Tủ bù công suất phản kháng hạ thế: tính kvar, chọn bù cố định hay tự động

2. Tính dung lượng tụ cần bù

Công thức: Qc = P × (tanφ1 − tanφ2). Trong đó Qc là dung lượng tụ (kvar), P là công suất tác dụng của tải (kW), φ1 là góc lệch pha hiện tại (ứng với cosφ1) và φ2 là góc ứng với cosφ2 mục tiêu. Công thức này có trong Schneider Electrical Installation Guide (mục "Theoretical principles to improve power factor") và catalogue Samwha (mục 6-1 Capacitor Calculation).

Samwha hướng dẫn bốn bước. Lấy công suất tải đầy (kW). Xác định cosφ1 hiện tại; nhà máy mới thì khảo sát cosφ của từng tải. Đặt cosφ2 mục tiêu. Tính bằng công thức hoặc bảng hệ số. Ví dụ của Samwha: tải 1000 kW, cosφ1 = 0,75, cosφ2 = 0,95 cho Qc ≈ 553 kvar theo công thức, hoặc 1000 × 0,55 = 550 kvar theo bảng.

Ví dụ của Schneider: động cơ 100 kW, cosφ 0,75 (tanφ = 0,88), muốn nâng lên 0,93 (tanφ = 0,4) thì Qc = 100 × (0,88 − 0,4) = 48 kvar. Schneider lưu ý bù tới cosφ = 1 thường không kinh tế. Trước khi tính, tránh chọn động cơ quá lớn và tránh để động cơ chạy không tải: khi không tải, cosφ của động cơ chỉ khoảng 0,17.

3. Bù cố định hay bù tự động

Quy tắc thường dùng trong Schneider Electrical Installation Guide: dung lượng tụ không quá 15 % công suất máy biến áp nguồn thì bù cố định. Trên 15 % thì lắp tủ bù điều khiển tự động (mục "The choice between a fixed or automatically-regulated bank of capacitors").

Bù cố định dùng một hoặc vài tụ có dung lượng không đổi. Tụ được đóng cắt bằng tay (aptomat hoặc cầu dao phụ tải), bán tự động (contactor), hoặc nối thẳng vào thiết bị và đóng cắt cùng thiết bị. Cách này hợp với đầu cực động cơ, máy biến áp, thanh cái cấp cho nhiều động cơ nhỏ và tải tương đối ổn định (Schneider, mục "Equipment to improve power factor").

Bù tự động chia tụ thành nhiều cấp, mỗi cấp đóng cắt bằng một contactor. Bộ điều khiển đóng thêm hoặc cắt bớt cấp để giữ cosφ quanh giá trị đặt. Cách này dùng ở thanh cái tủ phân phối tổng hoặc đầu tuyến cáp tải nặng, nơi công suất thay đổi nhiều. Bù bám theo tải còn tránh quá bù và quá áp lúc tải nhẹ (cùng nguồn). Catalogue Samwha cũng nhắc theo dõi điện áp tăng lúc tải nhẹ ban đêm và cắt tụ khi hệ số công suất chuyển sang sớm pha.

• Vị trí đặt tụ: bù tập trung (một chỗ cho cả công trình), bù theo nhóm (từng khu vực), bù riêng (tại từng thiết bị), hoặc kết hợp hai cách sau (Schneider).
• Khi tổng dung lượng bù vượt 800 kvar và tải liên tục, ổn định, bù phía trung thế thường kinh tế hơn (Schneider, mục "Equipment to improve power factor").
• Vỏ tủ và bố trí trong tủ xem tủ điện công trình và cách chọn vỏ tủ.

4. Bộ điều khiển tụ bù

Bộ điều khiển (power factor regulator, còn gọi là rơle điều khiển bù) đo hệ số công suất của mạch được bù và ra lệnh đóng, cắt contactor từng cấp. Sai lệch cosφ giữ được cỡ một cấp tụ. Biến dòng (CT) lấy tín hiệu cho bộ điều khiển phải đặt trên một pha của cáp đầu vào cấp cho các mạch được bù (Schneider, mục "Equipment to improve power factor", hình L13).

Với tải đóng cắt nhanh hoặc nhạy với quá độ, có thể dùng contactor tĩnh (thyristor) thay contactor thường. Ưu điểm theo Schneider: đáp ứng nhanh (tới 40 ms tuỳ bộ điều khiển), không giới hạn số lần đóng cắt, không gây quá độ khi đóng tụ và chạy êm.

Danh mục sản phẩm Mikro (áp dụng 15/01/2026) có nhóm bộ điều khiển bù công suất phản kháng (Power Factor Regulator), với các mã như PFR60-220, PFR80-415, PFR96-220, PFR120-415, PFR140-220. Danh mục này chỉ ghi mã và tên. Số cấp, điện áp nuôi và kích thước phải tra catalogue kỹ thuật Mikro. Catalogue Samwha liệt kê bộ điều khiển hệ số công suất tự động (APFCR) là một tuỳ chọn của tủ tụ, và phiếu đặt hàng của Samwha có ô ghi số cấp (Step) cho APFCR.

5. Tụ bù, contactor tụ và bảo vệ

Schneider mô tả tụ hạ thế loại khô, dùng màng polypropylene phủ kim loại, có khả năng tự phục hồi. Khi điện môi bị đánh thủng cục bộ, hồ quang ngắn làm bay hơi lớp kim loại quanh chỗ hỏng và cách điện lại chỗ đó. Tụ còn có cơ cấu ngắt theo áp suất, tách tụ khỏi lưới khi hỏng bên trong hoặc hết tuổi thọ (Schneider, mục "Implementation of capacitor banks"). Catalogue Samwha có tụ hạ thế kiểu dầu (0,2–150 kvar) và kiểu khô (0,2–50 kvar), điện áp 220–1000 V, tham chiếu IEC 60831-1.

Đóng tụ vào lưới sinh dòng xung và quá độ điện áp. Nếu tụ còn tích điện, đỉnh điện áp có thể gần gấp 3 đỉnh điện áp định mức, nên mỗi cấp phải phóng hết điện trước khi đóng lại (Schneider). Contactor đóng cắt tụ thuộc loại sử dụng AC-6b (đóng cắt giàn tụ) theo IEC 60947-4-1, như catalogue LS ghi. LS có contactor MC-□(D) dùng riêng cho giàn tụ một cấp hoặc nhiều cấp, gắn thêm khối tụ (capacitor unit) AC-9 hoặc AC-50. LS yêu cầu điện áp dư tại cực tụ không quá 50 V khi đóng lại. Mitsubishi ghi riêng công suất tụ ba pha cho contactor S-N theo JEM 1038: ở 380–440 V, S-N20 là 10 kvar, S-N50 là 40 kvar. Dòng đỉnh xung đóng phải dưới 2000 % dòng định mức của tụ. Vì vậy, chọn contactor theo cột kvar trong bảng tụ của hãng ở đúng điện áp.

Tụ phải có thiết bị bảo vệ quá dòng: cầu chì, aptomat, hoặc rơle quá tải kèm contactor (Schneider). Dòng định mức giàn tụ ba pha IN = Q / (√3 × U), với Q tính bằng kvar và U là điện áp dây tính bằng kV. Ví dụ của Schneider: giàn 50 kvar, 400 V có IN = 72 A. Bảo vệ quá tải chỉnh theo mức méo sóng hài. Tụ tiêu chuẩn 1,5 × IN (108 A), tụ kèm cuộn kháng 5,7 % là 1,31 × IN (94 A). Bảo vệ ngắn mạch có trễ chỉnh 10 × IN (720 A) để không tác động khi có dòng xung đóng tụ.

Samwha yêu cầu dây nối tụ chọn theo dòng không nhỏ hơn 1,35 lần dòng định mức của tụ. Cách chọn cáp đi cùng aptomat xem phối hợp cáp và aptomat; cầu chì xem cầu chì gG, aM dùng khi nào; contactor nói chung xem khởi động từ và rơ-le nhiệt.

• Dung sai điện dung: −5 % đến +10 % với tụ và giàn tụ đến 100 kvar; −5 % đến +5 % trên 100 kvar (IEC 60831-1/2, theo Schneider).
• Quá dòng cho phép: 1,3 × IN, với IN là dòng định mức của tụ (IEC 60831-1/2; catalogue Samwha ghi cùng mức).
• Quá áp cho phép: 1,1 × UN trong 8 giờ mỗi 24 giờ; 1,15 × UN trong 30 phút mỗi 24 giờ; 1,2 × UN trong 5 phút; 1,3 × UN trong 1 phút, với UN là điện áp định mức của tụ (IEC 60831-1/2; catalogue Samwha ghi cùng các mức).
• Phóng điện: điện áp dư giảm xuống 75 V trong không quá 3 phút (IEC 60831-1/2, theo Schneider).

6. Cuộn kháng khi lưới có sóng hài

Sóng hài trong điện áp làm dòng qua tụ tăng bất thường. Tụ tiêu chuẩn được thiết kế cho dòng hiệu dụng bằng 1,3 lần dòng định mức. Dây nối, cầu chì, thiết bị đóng cắt đi cùng tụ cũng chọn lớn hơn 1,3–1,5 lần. Schneider cho dùng tụ tiêu chuẩn khi tỉ lệ tải phi tuyến không quá 10 %, tụ chịu dòng cao (heavy duty) khi không quá 20 % (mục "Possible solutions for power-system harmonics").

Khi sóng hài lớn hơn, tụ được mắc nối tiếp với cuộn kháng (detuned reactor) sao cho tần số cộng hưởng nối tiếp thấp hơn bậc sóng hài thấp nhất có trong lưới. Cách này tránh cộng hưởng, tránh quá tải tụ và giúp giảm méo điện áp. Cuộn kháng làm tăng điện áp tần số cơ bản trên tụ, nên tụ đi kèm phải có điện áp định mức cao hơn điện áp lưới (cùng nguồn).

Với máy biến áp đến 2 MVA, Schneider đưa quy tắc đơn giản ở danh sách dưới. Gh là tổng kVA các thiết bị sinh sóng hài (bộ biến đổi tĩnh, inverter, biến tần…), Sn là tổng kVA các máy biến áp cấp cho thanh cái. Biến tần là nguồn sóng hài thường gặp, xem biến tần cho quạt, bơm.

Theo catalogue Samwha, giàn tụ hạ thế trên 50 kvar (trung thế trên 300 kvar) không tự chống được sóng hài và dòng xung đóng, nên cần lắp cuộn kháng nối tiếp. Phiếu đặt hàng của Samwha cho chọn cuộn kháng %L = 6 %, 8 % hoặc 13 %. Các mức này khác mức Schneider nêu, nên đọc theo catalogue của hãng định dùng. Khi vận hành, nếu dòng qua tụ vượt 120 % định mức, Samwha khuyên đo dạng sóng dòng để tìm bậc sóng hài gây ra và lắp cuộn kháng nối tiếp.

• Gh ≤ 0,1 × Sn: tụ tiêu chuẩn.
• 0,1 × Sn < Gh ≤ 0,2 × Sn: tụ heavy duty hoặc tụ có điện áp định mức tăng 10 %.
• 0,2 × Sn < Gh ≤ 0,5 × Sn: tụ heavy duty hoặc tụ tăng 20 % điện áp định mức, kèm cuộn kháng.
• Gh > 0,5 × Sn: cần lọc sóng hài.
• Thiết bị chỉ ghi kW thì lấy cosφ trung bình 0,7 để quy ra kVA (Schneider).

7. Các bước chọn

Làm theo thứ tự sau. Số liệu đầu vào lấy từ hồ sơ thiết kế hoặc đo tại công trình.

• Xác định P (kW) và cosφ1 hiện tại, đặt cosφ2 mục tiêu, rồi tính Qc = P × (tanφ1 − tanφ2) hoặc tra bảng hệ số (Samwha, Schneider).
• So Qc với công suất máy biến áp: không quá 15 % thì bù cố định, trên 15 % thì bù tự động nhiều cấp (Schneider).
• Xét tải sinh sóng hài để chọn tụ tiêu chuẩn, tụ heavy duty hay tụ kèm cuộn kháng (Schneider, Samwha).
• Chia cấp, chọn bộ điều khiển đủ số cấp, đặt CT trên một pha của cáp đầu vào (Schneider).
• Chọn contactor theo cột kvar của bảng tụ ở đúng điện áp (LS, Mitsubishi). Chọn aptomat và cáp theo IN của từng cấp và của cả giàn (Schneider, Samwha).
• Gửi danh sách thiết bị kèm dung lượng từng cấp để nhận báo giá, cách lập danh sách xem chuẩn bị BOQ để nhận báo giá nhanh.