APFC là viết tắt của Automatic Power Factor Controllers, hay còn gọi là bộ điều khiển hệ số công suất tự động. Đây là một thiết bị điện tử quan trọng trong các hệ thống điện công nghiệp và dân dụng, được sử dụng để cải thiện hệ số công suất (cos \phi) của hệ thống.

Hệ số công suất (cos \phi) là gì?

Để hiểu APFC, trước hết cần hiểu về hệ số công suất. Trong một mạch điện xoay chiều:

• Công suất tác dụng (P): Là phần công suất thực sự sinh ra công có ích, chuyển hóa thành năng lượng cơ học, nhiệt, ánh sáng, v.v. (đơn vị: Watt - W hoặc kilowatt - kW).
• Công suất phản kháng (Q): Là phần công suất không sinh ra công có ích, chỉ làm nhiệm vụ tạo ra từ trường cho các thiết bị có tính cảm kháng như động cơ, máy biến áp, cuộn dây, v.v. (đơn vị: VAr hoặc kVAr). Công suất này làm tăng dòng điện chạy trong hệ thống mà không tạo ra thêm công hữu ích.
• Công suất biểu kiến (S): Là tổng hợp vector của công suất tác dụng và công suất phản kháng (đơn vị: VA hoặc kVA). S^2 = P^2 + Q^2
• Hệ số công suất (cos \phi): Là tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S). \cos \phi = \frac{P}{S} Giá trị của cos \phi nằm trong khoảng từ 0 đến 1. Hệ số công suất càng gần 1, hiệu quả sử dụng năng lượng càng cao, nghĩa là công suất phản kháng càng nhỏ và hệ thống hoạt động càng hiệu quả.

Khi hệ số công suất thấp (do có nhiều tải cảm kháng), sẽ dẫn đến:

• Tổn thất điện năng lớn: Dòng điện trong hệ thống tăng, gây hao phí trên đường dây và thiết bị.
• Giảm khả năng truyền tải của lưới điện: Lưới điện phải truyền tải cả công suất tác dụng và phản kháng, làm giảm khả năng cung cấp công suất thực cho tải.
• Sụt áp: Gây ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị điện.
• Phải trả tiền phạt công suất phản kháng: Các công ty điện lực thường áp dụng phí phạt nếu hệ số công suất của khách hàng dưới mức quy định (thường là 0.85 hoặc 0.9).

Chức năng của bộ điều khiển hệ số công suất (APFC)

APFC có vai trò chính là tự động điều chỉnh và duy trì hệ số công suất của hệ thống điện ở mức tối ưu, thường là gần 1. Để làm được điều này, APFC sẽ điều khiển việc đóng/cắt các cấp tụ bù vào hoặc ra khỏi lưới điện.

Các chức năng chính của APFC bao gồm:

• Tự động đo lường và hiển thị: Đo và hiển thị các thông số điện quan trọng như hệ số công suất (cos \phi), dòng điện, điện áp, tần số, công suất tác dụng, công suất phản kháng, công suất biểu kiến và đôi khi cả sóng hài (THD).
• Tự động điều khiển bù công suất phản kháng: Dựa trên các thông số đo được và cài đặt trước, APFC sẽ tự động tính toán lượng công suất phản kháng cần bù và điều khiển các contactor để đóng hoặc cắt các cấp tụ bù vào/ra khỏi hệ thống. Quá trình này diễn ra liên tục để giữ cos \phi luôn ở mức mong muốn.
• Cài đặt linh hoạt: Cho phép người dùng cài đặt các thông số như hệ số C/K (thời gian trễ khi đóng cắt), độ nhạy, hệ số công suất mục tiêu, chế độ điều khiển (tự động, bằng tay, xoay vòng...).
• Bảo vệ và cảnh báo:
• Bảo vệ quá/thấp áp, quá/thấp dòng.
• Cảnh báo khi hệ số công suất quá thấp hoặc quá cao.
• Cảnh báo lỗi cực tính biến dòng (CT) nếu đấu ngược.
• Cảnh báo quá nhiệt độ trong tủ bù.
• Tăng tuổi thọ thiết bị: Bằng cách điều khiển thông minh việc đóng/cắt tụ bù, APFC giúp giảm số lần chuyển mạch của contactor và tụ bù, từ đó kéo dài tuổi thọ của chúng.
• Giảm sóng hài (đối với một số dòng APFC cao cấp): Một số bộ điều khiển tích hợp khả năng đo và giảm sóng hài, giúp cải thiện chất lượng điện năng.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của APFC

Nguyên lý hoạt động của APFC dựa trên việc giám sát liên tục hệ số công suất của hệ thống và điều khiển các bộ tụ bù.

1. Thu thập dữ liệu: APFC sử dụng các cảm biến (thường là biến dòng - CT và biến áp - PT) để đo lường dòng điện và điện áp của hệ thống điện.
2. Tính toán hệ số công suất: Từ dữ liệu dòng điện và điện áp, bộ vi xử lý trong APFC sẽ tính toán hệ số công suất hiện tại của tải.
3. So sánh và đưa ra quyết định:

• APFC so sánh hệ số công suất hiện tại với giá trị cài đặt mục tiêu.
• Nếu hệ số công suất thấp hơn giá trị mục tiêu (nghĩa là hệ thống đang tiêu thụ nhiều công suất phản kháng), APFC sẽ gửi tín hiệu đến contactor để đóng thêm các cấp tụ bù vào hệ thống. Tụ bù sẽ cung cấp công suất phản kháng ngược pha, giúp triệt tiêu công suất phản kháng do tải cảm sinh ra, từ đó nâng cao cos \phi.
• Nếu hệ số công suất cao hơn giá trị mục tiêu (hoặc quá gần 1 và có nguy cơ gây quá bù), APFC sẽ gửi tín hiệu đến contactor để cắt bớt các cấp tụ bù ra khỏi hệ thống.

1. Lặp lại liên tục: Quá trình này diễn ra tự động và liên tục, đảm bảo hệ số công suất của hệ thống luôn được duy trì ở mức tối ưu.

Tóm lại, APFC là "bộ não" của hệ thống bù công suất phản kháng, giúp tự động quản lý và tối ưu hóa hệ số công suất, mang lại nhiều lợi ích về kinh tế (giảm chi phí điện, tránh bị phạt) và kỹ thuật (giảm tổn hao, tăng tuổi thọ thiết bị, cải thiện chất lượng điện).