Công suất phản kháng

Công suất phản kháng

Công suất phản kháng tốt nhất có thể được mô tả là lượng công suất “không sử dụng” được phát triển bởi các thành phần phản kháng trong hệ thống hoặc mạch điện xoay chiều.

Trong mạch điện một chiều, tích số “vôn x amps” cho công suất mà mạch tiêu thụ tính bằng watt. Tuy nhiên, trong khi công thức này cũng đúng đối với mạch điện xoay chiều thuần trở, tình huống phức tạp hơn một chút trong mạch điện xoay chiều có chứa các thành phần điện trở vì sản phẩm vôn-amp này có thể thay đổi theo tần số.

Trong một mạch AC, sản phẩm của điện áp và dòng điện được thể hiện như volt-ampe (VA) hoặc kg volt-ampe (kVA) và được gọi là sức mạnh biểu kiến , biểu tượng S . Trong mạch điện trở thuần không cảm ứng như lò sưởi, bàn là, ấm đun nước và bóng đèn dây tóc, v.v., điện trở của chúng thực tế bằng không, do đó trở kháng của mạch hầu như chỉ bao gồm điện trở.

Đối với mạch điện trở xoay chiều, dòng điện và điện áp cùng pha và công suất tại bất kỳ thời điểm nào có thể được tìm thấy bằng cách nhân điện áp với dòng điện tại thời điểm đó và do mối quan hệ "trong pha" này, các giá trị rms có thể là được sử dụng để tìm nguồn DC tương đương hoặc hiệu ứng sưởi ấm.

Tuy nhiên, nếu mạch chứa các thành phần phản kháng, dạng sóng điện áp và dòng điện sẽ “lệch pha” bởi một số lượng được xác định bởi góc pha của mạch. Nếu góc pha giữa điện áp và cường độ dòng điện cực đại bằng 90 o thì tích vôn-amp sẽ có giá trị âm và dương bằng nhau.

Nói cách khác, mạch phản kháng trả lại cho nguồn cung cấp nhiều công suất như nó tiêu thụ dẫn đến công suất tiêu thụ trung bình của mạch bằng 0, vì cùng một lượng năng lượng tiếp tục luân phiên từ nguồn sang tải và ngược lại từ tải sang nguồn.

Vì chúng ta có điện áp và dòng điện nhưng không có công suất tiêu tán, biểu thức P = IV (rms) không còn hợp lệ và do đó, tích số vôn-amp trong mạch xoay chiều không nhất thiết cung cấp công suất tiêu thụ. Sau đó, để xác định "công suất thực", còn được gọi là Công suất hoạt động , ký hiệu P được tiêu thụ bởi một mạch xoay chiều, chúng ta không chỉ cần tính đến tích volt-amp mà còn cả độ lệch pha giữa điện áp và các dạng sóng hiện tại cho trước. bằng phương trình: VI.cosΦ .

Sau đó, chúng ta có thể viết mối quan hệ giữa công suất biểu kiến ​​và công suất hoạt động hoặc thực tế là:

 

 

Lưu ý rằng hệ số công suất (PF) được định nghĩa là tỷ số giữa công suất hoạt động tính bằng oát và công suất biểu kiến ​​tính bằng vôn-ampe và cho biết hiệu quả sử dụng điện năng như thế nào. Trong mạch điện xoay chiều không thuần cảm, công suất tác dụng sẽ bằng công suất biểu kiến ​​khi phần P / S trở nên bằng một hoặc bằng một. Hệ số công suất của mạch có thể được biểu thị dưới dạng giá trị thập phân hoặc phần trăm.

Nhưng cũng như công suất hoạt động và công suất biểu kiến ​​trong mạch điện xoay chiều, cũng có một thành phần công suất khác hiện diện bất cứ khi nào có góc pha. Thành phần này được gọi là Công suất phản kháng (đôi khi được gọi là công suất tưởng tượng) và được biểu thị bằng đơn vị gọi là “điện trở vôn-ampe”, (VAr), ký hiệu Q và được cho bởi công thức: VI.sinΦ .

Công suất phản kháng, hay VAr, không thực sự là công suất mà là tích số của vôn và ampe lệch pha với nhau. Công suất phản kháng là phần điện năng giúp thiết lập và duy trì điện trường và từ trường mà thiết bị dòng điện xoay chiều yêu cầu. Lượng công suất phản kháng hiện diện trong mạch xoay chiều sẽ phụ thuộc vào độ lệch pha hoặc góc pha giữa điện áp và dòng điện và giống như công suất tác dụng, công suất phản kháng là dương khi được “cung cấp” và âm khi được “tiêu thụ”.

Công suất phản kháng được sử dụng bởi hầu hết các loại thiết bị điện có sử dụng từ trường, chẳng hạn như động cơ, máy phát điện và máy biến áp. Cũng cần phải cung cấp tổn thất phản kháng trên đường dây tải điện trên không.

Mối quan hệ của ba yếu tố công suất, công suất hoạt động, (oát) công suất biểu kiến, (VA) và công suất phản kháng, (VAr) trong mạch điện xoay chiều có thể được biểu diễn bằng ba cạnh của tam giác vuông. Biểu diễn này được gọi là Tam giác công suất như hình:

Nguồn trong mạch AC

 

Từ tam giác công suất trên ta có thể thấy rằng mạch điện xoay chiều cung cấp hoặc tiêu thụ hai loại công suất: công suất tác dụng và công suất phản kháng. Ngoài ra, công suất tác dụng không bao giờ âm, ngược lại công suất phản kháng có thể có giá trị dương hoặc âm nên việc giảm công suất phản kháng luôn có lợi để nâng cao hiệu suất hệ thống.

Ưu điểm chính của việc sử dụng phân phối điện xoay chiều là mức điện áp cung cấp có thể thay đổi bằng máy biến áp, nhưng máy biến áp và động cơ cảm ứng của thiết bị gia dụng, máy điều hòa không khí và thiết bị công nghiệp đều tiêu thụ công suất phản kháng chiếm không gian trên đường dây tải điện do dây dẫn lớn hơn và máy biến áp được yêu cầu để xử lý dòng điện lớn hơn mà bạn cần phải trả tiền.

Tương tự công suất phản ứng
bằng cách sử dụng một lon bia

Theo nhiều cách, công suất phản kháng có thể được coi như bọt trên một panh hoặc ly bia. Bạn trả tiền cho nhân viên phục vụ cho một ly bia đầy nhưng bạn chỉ uống bia lỏng thực tế, trong nhiều trường hợp, luôn luôn ít hơn một ly đầy.

Điều này là do phần đầu (hoặc phần bọt) của bia chiếm thêm không gian lãng phí trong ly, để lại ít chỗ cho bia lỏng thực sự mà bạn tiêu thụ và ý tưởng tương tự cũng đúng theo nhiều cách đối với công suất phản kháng.

Nhưng đối với nhiều ứng dụng điện công nghiệp, công suất phản kháng thường hữu ích cho một mạch điện. Trong khi công suất thực hoặc công suất hoạt động là năng lượng được cung cấp để chạy động cơ, sưởi ấm ngôi nhà hoặc chiếu sáng bóng đèn điện, thì công suất phản kháng cung cấp chức năng quan trọng là điều chỉnh điện áp, từ đó giúp chuyển tải điện năng hiệu quả qua lưới điện và đường dây tải điện để nơi nó được yêu cầu bởi tải.

Mặc dù giảm công suất phản kháng để giúp nâng cao hệ số công suất và hiệu suất hệ thống là điều tốt, nhưng một trong những nhược điểm của công suất phản kháng là cần phải có một lượng vừa đủ để điều khiển điện áp và khắc phục tổn thất trong mạng truyền tải. Điều này là do nếu điện áp của mạng điện không đủ cao, thì không thể cung cấp năng lượng hoạt động. Nhưng có quá nhiều công suất phản kháng chạy xung quanh trong mạng có thể gây ra quá nhiệt ( tổn thất I 2 * R) và giảm điện áp không mong muốn và mất công suất dọc theo đường dây tải điện.

Hiệu chỉnh hệ số công suất của công suất phản kháng

Một cách để tránh phí công suất phản kháng là lắp các tụ điện hiệu chỉnh hệ số công suất. Thông thường, khách hàng dân cư chỉ bị tính phí cho công suất hoạt động tiêu thụ tính bằng kilo-watt giờ (kWhr) vì gần như tất cả các giá trị hệ số công suất một pha và khu dân cư về cơ bản giống nhau do các tụ điện hiệu chỉnh hệ số công suất được nhà sản xuất tích hợp vào hầu hết các thiết bị gia dụng.

Mặt khác, các khách hàng công nghiệp sử dụng nguồn cung cấp 3 pha có hệ số công suất rất khác nhau và vì lý do này, đơn vị cung cấp điện có thể phải tính đến hệ số công suất của các khách hàng công nghiệp này nếu hệ số công suất của họ giảm xuống dưới một giá trị quy định bởi vì các công ty tiện ích sẽ tốn nhiều tiền hơn để cung cấp cho khách hàng công nghiệp vì dây dẫn lớn hơn, máy biến áp lớn hơn, thiết bị đóng cắt lớn hơn, v.v., được yêu cầu để xử lý dòng điện lớn hơn.

Nói chung, đối với tải có hệ số công suất nhỏ hơn 0,95 thì cần nhiều hơn công suất phản kháng. Đối với tải có giá trị hệ số công suất lớn hơn 0,95 được coi là tốt vì công suất đang được tiêu thụ hiệu quả hơn và tải có hệ số công suất bằng 1,0 hoặc thống nhất được coi là hoàn hảo và không sử dụng bất kỳ công suất phản kháng nào.

Sau đó, chúng ta đã thấy rằng “công suất biểu kiến” là sự kết hợp của cả “công suất phản kháng” và “công suất hoạt động”. Công suất hoạt động hoặc công suất thực là kết quả của một mạch chỉ chứa các thành phần điện trở, trong khi công suất phản kháng là kết quả của một mạch có chứa các thành phần điện dung và cảm ứng. Hầu hết tất cả các mạch xoay chiều sẽ chứa sự kết hợp của các thành phần R, L và C này .

Vì công suất phản kháng lấy đi công suất tác dụng nên trong hệ thống điện phải xem xét công suất biểu kiến ​​để đảm bảo công suất biểu kiến ​​cung cấp đủ để cung cấp cho phụ tải. Đây là khía cạnh quan trọng của việc hiểu về nguồn điện xoay chiều vì nguồn điện phải có khả năng cung cấp công suất volt-amp (VA) cần thiết cho bất kỳ tải nào.