Tìm hiểu về thiết kế AC-DC trong PSU

Bài viết này sẽ giúp bạn phần nào hiểu rõ hơn cách thức mà một thiết bị tiêu thụ năng lượng từ dòng điện xoay chiều như thế nào và tầm quan trọng của việc điều chỉnh hệ số công suất PFC (Power Factor Correction) trong việc tiết kiệm năng lượng trong truyền tải điện năng.

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 từ chuyển động theo một hướng với chiều từ âm sang dương (dòng quy tắc có chiều từ dương sang âm) nên công suất mà nó tạo ra được tính bằng công thức:

Trong đó P là giá trị công suất với đơn vị tính là W (Watt)
U là hiệu điện thế với đơn vị tính là V (Volt)
I là cường độ dòng điện với đơn vị tính là A (Ampe)
Do vậy, khi nói đến công suất trong một mạch điện một chiều thì nó 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

Công suất AC

Trong mạch điện xoay chiều (Alternating Curent – AC), do trong mạch điện xoay chiều đầu tiên tới 3 thành phần cuộn cảm (L), tụ điện (C) và điện trở (R). Trong đó L và C được coi như các kho tích lũy 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 thị (P). Phần năng lượng được tích lũy quay trở lại nguồn trong một chu kỳ được gọi là công suất phản kháng (Q).

1/ 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 thuận trở ( tải chỉ mang tính trở kháng – R), hai giá trị điện áp và dòng điện sẽ tăng (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 thuận trở, trong mạch chủ chia thành phần cảm kháng L hay dung kháng C, sẽ có sự lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong một chu kỳ của dạng sóng AC. Ví dụ, lệch phá 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 củ dạng sóng và giá trị dòng điện thì bằng không, dòng năng lượng được chuyển tải rời trở về, trong trường hợp này ta gọi là công suất phản kháng – Một công suất thể hiện sự tiêu tán 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 chia 2 thành phần công suất thực và công suất phản kháng. Công suất biểu kiến có thể xem như là công suất tăng 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 thuận trở (bàn ủi, bóng đèn sợi tóc) 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 chạy 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 biểu kiến, 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 thuận 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 180 độ, dòng điện chạy vào tụ điện và cuộn dây có xu hướng triệt tiêu nhau (trung hòa). 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 mô tả công suất AC
Công suất tiêu thị thật – Real power (P) – đơn vị Watt(W)
Công suất phản kháng – Reactive power (Q) – đơn vị volt-ampere reactive (var)
Công suất biểu kiến – Apparent Power (S) – đơn vị Volt-Ampere (VA)

Trong biểu đồ, P là công suất tiêu thị thực tế, JQ 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 trên biểu đồ. Độ lớn của góc cosine thể hiện mặt tổng quan giữa công suất tiêu thụ thật và công suất phản kháng biểu kiến.

N và 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 S= P+JQ ( với J và đơn vị đo)

2/ Hệ số công suất -Power Factor(PF)

Tỉ lệ giữa công suất tiêu thị thật và công suất phản kháng biểu kiến được gọi là hệ số công suất. Trong trường hợp dòng điện AC là dạng dóng sin thuần túy, hệ số công suất là cosine của góc pha 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 tính như một tỉ lệ phần trăm như pF=50%. Được thể hiện bằng công thức

Nên muốn nâng cao công suất thật P thì cần phảu 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 tóc, bán ủi, máy nước nóng,…

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

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 phảu có 1kVA công suất biểu kiến được truyền tải; 1kW:1=1kVA. Trong điều kiện hệ số công susta thấp, ví dụ như 0.5, thì cần phải có 2kVA công suất biểu kiến được truyền tải: 1kW:0.5=2kVA.

Tại sao phải quan tâm tới việc này, cho dù công suất phản kháng thật sự không sinh ra công như khi nó tồn tại sẽ làm cho các dây nóng hơn. Nhứng 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 tăng 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 hô trợ khách hàng tìm các biện pháp làm gia tăng hệ số công suất.

Nguồn: magazine.ocer.vn