Công suất là gì, phản kháng, hiệu dụng, hệ số công suất ?

Công suất là gì ? phản kháng, hiệu dụng, hệ số công suất ... là những khái niệm thường xuyên được sử dụng trong ngành điện để thiết kế và lắp đặt các thiết bị điện phù hợp với nhu cầu, đảm bảo an toàn điện trong quá trình sử dụng. Đặc biệt hiện này các hệ thống điện năng lượng mặt trời, điện gió, truyền tải và các tủ điện phân phối (trong đó có trang bị thêm các thiết bị chống sét ac) ngày càng được quan tâm hơn về công suất.

Công suất là gì

Công suất trong mạch điện được định nghĩa như là phần năng lượng được chuyển qua một đường dây điện trong một đơn vị thời gian.

Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo công suất là Oat (viết tắt là W; 1W = 1J/s), lấy tên theo James Watt. Ngoài ra, các tiền tố cũng được thêm vào đơn vị này để đo các công suất nhỏ hay lớn hơn như mW (milioat): 1mW = 0,001W; kW (kilooat): 1kW = 1.000W; MW (megaoat): 1MW=1.000.000W…
 

1. Công suất mạch điện DC

Đối với mạch điện một chiều, công suất, năng lượng mà mạch điện thực hiện chuyển đổi qua đường dây điện trong một đơn vị thời gian, được tính bằng công thức:

P= U.I

• P là công suất (W)
• U là điện áp (V)
• I là cường độ dòng điện (A)

2. Công suất mạch điện AC

Đối với dòng điện xoay chiều có ba loại công suất và được biểu diễn như sau:

2.1. Công suất hiệu dụng (công suất tác dụng, công suất thực):

Ký hiệu P: là phần điện năng trong mạch điện có thể biến đổi thành các dạng năng lượng có ích khác (cơ, nhiệt, hay hóa), đây là phần công suất có lợi, có ích của mạch điện.  Đơn vị: W

P = U . I .cosφ

• P : công suất hiệu dụng
• U: là điện áp (V)
• I: là cường độ dòng điện (A)
• Cosφ: hệ số công suất

2.2. Công suất phản kháng (công suất hư kháng, công suất ảo)

Ký hiệu Q: là phần năng lượng điện được chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng của mạch điện, đây là phần công suất không có lợi của mạch điện.
Đơn vị tính là VAR (volt amperes reactive)

Q = U . I .sinφ

• Q : công suất phản kháng (var)
• U: là điện áp (V)
• I: là cường độ dòng điện (A)
• φ : pha lệch giữa U và I

2.3. Công suất biểu kiến (công suất toàn phần)

Ký hiệu S: là công suất tổng của mạch điện bao gồm công suất hiệu dụng và công suất phản kháng.
Đơn vị: VA (vôn-ampe), 1 kVA = 1000 VA.

S = U . I  = √(P² + Q²

• S : công suất biểu kiến (VA)
• P : công suất hiệu dụng (W)
• Q : công suất phản kháng (var)
• U: là điện áp (V)
• I: là cường độ dòng điện (A)

3. Hệ số công suất

Tỷ số giữa công suất hiệu dụng và công suất biểu kiến trong mạch gọi là hệ số công suất.

Khi dòng xoay chiều có dạng hình sin lý tưởng, hệ số công suất là côsin của góc lệch pha giữa dòng điện và hiệu điện thế của dòng xoay chiều. Do vậy hệ số công suất được ký hiệu 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%.

Hệ số công suất = 1 khi hiệu điện thế và cường độ dòng điện cùng pha (các thiết bị có hệ số công suất bằng 1 như: đèn sợi đốt, bàn ủi, máy nước nóng, bếp điện,…), và = 0 khi dòng điện nhanh hoặc chậm pha so với hiệu điện thế 90^o (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, …)

Đối với hai hệ thống truyền tải điện với cùng công suất thực, hệ thống nào có hệ số công suất thấp hơn sẽ có dòng điện xoay chiều lớn hơn vì lý do 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.

Nên muốn nâng cao công suất thật P thì cần phải nâng cao hệ số cosφ. 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 cung ứng điện ngoài việc tăng giá điện với các khách hàng lớn, họ còn kiểm soát công suất phản kháng bằng các máy đo đo điện 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.