Hệ số công suất, một thông số quan trọng bậc nhất của bộ đèn

8

Trong thực tế, khi lựa chọn một bộ đèn, đôi khi chúng ta mới chỉ chú ý đến các thông số quang học như quang thông và sự phân bố cường độ sáng mà chưa để ý đến một thông số điện rất quan trọng, đó là hệ số công suất hay còn gọi là hệ số cosφ (Tiếng Anh: Power Factor (PF))của chúng. Chúng tôi sẽ cùng bạn đọc tìm hiểu về vấn đề này.

Một số tụ bù hệ số công suất.

Hệ số công suất là gì
Trong mạch điện xoay chiều,công suất thực (hay công suất có ích) của một thiết bị điện được viết bằng biểu thức:
Pt=UI cos⁡φ (1)
trong đó φ là góc lệch pha của điện áp và dòng điện trong mạchvới cosφ ≤1
Biểu thức (1) cũng có thể được viết là:
Pt=Ps⁡cos⁡φ (2)
Trong (2) thì Ps= UIđược gọi là công suất biểu kiến của lưới điện với U là điện áp và I là cường độ dòng điện mà nhà máy truyền đi để cung cấp cho thiết bị điện
Ta hãy viết lại (2) thành:
Ps=pt/cos⁡φ (3)

Tủ bù hệ số công suất.

Vận dụng trong thực tiễn
Từ (3) ta thấy rằng, công suất biểu kiến của lưới điện luôn tỷ lệ nghịch với hệ số công suất của thiết bị điện hay nói cách khác là, với cùng một công suất thực thì thiết bị điện nào có hệ số công suất càng thấp thì nó yêu cầu một công suất biểu kiến của lưới điện càng lớn (và ngược lại).
Vì vậy, trong chế tạo và sử dụng các thiết bị điện, người ta thường phải cố gắng thiết kế sao cho thiết bị có hệ số công suất càng cao càng tốt.
Ta có thể làm rõ vấn đề này qua một ví dụ cụ thể: Một bộ đèn chiếu sáng đường HPS (High Pressure Sodium) công suất 475W. Khi chưa được bù thì cosφ = 0,4 và khi được bù (bằng cách mắc thêm một tụ có điện dung phù hợp song song với bộ đèn – sẽ đề cập trong bài viết sau)thì cosφ = 0,98. Theo (3) ta tính được công suất biểu kiến của lưới điện:
Khi cosφ = 0,4 thì Ps= 475/0,4 = 1.187,5 VA
Khi cosφ = 0,4 thì Ps= 475/0,98 = 484,7 VA
Chúng ta dễ dàng thấy rằng, trong trường hợp hệ số công suất được bù từ 0,4 lên 0,98 thì công suất biểu kiến của lưới điện đã giảm từ 1.187,5 VA xuống 484,7 VA.
Trên bình diện quốc gia, đây là vấn đề kinh tế: Nếu hệ thống thiết bị có hệ số công suất cao thì chúng ta chỉ cần xây dựng nhà máy điện công suất nhỏ (tức là tốn ít tiền), nếu hệ thống có hệ số công suất nhỏ thì chúng ta phải xây dựng nhà máy điện công suất lớn (tức là tốn nhiều tiền).

Lợi ích kinh tế trong chiếu sáng nếu dùng bộ đèn có hệ số công suất cao
Ta vẫn dùng thí dụ: Người ta dùng các bộ đèn HPS có thông số 475W – 220V, điện áp khởi động U ≥ 185 V để chiếu sáng đường. Khi chưa được bù thì cosφ = 0,4 và khi được bù thì cosφ = 0,98. Cho biết cột đèn cao 10 m, khoảng cách hai cột liên tiếp là l =40 m, dây điện làm bằng đồng có điện trở suất ρ = 1,82. 10-8 Ω và tiết diện S = 5mm2. Hãy tính số đèn tối đa có thể mắc được trong hai trường hợp bù và chưa bù hệ số công suất nếu điện áp của lưới điện Ul = 220 V và từ đó tính ra kinh phí của công trình trong hai trường hợp
Trường hợp 1. Chưa được bù, cosφ = 0,4
Từ công thức (1) ta tính được:
I=Pt/(U cos⁡φ )=475/220×0,4=5,34A(4)
Tổng chiều dài dây dẫn giữa hai đèn là L = 2l = (40 +10)2 = 100 m (5)
Điện trở của đoạn đây này là:
R=ρ l/S=1,82.10-8 100/(5.10-6 )=0,324Ω (6)
Ta tính được độ sụt áp trên dây, tức là giữa đèn thứ nhất và đèn thứ hai là:
ΔU=IR=5,34×0,324=1,73V(7)
Do các đèn mắc song song,dòng điện tổng bằng tổng các dòng mạch nhánh nên tiết diện dây cũng phải tăng dần. Trong trường hợp này, ta giả sử tiết diện dây đã được tăng phù hợp để độ sụt áp trên từng đoạn dây giữa hai cột liên tiếp như đã tính ở (7) Ta thấy rằng, nếu sụt áp trên đèn thứ hai là ΔUthì độ sụt áp trên đèn đèn thứ ba là 2ΔU, độ sụt áp trên đèn thứ tư là 3ΔUvà độ sụt áp trên đèn thứ n sẽ là(n-1)ΔU
Rõ ràng rằng, muốn tìm đèn thứ n còn khởi động được ta phải giải phương trình:
(n-1)ΔU≤(220-185)(8)
Giải (8) ta tính được n = 19 đèn
Trường hợp 2. Đã được bù, cosφ = 0,98
Từ công thức (1) ta tính được:
I=Pt/(U cos⁡φ )=475/220×0,98=2,2A (9)
Suy ra độ sụt áp giữa đèn thứ nhất và đèn thứ hai là:
ΔU=IR=2,2×0,324=0,713V (10)
Tương tự như trường hợp 1, do các đèn mắc song song, dòng điện tổng bằng tổng các dòng mạch nhánh nên tiết diện dây cũng phải tăng dần. Trong trường hợp này, ta giả sử tiết diện dây đã được tăng phù hợp để độ sụt áp trên từng đoạn dây giữa hai cột liên tiếp như đã tính ở (10). Muốn tìm đèn thứ n còn khởi động được ta phải giải phương trình:
(n-1)ΔU≤ (220 -185) tức 0,713(n-1)≤ 35 (11)
Giải (11) ta tính được n = 49 đèn

Kết luận:
(1) Về số biến áp phải dùng:
Trường hợp các đèn đã được bù hệ số công suất thì sau 49 đèn (làm tròn là 50 đèn) ta mới phải dùng biến áp để tăng điện áp, trong khi nếu chưa được bù thì sau 19 đèn (làm tròn là 20 đèn) ta đã phải lắp đặt một biến áp để tăng áp cho các đèn có thể khởi động được.
Giả sử công trình có 100 đèn (ứng với quãng đường khoảng 4 km) thì:
– Số biến áp cho trường hợp thứ nhất là 4 trạm (đặt ở các vị trí đèn thứ 21; 41; 61và 81)
– Số biến áp cho trường hợp thứ hai là 1 trạm (đặt ở vị trí đèn thứ 51)
(2) Về kinh phí của hệ thống:
Nếu hiện tại giá một biến áp vào khoảng 100.000.000đ và giá bộ đèn khoảng 3.500.000đthì ta tính ngay được:
– Tổng kinh phí cho trường hợp thứ nhất là 750.000.000 đ (gồm 100 bộ đèn và 04 trạm biến áp)
– Tổng kinh phí cho trường hợp thứ hai là 450.000.000 đ(gồm 100 bộ đèn và 01 trạm biến áp)
Nếu tính đến các lợi ích khác như: giảm công suất biểu kiến của lưới, giảm tổn hao do hiệu ứng tỏa nhiệt Jul – Lens và chi phí do giảm kích thước dây cáp điện khi dùng các bộ đèn có hệ số công suất cao thì chúng ta sẽ thấy lợi íchvô cùng to lớncủa việc dùng bộ đèn có hệ số công suất cao.
Trên thực tế, đối với các công trình chiếu sáng đường với đèn công suất lớn, các nhà sản xuất và lắp đặt thường tiến hành “bù tại chỗ” tức là mắc tụ để tăng hệ số công suất trực tiếp cho từng đèn để giàm chi phí xây lắp các trạm biến áp và sử dụng hiệu quả lưới điện.

ThS. Vương Sơn
(Viện Vật lý kỹ thuật, ĐHBK HN)