CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ CÁC HỆ THỐNG BÙ 1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ SỐ COSφ 1. Khái niệm Mức độ tiêu thụ công suất phản kháng được đánh giá bởi hệ số công suất, mà được xác định bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S). Hscs= P/S, còn hệ số cos được hiểu là tỷ số giữa công suất tác dụng và công suất toàn phần của thành phần tần số cơ bản:.
Hệ số công suất cosφ không có đơn vị và có giá trị nằm trong khoảng 0 đến 1. Trong đó : P: Công suất tác dụng (W) S: Công suất biểu kiến (VA) φ : Góc pha giữa điện áp và dòng điện Như vậy hệ số cos chỉ ứng với mạch điện xoay chiều tần số cơ bản , nó khác với hệ số công suất, được xét trong mạng điện có sự hiện diện của các thành phần sóng hài. Biểu hiện của sự hiện diện của sóng hài là hệ số công suất đo đếm có giá trị nhỏ hơn hệ số cos. Tuy nhiên trong thực tế tính toán người ta thường bỏ qua sự ảnh hưởng của các thành phần sóng hài và coi hệ số công suất chính là hệ số cos.
Hệ số công suất trung bình của mạng điện có thể xác định theo biểu thức: 1. Nâng cao hệ số cosφ đường dây Ví dụ một mạng điện như trên hình. với phụ tải P + jQ. Mạng điện chưa được mắc tụ bù Tổn thất công suất tác dụng và phản kháng: Bây giờ đặt tại phụ tải một tụ điện tĩnh hay máy bù đồng bộ để phát ra một lượng công suất phản kháng là Qbù thì công suất kháng tải trên đường dây giảm xuống bằng Q -Qbù theo: Hình 1.
Mạng điện đã được mắc vào tụ bù Để nâng cao hệ số công suất (cos φ) trong hệ thống điện, bạn có thể áp dụng các biện pháp sau: 1. Bù công suất phản kháng bằng tụ điện Nguyên lý: Tụ điện có khả năng sinh ra công suất phản kháng dạng "dương" để bù cho công suất phản kháng dạng "âm" của tải cảm. 11 Cách thực hiện: o Lắp đặt tụ bù tĩnh tại các thiết bị điện hoặc tụ bù trung tâm. o Sử dụng tụ bù tự động đóng/cắt tùy theo nhu cầu công suất phản kháng của hệ thống.
Dùng cuộn kháng đồng bộ hoặc động cơ đồng bộ Động cơ đồng bộ: o Khi hoạt động ở chế độ "bù", động cơ đồng bộ sẽ sinh công suất phản kháng. o Vừa bù công suất phản kháng vừa đảm bảo ổn định điện áp hệ thống. Ưu điểm: Ổn định và đáng tin cậy. Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao.
Sử dụng thiết bị bù công suất hiện đại SVC (Static Var Compensator): Thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh giúp tự động điều chỉnh hệ số công suất. STATCOM (Static Synchronous Compensator): Một phiên bản nâng cấp của SVC với khả năng bù nhanh hơn và hiệu quả hơn. Tối ưu hóa thiết bị điện Sử dụng các thiết bị có hệ số công suất cao (≥ 0,9). Bảo trì, cân chỉnh động cơ để vận hành trong điều kiện tốt nhất.
Giảm tải không cần thiết Cắt bớt các thiết bị không cần thiết hoặc quá tải để giảm dòng phản kháng. Cân bằng tải giữa các pha. Sử dụng máy biến áp có tổn hao thấp Máy biến áp cũ có thể tạo ra dòng điện phản kháng lớn. Thay thế bằng các loại máy biến áp hiệu suất cao để giảm tổn thất công suất.
ý nghĩa của hệ số cosφ Hệ số công suất thể hiện mức độ sử dụng hiệu quả năng lượng trong hệ thống điện: 12 cosφ gần bằng 1: Mạch điện hoạt động hiệu quả, phần lớn công suất được sử dụng là công suất tác dụng (P). Điều này thường xảy ra khi mạch điện có tải thuần trở. cosφ nhỏ: Mạch điện hoạt động kém hiệu quả do công suất phản kháng lớn, gây lãng phí năng lượng và tổn hao trên lưới điện. Điều này thường xảy ra khi hệ thống có tải cảm kháng (như động cơ, máy biến áp.
Hệ số công suất trong thực tế Hệ số công suất thấp gây ra: 1. Tăng tổn hao công suất trong dây dẫn. Giảm khả năng truyền tải của hệ thống. Tăng chi phí điện năng do phải bù công suất phản kháng.
Giải pháp cải thiện cosφ: 1. Sử dụng tụ bù công suất để giảm công suất phản kháng. Tối ưu hóa thiết bị điện trong hệ thống. ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ COSφ ĐỐI VỚI CÁC THAM SỐ KỸ THUẬT CỦA MẠNG ĐIỆN Khi cos của các thiết bị càng lớn, tức là mức độ tiêu thụ công suất phản kháng ngày càng bé, vì vậy làm cho mức độ yêu cầu về Q từ lưới ít, nó góp phần cải thiện chế độ làm việc của lưới.Hệ số cos của các hộ tiêu thụ lại phụ thuộc vào chế độ làm việc của các phụ tải điện.khi hệ số cos thấp sẽ dẫn đến tăng công suất phản kháng, sự truyền tải công suất phản kháng trong mạng điện làm giảm sút các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng điện.
Khi hệ số công suất thấp(cosφ giảm): Công suất phản kháng Q tăng lên => làm tăng tổng công suất S. Dòng điện tải tăng để cung cấp cùng một công suất tác dụng P, gây áp lực lên thiết bị. Làm tăng tổn thất công suất và tăng đốt nóng dây dẫn. Tổn thất công suất trong mạng điện được xác định theo biểu thức: Khi truyền tải điện năng trong mạng điện cao áp do điện trở phản kháng lớn lên thành phần tổn hao công suất phản kháng thường lớn hơn thành phần tổn thất công suất tác dụng.
Tăng tiết diện dây dẫn. Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng. Dòng điện chạy qua các phần tử được xác định : 1. Không sử dụng hết khả năng của động cơ sơ cấp Gia tăng công suất phản kháng trong hệ thống truyền tải sẽ gây ra hiện tượng quá tải vô dụng, dẫn đến giảm hiệu suất sử dụng của động cơ sơ cấp và máy phát.
Để duy trì hệ số công suất cosφ trong giới hạn cho phép, công suất hoạt động phải được điều chỉnh giảm. Trong trường hợp công suất phản kháng vượt quá mức cho phép, nhà máy điện sẽ phải giảm công suất phát để ngăn chặn hiện tượng quá nhiệt và bảo vệ thiết bị. Giảm chất lượng điện Tăng công suất phản kháng sẽ làm giảm chất lượng điện do tổn thất điện áp tăng và do dao động điện áp khi công suất phản kháng thay đổi. Như đã biết, tổn thất điện áp được xác định bởi biểu thức: 14 Thành phần tổn thất phản kháng ∆ U x tỷ lệ thuận với công suất phản kháng.
Việc tăng công suất Q sẽ làm tăng đáng kể tổn thất điện áp, do đó làm giảm chất lượng điện. PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT Tất cả các giải pháp nâng cao hệ số công suất có thể phân thành các nhóm sau : 1. Các giải pháp tổ chức – kĩ thuật Nhóm các giải pháp tổ chức kĩ thuật không đòi hỏi chi phí vốn đầu tư thiết bị thường được gọi là các giải pháp nâng cao hệ số cosφ tự nhiên, bao gồm các giải pháp cơ bản sau : + Sắp sếp hợp lý các quy trình công nghệ, cải tiến các quy trình công nghệ để các thiết bị điện hợp lý nhất. + Thay các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ công suất thấp hơn.
+ Thiết lập các chế độ điện áp tối ưu : ta có thể nâng cao hệ số cos φ bằng cách giảm điện áp ở những động cơ làm việc non tải, thường ta thay đổi tổ nối dây động cơ từ tam giác ra đấu sao. + Thiết lập chế độ làm việc kinh tế của trạm biến áp. + Dùng động cơ đồng bộ thay thế cho động cơ không đồng bộ. + Dùng các thiết bị chỉnh lưu với hệ số công suất vượt trước 1.
Các giải pháp kĩ thuật Các giải pháp kĩ thuật thường được áp dụng để nâng cao hệ số cosφ áp dụng cho các cơ cấu bù công suất phản kháng. Do phụ tải trong thực tế chủ yếu mang tính điện cảm nên vecto dòng điện chậm hơn so với vecto điện áp, nếu bù được toàn bộ lượng công suất phản kháng thì chỉ còn lại thành phần tác dụng nên vecto dòng và áp sẽ trùng nhau có thể dùng tụ bù hoặc máy bù đồng bộ. Biện pháp này được gọi chung là bù cosφ. Xác định công suất của các thiết bị bù Công suất của các thiết bị bù, thường là tụ điện, là một thông số quan trọng trong việc cải thiện hệ số công suất của hệ thống điện.
Việc xác định đúng công suất này sẽ giúp chọn lựa thiết bị bù phù hợp và đạt hiệu quả tối ưu. Xác định dung lượng bù công suất phản kháng theo hệ số công suất yêu cầu. Xác định dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng. Phân bố công suất bù giữa các phân xưởng.
Chọn vị trí của thiết bị bù tại trạm biến áp phân phối. Các phương pháp xác định công suất thiết bị bù 1. Tính toán Dựa vào tải : Công suất biểu kiến (S): Đo bằng công tơ điện ba pha. Hệ số công suất (cosφ ): Đo bằng đồng hồ đo công suất.
Công suất phản kháng cần bù (Q bù ): Q bù = P .( ta nφ 1 - tanφ 2 ) Trong đó : P: công suất hoạt động φ 1 : Góc lệch pha trước khi bù φ 2: Góc lệch pha sau khi bù (thường đặt mục tiêu φ 2 =0,95) Dựa trên bảng tra cứu: Nhiều nhà sản xuất cung cấp tra cứu để xác định công suất bù dựa trên công suất tải và hệ số công suất hiện tại. Đo lường: Sử dụng máy phân tích chất lượng điện năng: Đây là thiết bị chuyên dụng cho phép đo các thông số điện năng một cách chính xác và đầy đủ. Sử dụng đồng hồ đo chuyên dụng: Đo trực tiếp các đại lượng như dòng điện, điện áp, công suất để tính toán công suất bù. Ví dụ minh họa Hình 1.
Sơ đồ một hệ thống điện với thiết bị bù Giả sử ta có một hệ thống điện với: Công suất biểu kiến S = 100 kVA Hệ số công suất cosφ1 = 0.7 Muốn nâng hệ số công suất lên cosφ2 = 0.95 Tính toán: tanφ1 = tan(cos(0.7)) ≈ 1,02 tanφ2 = tan(cos(0.(1,02 – 0,33) ≈ 69 kVAr 17 Vậy công suất phản kháng cần bù là khoảng 69 kVAr.