Giải pháp nâng cao chất lượng điện áp đối với các thiết bị động cơ công suất lớn trong hệ thống điện

ử dụng càng 
hiện đại thì hậu quả của chất lượng điện 
năng xấu (sụt áp, tần số không ổn định, 
xuất hiện hài bậc cao, gián đoạn cung cấp 
điện,) càng trở nên nghiêm trọng [1]. 
Chất lượng điện năng kém có thể làm 
giảm hiệu suất của các thiết bị điện, gây 
thêm tổn thất công suất tác dụng và điện 
năng, gây ra các hiện tượng phát nóng, 
làm giảm tuổi thọ thiết bị, gây ra các vấn 
đề về sức khỏe người lao động, 
Một trong những phụ tải phổ biến nhất 
trong các hệ thống phân phối điện chính 
là các động cơ không đồng bộ (chiếm tới 
45-50% công suất của các loại phụ tải). 
Các động cơ này có ưu điểm là cấu trúc 
đơn giản, dễ điều chỉnh tốc độ và công 
suất nên được sử dụng rộng rãi. Tuy 
nhiên, do đặc tính hoạt động của thiết bị, 
các động cơ này gây ra nhiều vấn đề về 
chất lượng điện năng, tổn thất công suất 
tác dụng, đặc biệt là trong quá trình khởi 
động. Khi khởi động, rotor bị ngắn mạch, 
do đó dòng điện tăng rất cao và kéo theo 
đó là dao động điện áp. Khi rotor tăng tốc, 
dòng điện này sẽ giảm dần. Trong quá 
trình khởi động, điều chỉnh tốc độ, động 
cơ không đồng bộ tiêu thụ rất nhiều năng 
lượng. 
Không chỉ gây ra các vấn đề về chất 
lượng điện năng, bản thân các động cơ 
này cũng rất nhạy cảm với chính những 
thay đổi này, cụ thể như sau [3], [4]: 
 Ảnh hưởng của việc sụt điện áp: điện 
áp của lưới điện xuống thấp sẽ khiến cho 
hiệu suất của động cơ giảm đáng kể. Nếu 
điện áp giảm 5% so với điện áp định mức 
thì hiệu suất động cơ giảm khoảng 1%, 
nếu điện áp tại động cơ giảm 10%, hiệu 
suất giảm 2%. Lượng công suất này 
sẽ biến thành nhiệt làm cho động cơ 
nóng lên. 
 Ảnh hưởng của hệ số công suất: hệ số 
công suất cosφ là tỷ số giữa công suất tác 
dụng P và công suất toàn phần S. Với các 
động cơ không đồng bộ thường cosφ thấp 
(dưới 0,85) do lượng công suất phản 
kháng lớn. Lượng công suất phản kháng 
này sẽ gây ra tổn thất rất lớn dưới dạng 
nhiệt trên các đường dây cáp và các máy 
biến áp (tổng tổn thất tại các nhà máy có 
thể lên tới 8-10%, tổn thất trong máy biến 
áp trung áp là khoảng 2,5%, máy biến áp 
110 kV khoảng 1,5%, phần tổn thất trên 
các đường dây cáp có thể từ 4 đến 6%). 
Hệ số cosφ thấp cũng làm cho điện áp tại 
các động cơ giảm kéo theo giảm tổn thất 
trong các động cơ tăng lên. 
 Ảnh hưởng của độ không đối xứng của 
điện áp ba pha tới hiệu suất của động cơ 
[5]: thông thường, các động cơ công suất 
lớn thường là động cơ 3 pha. Nếu điện áp 
tại 3 pha có độ chênh lệch sẽ khiến động 
cơ bị rung, lắc và tăng tổn thất. Thông 
thường khi điện áp 3 pha lệch khoảng 2% 
thì tổn thất trong động cơ sẽ tăng 8%, lệch 
3,5% tổn thất tăng 25% và 5% thì tổn 
thất tăng 50%. Vì vậy, cần phải giữ cho 
điện áp ba pha xấp xỉ bằng nhau, độ lệch 
dưới 2%. 
 Ảnh hưởng của sóng hài tới động cơ 
[6]: sóng hài là hiện tượng méo dạng điện 
áp do các thiết bị điện tử, hồ quang gây 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
50 Số 22 
ra. Nếu sóng hài nhỏ dưới 5% thì tổn thất 
của động cơ tăng khoảng 4,26%. Tuy 
nhiên, đối với những sóng hài lớn (vài 
chục %) thì tổn thất có thể tăng thêm từ 
30-35%. 
2. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN 
LƯỢNG CÔNG SUẤT BÙ TỐI ƯU CỦA 
CÁC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 
Có thể thấy ảnh hưởng chính của chất 
lượng điện năng tới hiệu suất của các 
động cơ không đồng bộ là vấn đề chất 
lượng điện áp, bao gồm: điện áp sụt thấp, 
hệ số công suất thấp, vấn đề không đối 
xứng điện áp và sóng hài. Việc nâng cao 
hiệu suất của các động cơ có thể thực hiện 
bằng cách đặt thêm các thiết bị điều chỉnh 
điện áp, bù công suất phản kháng và lọc 
sóng hài. Các thiết bị bù trơn công suất 
phản kháng, tốc độ cao sẽ làm tăng đáng 
kể hiệu suất của nhà máy cũng như giảm 
tổn thất, nâng cao tuổi thọ của thiết bị [4]. 
Một trong những vấn đề quan trọng nhất 
của bài toán bù là việc lựa chọn công suất 
bù tối ưu và thiết bị bù với giá thành rẻ, 
có thể hoạt động trong thời gian lâu dài. 
Trước đây, bài toán lựa chọn công suất bù 
cho thiết bị điện thường bỏ qua hiệu 
quả của việc bù tới hiệu suất của chính 
các động cơ không đồng bộ. Do đó việc 
tính toán công suất sẽ không thực sự 
chính xác. 
Mục tiêu của bài viết này là tìm cách xác 
định lượng bù công suất phản kháng tốt 
nhất đối với các động cơ không đồng bộ. 
Trong lưới điện hiện đại, thiết bị thông 
dụng nhất để bù công suất phản kháng 
trong lưới điện là tụ bù tĩnh do các ưu 
điểm vượt trội của nó như giá thành rẻ, 
tổn thất nhỏ, dễ lắp đặt Ngoài ra, với sự 
tiến bộ của ngành điện tử công suất, các 
nhược điểm lớn của tụ bù tĩnh trong quá 
khứ như khó bù trơn công suất phản 
kháng, dễ bị quá tải khi gặp phụ tải không 
tuyến tính (do bị cộng hưởng) hoặc dễ 
gây mất ổn định cho hệ thống khi đóng 
cắt cũng dần dần bị loại bỏ khi thay các 
khởi động từ cơ bằng các thiết bị chuyển 
mạch dùng thyristor điều khiển [2]. 
Để thuận tiện cho việc trình bày, ta sẽ xét 
một sơ đồ nguyên lý của một hệ thống 
phân phối điển hình của lưới điện cho 
trong hình 1. 
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của lưới điện phân phối 
Do tổn thất công suất tác dụng trong hệ 
thống điện chỉ phụ thuộc vào dòng công 
suất và điện trở Rtđ nên trong phạm vi bài 
viết này chỉ đề cập tới sơ đồ thay thế với 
điện trở tác dụng R của hệ thống này được 
cho trong hình 2. 
110 kV 40000/110 
Т1 
(3х120) 
22 kV 
5 km 
1000/22 
0,4 kV 
Т2 Stt 
Qbù 
1 
INM 
2 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 51 
Hình 2. Sơ đồ thay thế của lưới điện 
Với thiết bị bù được đặt ở cuối đường dây 
nên ta sẽ tính toán các thông số của hệ 
thống quy về phía 0,4 kV. 
Với hệ thống điện: 
2
2
)3( 110
4,0
3
 
NM
ht
ht
I
U
X ; 
htht XR .1,0 (1) 
trong đó: htU - điện áp hệ thống, trong 
trường hợp này 110htU kV; 
)3(
NMI - dòng điện ngắn mạch 3 pha trên 
thanh cái 110 kV, kA. 
Máy biến áp T1: 
2
1
2
2
1
2
11
1
4,0
1000
dmHTdm
dmHTN
T
US
UP
R 
 , (Ω) (2) 
trong đó: 
NP - tổn hao công suất ngắn mạch của 
máy biến áp T1, kW; 
dmS - công suất định mức của máy biến áp 
T1, MVA; 
1dmHTU - điện áp định mức phía hạ áp của 
máy biến áp T1, kV. 
Đường dây cáp: 
2
2
0
22
4,0
 LrRC (3) 
với: 
0r - điện trở tác dụng của cáp trên một đơn 
vị dài, Ω/km; 
L - chiều dài của cáp, km. 
Máy biến áp T2: 
2
2
2
1
1000
dm
dmHTN
T
S
UP
R 
 (4) 
trong đó: 
2NP - tổn hao công suất ngắn mạch của 
máy biến áp T2, kW; 
2dmS - công suất định mức của máy biến 
áp T2, MVA; 
2dmHTU - điện áp định mức phía hạ áp của 
máy biến áp T2, kV. 
Tổng trở tương đương của toàn bộ hệ 
thống quy về phía 0,4 kV sẽ là: 
21 TCThttđ RRRRR (5) 
ХТ2 RТ2 RC 
XB 
2 1 
ХC 
RT1 
XT1 
Xht 
Rht 
Ptt + jQtt 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
52 Số 22 
Lúc này, tổn thất do động cơ không đồng 
bộ gây ra trên lưới điện khi có thiết bị bù: 
 
2
2
3
1 2
10
. .
tt tt B
tđ
đm
B B tt b
P Q Q
P R
U
p Q P Q Q
  
  
 (6) 
trong đó: 
Bp - tổn thất công suất tác dụng của thiết 
bị bù, kW/kVAr; 
BQ - công suất của thiết bị bù, kVAr; 
 bQQ  - hiệu suất của động cơ theo 
công suất phản kháng. 
Ta có thể thấy tổn thất chia làm 3 phần: 
một phần là do dòng công suất còn lại 
chạy vào hệ thống và gây ra tổn thất trên 
các điện trở hệ thống, phần thứ hai là 
phần tổn thất trong các thiết bị bù, phần 
thứ ba là tổn thất trong động cơ không 
đồng bộ. 
Để tính toán công suất bù tối ưu trong hệ 
thống điện với tiêu chí tổn thất công suất 
tác dụng trên toàn hệ thống 1P nhỏ nhất, 
ta sẽ có: 
 
31
2
2 10
. ' 0
tt B
tđ
B đm
B tt b
Q QP
R
Q U
p P Q Q
  
 

  
 (7) 
Có thể thấy, bài toán tính lượng công suất 
bù tối ưu với những động cơ không đồng 
bộ là bài toán rất phức tạp. Lượng công 
suất này không chỉ phụ thuộc vào công 
suất của phụ tải mà còn phụ thuộc vào cấu 
trúc lưới Rtđ, điện áp định mức của phụ 
tải, giá trị suất tổn hao công suất của thiết 
bị bù Bp và đặc tính của động cơ không 
đồng bộ theo điện áp (công suất phản 
kháng). 
Thông thường mối quan hệ giữa điện áp 
tại phụ tải và điện áp của lưới điện thường 
được tính toán theo độ sụt áp bằng công 
thức sau: 
. ( )
pt ht
tt td tt bu td
ht
ht
U U U
P R Q Q X
U
U
 (8) 
Trong đó 21 TCThttd XXXXX . 
Trong quá trình vận hành của lưới điện, 
giá trị Uht, Rtd và Xtd thường ít thay đổi, 
như vậy có thể thấy giá trị điện áp sẽ phụ 
thuộc chủ yếu vào biến thiên của phụ tải 
và lượng công suất bù. 
Theo Nema MG 1-12-45, khi động cơ 
không đồng bộ chạy với phụ tải định mức, 
hiệu suất động cơ theo sự thay đổi điện áp 
là một hình dạng parabol và đạt cao nhất 
tại vị trí 1,02 Uđm như theo đường cong 
dưới đây. 
Hình 3. Quan hệ giữa điện áp 
và hiệu suất động cơ theo Nema 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 53 
Đường cong quan hệ giữa sự biến thiên 
điện áp và biến thiên hiệu suất động cơ có 
thể biểu diễn theo công thức sau: 
  2
2
.
. ( )
.
b
tt td tt bu td
ht
Q Q K U C
P R Q Q X
K C
U
 
 (9) 
Với K và C là những hằng số được xác 
định dựa trên đường cong thực nghiệm 
theo hình 3. Các hệ số này hoàn toàn xác 
định đối với mỗi loại động cơ khác nhau. 
Giá trị đạo hàm của bQQ  theo BQ 
xác định như sau: 
 
 
2
'
( )
2 .
b
b
bu
tt bu td
ht
Q Q
Q Q
Q
Q Q X
K
U
 
  

 (10) 
Từ công thức (10) và (8) có thể xác định 
giá trị công suất phản kháng tối ưu còn lại 
chạy vào trong hệ thống điện (Qtt Qbu) 
theo các thông số của hệ thống điện và 
công suất tác dụng Ptt của phụ tải. 
).(2
)(
21 KPK
p
QQ
tt
bu
butt
 (11) 
Với 
21
.
ht
td
U
X
KK và 
2
3
2
10
.
dm
td
U
RK
Trên thực tế, hệ thống phụ tải thường 
xuyên có sự thay đổi công suất tác dụng 
do đó giá trị Qbu tối ưu cũng sẽ thường 
xuyên thay đổi theo phụ tải. Tuy nhiên, 
nếu sử dụng các thiết bị bù trơn công suất 
phản kháng tốc độ cao như SVC, 
STATCOM hoặc thiết bị bù lai [2] sẽ giúp 
cho các hộ phụ tải điện giảm một lượng 
tổn thất đáng kể, đồng thời giảm phát 
nóng trong các thiết bị điện, qua đó nâng 
cao tuổi thọ thiết bị. 
 a) b) 
Hình 4. Hiệu quả của thiết bị bù lai tại tòa nhà viễn thông 2 - M1 Viettel trước (a) và sau lắp đặt (b) 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
54 Số 22 
 a) b) 
Hình 5. Hiệu quả của thiết bị bù lai tại xưởng cơ khí - M1 Viettel trước (a) và sau lắp đặt (b) 
 a) b) 
Hình 6. Hiệu quả của thiết bị bù lai tại nhà thí nghiệm, kiểm định - M1 Viettel trước (a) 
và sau lắp đặt (b) 
Sau nhiều lần cải tiến, hệ thống thiết bị bù 
lai sử dụng phương pháp tính toán như 
theo công thức (11) đã được sản xuất và 
ứng dụng tại một số phụ tải điện như: Nhà 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 55 
máy sản xuất kính an toàn Hải Long, Nhà 
máy sản xuất inox Hoàng Vũ, Nhà máy 
dệt Kim Hoa, Nhà máy sản xuất gang cầu 
Thiên Phát, Tập đoàn Viettel,... Hình 4, 5 
và 6 là kết quả đo đạc hiệu quả của thiết 
bị bù lai được sử dụng tại một số cơ sở 
sản xuất tại Trung tâm Thông tin M1 của 
Tập đoàn Viettel. Kết quả đo đạc tại giá 
trị công suất tác dụng Pmax tại ngay thời 
điểm sử dụng và không sử dụng thiết bị 
bù lai cho thấy: giá trị điện áp được nâng 
lên đáng kể, khoảng 4÷8 V (tương đương 
1,8÷3,6%). Giá trị dòng điện cũng giảm 
từ 13 tới 20%, hệ số công suất được cải 
thiện từ 0,91 lên xấp xỉ 0,99÷1,00. Độ dao 
động công suất tác dụng và sự tiêu thụ 
công suất tác dụng giảm. Các kết quả đo 
đạc và thực tế sử dụng cũng cho thấy hiệu 
quả tiết kiệm điện được trên 6%. 
3. KẾT LUẬN 
Bài báo đã phân tích tác động qua lại giữa 
chất lượng điện năng và hiệu suất làm 
việc của các động cơ điện không đồng bộ 
công suất lớn trong hệ thống điện. Từ đó, 
nhóm tác giả đề xuất một giải pháp tính 
toán lượng công suất bù nhanh cho các 
động cơ điện không đồng bộ nhằm đảm 
bảo tổn thất công suất tác dụng trong toàn 
hệ thống là nhỏ nhất. Sau khi xây dựng 
thuật toán điều khiển dung lượng bù 
nhanh và tối ưu, nhóm tác giả đã tiến 
hành sản xuất và lắp đặt thiết bị bù lai tại 
một số địa điểm. Thông qua các kết quả 
đo đạc, biên bản nghiệm thu của các đơn 
vị sử dụng thiết bị bù lai cho thấy ngoài 
việc nâng cao hệ số công suất cosφ nhanh 
gần như tức thời theo sự biến thiên của 
phụ tải, thiết bị bù lai hoàn toàn có khả 
năng nâng cao được điện áp. Chính vì 
điều này, hiệu suất làm việc của phụ tải 
được nâng lên, đặc biệt là với các động cơ 
điện công suất lớn. Và một lần nữa cho 
thấy phương pháp tính toán bù tối ưu 
công suất phản kháng như trong bài báo 
đã trình bày đã đem lại con số chính xác 
hơn trong việc tính toán công suất thiết bị 
bù tối ưu tức thời cho những thiết bị bù 
trơn và tốc độ cao. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Trần Đình Long, Sổ tay tra cứu chất lượng điện năng, Hội điện lực Việt Nam, 2014. 
[2] Bùi Anh Tuấn, Đinh Ngọc Quang, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Công Thương: “Nghiên cứu, chế 
tạo thiết bị bù công suất phản kháng trong lưới điện hạ áp dựa trên nguyên lý lai”, 2014. 
[3] Miloje Kostic, Induction Motors - Modelling And Controll, Intech 2012. 
[4] Austin Bonnet, The Impact That Voltage Variations Have on AC Induction Motor Performance, Pulp 
and Paper- IEEE, 1999. 
[5] Bonnett, A.H. An overview of how AC induction motors’ performance has been affected by 
the October 24, 1997 Implementation of the Energy Policy Act of 1992. IEEE Transaction on 
Industry Applications, Vol.36, No1, 2000, pp. 242-256. 
[6] Kravčik. A.E. Induction Machines. Handbook (Moscow, 1982), p. 504, (in Russian). 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
56 Số 22 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Nguyễn Tiến Dũng tốt nghiệp đại học tại Trường Đại học Bách khoa Hà 
Nội năm 2005; nhận bằng Thạc sĩ ngành điều khiển và tự động hóa tại Học viện 
Kỹ thuật quân sự năm 2012. 
Lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển hệ thống bù để nâng cao chất lượng điện năng, 
tự động hóa trong các nhà máy, khu công nghiệp. 
Tác giả Đinh Ngọc Quang tốt nghiệp đại học chuyên ngành hệ thống điện tại 
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2001; nhận bằng Tiến sĩ chuyên ngành kỹ 
thuật điện tại Đại học Bách khoa Quốc gia Odessa, Ukraina năm 2010. 
Lĩnh vực nghiên cứu: lọc sóng hài, bù công suất phản kháng, điện tử công suất và 
chất lượng điện năng. 
Tác giả Bùi Anh Tuấn tốt nghiệp đại học tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội 
chuyên ngành hệ thống điện năm 2001; nhận bằng Tiến sĩ chuyên ngành kỹ thuật 
điện tại Đại học Claude Bernard - Lyon 1, Cộng hòa Pháp năm 2011. 
Lĩnh vực nghiên cứu: vật liệu điện từ, bù công suất phản kháng, chất lượng điện 
năng và năng lượng mới. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 22 57