Hiệu chỉnh hệ số công suất là gì?
Hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) 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. Các kỹ thuật này làm tăng hiệu suất mạch điện và giảm dòng điện mà tải tiêu thụ.
Thông thường, tụ điện và động cơ đồng bộ được sử dụng trong các mạch điện để giảm các phần tử cảm ứng (và do đó giảm công suất phản kháng). Các kỹ thuật này không được sử dụng để tăng lượng công suất thực mà chỉ để giảm công suất biểu kiến.
Nói cách khác, nó làm giảm sự lệch pha giữa điện áp và dòng điện. Vì vậy, nó cố gắng giữ hệ số công suất gần bằng 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 là tại sao giá trị kinh tế của hệ số công suất lại là 0,95 thay vì hệ số công suất đơn vị (bằng 1)? Có bất kỳ nhược điểm nào của hệ số công suất đơn vị không?
KHÔNG. Không có một nhược điểm nào của hệ số công suất đơn vị. Nhưng việc lắp đặt thiết bị Unity PFC rất khó khăn và tốn kém.
Do đó, các công ty cung cấp điện và tiện ích cố gắng tạo ra hệ số công suất trong phạm vi từ 0,9 đến 0,95 để tạo ra một hệ thống kinh tế. Và phạm vi này đủ tốt cho một hệ thống năng lượng.
Nếu mạch AC có tải cảm ứng cao, hệ số công suất có thể nằm dưới 0,8. Và nó sẽ lấy nhiều dòng điện hơn từ nguồn.
Thiết bị hiệu chỉnh hệ số công suất làm giảm các phần tử cảm ứng và dòng điện rút ra từ nguồn. Nó tạo ra một hệ thống hiệu quả và ngăn ngừa mất năng lượng điện.
Tại sao cần phải hiệu chỉnh hệ số công suất?
Trong mạch điện một chiều, công suất tiêu tán do 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 tán bởi tải điện trở là tuyến tính.
Trong mạch điện xoay chiều, điện áp và dòng điện là sóng hình sin. Do đó, độ lớn và hướng thay đổi liên tục. Tại một thời điểm cụ thể, công suất tiêu tán là phép nhân của điện áp và dòng điện tại thời điểm đó.
Trong các mạch điện xoay chiều có tải cảm ứng như cuộn dây, cuộn cảm, cuộn dây điện từ hoặc máy biến áp, dòng điện lệch pha với điện áp. Điều này có nghĩa là công suất thực tế tiêu tán nhỏ hơn tích của điện áp và dòng điện.
Mạch điện xoay chiều với các phần tử phi tuyến tính có cả điện trở và điện kháng. Điều này làm cho độ lệch pha giữa dòng điện và điện áp trở nên quan trọng khi tính toán công suất.
Đối với tải điện trở thuần, điện áp và dòng điện cùng pha. Nhưng đối với tải cảm ứng, dòng điện chậm hơn điện áp. Và nó tạo ra phản kháng cảm ứng.
Trong điều kiện này, hiệu chỉnh hệ số công suất là cần thiết nhất để giảm tác động của phần tử cảm ứng và cải thiện hệ số công suất để tăng hiệu suất của hệ thống.
Công Thức Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
Hãy xem xét một tải cảm ứng 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 sự sắp xếp này được thể hiện dưới hình.
Tụ điện cung cấp thành phần phản kháng dẫn đầu và làm giảm ảnh hưởng của thành phần phản kháng trễ. Trước khi kết nối tụ điện, dòng điện tải là IL.
Tụ điện nhận dòng điện IC dẫn điện áp đi 90˚. Và dòng điện tổng hợp của hệ thống là IR. Góc giữa điện áp V và IR giảm so với góc giữa V và IL. Do đó, hệ số công suất cosф2 được cải thiện.
Từ sơ đồ pha trên, thành phần trễ của hệ thống được giảm. Do đó, để thay đổi hệ số công suất từ ф1 thành ф2, dòng điện tải được giảm đi IRsinф2.
IRsinф2 = ILsinф2 – IC
IC = IRsinф2– ILsinф2
Điện dung của tụ điện để cải thiện hệ số công suất là: C = IC/ωV
Mạch Hiệu Chỉnh Hệ Số Công Suất
Kỹ thuật hiệu chỉnh hệ số công suất chủ yếu sử dụng tụ điện hoặc dàn tụ điện và tụ điện đồng bộ. Theo thiết bị được sử dụng để hiệu chỉnh hệ số công suất, có ba phương pháp;
- Giàn (cụm) tụ điện.
- Tụ điện đồng bộ.
- Bộ bù pha.
Hiệu chỉnh hệ số công suất bằng tụ điện
Tụ điện hoặc cụm tụ điện có thể có điện dung cố định hoặc thay đổi. Chúng kết nối với động cơ cảm ứng, bảng phân phối hoặc nguồn cung cấp chính.
Tụ điện có giá trị cố định được kết nối liên tục với hệ thống. Điện dung có giá trị thay đổi sẽ thay đổi lượng KVAR tùy theo yêu cầu của hệ thống.
Đối với hiệu chỉnh hệ số công suất, cụm tụ điện được sử dụng để kết nối với tải. Nếu tải là tải ba pha, cụm tụ điện có thể được kết nối dưới dạng kết nối sao và tam giác.
Giàn tụ điện kết nối Delta (Tam giác)
Trong kết nối delta, điện áp pha (VP) và điện áp đường dây (VL) bằng nhau: VP = VL
Điện dung trên mỗi pha (C∆) được tính như sau:
Giàn tụ điện kết nối hình sao
Trong kết nối hình sao, mối quan hệ giữa điện áp pha (VP) và điện áp lưới (VL) là:
Điện dung trên mỗi pha (CY) được tính như sau:
Từ các phương trình trên: CY = 3C∆
Điều này có nghĩa là điện dung yêu cầu trong kết nối hình sao gấp ba lần điện dung yêu cầu trong kết nối hình tam giác. Đồng thời, điện áp pha vận hành bằng 1/√3 lần điện áp đường dây.
Vì vậy, tụ điện kết nối hình tam giác là một thiết kế tốt và đó là lý do tại sao trong kết nối ba pha, tụ điện kết nối hình tam giác được sử dụng nhiều hơn trong mạng lưới.
Hiệu chỉnh hệ số công suất bằng tụ điện đồng bộ
Khi động cơ đồng bộ bị kích thích quá mức, nó sẽ lấy dòng điện dẫn và hoạt động như một tụ điện. Động cơ đồng bộ bị kích thích quá mức chạy ở chế độ không tải được gọi là tụ điện đồng bộ.
Khi loại máy này được mắc song song với nguồn điện, nó cần có dòng điện dẫn. Và cải thiện hệ số công suất của hệ thống. Sơ đồ kết nối của tụ điện đồng bộ với nguồn cung cấp như trong hình bên dưới.
Khi tải có thành phần phản kháng, nó sẽ rút dòng điện trễ từ hệ thống. Để trung hòa dòng điện, thiết bị này được sử dụng để lấy dòng điện dẫn.
Trước khi kết nối tụ điện đồng bộ, dòng điện do tải tiêu thụ là IL và hệ số công suất là фL.
Khi kết nối tụ điện đồng bộ, nó sẽ lấy dòng điện Im. Ở điều kiện này, dòng điện tổng hợp là I và hệ số công suất là фm.
Từ biểu đồ phasor, 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.
Phương pháp cải thiện hệ số công suất này được sử dụng tại các trạm cung cấp điện số lượng lớn vì những ưu điểm sau.
- Độ lớn dòng điện do động cơ tạo ra được thay đổi bằng cách thay đổi kích thích trường.
- Dễ dàng loại bỏ các lỗi xảy ra trong hệ thống.
- Độ ổn định nhiệt của cuộn dây động cơ cao. Do đó, đây là hệ thống đáng tin cậy cho dòng điện ngắn mạch.
Bộ bù pha
Động cơ cảm ứng tạo ra dòng điện phản kháng do dòng điện kích thích. Nếu sử dụng nguồn khác để cung cấp dòng điện kích thích thì cuộn dây stato sẽ không có dòng điện kích thích. Và hệ số công suất của động cơ có thể được cải thiện.
Có thể thực hiện sắp xếp này bằng cách sử dụng bộ bù pha. Bộ bù pha là một bộ kích thích AC đơn giản được lắp trên cùng một trục của động cơ và được kết nối với mạch rôto của động cơ.
Nó cung cấp dòng điện kích thích cho mạch rôto ở tần số trượt. Nếu bạn cung cấp nhiều dòng kích thích hơn mức yêu cầu, động cơ cảm ứng có thể hoạt động ở hệ số công suất cao hơn.
Nhược điểm duy nhất của bộ bù pha là không kinh tế đối với động cơ kích thước nhỏ, đặc biệt là dưới 200 HP.
Hiệu chỉnh hệ số công suất chủ động
Hiệu chỉnh hệ số công suất chủ động cung cấp khả năng kiểm soát hệ số công suất hiệu quả hơn. Nhìn chung, nó được sử dụng trong thiết kế nguồn điện cho công suất hơn 100W.
Loại mạch hiệu chỉnh hệ số công suất này bao gồm các thành phần chuyển mạch tần số cao như diode, SCR (công tắc điện tử công suất). Các thành phần này là các thành phần 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 thành phần phản ứng 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 và thành phần chuyển mạch nào.
Các phần tử chuyển mạch và bộ điều khiển cao làm cho mạch PFC chủ động đắt hơn và phức tạp hơn mạch PFC thụ động.
Sơ đồ mạch bên dưới hiển thị các thành phần cơ bản của mạch hiệu chỉnh hệ số công suất chủ động.
Để kiểm soát các thông số mạch, một bộ 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 nhiệm vụ trong điện áp pha và dòng điện.
Cuộn cảm L được điều khiển bởi công tắc trạng thái rắn Q. Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển (BẬT và TẮT) công tắc trạng thái rắn Q.
Khi công tắc BẬT, dòng điện cuộn cảm tăng lên ∆I+. Điện áp trên cuộn cảm đảo ngược cực tính và giải phóng để tích lũy năng lượng qua diode D1 đến tải.
Khi công tắc TẮT, dòng điện cảm ứng giảm ∆I–. Tổng thay đổi trong một chu kỳ là ∆I = ∆I+ – ∆I–. Thời gian BẬT và TẮT của công tắc được điều khiển bởi bộ điều khiển bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ.
Bằng cách lựa chọn đúng chu kỳ làm việc, chúng ta có thể có được hình dạng mong muốn của dòng điện tới tải.
Làm thế nào để xác định kích thước hiệu chỉnh hệ số công suất?
Để xác định kích thước hiệu chỉnh hệ số công suất, chúng ta cần tính toán yêu cầu về công suất phản kháng (KVAR). Và chúng ta kết nối kích thước điện dung đó với hệ thống để đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng.
Có hai cách để tìm ra yêu cầu của KVAR.
- Phương pháp nhân bảng (Table Multiplier Method).
- Phương pháp tính toán (Calculation Method).
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 thấy KVAR cần thiết bằng cách nhân hằng số với công suất đầu vào.
Tầm quan trọng của hiệu chỉnh hệ số công suất
Trong mạng lưới hệ thống 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.
- Nếu không có hiệu chỉnh hệ số công suất, tải sẽ lấy dòng điện có cường độ lớn từ nguồn. Điều này làm tăng tổn thất và chi phí năng lượng điện. Thiết bị PFC cố gắng làm cho dòng điện và điện áp dạng sóng cùng pha. Điều này sẽ làm tăng hiệu suất của hệ thống.
- Trong mạng lưới truyền tải, cần có hệ số công suất cao. Nhờ hệ số công suất cao, tổn thất trên đường dây truyền tải giảm và cải thiện việc điều chỉnh điện áp.
- Động cơ cảm ứng là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Để tránh quá nhiệt và cải thiện hiệu suất của động cơ, tụ điện được sử dụng để giảm thiểu tác động của công suất phản kháng.
- Thiết bị PFC làm giảm sự sinh nhiệt trong dây cáp, thiết bị chuyển mạch, máy phát điện, máy biến áp, v.v.
- Do mạng lưới có hiệu suất cao nên chúng ta cần tạo ra ít năng lượng hơn. Điều này làm giảm lượng khí thải carbon vào khí quyển.
- Độ sụt điện áp giảm đáng kể khi sử dụng thiết bị PFC trong hệ thống.
