HỆ SỐ CÔNG SUẤT – Power Factor Correction

1. Công suất DC

Công suất được định nghĩa là tỉ lệ năng lượng được chuyển qua một bề mặt trong một đơn vị thời gian. Đối với dòng điện một chiều (Direct Current – DC ) do đặc tính của nó với các hạt điện tử chỉ chuyển động theo một hướng với chiều từ âm sang dương (dòng quy ước có chiều từ dương sang âm ) nên công suất mà nó tạo ra được tính bằng công thức:
 

                                    
Do vậy, khi nói đến công suất trong mạch điện một chiều thì đó luôn luôn là công suất thật. Công suất trong mạch điện xoay chiều không đơn giản như vậy vì nó có chứa tới 3 thành phần công suất khác nhau là công suất thật,công suất biểu kiến và công suất phản kháng.

2. Công suất AC

Trong mạch điện xoay chiều (Alternating Current – AC)  do trong mạch điện xoay chiều đều tồn tại 3 thành phần cuộn cảm (L), tụ điện (C) và điện trở (R). Trong đó L và C được coi như các kho tích luỹ năng lượng có thể làm đảo ngược định kỳ dòng chảy của năng lượng hay nói cách khác, là khi tồn tại L hoặc C trong mạch điện xoay chiều thì năng lượng đưa vào không được tiêu thụ hết. Trung bình trong một chu kỳ hoàn thành của một dạng sóng AC, năng lượng do dòng điện tạo ra sẽ có 2 phần, năng lượng đi theo một hướng vào thiết bị được gọi là công suất thật hay công suất tiêu thụ (P). Phần năng lượng được tích luỹ quay trở lại nguồn trong mỗi chu kỳ được gọi là công suất phản kháng (Q).

     – Công suất thật, công suất biểu kiến và công suất phản kháng :

Ví dụ, trong một mạch điện AC đơn giản với nguồn điện cung cấp và một tải tuyến tính, nguồn điện có điện áp và dòng tải dạng hình sin. Nếu tải hoàn toàn thuần trở (tải chỉ mang tính trở kháng – R), hai giá trị điện áp và dòng điện sẽ tăng đồng pha (tăng giảm cùng lúc), năng lượng sẽ dịch chuyển theo một hướng duy nhất, trong trường hợp này chỉ có công suất thật đi qua.

Nếu tải không thuần trở, trong mạch chỉ chứa thành phần cảm kháng L hay dung kháng C, sẽ có sự lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong mỗi chu kỳ của dạng sóng AC . Ví dụ, lệch pha 90 độ giữa điện áp và dòng điện (đối với dung kháng thì dòng điện nhanh pha hơn hiệu điện thế còn đối với cảm kháng thì dòng điện chậm pha hơn so với hiệu điện thế), giá trị điện áp nằm ở chu kỳ dương của dạng sóng và giá trị dòng điện thì bằng không, dòng năng lượng được chuyển tới rồi trả về, trong trường hợp này ta gọi là công suất phản kháng – Một công suất thể hiện sự tiêu tốn năng lượng được tạo ra khi có sự nạp và phóng năng lượng từ các thành phần L-C, công suất này hoàn toàn không tham gia vào quá trình thực hiện công của thiết bị nên còn được gọi là công suất “vô công”.

Công suất biểu kiến là giá trị công suất chứa 2 thành phần công suất thực và công suất phản kháng. Công suất biểu kiến có thể xem như là công suất tổng của thiết bị với 2 giá trị điện áp vào và dòng điện vào có thể thấy được.

Trong thực tế, ngoài các loại thiết bị mang tính thuần trở (bàn ủi, bóng đèn sợi đốt, bếp điện) thì các thiết bị khác đều mang 3 thành phần điện trở R, cảm kháng L và dung kháng C. Do đó trong việc cung cấp năng lượng cho thiết bị sẽ có 2 thành phần cùng “chảy” vào, đó là công suất tiêu thụ thực và công suất phản kháng. Để đo được việc sử dụng hiệu quả năng lượng cung cấp chuyển đổi thành năng lượng có ích, người ta đo tỉ lệ giữa công suất tiêu thụ thực với công suất phản kháng, được gọi là phép đo hệ số công suất (Power Factor – PF).

Phương pháp thông dụng nhất để làm giảm đi công suất phản kháng của các thiết bị thuần cảm là mắc song song với cuộn dây một tụ điện (người ta thường gọi là tụ bù), lúc này dòng điện sinh ra bởi cảm kháng và dung kháng lệch pha nhau 180⁰, dòng điện chảy vào tụ điện và cuộn dây có xu hướng triệt tiêu nhau (trung hoà). Đây là phương pháp làm giảm công suất phản kháng hiệu quả nhất trong việc truyền dẫn điện năng hiện nay.

   – Các thuật ngữ và đơn vị để mô tả công suất AC

Trong biểu đồ, P là công suất tiêu thụ thực tế, Q là công xuất phản kháng, S là công suất biểu kiến. Công suất phản kháng không tạo ra năng lượng thực, do đó nó đại diện bằng một trục tưởng tượng trên biểu đồ. Độ lớn của góc cosine (φ) thể hiện mối tương quan giữa công suất tiêu thụ thật và công suất phản kháng.

Đơn vị W được thể hiện cho các giá trị công suất thực. Đơn vị VA thể hiện giá trị công suất biểu kiến vì nó là sản phẩm của 2 giá trị điện áp RMS và dòng điện RMS. Đơn vị var thể hiện giá trị công suất phản kháng với 2 giá trị điện áp và dòng điện phản kháng.

Mối quan hệ giữa 3 giá trị công suất này được thể hiện qua công thức

   – Hệ số công suất – Power Factor (PF)

Tỉ lệ giữa công suất tiêu thụ thật và công suất phản kháng được gọi là hệ số công suất. Trong trường hợp dòng điện AC là dạng sóng sin thuần tuý, hệ số công suất là cosine của góc pha (φ) giữa dòng điện và điện áp của dạng sóng sin, vì lý do này trong các tài liệu kỹ thuật người ta thường viết tắt hệ số công suất là “cosφ”. Hệ số công suất không có đơn vị riêng, giá trị của nó được thể hiện từ 0 đến 1 và có thể được diễn tả bằng tỉ lệ phần trăm, ví dụ như PF=50%. Được thể hiện bằng công thức
 

Nên muốn nâng cao công suất thật P thì cần phải nâng cao hệ số cosφ.

Hệ số công suất bằng 1 khi dòng điện và điện áp cùng pha. Các thiết bị có hệ số công suất bằng 1 như: đèn sợi đốt, bàn ủi, máy nước nóng, bếp điện,…

Hệ số công suất bằng 0 khi dòng điện và điện áp lệch pha nhau 90 độ, ở đây hệ số công suất thể hiện dòng điện nhanh hay chậm pha hơn so với điện áp. Các thiết bị có hệ số công suất dưới 1 như: đèn neon dùng chấn lưu, motor, van đóng cắt, các thiết bị điện tử, …

Trên hai hệ thống truyền tải có cùng công suất thật thì hệ thống nào có hệ số công suất thấp hơn thì sẽ có dòng điện lớn hơn vì phần năng lượng phản kháng bị trả lại nguồn lớn hơn, tạo ra nhiều thất thoát năng lượng và làm giảm hiệu năng truyền tải, làm tăng kích thước dây điện truyền dẫn. Hệ quả là nó còn có một công suất biểu kiến cao hơn với cùng một công suất thực được truyền tải.

Ví dụ, để có được 1kW công suất tiêu thụ thực trong điều kiện hệ số công suất là tối ưu nhất với giá trị bằng 1, thì cần phải có 1kVA công suất biểu kiến được truyền đi; 1kW : 1 = 1kVA. Trong điều kiện hệ số công suất thấp, ví dụ như 0.5, thì cần phải có 2kVA công suất biểu kiến được truyền đi: 1kW : 0.5 = 2kVA.

Tại sao phải quan tâm tới việc này? Cho dù công suất phản kháng thật sự không sinh ra công nhưng sự tồn tại của nó sẽ làm cho các dây dẫn nóng hơn. Những thiết bị có sử dụng các cuộn dây như motor, máy phát điện, máy biến thế,…phải được thiết kế với các cuộn dây lớn hơn để có thể chịu được công suất tổng bao gồm dòng có ích và dòng “vô công”.

Cũng chính vì lý do đó với giá trị đầu tư cho thiết bị và đường truyền cao nên giá điện dành cho các khu vực công nghiệp và thương mại có giá cao hơn so với khách hàng cá nhân, nơi có nhiều thiết bị sử dụng điện có hệ số công suất thấp. Nhà phân phối điện ngoài việc tăng giá điện với các khách hàng lớn, họ còn kiểm soát công suất phản kháng bằng các thiết bị đo chuyên dùng nhằm hỗ trợ khách hàng tìm các biện pháp làm gia tăng hệ số công suất, đồng thời phạt những khách hàng nào để hệ số công suất thấp hơn tiêu chuẩn.
 

3. Điều chỉnh hệ số công suất – PFC (Power Factor Correction)

        – Điều chỉnh hệ số công suất tuyến tính 

Điều chỉnh PFC tuyến tính áp dụng cho các thiết bị tiêu thụ trực tiếp điện áp lưới. Việc điều chỉnh có thể đạt được bằng việc thêm vào hay bớt ra các cuộn dây hay tụ điện cho thiết bị. Như động cơ mang tính cảm kháng có thể điều chỉnh PFC bằng việc đấu thêm một tụ song song với cuộn dây vận hành nhằm giúp triệt tiêu công suất phản kháng, làm giảm công suất biểu kiến và tăng hệ số PF. Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất không những được áp dụng trong ngành công nghiệp điện mà nó còn có thể sử dụng với người dùng cá nhân khi muốn làm giảm tổn hao trên đường truyền và ổn định điện áp cho tải.

Thiết bị điều chỉnh hệ số công suất thực chất là một thiết bị cung cấp một công suất phản kháng tương ứng và đối nghịch lại với công suất phản kháng được tạo ra của thiết bị. Thêm tụ điện hay cuộn dây vào quá trình để huỷ bỏ đi hiệu ứng cảm ứng hay điện dung tương ứng được tạo ra. Động cơ có tính cảm ứng có thể được bù bằng các tụ lọc, lò hồ quang điện có tính điện dung có thể bù bằng các cuộn dây.

Khi thêm vào hay lấy ra các thiết bị bù công suất phản kháng có thể tạo ra sự biến động điện áp hay tạo ra các méo hài, trong trường hợp xấu nhất các thành phần bù công suất phản kháng có thể tạo ra hiện tượng cộng hưởng với hệ thống được bù, làm cho điện áp tăng cao và gây mất ổn định cho hệ thống. Do vậy việc điều chỉnh hệ số PFC không thể đơn giản là việc thêm hay bớt các thành phần, mà nó cần được tính toán phù hợp với từng mức công suất tải trên thiết bị.

Để tránh trường hợp trên, ứng dụng việc bù hệ số công suất PFC bằng các thiết bị bù tự động. Thiết bị này bao gồm nhiều tụ điện được đóng hay ngắt ra khỏi thiết bị được bù công suất phản kháng bằng các công tắt. Các công tắt này lại được điều khiển bằng một thiết bị điều khiển trung tâm có khả năng đo hệ số công suất bằng việc đo dòng tải và điện áp của thiết bị qua các cảm biến dòng được gắn trên đường truyền dẫn điện năng, trước khi vào thiết bị. Tuỳ thuộc vào tải và hệ số công suất của thiết bị, bộ điều khiển sẽ đấu nối tuần tự các tụ bù vào mạch sao cho giá trị hệ số công suất luôn ở trên giá trị được chọn.

Một cách khác để điều chỉnh hệ số công suất là dùng động cơ đồng bộ, động cơ đồng bộ cung cấp một công suất phản kháng có chiều nghịch với chiều công suất phản kháng của thiết bị, tính chất tiêu thụ công suất phản kháng của động cơ đồng bộ được xem là một tính chất đặt biệt của loại động cơ này, nó được xem tương đương như một tụ đồng bộ. Ngoài ra trong ngành công nghiệp điện còn có nhiều phương pháp để điều chỉnh hệ số công suất khác như bằng các thiết bị điện tử sử dụng Thyristor chẳng hạn.
 

      – Điều chỉnh hệ số công suất phi tuyến tính 

Tải phi tuyến thường là dạng tải chỉnh lưu, không sử dụng trực tiếp từ điện xoay chiều mà nắn lại thành dạng điện một chiều-chỉnh lưu như các bộ nguồn máy tính (PSU), adaptor,…hay các thiết bị sử dụng năng lượng gián đoạn-liên tục như máy hàn, bóng đèn huỳnh quang,..,các thiết bị này trong quá trình tiêu thụ năng lượng còn tạo ra các dạng sóng hài có tần số là bội số của tần số điện lưới, chèn vào tần số điện lưới. Các thành phần linh kiện tuyến tính như cuộn dây và tụ điện không thể loại bỏ được các dải tần số mới được tạo ra này, vì vậy nó phải dùng các bộ lọc hay bộ điều chỉnh hệ số công suất có thể làm phẳng dòng điện ra trên mỗi chu kỳ nhằm giảm dòng hài.

Trong các loại tải phi tuyến tính đó thì PSU được sử dụng nhiều nhất, với thiết kế chuyển đổi năng lượng theo kiểu đóng/cắt (switching). Trước đây các bộ nguồn này chỉ đơn giản được thiết kế với một cầu nắn điện chỉnh lưu toàn sóng nạp một mức điện áp dưới mức chịu đựng của tụ điện. Điều này sẽ tạo ra một dòng điện nạp ban đầu rất cao, hệ số công suất rất thấp, đồng thời tạo ra các sóng hài không có lợi.

4. Điều chỉnh hệ số công suất thụ động – Passive PFC

Phương pháp Passive PFC đơn giản chỉ là sử dụng một bộ lọc, bộ lọc này chỉ cho qua dòng điện có tần số bằng với tần số điện lưới (50Hz hoặc 60Hz) và chặn không cho các tần số sóng hài đi qua. Lúc này tải phi tuyến tính có thể xem như một tải tuyến tính, hệ số công suất đã được nâng cao hơn.

Tuy nhiên yêu cầu cần phải có cuộn cảm có giá trị cảm kháng lớn đã làm cho bộ lọc cồng kềnh và có giá thành cao, nhưng thực tế với mạch Passive PFC có cuộn dây tuy lớn hơn cuộn dây của mạch điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC nhưng giá thành chung lại rẻ hơn. Đây là một phương pháp đơn giản và rẻ tiền để điều chỉnh hệ số công suất và làm giảm sóng hài tuy nhiên nó lại không hiệu quả bằng phương pháp điều chỉnh hệ số công suất tích cực Active PFC.

5. Điều chỉnh hệ số công suất tích cực – Active PFC

Là một hệ thống điện tử công suất có chức năng kiểm soát năng lượng cung cấp cho tải, điều chỉnh hệ số công suất ở mức tốt nhất trên mọi mức tải. Trong thiết kế thực tế, mạch Active PFC điều khiển dòng nạp cho tải sao cho dạng sóng của dòng vào cùng pha với dạng sóng ở đầu vào (ở đây là sóng sin). Về cơ bản có 3 dạng mạch Active PFC được sử dụng, là; Boost, Buck và Buck-Boost.

Trong PSU, dạng mạch được sử dụng thông dụng nhất là Boost. Một mạch chuyển đổi được chèn vào giữa cầu nắn điện và tụ lọc chính. Nó tạo một điện áp DC ổn định ở đầu ra và duy trì dòng điện vào luôn đồng pha với tần số của điện áp vào. Phương pháp này đòi hỏi phải thêm một số linh kiện chuyển mạch bán dẫn công suất và mạch điều khiển nhưng bù lại nó có kích thước nhỏ hơn mạch Passive PFC.

Dạng mạch điều chỉnh hệ số công suất Active PFC có thể hoạt động trên một dải điện áp vào rất rộng, từ 90VAC đến 264VAC, đặt tính này rất được người dùng chào đón, nó giúp cho họ không cần quan tâm tới mức điện áp phù hợp với PSU tại khu vực mình đang ở, ngoài ra nó còn giúp PSU hoạt động được ở những khu vực có điện ápAC không ổn định. 
 

 

Mạch Passive PFC thực tế trong PSU 

 

Mạch Active PFC thực tế trong PSU

 

6. Tầm quan trọng của việc điều chỉnh hệ số công suất trong việc truyền dẫn điện năng

Thực tế cho thấy công ty cung cấp điện bán điện cho người dùng dưới 2 giá trị là điện áp và dòng điện (VA) nhưng hoá đơn lại được tính bằng Watt. Nếu hệ số công suất của thiết bị có giá trị thấp hơn 1 thì cần phải có nhiều công suất VA được truyền đi để có thể đáp ứng được công suất Watt thật, ngoài ra nó còn làm tăng chi phí thực hiện việc truyền dẫn điện.

Ví dụ, hệ số công suất là 0.5, thì công suất biểu kiến sẽ gấp 2 lần công suất thật được tiêu thụ bởi tải, đường dây điện cũng vì đó mà có kích thước lớn hơn 2 lần so với khi hệ số công suất bằng 1. Đồng nghĩa với việc điện lực phải đầu tư các thiết bị như máy phát điện, biến thế, dây dẫn, chuyển mạch có kích thước lớn hơn.

Lưu ý: hiệu suất làm việc của thiết bị sử dụng điện không phụ thuộc vào việc thiết bị đó có hay không có PFC.
 

7. Một ví dụ cụ thể giữa số đo thực của hai PSU có P.PFC và không PFC

Người dùng 2 PSU có cùng thiết kế như nhau, với mức công suất giống nhau là 250W, chúng chỉ khác nhau là một PSU có P.PFC (thêm duy nhất 1 biến áp PFC) và một thì hoàn toàn không có PFC. Qua thiết bị đo Power Meter, cho thấy;

Kết quả: Ở cùng một mức điện thế vào 220VAC và công suất DC ra là 250W thì PSU có PFC cho giá trị dòng điện vào thấp hơn là 2.1A so với 2.5A của PSU không có PFC. Công suất tiêu thụ cũng giảm đi tương ứng, giá trị hệ số công suất tăng từ 0.591 lên 0.744.

Nguồn PowerLab