VA và W: công suất biểu kiến, công suất thực, cách đọc UPS

Một tủ điều khiển đang được gửi từ Nhật sang. Bản thông số ghi "3φ AC200V, 10kVA", UPS bên trong ghi "1kVA / 0,6kW", còn nhà máy của bạn dùng lưới 380 V, 50 Hz. Trước khi chọn cáp cấp nguồn, aptomat hay UPS thay thế, bạn cần biết từng con số này nghĩa là gì và dựa trên giả định nào.

Trả lời ngắn gọn: VA (volt-ampe) là đơn vị của công suất biểu kiến, tích của điện áp và dòng điện. W (watt) là đơn vị của công suất tác dụng (còn gọi là công suất thực), tức phần công suất mà tải thực sự tiêu thụ. Hệ số công suất nối hai đại lượng này. Tải 1.000 VA với hệ số công suất 0,8 tiêu thụ 800 W, nhưng tải 800 W không có nghĩa là nguồn 800 VA là đủ. Bạn phải kiểm tra cả hai giá trị.

Bài này giải thích các thuật ngữ tiếng Nhật hay gặp trong bản thông số, cách tính một pha và ba pha (kể cả cách đổi cùng một tải ra dòng điện ở 200 V, 380 V, 400 V và 480 V), hai giới hạn đầu ra của UPS, biển máy động cơ và bù hệ số công suất. Cuối bài có danh sách kiểm tra, câu hỏi gửi nhà cung cấp Nhật và mẫu email bạn có thể sửa lại để dùng.

Mục lục

1. Thuật ngữ tiếng Nhật về công suất thường gặp trong bản thông số
2. VA (công suất biểu kiến) là gì?
3. W (công suất tác dụng) là gì?
4. Ba pha: từ kVA sang kW và ampe
5. Cách đọc thông số UPS: hai giới hạn đầu ra
6. Cáp và aptomat: đổi sang ampe
7. Điện năng: nhân W với thời gian vận hành
8. Bù hệ số công suất: cùng kW, dòng điện nhỏ hơn
9. Bảng tra nhanh: nên kiểm tra giá trị nào
10. Danh sách kiểm tra: trước khi chọn UPS, aptomat hay nguồn cấp
11. Câu hỏi gửi nhà cung cấp Nhật
12. Giới hạn của bài viết này
13. Câu hỏi thường gặp
14. Nguồn tham khảo

Thuật ngữ tiếng Nhật về công suất thường gặp trong bản thông số

Datasheet và sơ đồ đơn tuyến của Nhật dùng một bộ thuật ngữ khá cố định về công suất. Chúng tương ứng trực tiếp với thuật ngữ tiếng Việt và tiếng Anh, nhưng bạn cần biết từ nào là gì thì mới đọc được các con số.

Tiếng Nhật	Cách đọc	Tiếng Việt (tiếng Anh)	Đơn vị
皮相電力	hiso denryoku	Công suất biểu kiến (apparent power, S)	VA, kVA
有効電力	yuko denryoku	Công suất tác dụng, công suất thực (active power, real power, P)	W, kW
無効電力	muko denryoku	Công suất phản kháng (reactive power, Q)	var, kvar
力率	rikiritsu	Hệ số công suất (power factor, PF)	Tỷ số (0–1)
効率	koritsu	Hiệu suất	% hoặc tỷ số
電力量	denryokuryo	Điện năng (energy)	kWh
線間電圧	senkan den'atsu	Điện áp dây	V
線電流	sen denryu	Dòng điện dây	A
単相 / 三相	tanso / sanso	Một pha / ba pha (hay viết 1φ / 3φ)	—
定格出力	teikaku shutsuryoku	Công suất định mức (với động cơ là công suất đầu trục)	kW
—（viết bằng katakana nên chỉ ghi romaji）	shinso kondensa	Tụ bù hệ số công suất (power factor correction capacitor)	kvar

VA (công suất biểu kiến) là gì?

VA là viết tắt của volt-ampe, đơn vị của công suất biểu kiến S. Trong mạch xoay chiều một pha, S bằng điện áp hiệu dụng nhân dòng điện hiệu dụng: 100 V ở 10 A là 1.000 VA.

Giá trị hiệu dụng (RMS) là giá trị dòng một chiều làm điện trở nóng lên bằng đúng lượng đó. Dòng xoay chiều đổi độ lớn và chiều trong mỗi chu kỳ, nhưng khi tính cáp hay thiết bị phải tải bao nhiêu dòng điện, giá trị hiệu dụng mới là giá trị cần dùng. Với sóng sin, điện áp đỉnh cao hơn điện áp hiệu dụng.

Con số 100 V hay 200 V đưa vào công thức công suất là giá trị hiệu dụng. Nếu nhân giá trị đỉnh, bạn sẽ ra một công suất biểu kiến khác, và là sai.

VA cho biết dòng điện chạy qua lớn đến đâu

Ở cùng một điện áp, công suất biểu kiến càng lớn thì dòng điện càng lớn. Nguồn, máy biến áp và cáp đều phải chịu dòng điện đó, nên chỉ nhìn công suất tác dụng thì chưa biết mức tải của chúng.

Ở 100 V một pha, tải 1.000 VA lấy 10 A còn tải 1.500 VA lấy 15 A. Hai tải có cùng công suất tác dụng nhưng khác hệ số công suất sẽ lấy dòng điện khác nhau, nên cần công suất nguồn và dây dẫn khác nhau.

Vì vậy máy biến áp được ghi định mức bằng kVA. Máy biến áp truyền được bao nhiêu công suất tác dụng còn phụ thuộc hệ số công suất của tải, nên đừng đọc "10 kVA" thành "10 kW" khi chưa biết hệ số công suất đó.

Cũng cần chú ý tiền tố: 1 kVA = 1.000 VA và 1 kW = 1.000 W. Nhầm kVA với VA là một lỗi; nhầm công suất biểu kiến với công suất tác dụng là một lỗi khác.

Nếu biết điện áp và dòng điện của mạch một pha, bạn tính được công suất biểu kiến. Nhưng không thể tính công suất tác dụng theo cách đó.

Muốn biết công suất tác dụng cần có hệ số công suất hoặc số đọc của đồng hồ đo công suất. Lấy số của ampe kế nhân với điện áp chưa chắc cho ra công suất tác dụng mà tải đã tiêu thụ.

Hình 1: Từ volt và ampe ra VA, rồi qua hệ số công suất ra W

Ví dụ: một pha, 100 V, 10 A, tải có hệ số công suất thực giả định là 0,8. Điện áp đo trên hai đầu tải; dòng điện là dòng điện dây.

Mũi tên dòng điện chỉ chiều tham chiếu của giá trị hiệu dụng; dòng xoay chiều không chạy theo một chiều cố định. Khi đo thật, dùng dụng cụ và cách đấu nối phù hợp với mạch và định mức.

VA định mức và VA đo được

Công suất định mức trong bản thông số là phạm vi mà thiết bị được thiết kế để đáp ứng. Khi tải nhẹ, dòng điện và công suất thực tế thấp hơn, nên con số định mức không phải lúc nào cũng là mức thiết bị đang lấy.

Ngược lại cũng đúng: một lần đo dòng điện thấp chưa đủ để chọn công suất nguồn. Hãy xác định chế độ vận hành lớn nhất, lúc khởi động, các tải chạy đồng thời và tải sẽ thêm trong tương lai, rồi đối chiếu từng mục với thông số.

Khi biển máy ghi nhiều mức điện áp hoặc tần số, hãy lấy điện áp và dòng điện cùng một hàng. Nhân điện áp của điều kiện nguồn này với dòng điện của điều kiện khác sẽ ra một công suất biểu kiến không khớp với định mức nào. Cũng cần kiểm tra con số đó bao gồm phần nào.

Thông số đầu vào của cả máy và thông số của một bộ phận bên trong là hai thứ khác nhau. Hãy dựa vào sơ đồ đơn tuyến và tên các mục trong bản thông số để biết con số VA chỉ là nguồn điều khiển, hay là toàn bộ đầu vào gồm cả động cơ và thiết bị phụ.

W (công suất tác dụng) là gì?

Watt là đơn vị công suất, và trong mạch xoay chiều nó được dùng cho công suất tác dụng P: phần công suất thực sự truyền từ nguồn sang tải và biến thành nhiệt, ánh sáng hay công cơ học. Một watt là một joule mỗi giây. Công suất là tốc độ sử dụng năng lượng; điện năng là tổng năng lượng theo thời gian.

Công suất tác dụng gồm cả tổn thất bên trong thiết bị chứ không chỉ phần đầu ra có ích. Không phải toàn bộ 800 W đi vào động cơ ra được ở đầu trục, và hiệu suất là con số cho biết công suất đó được chia thế nào.

Nhân giá trị tức thời của điện áp và dòng điện, rồi lấy trung bình

Định nghĩa cơ bản của công suất tác dụng xoay chiều là giá trị trung bình của tích điện áp tức thời và dòng điện tức thời. Công suất tức thời p biến đổi trong chu kỳ, và giá trị trung bình của nó là P. Khi cả điện áp và dòng điện là sóng sin lệch pha nhau một góc θ, giá trị trung bình đó bằng V I cos θ, trong đó V và I là giá trị hiệu dụng và cos θ là hệ số công suất.

Với tải thuần trở lý tưởng, điện áp và dòng điện biến thiên cùng lúc nên θ = 0 và cos θ = 1. Khi đó P = VI cũng đúng với xoay chiều, vì vậy quy tắc "P = VI chỉ dùng được cho một chiều" là sai.

P = VI cũng đúng với dòng một chiều ổn định, nhưng với xoay chiều bạn phải kiểm tra dạng sóng và hệ số công suất. Nếu quay về nguyên lý là trung bình của tích các giá trị tức thời, sẽ dễ thấy mỗi công thức dùng được trong điều kiện nào.

Công suất phản kháng không đồng nghĩa với tổn thất

Cuộn cảm và tụ điện tích năng lượng trong từ trường hoặc điện trường rồi trả lại cho nguồn. Với linh kiện lý tưởng, việc này lặp lại mỗi chu kỳ và năng lượng tiêu thụ ròng trong cả chu kỳ bằng không.

Với sóng sin, đại lượng mô tả sự trao đổi này là công suất phản kháng Q, đo bằng var. Tải cảm (dòng điện chậm pha) và tải dung (dòng điện sớm pha) được phân biệt bằng chiều hoặc dấu.

Công suất phản kháng không phải là công suất tác dụng bị lãng phí. Nó gắn với các chức năng hữu ích như tạo từ trường trong động cơ. Tuy nhiên dòng điện mang nó gây ra tổn thất điện trở thật trên dây dẫn, nên nó vẫn làm tăng gánh nặng cho hệ thống.

Với công suất tác dụng 800 W và công suất phản kháng 600 var, công suất biểu kiến là 1.000 VA chứ không phải 1.400. Ba giá trị tạo thành một tam giác vuông: P và Q là hai cạnh góc vuông, S là cạnh huyền. Có cách ví VA như một cái hộp chứa W và var xếp cạnh nhau, nhưng cộng chúng theo cách đó sẽ ra kết quả sai.

Hình 2: 800 W và 600 var vuông góc nhau cho ra 1.000 VA

Tam giác công suất của tải cảm với sóng sin, vẽ các cạnh theo tỷ lệ 800 : 600 : 1.000.

Cạnh ngang và cạnh đứng là hai thành phần công suất khác nhau. Tam giác minh họa S² = P² + Q²; không có nghĩa là cộng W với var để ra VA.

Hệ số công suất và hiệu suất

Hệ số công suất là công suất tác dụng chia cho công suất biểu kiến, P/S, thường ký hiệu λ. Với tải tiêu thụ điện, nó nằm trong khoảng 0 đến 1 và cho biết cần bao nhiêu dòng điện để truyền một công suất tác dụng nhất định.

Hiệu suất là một tỷ số khác: phần công suất tác dụng đầu vào biến thành công suất đầu ra có ích. Với động cơ, đó là so sánh điện năng vào với công cơ học ra, phần chênh lệch mất đi dưới dạng nhiệt, ma sát và các tổn thất khác.

Hệ số công suất 0,8 không có nghĩa là 20% đầu vào bị mất thành nhiệt. Hiệu suất 90% cũng không kéo theo hệ số công suất 0,9.

Khi hai tỷ số này nằm trong cùng một bảng, hãy kiểm tra tử số và mẫu số của từng tỷ số.

Muốn ước tính công suất nguồn từ công suất đầu trục của động cơ, hãy đi ngược hai bước: chia cho hiệu suất để có công suất tác dụng đầu vào, rồi chia cho hệ số công suất để có công suất biểu kiến. Tách hai bước giúp bạn không lẫn tổn thất với công suất phản kháng.

Sóng bị méo: dùng hệ số công suất thực

Thiết bị có mạch chỉnh lưu ở đầu vào có thể lấy dòng điện không phải sóng sin. Khi đó một góc pha không mô tả được toàn bộ dòng điện, và cos θ của sóng cơ bản có thể không bằng hệ số công suất chung.

Hệ số công suất thực (true power factor) là P/S, với S tính từ các giá trị hiệu dụng. Hệ số công suất dịch pha (displacement power factor) là cosin của góc giữa điện áp và dòng điện sóng cơ bản, nên chỉ phản ánh sóng cơ bản.

Dù các sóng cơ bản khớp pha tốt, dòng điện méo nhiều vẫn có giá trị hiệu dụng cao hơn. Dòng điện tăng mà công suất tác dụng không tăng tương ứng, nên đừng coi hai loại hệ số công suất là một. Đồng hồ đo công suất tính công suất tác dụng từ các mẫu điện áp và dòng điện lấy cùng lúc.

Khi đọc thông số đồng hồ, hãy kiểm tra "hệ số công suất" là giá trị tổng hay chỉ của sóng cơ bản, và đồng hồ dùng phương pháp tính nào. Với mạch ba pha có sóng méo, các đồng hồ còn có thể tính công suất biểu kiến và công suất phản kháng theo cách khác nhau. Trước khi so số đọc của hai đồng hồ, hãy thống nhất cách đấu nối và định nghĩa phép tính, đừng vội cho rằng một đồng hồ bị hỏng.

Ba pha: từ kVA sang kW và ampe

Với hệ ba pha cân bằng và sóng sin, bạn tính được tổng công suất từ điện áp dây và dòng điện dây. Công thức một pha VI có thêm hệ số √3, chứ không phải 3. Có ba dây không có nghĩa là 3VI.

Ở đây V là điện áp dây giữa hai dây dẫn, và I là dòng điện chạy trong một dây giữa nguồn và tải. Nếu trộn vào điện áp pha trên một pha của tải, hoặc dòng điện pha qua một cuộn dây, hệ số √3 sẽ bị đặt sai chỗ. Với kiểu nối sao (Y), điện áp pha bằng 1/√3 điện áp dây.

Với kiểu nối tam giác (Δ), dòng điện pha bằng 1/√3 dòng điện dây.

Cộng công suất tác dụng của từng pha thì mạch nào cũng đúng. Nhưng muốn rút gọn thành một công thức theo điện áp dây và dòng điện dây thì cần điều kiện cân bằng và sóng sin. Với mạch không cân bằng hoặc méo, hãy đo bằng đồng hồ công suất đấu đúng theo mạch, và kiểm tra cách nó tính giá trị từng pha và giá trị tổng.

Ví dụ tính: 200 V, 30 A, hệ số công suất 0,85

Lấy một mạch bơm trên nguồn ba pha 200 V cân bằng, dạng sin, dòng điện dây 30 A, hệ số công suất 0,85. 200 V là điện áp dây, 30 A là dòng điện dây, và kết quả là công suất ở phía nguồn, tại chỗ đã đo.

Làm tròn thì được khoảng 10,4 kVA, 8,8 kW và 5,5 kvar. Làm tròn quá mạnh ở các bước trung gian có thể làm đổi kết quả cuối, nên hãy làm tròn ở cùng bước và cùng số chữ số với tài liệu bạn đối chiếu.

Khi √3VI đã cho tổng ba pha thì đừng nhân thêm 3 nữa. Ghi định nghĩa các biến vào bảng tính sẽ giúp kiểm tra dễ hơn.

Hình 3: Trong công thức ba pha, dùng điện áp dây và dòng điện dây

Tải nối sao cân bằng. Vôn kế đo giữa hai dây; dòng điện đo trên một dây nguồn.

Tải là bộ trở kháng ba pha bằng nhau, cân bằng. Đây là sơ đồ khái niệm về các đại lượng được đo, không phải quy trình đấu nối.

Tính ngược từ kW sang kVA và ampe

Nếu một tải lấy 8 kW từ nguồn với hệ số công suất 0,8, nó cần 8 ÷ 0,8 = 10 kVA. kW và kVA chỉ có cùng giá trị khi hệ số công suất bằng 1, nên nguồn 8 kVA không cấp được tải này. Với nguồn ba pha 200 V, 10 kVA ứng với dòng điện dây khoảng 28,9 A. Cùng 8 kW nhưng khác điện áp hoặc hệ số công suất thì dòng điện khác, vì vậy đừng bao giờ dùng lại một giá trị dòng điện mà bỏ điều kiện đi kèm.

Với máy phát điện hoặc UPS, 10 kVA này là điểm xuất phát ở trạng thái xác lập. Khi chọn cuối cùng còn phải xét giới hạn kW, sụt áp lúc khởi động, đặc tính tải và điều kiện vận hành, tất cả đối chiếu với tài liệu ứng dụng của nhà sản xuất.

Cùng một tải, điện áp khác: 200 V, 380 V, 400 V và 480 V

Thiết bị nhà máy Nhật thường được chế tạo cho nguồn ba pha cấp 200 V hoặc cấp 400 V (200 V class, 400 V class), và Nhật dùng 50 Hz ở miền đông, 60 Hz ở miền tây. Lưới điện hạ áp ở Việt Nam thường là 380 V ba pha (220 V một pha) ở 50 Hz. Một số máy nhập theo hệ Mỹ hoặc châu Âu có thể ghi 400 V, 415 V hay 480 V. kVA của một tải không đổi theo điện áp, nhưng dòng điện dây thì đổi, và chính dòng điện đó quyết định cỡ cáp và aptomat.

Điện áp dây	Dòng điện dây ứng với 10 kVA (ba pha cân bằng)
200 V	28,9 A
380 V (lưới hạ áp thường gặp ở Việt Nam)	15,2 A
400 V	14,4 A
415 V	13,9 A
480 V	12,0 A

Tính lại dòng điện là phần dễ. Máy cấp 200 V có chạy trực tiếp được trên nguồn của bạn hay không, có cần biến áp hạ áp hay nên đặt bản cấp 400 V là câu hỏi dành cho nhà cung cấp. Máy cấp 400 V cũng có dải điện áp cho phép riêng, nên 380 V có nằm trong dải đó hay không cũng cần hỏi. Động cơ dùng được cả 50 Hz và 60 Hz thường ghi dòng điện định mức và tốc độ khác nhau cho từng tần số, vì vậy hãy đọc hàng ứng với nhà máy của bạn.

kW trên biển máy động cơ không phải là công suất đầu vào

kW định mức của động cơ thường là công suất cơ học đầu trục. Công suất tác dụng đầu vào còn gồm cả tổn thất, nên động cơ 7,5 kW không phải lúc nào cũng lấy 7,5 kW từ nguồn. Giả sử công suất đầu trục là 7,5 kW và ở điểm vận hành đó hiệu suất là 0,90, hệ số công suất là 0,80.

Công suất tác dụng đầu vào khi đó là khoảng 8,33 kW. Chia cho hệ số công suất được công suất biểu kiến đầu vào khoảng 10,42 kVA, tức dòng điện dây khoảng 30,1 A ở ba pha 200 V.

Với hiệu suất 0,90, khoảng 0,83 kW trong 8,33 kW đầu vào bị mất đi. Đừng coi phần chênh giữa 8,33 kW và 10,42 kVA là tổn thất nhiệt thêm. Chênh lệch đó đến từ hệ số công suất chứ không phải từ tổn thất.

Khi so sánh các loại động cơ, cùng công suất đầu ra cũng không có nghĩa là cùng công suất đầu vào. Hiệu suất, hệ số mang tải và cách truyền động đều làm thay đổi những gì nguồn phải cấp.

Hình 4: Hiệu suất đưa về công suất đầu vào; hệ số công suất đưa về kVA đầu vào

Giả định hiệu suất 0,90 và hệ số công suất 0,80. Mũi tên dày thể hiện dòng công suất tác dụng, không phải dòng VA.

Động cơ là hình vẽ đơn giản hóa, không thể hiện cấu tạo bên trong. Độ rộng mũi tên không theo tỷ lệ, và tổn thất được gộp thành một khối. Phép tính dùng giá trị 7,5 ÷ 0,9 chưa làm tròn.

Khi có biến tần, hãy xác định rõ chỗ đo

Khi biến tần (variable frequency drive, VFD; trong tài liệu Nhật thường gọi là "inverter") chạy động cơ, công suất tại đầu cực động cơ và công suất biến tần lấy từ nguồn là hai giá trị khác nhau. Khi chọn nguồn, hãy tính cả tổn thất của biến tần và hệ số công suất đầu vào của nó.

Không áp hệ số công suất của động cơ cho đầu vào biến tần được, vì dạng sóng và điều kiện phía nguồn khác nhau. Hãy dùng thông số đầu vào của biến tần hoặc một phép đo phù hợp.

Chạy quạt và bơm ở tốc độ thấp hơn làm thay đổi công suất tác dụng mà chúng cần. Đó là cơ chế khác với bù hệ số công suất. Đầu ra của biến tần không phải sóng sin của lưới điện, nên đồng hồ đo phải phù hợp với loại sóng này.

Hãy ghi rõ số đọc lấy ở phía đầu vào hay đầu ra, và so sánh các giá trị đo cùng thời điểm, cùng điều kiện tải.

Cách đọc thông số UPS: hai giới hạn đầu ra

Bộ lưu điện UPS có hai giới hạn đầu ra, một tính bằng VA và một tính bằng W, và tải phải nằm trong cả hai. Một số datasheet UPS của Nhật ghi cả hai trên một dòng, như "1kVA / 0.6kW" hay "1000VA / 600W". Xét một UPS giả định có định mức 1.000 VA và 600 W:

• Tải A, 900 VA và 540 W: nằm trong cả hai giới hạn.
• Tải B, 700 VA và 630 W: trong giới hạn VA nhưng vượt giới hạn W.
• Tải C, 1.100 VA và 550 W: trong giới hạn W nhưng vượt giới hạn VA.

Dưới một giới hạn thôi là chưa đủ nếu tải vượt giới hạn còn lại. Ngoài ra, 600 W ÷ 1.000 VA = 0,6 của UPS này không phải hệ số công suất của thiết bị bạn cắm vào. Một con số là tỷ số giữa hai giới hạn đầu ra của UPS; con số kia là P/S đo tại tải.

Hình 5: Hai giới hạn của UPS giả định 1.000 VA / 600 W

VA tăng về bên phải và W tăng lên trên. Vùng tô màu thỏa cả hai giới hạn đầu ra và P ≤ S.

Tỷ lệ vẽ: 1 VA = 0,5 px theo chiều ngang, 1 W = 0,4 px theo chiều đứng. Biểu đồ có xét P ≤ S với tải tiêu thụ. Đây không phải đường cong khả năng chịu tải của một model thực tế nào.

Tỷ lệ giữa hai giới hạn phụ thuộc từng model. APC (Schneider Electric) cho biết công suất W bằng khoảng 60% công suất VA từng là mức phổ biến của ngành, nhưng UPS đời mới có W gần với VA hơn; một số model hiện nay được ghi định mức ở hệ số công suất 0,9 hoặc 1,0.

Vì vậy bản thông số của Nhật chỉ ghi kVA thì chưa cho biết giới hạn kW. Hãy yêu cầu cả hai.

Khi nhiều thiết bị dùng chung một UPS, hãy làm theo quy trình chọn của nhà sản xuất và cộng riêng VA lớn nhất và W lớn nhất. Đồng thời kiểm tra việc chạy đồng thời, dòng xung kích lúc đóng điện và sự phù hợp với dạng sóng đầu ra của UPS. Chỉ cộng các định mức ghi trên nhãn rồi thấy tổng nhỏ là chưa đủ để quyết định.

Thời gian lưu điện là câu hỏi riêng, khác với dung lượng. Hãy kiểm tra cả kiểu UPS (topology), và đánh giá thời gian lưu điện bằng bảng hoặc điều kiện của nhà sản xuất ứng với số W của tải.

Cáp và aptomat: đổi sang ampe

Với cáp và aptomat, đừng so VA trực tiếp với dòng điện định mức. Hãy đổi sang dòng điện theo điện áp và số pha của mạch: 1.000 VA ở 100 V một pha là 10 A, còn ba pha dùng công thức √3 ở trên.

Cùng một số kW, hệ số công suất càng thấp thì dòng điện càng lớn, nên nếu so mức tải cáp chỉ bằng kW thì có thể chọn thiếu. Hãy thống nhất điện áp, hệ số công suất và hiệu suất, rồi xác định tải lớn nhất theo thiết kế.

Dòng điện chỉ là một đầu vào cho việc chọn cáp và aptomat; quyết định cuối cùng thuộc về kỹ sư điện hoặc đơn vị lắp đặt có chuyên môn. Cách lắp đặt, nhiệt độ môi trường, số cáp đi chung, sụt áp và bảo vệ ngắn mạch đều phải theo quy định điện hiện hành tại nơi bạn làm việc. Ở Việt Nam, bộ TCVN 7447 về hệ thống lắp đặt điện hạ áp tương ứng với bộ IEC 60364, nhưng mức tương đương của từng điều khoản cần được người thiết kế điện kiểm tra. Với tải có dòng khởi động như động cơ, hãy xét riêng dòng làm việc và điều kiện khởi động.

Aptomat có định mức cao hơn dòng làm việc chưa đủ để biết nó có nhảy khi khởi động hay bảo vệ được mạch khi sự cố hay không. Cần cả dung lượng dòng điện đủ lớn lẫn chức năng bảo vệ đúng: ở bước này hãy kiểm tra thêm aptomat khối đúc (MCCB, trên bản vẽ Nhật thường ghi NFB) và aptomat chống rò (ELB, nếu có) thực sự bảo vệ chống sự cố gì.

Điện năng: nhân W với thời gian vận hành

Với công suất tác dụng không đổi, điện năng bằng công suất tác dụng nhân thời gian, tính bằng kWh. Chỉ riêng số kW thì chưa cho biết tổng điện năng đã dùng.

Chạy trung bình 8,8 kW trong 6 giờ tiêu thụ 52,8 kWh. Cũng máy 8,8 kW đó, nếu chạy ngắn thì dùng ít điện năng hơn nhiều so với chạy cả ngày.

Lấy kW trên biển máy nhân với số giờ vận hành có thể khác điện năng thực, tùy điều kiện vận hành. Để so sánh mức tiết kiệm, hãy thống nhất giờ vận hành, tải và sản lượng, rồi kiểm tra điện năng tác dụng trong khoảng thời gian cần xét. Với gia nhiệt bằng điện, hãy tách nhiệt lượng sản phẩm cần khỏi điện năng lấy từ nguồn, vì phần sau có cả tổn thất.

Hóa đơn tiền điện thường có thêm khoản gắn với điều khoản hợp đồng hoặc công suất đỉnh, ngoài khoản theo điện năng, nên hãy ước tính riêng phần giảm kWh và phần ảnh hưởng của biểu giá.

Bù hệ số công suất: cùng kW, dòng điện nhỏ hơn

Với một tải dùng cùng công suất tác dụng ở cùng điện áp, nâng hệ số công suất sẽ làm giảm công suất biểu kiến cần thiết. Dòng điện cũng giảm, nhờ đó nguồn có thêm dự phòng và tổn thất điện trở trên dây ở phía trước điểm bù giảm đi.

Lấy tải ba pha 200 V cân bằng 10 kW. Ở hệ số công suất 0,8, nó cần 12,5 kVA và khoảng 36,1 A mỗi dây. Ở 0,95, nó cần khoảng 10,53 kVA và khoảng 30,4 A.

Bản thân 10 kW không đổi. Cái giảm là dòng điện cần để truyền công suất đó và công suất phản kháng ở đoạn được bù.

Với cùng điện trở dây, tổn thất điện trở tỷ lệ với bình phương dòng điện, nên tỷ số tổn thất ở đây khoảng 0,71. Điều đó không có nghĩa là tổng điện năng tiêu thụ của nhà máy giảm khoảng 29%.

Tụ bù hệ số công suất là cách phổ biến để bù công suất phản kháng chậm pha của tải cảm. Dung lượng và vị trí đặt phụ thuộc vào từng hệ thống. Nếu để tụ quá lớn vẫn đóng khi tải giảm, hệ số công suất có thể bị đẩy sang vùng sớm pha quá mức, nên hãy đọc cả chiều (sớm pha hay chậm pha) và trạng thái vận hành cùng với con số.

Ở hệ thống có sóng hài, tụ, cuộn kháng và lưới tác động qua lại với nhau. Thêm tụ không phải lúc nào cũng có lợi; hãy đánh giá cùng lúc sóng hài, hiện tượng cộng hưởng và các thiết bị sẵn có.

Một số biểu giá điều chỉnh tiền điện (giảm hoặc phạt) theo hệ số công suất, tùy loại hợp đồng và cách tính hệ số công suất. Ở Việt Nam, hãy xem điều khoản trong hợp đồng mua bán điện và quy định hiện hành của điện lực, và đừng nhầm một số đo đơn lẻ với hệ số công suất bình quân dùng để tính tiền.

Bảng tra nhanh: nên kiểm tra giá trị nào

Đơn vị cần dùng tùy bạn đang đánh giá điều gì: dung lượng, dòng điện hay điện năng. Hãy quyết định trước bạn đang xét phần nào của hệ thống, rồi đọc V, A, W, VA và hệ số công suất tại điểm đó.

Hình 6: Giá trị chính và các điều kiện cần kiểm tra cùng lúc

Đây không phải bảng chọn giữa VA và W: mỗi hàng cho biết giá trị chính và các điều kiện đi kèm.

Tình huống	Giá trị chính	Kiểm tra thêm
Dung lượng máy biến áp hoặc máy phát	kVA, điện áp và dòng điện định mức	Giới hạn kW của máy phát, hệ số công suất tải, khởi động, nhiệt độ và điều kiện vận hành
Dung lượng đầu ra của UPS	Cả hai giới hạn VA và W	Tải lớn nhất, sự phù hợp về dạng sóng và dòng xung kích, thời gian lưu điện cần có
Cáp và aptomat	A	Cách lắp đặt, nhiệt độ môi trường, sụt áp, bảo vệ ngắn mạch, khởi động
Công suất tiêu thụ và tiết kiệm điện	kW, kWh	Ranh giới đo, trung bình và đỉnh, giờ vận hành, điều kiện sản xuất
Tụ bù hệ số công suất	kvar, sớm pha hay chậm pha	Biến thiên tải, điểm bù, tụ sẵn có, sóng hài và cuộn kháng
Biển máy động cơ	Công suất đầu trục kW, V, A, hiệu suất, hệ số công suất	Đầu vào hay đầu ra, tần số, hệ số mang tải, cách truyền động

Hãy dùng bảng này làm điểm khởi đầu để đọc thông số. Không bỏ qua điều kiện chọn thiết bị, ví dụ như quyết định định mức thiết bị bảo vệ chỉ dựa vào dòng điện.

Khi thông số và số đo không khớp nhau

1. Đầu vào hay đầu ra? Kiểm tra từng con số là giá trị đầu vào hay đầu ra. Công suất đầu trục động cơ với đầu vào của tủ, hay giới hạn đầu ra của UPS với tải đang nối, là những thứ khác nhau.
2. Đơn vị và biến. Thống nhất một pha hay ba pha, điện áp dây hay điện áp pha, V hay kV, VA hay kVA. Chênh nhau 1.000 lần hoặc √3 lần thường là dấu hiệu của đơn vị hay biến bị nhầm, trước khi nghĩ đến thiết bị hỏng.
3. Cài đặt đồng hồ. Nhờ thợ điện có chuyên môn hoặc nhà sản xuất đồng hồ xác nhận cách đấu nối, cặp điện áp–dòng điện, tỷ số CT và VT, và chiều dòng điện. Cài sai tỷ số sẽ làm lệch số đọc dù đồng hồ vẫn hoạt động đúng.
4. Điều kiện vận hành. So sánh hệ số mang tải, khung giờ, có tính lúc khởi động hay không, giá trị trung bình hay lớn nhất. Đừng chỉnh hệ số công suất hay hiệu suất giả định chỉ để các số đọc không khớp nhau trở nên khớp.

Danh sách kiểm tra: trước khi chọn UPS, aptomat hay nguồn cấp

• Điện áp và tần số: điện áp và tần số định mức của từng tải (cấp 200 V hay cấp 400 V, 50 Hz hay 60 Hz), cùng điện áp và tần số tại nhà máy của bạn
• Số pha: một pha hay ba pha; với ba pha, xác nhận con số là điện áp dây và dòng điện dây
• Con số bao gồm phần nào: đầu vào của cả máy, chỉ nguồn điều khiển hay một bộ phận; đầu vào hay đầu ra
• kVA và kW: cả hai giá trị, hệ số công suất dùng để quy đổi giữa chúng, và đó là hệ số công suất thực hay dịch pha
• Đỉnh tải: nhu cầu lớn nhất, dòng khởi động hoặc dòng xung kích, và các tải chạy đồng thời
• UPS: giới hạn đầu ra theo cả VA và W, dạng sóng đầu ra, và thời gian lưu điện ở tải W thực tế của bạn
• Biến tần: dòng điện và hệ số công suất phía đầu vào của biến tần, không phải giá trị của động cơ
• Động cơ: công suất đầu trục, hiệu suất, hệ số công suất và dòng điện định mức ở điện áp và tần số của bạn
• Làm tròn: bảng tính có ghi định nghĩa các biến và chỗ đã làm tròn

Câu hỏi gửi nhà cung cấp Nhật

• Con số "電源容量" (dengen yoryo, dung lượng nguồn) tính bằng kVA hay kW, và có bao gồm cả máy với động cơ, bộ gia nhiệt và thiết bị phụ không?
• Các anh/chị giả định hệ số công suất bao nhiêu để quy đổi giữa kVA và kW?
• Dòng điện lớn nhất trên mỗi dây ở điện áp của chúng tôi là bao nhiêu, kể cả lúc khởi động hoặc dòng xung kích?
• Thiết bị thuộc cấp 200 V hay cấp 400 V? Có bản dành cho điện áp và tần số của chúng tôi (380 V, 50 Hz) không, hay cần dùng biến áp?
• Giới hạn đầu ra của UPS tính theo VA và W là bao nhiêu, và thời gian lưu điện ở tải W của chúng tôi là bao lâu?
• Với từng động cơ, công suất đầu trục, hiệu suất, hệ số công suất và dòng điện định mức ở tần số của chúng tôi là bao nhiêu?
• Bên trong có sẵn tụ bù hệ số công suất hoặc bộ lọc sóng hài nào không?

Mẫu email hỏi nhà cung cấp (viết bằng tiếng Anh để gửi sang Nhật)

Các câu hỏi ngắn, đánh số sẽ giúp bên Nhật trả lời từng mục và dễ đưa qua công cụ dịch. Hãy sửa mẫu này cho phù hợp:

Subject: Power supply data for [equipment name / order no.]

Dear [Name],

We are preparing the power supply for [equipment name]. Our site supply
is 380 V, 3-phase, 50 Hz. Could you please confirm:

1. Rated input voltage and frequency of the equipment
2. Total input capacity in both kVA and kW, and the power factor used
3. Maximum line current at our supply voltage, including starting/inrush
4. UPS model, output rating in both VA and W, and runtime at our load
5. Shaft output (kW), efficiency, power factor, and rated current of each motor
6. Whether a transformer is required, or a version for our voltage is available

A table or the relevant pages of the specification would be fine.

Best regards,
[Your name]

Giới hạn của bài viết này

• Các công thức dùng cos θ và sin θ giả định sóng sin, còn các công thức ba pha có √3 giả định hệ cân bằng. Mạch méo hoặc không cân bằng cần phương pháp đo phù hợp.
• Mọi ví dụ số, kể cả UPS 1.000 VA / 600 W và động cơ 7,5 kW, đều là giả định, chỉ để minh họa. Với thiết bị thực, hãy dùng số liệu trong datasheet.
• Việc chọn cáp, aptomat và máy biến áp phụ thuộc quy định điện và điều kiện tại nhà máy, bài này không đề cập. Tham chiếu TCVN 7447 (IEC 60364) ở trên chỉ mang tính định hướng.
• Thiết bị cấp 200 V có dùng được trên nguồn của bạn hay không, và việc khởi động ảnh hưởng thế nào đến máy phát hay UPS, tùy từng thiết bị cụ thể. Hãy xác nhận với nhà cung cấp và nhà sản xuất.
• Quy định về hệ số công suất trong biểu giá điện khác nhau giữa các nước và các công ty điện lực.
• Bài này giải thích cách đọc thông số, không phải quy trình đấu nối, đo đạc hay lắp đặt. Mọi công việc trên hệ thống điện phải do người có chuyên môn thực hiện, theo Luật An toàn, vệ sinh lao động 2015 và quy định an toàn điện của công ty.

Câu hỏi thường gặp

1.000 VA bằng bao nhiêu W?

Tùy hệ số công suất của tải: W = VA × hệ số công suất. Ở 0,8, 1.000 VA là 800 W; ở 1, nó là 1.000 W. Chỉ con số VA thì không xác định được một giá trị W duy nhất.

Đổi kVA sang kW ở ba pha thế nào?

Cũng giống một pha: kW = kVA × hệ số công suất. Hệ số √3 chỉ xuất hiện khi đổi từ kVA sang ampe: I = kVA × 1.000 ÷ (√3 × điện áp dây). Ví dụ, 10 kVA ở 380 V là khoảng 15,2 A.

Không biết hệ số công suất thì có thể giả định bằng 1 không?

Không nên mặc định như vậy. Sai số lệch về phía nào còn tùy bạn đang tính gì.

Khi tính VA cần có từ một số W, giả định bằng 1 sẽ cho kết quả quá nhỏ nếu hệ số công suất thật thấp hơn 1. Hãy xem thông số hoặc hỏi nhà sản xuất.

Với bộ gia nhiệt, W có luôn bằng VA không?

Với điện trở lý tưởng trên nguồn sóng sin thì có: không có lệch pha nên hệ số công suất bằng 1. Thiết bị thật có thể có bộ điều khiển công suất hoặc thiết bị phụ, nên hãy xác nhận trước khi cho rằng đầu vào của cả máy cũng như vậy.

Hệ số công suất tăng thì hiệu suất động cơ có tăng theo cùng mức không?

Không nhất thiết. Hệ số công suất và hiệu suất là hai tỷ số khác nhau nên không thay đổi tỷ lệ với nhau. Hãy đánh giá riêng sự thay đổi dòng điện và tổn thất dây do bù hệ số công suất, và hiệu suất biến đầu vào thành công suất đầu trục của động cơ.

Dòng điện các pha khác nhau thì có dùng dòng trung bình để tính được không?

Đưa dòng điện trung bình vào công thức √3VI (giả định cân bằng) có thể không cho đúng tổng công suất tác dụng. Hãy dùng phương pháp đo phù hợp với mạch không cân bằng, và kiểm tra cách tính giá trị từng pha và giá trị tổng.

Nguồn tham khảo

• Giá trị hiệu dụng, công suất tác dụng và hệ số công suất thực: Tektronix, "Fundamentals of AC Power Measurements"
• Công suất xoay chiều và nguyên lý đồng hồ đo công suất: Yokogawa Test & Measurement, kiến thức cơ bản về công suất xoay chiều và đo công suất (tiếng Nhật)
• Công suất và điện năng ba pha: Mitsubishi Electric, bài học e-learning về mạch xoay chiều ba pha (tiếng Nhật)
• Phương pháp tính công suất cho mạch ba pha bị méo: HIOKI, công thức tính công suất của PW4001 (tiếng Nhật)
• Hệ số công suất thực và hệ số công suất dịch pha: Power Monitors, "PF vs DPF: What's the Difference?"
• Giới hạn VA và W của UPS trong thông số Nhật: OMRON, các mục thông số UPS (tiếng Nhật)
• Điều kiện chọn UPS: Schneider Electric FAQ (tiếng Nhật)
• Định mức W và VA của UPS, mức 60% phổ biến trước đây, các model mới 0,9/1,0: Schneider Electric blog, "VA vs Watts: What's the Difference Anyway?"; APC FAQ FA157485
• Đầu vào, đầu ra và hiệu suất của động cơ: Nidec, kiến thức cơ bản về động cơ (tiếng Nhật)
• Dung lượng nguồn cấp cho biến tần (VFD): Mitsubishi Electric FA FAQ (tiếng Nhật)
• Sử dụng tụ bù hệ số công suất: Hiệp hội Các nhà sản xuất Điện máy Nhật Bản (JEMA) (tiếng Nhật)
• Lưới điện 50 Hz miền đông / 60 Hz miền tây của Nhật: Wikipedia, "Electricity sector in Japan"
• Định mức động cơ cấp 200 V và cấp 400 V theo tần số: Mitsubishi Electric, động cơ cảm ứng IE3
• Điện áp danh định 230/400 V: Wikipedia, "IEC 60038"
• Điện áp hệ thống danh định ở Mỹ (208Y/120 V, 480Y/277 V): EC&M, "Voltage Variations"