Chương 1: TÍNH TOÁN PHỤ TẢI A. Mục tiêu: - Phân tích được cách xác định nhu cầu điện tính toán - Vận dụng phù hợp các phương pháp tính toán phụ tải, - Chọn được phương án cung cấp điện phù hợp với tình hình thực tế, đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật. - Phân tích được các sơ đồ mạng điện hạ áp. - Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, chính xác, tư duy khoa học và sáng tạo.
Xác định nhu cầu điện tính toán. Những định nghĩa cơ bản và các ký hiệu.1 Công suất định mức (Pđm): Công suất định mức là công suất của các thiết bị điện thường được nhà chế tạo ghi sẵn trong lý lịch máy hoặc trên nhãn hiệu máy, được biểu diễn bằng công suất tác dụng P (đối với động cơ, lò điện trở, bóng đèn…) hoặc biểu diễn bằng công suất biểu kiến S (đối với máy biến áp hàn, lò điện cảm ứng…). Công suất định mức được tính với thời gian làm việc lâu dài. Đối với động cơ, công suất định mức ghi trên nhãn máy chính là công suất cơ trên trục động cơ.
Đối với một pha: Pđm = Uđđm.8) Đối với ba pha: Pđm =Uđm.2 Công suất đặt (Pđ): Là công suất đầu vào của động cơ Pđ Pđ = m Trong đó: Pđ: Công suất đặt của động cơ, kW Pđm:Công suất định mức của động cơ, kW đc : Hiệu suất định mức của động cơ. Vì hiệu suất định mức của động cơ tương đối cao (đối với động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc, đc =( 0,8 0,95) nên để cho tính toán được đơn giản, người ta thường cho phép bỏ qua hiệu suất, lúc này lấy Pđ Pđm. * Đối với thiết bị chiếu sáng: Công suất đặt là công suất tương ứng với số ghi trên đế hay ở bầu đèn, công suất này bằng với công suất được tiêu thụ bởi đèn khi điện áp mạng điện là định mức. * Đối với các thiết bị điện làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại như cầu trục, máy hàn.: Khi tính toán phụ tải điện của chúng, ta phải quy đổi về công suất định 7 mức ở chế độ làm việc dài hạn, tức là quy đổi về chế độ làm việc có hệ số tiếp điện % = 100%.
Cụ thể: Đối với động cơ: Pđ = P'đm = Pđm (2.11) Trong đó: P'đm : là công suất định mức đã quy về chế độ làm việc dài h¹n. Pđm; (đm: các tham số định mức cho trong lý lịch máy Đối với máy biến áp của lò điện: Pđ = Sđm.12) Trong đó: Sđm: Công suất biểu kiến định mức của máy biến áp, ghi trong lý lịch máy. cos đm: hệ số công suất, ghi trong lý lịch máy. Đối với máy biến áp hàn: Pđ = Sđm.3 Phụ tải trung bình (Ptb): Là một đặc trưng tĩnh của phụ tải trong một khoảng thời gian khảo sát, được xác định bằng biểu thức: ptb = (2.15) Trong đó: AP; AQ: Là điện năng tác dụng và phản kháng trong khoảng thời gian khảo sát (kWh; kVArh) t: Là thời gian khảo sát (h).
Thời gian khảo sát là 1 ca làm việc, một tháng hay một năm. Phụ tải trung bình của một nhóm thiết bị: Ptb = (2.17) Tổng công suất trung bình của các thiết bị cho ta căn cứ để đánh giá mức độ sử dụng thiết bị và là số liệu quan trọng để xác định phụ tảI tính toán. Thường phụ tảI trung bình được xác định ứng với thời gian khảo sát là một ca làm việc, một tháng hoặc một năm.4 Phụ tải cực đại: Phụ tải cực đại chia làm hai nhóm: * Phụ tải cực đại dài hạn (Pmax): Là phụ tải trung bình lớn nhất tính trong khoảng thời gian tương đối ngắn. Để tính toán lưới điện và máy biến áp theo phát nóng, ta thường lấy bằng phụ tải trung bình lớn nhất trong thời gian 5, 10 phút, 30 phút hay 60 phút (thông thường nhất lấy trong thời gian 30 phút, lúc đó ký hiệu P30, Q30, S30) đôi khi người ta dùng phụ tải cực đại xác định như trên để làm phụ tải tính toán.
8 Người ta dùng phụ tải cực đại để tính tổn thất công suất lớn nhất và để chọn các thiết bị điện, chọn dây dẫn và dây cáp theo mật độ dòng điện kinh tế. * Phụ tải cực đại ngắn hạn hay còn gọi là Phụ tải đỉnh nhọn (Pđn): Là phụ tải cực đại xuất hiện trong khoảng thời gian 1 2 giây. Phụ tải đỉnh nhọn được dùng để kiểm tra dao động điện áp, kiểm tra điều kiện tự khởi động của động cơ, chọn dây chảy cầu chì và tính dòng khởi động của rơ le bảo vệ. Phụ tải đỉnh nhọn thường xảy ra khi động cơ khởi động.
Chúng ta không chỉ quan tâm đến trị số của phụ tải đỉnh nhọn mà còn quan tâm đến tần số xuất hiện của nó. Bởi vì số lần xuất hiện của phụ tải đỉnh nhọn càng tăng thì càng ảnh hưởng tới sự làm việc bình thường của các thiết bị dùng điện khác ở trong cùng một mạng điện.5 Công suất phản kháng(Q) - Khi một thiết bị làm việc nó tiêu thụ một lượng công suất điện dung Q C để trao đổi với điện trường và một công suất điện cảm Q1 để trao đổi với từ trường. - Ngoài ra Q cần thiết cho quá trình điều chỉnh điện áp và dự trữ công suất trong hệ thống điện 1.6 Phụ tải tính toán (Ptt) Phụ tải tính toán là phụ tải giả thiết không đổi lâu dài của các phần tử trong hệ thống cung cấp điện (máy biến áp, đường dây.) tương đương với phụ tải thực tế biến đổi theo điều kiện tác dụng nhiệt nặng nề nhất. Nói một cách khác, phụ tải tính toán cũng làm nóng dây dẫn lên tới nhiệt độ bằng nhiệt độ lớn nhất do phụ tải thực tế gây ra.
Do vậy, về phương diện phát nóng, nếu ta chọn các thiết bị điện theo phụ tải tính toán thì có thể đảm bảo an toàn cho các thiết bị đó trong mọi trạng thái vận hành. Quan hệ giữa phụ tải tính toán và các phụ tải khác được nêu trong bất đẳng thức sau: Ptb Ptt Pmax 1.7 Các hệ số tính toán * Hệ số sử dụng ksd: Hệ số sử dụng (ksd) là tỷ số giữa phụ tải tác dụng trung bình với công suất định mức của thiết bị. Đối với một thiết bị: ksd = (2.18) Đối với nhóm có n thiết bị: ksd = = (2.19) Hệ số sử dụng đặc trưng cho chế độ làm việc của phụ tải theo công suất và thời gian và là số liệu để xác định phụ tảI tính toán. * Hệ số đóng điện kđ: Hệ số đóng điện (kđ) của thiết bị là tỷ số giữa thời gian đóng điện trong chu trình với toàn bộ thời gian của chu trình (tct).
9 Thời gian đóng điện (tđ) gồm thời gian làm việc mang tải (tlv) và thời gian chạy không tải (tkt), như vậy: tlv+tkt kđ = tct Hệ số đóng điện của một nhóm thiết bị được xác định theo biểu thức: (2.21) Hệ số đóng điện phụ thuộc vào qui trình công nghệ. * Hệ số phụ tải kpt (còn gọi là hệ số mang tải): Hệ số phụ tải (kpt) là tỉ số giữa công suất thực tế với công suất định mức.23) Trong đó: Điện năng A = Ptb.24) Hệ số phụ tải công suất tác dụng của nhóm thiết bị là tỷ số của hệ số sử dụng Ksd với hệ số đóng điện kđ. ksd kpt= kđ * Hệ số cực đại kmax: Hệ số cực đại (kmax) là tỉ số giữa phụ tải tính toán với phụ tải trung bình trong khoảng thời gian đang xét.26) Hệ số cực đại thường tính với ca làm việc có phụ tải lớn nhất, nó phụ thuộc vào nhiều hệ số và các yếu tố khác đặc trưng cho chế độ làm việc của thiết bị, giá trị kmax cũng có thể tra trong sổ tay. * Hệ số nhu cầu, knc: Hệ số nhu cầu (knc) là tỷ số giữa phụ tải tính toán với công suất định mức.27) Trong thực tế hệ số nhu cầu do kinh nghiệm vận hành mà tổng kết lại.
*Số thiết bị hiệu quả nhq: * Định nghĩa: Số thiết bị hiệu quả là số thiết bị giả thiết có cùng công suất và chế độ làm việc tạo nên phụ tảI tính toán bằng với phụ tải tính toán của nhóm thiết bị thực tế (gồm n thiết bị có chế độ làm việc và công suất khác nhau). Tính toán nhq là công việc quan trọng trong thiết kế cung cấp điện: chọn dây dẫn, thiết bị bảo vệ. 10 * Cách xác định nhq: - Khi trong nhóm có số thiết bị n 5: nhq = (2.28) Trong đó: n: là số thiết bị có trong nhóm. Pđmi: là công suất định mức của thiết bị thứ i (kW) Nếu các thiết bị tiêu thụ của nhóm đều có công suất định mức như nhau thì: nhq = = n (2.29) - Khi số thiết bị n > 5 thì việc tính theo công thức trên gỗp nhiều khó khăn, vì vậy trong thực tế người ta tìm nhq theo đường cong cho trước.
Trình tự tính toán theo các bước như sau: Bước 1: Xác định tổng số thiết bị trong nhóm (n) và tổng công suất P của n thiết bị này: P = (2.30) Bước 2: Xác định thiết bị công suất lớn nhất trong nhóm (Pmax): Bước 3: Xác định số thiết bị có P ≥ Pmax trong nhóm đó. Bước 4: Xác định tổn thất công suất của n1 thiết bị.32) Trong đó: n: là số thiết bị trong nhóm n1: là số thiết bị có công suất không nhỏ hơn một nữa công suất của thiết bị có công suất lớn nhất trong nhóm đó. P; P1: là công suất ứng với n và n1 thiết bị. Bước 6: Tra bảng 2.1 hoặc đường cong (Hình 2.1) để tìm nhq* Bước 7: Xác định số thiết bị hiệu quả: nhq= nhq*.