Hệ số công suất là gì? Chúng có ý nghĩa như thế nào mà các doanh nghiệp và nhà máy sản xuất lại đặc biệt quan tâm đến hệ số công suất trong quá trình sử dụng nguồn điện cấp từ điện lưới quốc gia như vậy? Tại sao lại nên nâng cao hệ số công suất cos phi (cosφ)? Cùng tìm hiểu câu trả lời ở bài viết này nhé.

1. Định nghĩa và cách tính hệ số công suất:

Hệ số công suất trong Tiếng Anh còn gọi là Power Factor, thường được viết tắt là P.f. Khi tham khảo các tài liệu về công suất, máy biến áp, máy phát điện hay công suất phản kháng bằng tài liệu Tiếng Anh các bạn sẽ hay gặp cụm này.

Trong kỹ thuật điện, hệ số công suất cosφ của hệ thống điện xoay chiều được định nghĩa là tỷ lệ công suất thực được hấp thụ bởi tải và công suất biểu kiến chảy trong mạch điện. Đây là một đại lương không thứ nguyên trong khoảng đóng từ -1 đến 1.

Hệ số công suất nói chung được tính bởi công thức: Cosφ = PS.

Tam giác công suất

Trong đó: P: Công suất hiệu dụng (W)

S: công suất biểu kiến (VA)

2. Các loại hệ số

Hệ số công suất được chia ra làm 3 loại khác nhau: hệ số công suất tức thời, hệ số công suất trung bình và hệ số công suất tự nhiên.

a. Hệ số công suất tức thời

Hệ số công suất tức thời là hệ số công suất tại một thời điểm nào đó, đo được nhờ dụng cụ đo cosφ hoặc nhờ các dụng cụ đo công suất, điện áp và dòng điện, được tính bằng công thức sau:

cosφ=P3UI.

Bởi vì phụ tải luôn luôn biến động nên cosφ tức thời cũng luôn luôn biến đổi theo, vì thế cosφ tức thời không có giá trị trong tính toán.

b. Hệ số công suất trung bình

Hệ số công suất trung bình là cosφ trung bình trong một quãng thời gian nào đó (1 ca, 1 ngày đêm, 1 tháng v.v…), được tính bằng công thức sau:

Công thức tính hệ số công suất trung bình

Hệ số cosφ(tb) được dùng để đánh giá mức độ sử dụng điện của một đơn vị có hợp lý, tiết kiệm hay không.

c. Hệ số công suất tự nhiên

Hệ số công suất tự nhiên là hệ số công suất cosφ trung bình tính cho cả năm khi không có thiết bị bù. Hệ số cosφ tự nhiên này được dùng làm căn cứ để tính toán nâng cao hệ số công suất và bù công suất phản kháng.

2. Ý nghĩa

Ý nghĩa của hệ số công suất được xét ở hai phương diện chính: nguồn cung cấp và đường dây truyền tải

1. Xét ở phương diện nguồn cung cấp

Nếu xét trên phương diện nguồn cung cấp (máy biến áp hoặc máy phát điện). Rõ ràng cùng một dung lượng máy biến áp hoặc công suất của máy phát điện (tính bằng KVA). Hệ số công suất càng cao thì thành phần công suất tác dụng càng cao và máy sẽ sinh ra được nhiều công hữu ích.

Sẽ có người cho rằng “Nếu vậy tại sao ta ta không duy trì cos phi ~ 1 để máy phát hoặc máy biến áp hoạt động hiệu quả”. Sự thật là hệ số công suất bao nhiêu phụ thuộc vào tải (thiết bị sử dụng điện). Nhu cầu của tải về công suất tác dụng và công suất phản kháng cần phản đáp ứng đủ thì tải mới hoạt động tốt. Giải pháp trung hòa hơn là nguồn sẽ chỉ cung cấp cho tải 1 phần công suất phản kháng, phần thiếu còn lại, khách hàng tự trang bị thêm bằng cách gắn thêm tụ bù.

2. Xét ở phương diện đường dây truyền tải

Nếu xét ở phương diện đường dây truyền tải ta cần quan tâm đến dòng điện truyền trên đường dây. Dòng điện này sẽ làm nóng dây và tạo ra một lượng sụt áp trên đường dây truyền tải. Đối với hệ thống 1 pha, công suất biểu kiến được tính bằng công thức : S=U*I Đối với hệ thống 3 pha, công suất biểu kiến được tính bằng công thức : S=căn(3)U*I , trong đó U là điện áp dây, I là dòng điện dây.

Cả trong lưới 1 pha và 3 pha đều cho thấy dòng điện tỉ lệ với công suất biểu kiến S. Vấn đề là công suất biểu kiến là do 2 thành phần công suất tác dụng và công suất phản kháng gộp lại tạo nên. Từ đó ta có 2 phương án: Phương án 1: nếu như cùng 1 tải, nếu ta trang bị tụ bù để phát công suất phản kháng ngay tại tải, đường dây chỉ chuyển tải dòng điện của công suất tác dụng thì chắc chắn đường dây sẽ mát hơn. Phương án 2: Nếu ta chấp nhận đường dây phát nhiệt ở mức hiện tại, và trang bị tụ bù phát công suất phản kháng ở tại tải, ta có thể bắt đường dây tải nhiều hơn hiện nay một ít.

3. Tại sao lại nên nâng cao hệ số công suất cosφ?

Hệ số công suất cosφ được nâng lên sẽ mang lại rất nhiều các hiệu quả: giảm tổn thất công suất trong mạng điện, giảm tổn thất điện áp trong mạng điện, tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp,… Cụ thể như sau:

1. Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện:

Tổn thất công suất trên đường dây được tính như sau:

Công thức tính tổn thất công suất trên đường dây

khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần tổn thất công suất ∆Q(Q) do Q gây ra.

2. Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện:

Tổn thất điện áp được tính như sau:

Công thức tính tổn thất điện áp

khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần tổn thất điện áp ∆U(Q) do Q gây ra.

3. Tăng khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp:

Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng, tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy trên đường dây và máy biến áp được tính như sau:

Công thức tính công suất dòng điện trong đường dây và máy biến áp

Biểu thức này chứng tỏ rằng với cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây và máy biến áp (tức I = const) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P của chúng bằng cách giảm công suất cống suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi.

Bên cạnh đó, việc nâng cao hệ số công suất cosφ còn đưa đến hiệu quả là góp phần làm ổn định điện áp, giảm được chi phí kim loại mầu, tăng khả năng phát điện của máy phát điện v.v…

Bài viết này đã giúp chúng ta hiểu được định nghĩa và ý nghĩa của hệ số công suất cũng như tìm được đáp án cho câu hỏi “Tại sao phải nâng hệ số công suất cosφ?”. Có thể tìm hiểu thêm về