Công suất biểu kiến đầu ra tối đa (Max. output apparent power) là gì?

Công suất biểu kiến (Apparent power) là gì?

Công suất biểu kiến (Apparent power) là tích điện áp hiệu dụng và dòng điện hiệu dụng của mạch điện xoay chiều, ký hiệu S, đơn vị vôn-ampe (VA).[1][7] Công thức công suất biểu kiến S = V × I không chứa góc lệch pha θ, khác với công thức của P và Q.[1] Về mặt toán học, công suất biểu kiến là độ lớn của công suất phức.[7]

Điện áp hiệu dụng và dòng điện hiệu dụng

Điện áp hiệu dụng (RMS voltage) là căn bậc hai của trung bình bình phương điện áp tức thời trong một chu kỳ.[1] Dòng điện hiệu dụng (RMS current) định nghĩa theo cùng cách.[1] Với dạng sóng hình sin, dòng hiệu dụng bằng biên độ dòng chia cho √2.[1][12] Các phép tính công suất xoay chiều dùng giá trị hiệu dụng.[1]

Đơn vị công suất biểu kiến: VA và kVA

Đơn vị công suất biểu kiến là vôn-ampe (VA); công suất phản kháng dùng đơn vị var, công suất tác dụng dùng oát (W).[7] Tiền tố kilô (k) bằng 10³, nên 1 kVA = 1.000 VA; tiền tố mêga (M) bằng 10⁶, nên 1 MVA = 1.000.000 VA.[8] Cách ghi đơn vị W, kW và kWh được giải thích ở bài W, kW, kWh, J.

Công suất biểu kiến đầu ra tối đa trên biến tần

Khả năng công suất biểu kiến S của biến tần được đặt sẵn ở mức tương đương nhưng lớn hơn công suất tác dụng cực đại của dàn pin.[5] Công suất phản kháng tối đa của biến tần bằng √(S² − P²), với S là công suất biểu kiến và P là công suất tác dụng.[5] Biến tần một pha Huawei SUN2000-5KTL-L1 ghi riêng hai dòng: công suất định mức 5.000 W và công suất biểu kiến tối đa 5.500 VA.[3]

Cách datasheet ghi thông số này

Huawei ghi thông số là Max. apparent power, Sungrow ghi là Max. AC output apparent power.[3][6] Chứng nhận VDE-AR-N 4105 của SMA ghi là Scheinleistung, tức công suất biểu kiến trong tiếng Đức, đơn vị kVA.[13] Chứng nhận CEI 0-21 của Deye ghi ký hiệu SMAXINV cho công suất biểu kiến lớn nhất của biến tần.[14]

Công suất biểu kiến gồm hai thành phần là công suất tác dụng và công suất phản kháng.[1] Mục 2 tách hai thành phần này để thấy vì sao kVA và kW khác nhau.

Công suất tác dụng (Active power) là gì?

Công suất tác dụng (Active power) là công suất trung bình theo thời gian của mạch điện xoay chiều, đơn vị oát (W).[1][7] Công suất tác dụng bằng điện áp hiệu dụng nhân dòng điện hiệu dụng nhân cos φ.[1] Với điện trở thuần, góc lệch φ bằng 0 nên công suất tác dụng bằng đúng tích V × I.[12] Công suất tác dụng tối đa của biến tần khi cos φ = 1 được trình bày ở bài Công suất tác dụng.

Công suất phản kháng (Reactive power) là gì?

Công suất phản kháng (Reactive power) là phần công suất ứng với năng lượng trao đổi qua lại trong mạch xoay chiều, có trung bình bằng không, đơn vị var.[7] Công suất phản kháng bằng điện áp hiệu dụng nhân dòng điện hiệu dụng nhân sin φ.[1] Tên đầy đủ của đơn vị var là vôn-ampe phản kháng (volt-amp-reactive).[1]

Tam giác công suất S² = P² + Q²

Ba đại lượng P, Q và S tạo thành một tam giác vuông, trong đó S là cạnh huyền: S = √(P² + Q²).[1] Một tải có P = 300 W và Q = 150 var, viết dạng phức S = 300 + j150 VA.[15] Độ lớn S = √(300² + 150²) = √112.500 ≈ 335,4 VA.

Hệ số công suất cos φ nối S với P

Hệ số công suất (Power factor) là tỷ số công suất tác dụng chia công suất biểu kiến, bằng cos góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện.[7][1] Hệ số công suất nằm trong khoảng từ 0 đến 1.[1] Tải cảm cho hệ số công suất trễ (lagging), tải dung cho hệ số công suất sớm (leading).[1] Hai chế độ trễ và sớm của biến tần được trình bày ở bài Hệ số công suất.

Bảng phân biệt S, P và Q

Khi đã có ba đại lượng và hệ số công suất, công suất biểu kiến tính được từ điện áp và dòng điện. Mục 3 trình bày công thức cho mạch một pha và ba pha.

Công thức công suất biểu kiến một pha

Công suất biểu kiến S (VA) = Điện áp hiệu dụng V (V) × Dòng điện hiệu dụng I (A).[1] Một tải đo được 240 V và 3 A có S = 240 × 3 = 720 VA.[15] Công suất tác dụng của tải này đo được 600 W, nên hệ số công suất bằng 600 / 720 ≈ 0,833.[15]

Công thức tính công suất biểu kiến từ P và Q

Khi biết P (W) và Q (var), công suất biểu kiến S (VA) = √(P² + Q²).[1] Khi biết P và hệ số công suất, công suất biểu kiến S = P / cos φ.[7][1] Công thức thứ hai dùng để đổi kW sang kVA ở mục 4.

Công thức công suất biểu kiến ba pha

Công suất biểu kiến ba pha (VA) = 3 × Điện áp pha (V) × Dòng điện dây (A).[9][10] Viết theo điện áp dây: S (VA) = √3 × Điện áp dây (V) × Dòng điện dây (A).[9][10] Điện áp dây bằng √3 lần điện áp pha khi hệ vận hành bình thường.[10] Ở lưới 230/400 V, phép kiểm √3 × 230 ≈ 398 V cho điện áp dây gần với mức 400 V.

Tính dòng điện từ kVA

Dòng điện một pha I (A) = S (VA) / V (V).[1] Dòng điện ba pha I (A) = S (VA) / (√3 × Điện áp dây).[9] Chứng nhận SMA STP10.0-3AV-40 ghi 10,0 kVA, lưới 230/400 V và dòng định mức 14,5 A.[13] Phép kiểm theo điện áp pha 230 V: 3 × 230 × 14,5 = 10.005 VA, khớp mức 10,0 kVA.[9] Theo điện áp dây 400 V, 10.000 / (√3 × 400) ≈ 14,4 A, vì 400 / √3 ≈ 230,9 V lớn hơn 230 V.[9]

Công suất ba pha cân bằng

Công suất tức thời tổng của hệ ba pha cân bằng không đổi theo thời gian.[10] Công suất ba pha giữ không đổi khi ba tải cân bằng.[9] Hai lý do chính để dùng điện ba pha là tiết kiệm dây dẫn và dòng công suất gần như không đổi.[10]

Công thức S = P / cos φ cho thấy cùng một số kVA đổi ra số kW khác nhau theo hệ số công suất. Mục 4 lập bảng quy đổi.

1 kVA bằng bao nhiêu kW?

Công suất tác dụng (kW) = Công suất biểu kiến (kVA) × cos φ.[1] Ở cos φ 1, 1 kVA cho 1 × 1 = 1 kW; ở cos φ 0,9 cho 0,9 kW; ở cos φ 0,8 cho 0,8 kW. Hệ số công suất càng nhỏ, cùng một số kVA cho càng ít kW.[1]

1 kVA bằng bao nhiêu W?

1 kVA bằng 1.000 VA theo tiền tố kilô.[8] Đổi sang W: công suất tác dụng (W) = 1.000 VA × cos φ.[1] Ở cos φ 1, 1 kVA cho 1.000 W; ở cos φ 0,8, 1 kVA cho 1.000 × 0,8 = 800 W.

Đổi kW sang kVA

Công suất biểu kiến cần có (kVA) = Công suất tác dụng (kW) / cos φ.[7][1] Ở cos φ 0,8, 1 kW cần 1 / 0,8 = 1,25 kVA; ở cos φ 0,95 cần 1 / 0,95 ≈ 1,053 kVA. Con số 1,053 ứng với mức tăng khoảng 5,3%, phù hợp mức tối thiểu 5,2% để giữ dải hệ số công suất ±0,95.[4]

Ví dụ quy đổi trong phân loại tổ máy của Đức

Đức quy đổi ngưỡng công suất của tổ máy phát giữa kW và kVA bằng hệ số cố định cos φ = 0,9.[11] Ngưỡng loại B là P ≥ 135 kW, tương ứng S ≥ 150 kVA; phép kiểm 150 × 0,9 = 135 kW.[11] Ngưỡng loại C là 36 MW, tương ứng 40 MVA; ngưỡng loại D là 45 MW, tương ứng 50 MVA.[11]

Bảng quy đổi nhanh kVA và kW

Quy đổi giữa mã lực (HP), kW và kVA có ở bài 1 HP bằng bao nhiêu kW, W, kVA.

Bảng quy đổi cho thấy muốn giữ đủ kW ở hệ số công suất thấp, thiết bị cần nhiều kVA hơn. Mục 5 giải thích vì sao biến tần đặt giới hạn theo kVA chứ không chỉ theo kW.

Định mức dòng điện quyết định kVA

Ở một điện áp cho trước, kVA tỷ lệ với dòng điện, nên định mức kVA của biến tần cũng là định mức dòng điện.[4][1] Máy biến áp cũng ghi định mức bằng VA.[16] Dòng điện xác lập của máy biến áp không được vượt dòng định mức, bất kể điện áp thực tế.[16]

Công suất phản kháng còn lại theo công thức √(S² − P²)

Công suất phản kháng tối đa bằng √(S² − P²), nên P càng lớn, khoảng Q còn lại càng nhỏ.[5] Biến tần PV ngày càng có khả năng cấp công suất phản kháng động đáng kể.[17]

Khi P bằng S, biến tần không còn chỗ cho Q

Khi công suất tác dụng bằng công suất biểu kiến định mức, công thức trên cho Q = √(S² − S²) = 0.[5] Biến tần cho lưới phân phối mặc định chạy ở hệ số công suất 1.[4] Ở công suất kW định mức, loại biến tần này không cấp được công suất phản kháng.[4]

Biến tần có định mức kVA lớn hơn kW

Với khả năng công suất biểu kiến khoảng 1,1 lần công suất PV cực đại, biến tần có đủ khoảng điều chỉnh công suất phản kháng.[5] Khoảng điều chỉnh này đủ để đạt phần lớn mức giảm tổn hao lưới phân phối.[5] Với tỷ lệ 1,1, công suất phản kháng tối đa ở công suất đầy bằng khoảng 0,45 lần công suất PV cực đại.[5] Phép kiểm: √(1,1² − 1²) = √0,21 ≈ 0,458; con số 0,45 là mức nguồn ghi.[5]

Hệ số công suất thấp làm tăng dòng điện đường dây

Hệ số công suất dưới 1 bất lợi cho công ty điện.[1] Để cấp cùng một công suất cho tải, công ty điện phải tải dòng điện lớn hơn và chịu tổn hao đường dây lớn hơn.[1] Khách hàng công nghiệp bị tính tiền cho phần công suất phản kháng sử dụng.[1] Hệ số công suất được nâng lên bằng tụ điện đấu song song với tải cảm.[1]

Yêu cầu công suất phản kháng của lưới cũng được ghi theo công suất biểu kiến. Mục 6 đọc các yêu cầu này.

Phạm vi tiêu chuẩn ghi theo kVA

IEC 61727 ấn bản 2.0 phát hành ngày 14/12/2004, áp cho hệ PV nối lưới dùng biến tần tĩnh không tách đảo.[20] Tiêu chuẩn IEC 61727 đưa khuyến nghị riêng cho hệ có định mức từ 10 kVA trở xuống, một pha hoặc ba pha, như hệ của hộ gia đình.[18] Nội dung IEC 61727 được trình bày ở bài IEC 61727.

Yêu cầu hệ số công suất ±0,95 và mức kVA tăng thêm

Yêu cầu hệ số công suất được chấp nhận chung cho tổ máy phát lớn trong hợp đồng đấu nối của FERC là ±0,95.[4] Để giữ dải ±0,95 ở điện áp định mức và công suất kW định mức, biến tần cần định mức kVA cao hơn định mức kW ít nhất 5,2%.[4] Yêu cầu này làm tăng giá thành so với cách làm phổ biến của ngành PV.[4]

EN 50549-1 tính công suất phản kháng theo phần trăm Sr

Chứng nhận EN 50549-1 của Victron Multi RS Solar ghi dải cos φ từ 0,8 đến 1 ứng với công suất phản kháng từ 60% Sr về 0.[19] Dải này áp cho cả phía quá kích thích và thiếu kích thích.[19] Ở cos φ 0,8, sin φ = √(1 − 0,8²) = 0,6, nên Q = 0,6 × S, khớp mức 60%.[1] Đặc tuyến Q(U) trên chứng nhận Victron ghi 43,6% Sr ở 93% Un và −43,6% Sr ở 107% Un.[19] Yêu cầu của EN 50549-1 được trình bày ở bài EN 50549-1.

Giới hạn công suất biểu kiến trên chứng nhận CEI 0-21

Chứng nhận CEI 0-21 của Deye ghi SUN-125K-PCS01HP3 không cấp được công suất phản kháng 48,43% Pn khi chạy 100% Pn, vì bị giới hạn ở Pn = Sn.[14] Ở P = Pn và cos φ 0,9, công suất phản kháng bằng Pn × tan(arccos 0,9) ≈ 0,4843 Pn, tức 48,43% Pn.[1] Chứng nhận CEI 0-21 của SolaX ghi biến tần có giới hạn công suất biểu kiến tối đa.[21] Muốn giữ một hệ số công suất ở mọi điều kiện, công suất tác dụng tối đa phải được đặt sao cho luôn đạt cos φ yêu cầu.[21]

Khi lưới yêu cầu công suất phản kháng, biến tần có S cố định phải nhường bớt công suất tác dụng. Mục 7 tính phần công suất tác dụng bị giảm.

Công suất tác dụng tối đa khi cos φ nhỏ hơn 1

Công suất tác dụng tối đa (W) = Công suất biểu kiến tối đa (VA) × cos φ.[1] Với 5.500 VA của Huawei SUN2000-5KTL-L1, cos φ 0,9 cho 5.500 × 0,9 = 4.950 W, cos φ 0,8 cho 4.400 W.[3] Khi P giảm, phần công suất phản kháng còn lại tăng theo √(S² − P²).[5]

Dải hệ số công suất in trên datasheet

Huawei SUN2000-5KTL-L1 ghi dải hệ số công suất điều chỉnh từ 0,8 sớm đến 0,8 trễ.[3] Sungrow SG10RT ghi hệ số công suất ở công suất định mức lớn hơn 0,99, dải điều chỉnh từ 0,8 sớm đến 0,8 trễ.[6] Ở biên 0,8 với 5.500 VA, P = 4.400 W và Q = 5.500 × 0,6 = 3.300 var.

Biến tần sạc ghi cả VA và W

Biến tần sạc Victron MultiPlus-II 48/5000 ghi công suất ra liên tục ở 25 °C là 5.000 VA và 4.000 W.[22] Tỷ số giữa hai con số in trên datasheet là 4.000 W / 5.000 VA = 0,8; datasheet không gọi tỷ số này là hệ số công suất.[22] Mức 5.000 VA ghi kèm chú thích tải phi tuyến, hệ số đỉnh 3:1.[22] Ở 40 °C, công suất ra liên tục giảm còn 3.700 W, ở 65 °C còn 3.000 W.[22]

Các mục trên đã có đủ công thức để tính một biến tần cụ thể. Mục 8 áp các công thức đó cho biến tần một pha 5 kW.

Bước 1: đọc thông số đầu ra trên datasheet

Huawei SUN2000-5KTL-L1 nối lưới một pha, công suất định mức 5.000 W, công suất biểu kiến tối đa 5.500 VA, dòng ra tối đa 25 A.[3] Điện áp đầu ra định mức là 220 V, 230 V hoặc 240 V, tần số 50 Hz hoặc 60 Hz.[3] Dải hệ số công suất điều chỉnh từ 0,8 sớm đến 0,8 trễ.[3]

Bước 2: tính dòng điện từ công suất biểu kiến

Dòng điện một pha I = S / V.[1] Ở 220 V: 5.500 / 220 = 25 A, trùng dòng ra tối đa trên datasheet.[3] Ở 230 V: 5.500 / 230 ≈ 23,9 A; ở 240 V: 5.500 / 240 ≈ 22,9 A. Giới hạn dòng ra của biến tần được trình bày ở bài Dòng điện đầu ra tối đa.

Bước 3: tính công suất phản kháng còn lại ở 5.000 W

Công suất phản kháng tối đa Q = √(S² − P²).[5] Khi biến tần phát 5.000 W: Q = √(5.500² − 5.000²) = √5.250.000 ≈ 2.291 var. Hệ số công suất tương ứng là 5.000 / 5.500 ≈ 0,909.

Bước 4: tính ở biên hệ số công suất 0,8

Ở cos φ 0,8: P = 5.500 × 0,8 = 4.400 W, Q = 5.500 × 0,6 = 3.300 var.[1] Phép kiểm: √(4.400² + 3.300²) = √30.250.000 = 5.500 VA.

Bước 5: so với model 6 kW có kVA bằng kW

Huawei SUN2000-6KTL-L1 có công suất định mức 6.000 W, công suất biểu kiến tối đa 6.000 VA, dòng ra tối đa 27,3 A.[3] Ở 6.000 W, Q = √(6.000² − 6.000²) = 0 var. Dòng ở 220 V là 6.000 / 220 ≈ 27,3 A, trùng số Huawei in.

Dòng cos φ 0,9 tính Q = √(5.500² − 4.950²) = √5.747.500 ≈ 2.397 var.

Bước 6: đối chiếu với biến tần ba pha 10 kVA

Biến tần ba pha SMA STP10.0-3AV-40 có 10,0 kVA, lưới 230/400 V, dòng định mức 14,5 A.[13] Dòng tính theo điện áp pha 230 V: 10.000 / (3 × 230) ≈ 14,5 A, khớp số in trên chứng nhận.[9] Tính theo điện áp dây 400 V cho 10.000 / (√3 × 400) ≈ 14,4 A, vì 400 / √3 ≈ 230,9 V.[9]

Ví dụ trên dùng số in trên datasheet. Mục 9 gom các điểm cần đọc khi chọn biến tần theo công suất biểu kiến.

Phân biệt công suất định mức W và công suất biểu kiến tối đa VA

Công suất định mức tính bằng W là công suất tác dụng, công suất biểu kiến tối đa tính bằng VA gồm cả phần phản kháng.[7] Huawei SUN2000-5KTL-L1 in hai con số khác nhau: 5.000 W và 5.500 VA.[3] Công suất định mức được giải thích ở bài Công suất AC định mức.

Bảng giá trị trên datasheet và chứng nhận

Bảng chép giá trị hãng hoặc tổ chức chứng nhận công bố; cột cuối là tỷ số VA chia W.

Đọc chú thích theo quốc gia

Sungrow ghi chú thích riêng cho Đức: công suất ra tối đa của SG10RT là 10.000 VA, thay cho 11.000 VA ở bảng chính.[6] Chú thích này áp cho cả dải SG5.0RT đến SG12RT, ví dụ SG5.0RT có 5.500 VA ở bảng chính và 5.000 VA tại Đức.[6]

Đối chiếu kVA với dòng điện đầu ra

Dòng ra tối đa Huawei in cho 5KTL-L1 là 25 A, Sungrow in cho SG10RT là 16,7 A.[3][6] Với SG10RT, 11.000 / (3 × 220) ≈ 16,7 A, bằng dòng ra tối đa Sungrow in.[6] Dòng định mức của biến tần được trình bày ở bài Dòng điện đầu ra định mức.

Ba cặp thông số dễ nhầm

• kVA và kW: kVA là công suất biểu kiến, kW là công suất tác dụng; hai số bằng nhau chỉ khi cos φ = 1.[7][1]
• kVA đầu ra và kWp đầu vào: Huawei SUN2000-5KTL-L1 có 5.500 VA đầu ra nhưng công suất PV khuyến nghị tối đa 7.500 Wp đầu vào.[3]
• VA và W trên biến tần sạc: Victron MultiPlus-II 48/5000 ghi 5.000 VA và 4.000 W cho cùng một mức công suất ra liên tục.[22]