nóng lên rồi cháy và hư hỏng

Từ khi chúng ta còn ngồi trên ghế nhà trường, chúng ta được học những công thức tính hệ số công suất, tính “Công suất phản kháng”, công thức “Cải tạo hệ số công suất cosphi” v.v Chúng ta đều áp dụng một cách thành thục với mỗi bài toán Và một cách vô hình, chúng ta tự mình ràng buộc vào trong tư duy về việc “Công

suất phản kháng” là “Công suất vô công” và cần phải cải tạo nó Không chỉ

một quốc gia, suy nghĩ này là suy nghĩ chung trong lĩnh vực điện tại hầu hết các nước và suy nghĩ này sẽ khiến các nhà sản xuất thiết bị “bù” thấy rất vui, vì tất cả

mọi người hãy cứ tin là như thế và áp dụng công thức, tính toán rồi mua sản phẩm

tụ bù, cuộn kháng v.v