Công thức tính công suất hao phí điện năng đơn giản nhất

Công thức tính công suất hao phí cho chúng ta biết được lượng điện năng tiêu hao vô ích là bao nhiêu trên từng đường dây hay thiết bị để từ đó có kế hoạch giảm tối đa điện năng hao phí, giúp tiết kiệm điện cũng như chi phí cho người tiêu dùng.

1. Điện năng là gì, tầm quan trọng của điện năng?

Để hiểu rõ được công thức tính điện năng hao phí thì trước tiên chúng ta cần phải hiểu rõ khái niệm điện năng là gì? Tầm quan trọng của điện năng với các thiết bị điện.
• Điện năng được định nghĩa là năng lượng của dòng điện, cũng có thể coi là công năng do chính dòng điện sinh ra.
• Điện năng có vai trò cực kỳ quan trọng đối với các thiết bị điện, giúp vận hạnh các thiết bị như: các loại máy móc (máy cắt, máy bơm…), các loại bóng đèn….

2. Điện năng hao phí là gì? Nguyên nhân nào gây ra tình trạng điện năng bị hao phí?

Điện năng hao phí (hay còn gọi là tổn thất điện năng) là phần năng lượng điện mà mạng lưới phân phối hoặc thiết bị điện tiêu thụ nhưng không chuyển hóa thành công công suất hữu ích tại điểm tải, mà bị “mất” đi dưới dạng nhiệt, dao động cơ học, bức xạ điện từ, phóng corona… Nói cách khác, khi dòng điện truyền tải từ nhà máy phát đến người dùng, có một lượng điện năng bị tiêu tán trên đường dây, trong máy biến áp, động cơ, cáp ngầm… và không đến được thiết bị cuối.

Nguyên nhân chính gây ra tình trạng trên:

• Tổn thất điện trở (I²R)

  • Dây dẫn (đường dây truyền tải, cáp, cuộn dây máy biến áp, động cơ) đều có điện trở hữu hạn.

  • Dòng điện qua dây dẫn sinh ra nhiệt: Phao=I2×RP_{\rm hao} = I^2 \times RPhao​=I2×R.

  • Đây là tổn thất lớn nhất, chiếm khoảng 50–60% tổng tổn thất trong hệ thống truyền tải phân phối.

• Tổn thất sắt (máy biến áp, motor)

  • Dòng điện Fuco (Eddy current): do từ thông biến thiên gây sinh dòng xoáy trong lõi sắt, sin mạch nhiệt.

  • Tổn thất nghịch từ (Hysteresis): trong quá trình từ hóa sắt tổ hợp, năng lượng bị tiêu tán để tái sắp xếp miền từ, biểu kiến qua đường cong từ hóa.

• Tổn thất cơ, tiếng ồn

  • Ma sát giữa các bộ phận quay của máy (vòng bi, chổi than…)

  • Tiếng ồn, dao động cơ học cũng là một dạng năng lượng hao phí.

• Tổn thất điện môi (dielectric loss)

  • Trong cáp ngầm, thiết bị cách điện chịu điện trường cao, tổn thất do phân cực và mất mát trong vật liệu cách điện.

• Phóng corona

  • Hiện tượng phóng tĩnh điện quanh dây dẫn cao áp khi điện trường vượt ngưỡng, gây phát xạ ánh sáng, tiếng nổ lách tách và mất mát điện năng.

• Tổn thất rò (leakage)

  • Dòng rò qua chất cách điện ẩm ướt, bề mặt cách điện bẩn…

  • Đặc biệt quan trọng ở trạm biến áp và cáp ngầm.

• Tổn thất chuyển mạch (switching loss)

  • Trong linh kiện bán dẫn (IGBT, MOSFET) của bộ biến tần, UPS: khi chuyển từ trạng thái đóng sang mở (và ngược lại), điện áp điện cực và dòng điện cùng xuất hiện ở thời gian chuyển mạch, tạo thành tổn thất.

• Hiệu ứng da (skin effect)

  • Ở tần số cao, dòng điện phân bố chủ yếu ở lớp ngoài dây dẫn, làm tăng điện trở hiệu dụng, tăng hao phí.

• Tổn thất bức xạ điện từ

  • Đường dây cao áp phát bức xạ trường điện từ, nhất là khi có thành phần hài, sóng cộng hưởng…

3. Công thức tính điện năng hao phí

Công suất hao phí là phần năng lượng bị lãng phí chuyển thành nhiệt hoặc âm thanh, mà không được sử dụng để thực hiện công việc mong muốn.

Công thức chung tính công suất hao phí:

P_{hp = I² * R}

Trong đó:
P_hp: là công suất hao phí (W)
I: là cường độ dòng điện trong mạch (A)
R: là điện trở (Ω)

Công suất hao phí trên đường dây tải điện :

P_hp = I².R = (P².R)/U²

Trong đó:
P_hp: Công suất hao phí (W)
P: Công suất tại nơi truyền tải (W)
I: Cường độ dòng điện trong mạch (A)
R: Điện trở của đường dây (Ω)
U: Hiệu điện thế (V)

3. 3 ví dụ thực tế về cách tính công suất hao phí

Ví dụ 1:

Một chiếc quạt điện có công suất 30W, điện trở của quạt là 10Ω, sử dụng hiệu điện thế 220V. Vậy công suất hao phí của quạt là bao nhiêu?
Trả lời:
Đầu tiên chúng ta cần tính cường độ dòng điện chạy trong quạt bằng công thức:

P=U.I   => I = P/U = 30/220

Khi đó, công suất hao phí của quạt là: P_{hp =  I².R = (30/220)² * 10 = 0.19(W)}

Như vậy, công suất hao phí của chiếc quạt này là 0.19W

Tham khảo thêm: 1KW bằng bao nhiêu W?

Ví dụ 2:

• Một đường dây tải điện bằng đồng dài 100Km, truyền đi 1 dòng điện có công suất là 5MW với hiệu điện thế truyền tải là 10kV, cứ 1km thì có điện trở là 0,3 Ω. Vậy công suất hao phí trên đường dây tải điện là bao nhiêu?
Trả lời:
Đối 10KV = 10000V, 5MW = 5000000W
Tổng điện trở trên 100km dây dẫn là: 100 x 0,3 = 30 Ω
Công suất hao phí trên 100km đường dây tải điện đó là:
P_hp = (P².R)/U² = (5000000².30)/ 10000² = 7500000 (W)

Ví dụ 3

Với hệ thống đèn Led cao áp được kết nổi với đường dây tải điện bằng đồng dài 120Km. Cứ 1km dây dẫn có R = 0,4 Ω. Cường độ dòng điện trên dây dẫn là 200A. Vậy công suất hao phí trên đường dây tải điện trong trường hợp này là bao nhiêu?
Câu trả lời:
Điện trở của dây dẫn là: 130.0,4 = 52 Ω
Công suất hao phí trên đường dây tải điện là: P_hp = R.I² = 52 . 200² = 2080000W

4. 3 cách giảm hao phí trên đường dây tải điện

Tăng hiệu điện thế

• Dùng máy tăng thế để tăng hiệu điện thế, đặt hiệu điện thế vào 2 đầu của đường dây.
• Xây dựng hệ thông đường điện cao thế công suất từ 110KV – 500KV, trung thế từ 11KV – 35KV, hạ thế từ 220V – 380V
• Phương pháp tăng hiệu điện thế được ưu tiên hàng đầu để giảm hao phí điện năng vì cho hiệu quả tốt.

Giảm điện trở

• Giảm điện trở cũng là một trong số những phương pháp hạn chế tối đa sự hao phí điện năng trên đường tải dây điện. Để giảm điện trở, người ta thường lựa chọn những loại dây dẫn có khả năng dẫn điện tốt như các loại dây đồng được sản xuất bởi những thương hiệu uy tín.
• Lựa chọn các loại dây dẫn có tiết diện lớn cũng giúp giảm điện trở, tuy nhiên cách này sẽ tốn kém chi phí đầu tư dây.

Sử dụng máy biến thế để làm giảm công suất hao phí

• Nguyên lý hoạt động của máy biến thế là tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp và một trường biến thiên trong lõi sắt, từ trường biến thiên sẽ tạo ra trong mạch điện thứ cấp một hiệu điện thế thứ cấp
• Cấu tạo của một máy biết thể bao gồm: Nhiều cuộn dây sơ cấp nối với nhau, 1 từ trường biến thiên trong lõi sắt. Vì thế hiệu điện thế sơ cấp sẽ có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường. Sự thay đổi này được coi là để điều chỉnh quá số vòng quấn trên lõi sắt.

Trên đây là công thức tính công suất hao phí của thiết bị cũng như đường dây tải điện và cách giảm tối đa điện năng hao phí. Ngoài ra, quý khách cũng có thể tham khảo thêm cách tính tiền điện tiêu dùng tại website chieusangcaoap.com.