I. Bí quyết vận hành Hiểu rõ về hệ số công suất cos phi
Trong các hệ thống truyền động điện công nghiệp, động cơ đồng bộ công suất lớn đóng vai trò thiết yếu tại các trạm bơm hay máy nén khí. Hiệu suất của chúng phụ thuộc rất nhiều vào hệ số công suất cos phi. Đây là một chỉ số kỹ thuật quan trọng, phản ánh mức độ sử dụng hiệu quả năng lượng điện. Một hệ số công suất cao, tiến gần đến 1, đồng nghĩa với việc năng lượng được chuyển hóa thành công cơ học một cách tối đa. Ngược lại, cos phi thấp cho thấy sự lãng phí năng lượng dưới dạng công suất phản kháng. Việc duy trì một hệ số công suất cos phi tối ưu không chỉ giúp động cơ hoạt động bền bỉ, an toàn mà còn góp phần cải thiện chất lượng điện năng cho toàn bộ lưới điện công nghiệp. Luận văn của Lê Thị Hải Yến (2020) đã tập trung nghiên cứu các giải pháp để tối ưu hóa chỉ số này, đặc biệt là thông qua việc điều khiển dòng kích từ.
1.1. Định nghĩa hệ số công suất và công suất phản kháng
Hệ số công suất, ký hiệu là cos phi (cosφ), là tỉ số giữa công suất tác dụng (P, đơn vị kW) và công suất biểu kiến (S, đơn vị kVA). Công suất tác dụng là phần công suất sinh ra công hữu ích. Trong khi đó, công suất phản kháng (Q, đơn vị kVAr) là phần công suất cần thiết để tạo ra từ trường trong các thiết bị có tính cảm như động cơ, máy biến áp. Mặc dù không sinh công trực tiếp, công suất phản kháng lại là nguyên nhân chính gây ra tổn thất công suất trên đường dây. Về bản chất, hệ số công suất cos phi thể hiện mức độ hiệu quả của việc sử dụng điện. Khi cosφ cao, phần lớn công suất biểu kiến được chuyển thành công suất tác dụng, giúp tối ưu hóa hiệu quả năng lượng.
1.2. Nguyên lý làm việc cơ bản của động cơ đồng bộ công suất lớn
Động cơ đồng bộ hoạt động dựa trên sự tương tác giữa từ trường quay của stator và từ trường không đổi của rotor. Stator, được cấp nguồn điện xoay chiều 3 pha, tạo ra một từ trường quay với tốc độ đồng bộ. Rotor, được kích từ bằng nguồn điện một chiều, tạo ra một từ trường không đổi. Khi hai từ trường này "khóa" từ tính với nhau, rotor sẽ quay cùng tốc độ với từ trường stator. Điểm đặc biệt của động cơ đồng bộ là khả năng điều chỉnh hệ số công suất cos phi. Bằng cách thay đổi dòng điện kích từ một chiều cấp cho rotor, động cơ có thể vận hành ở trạng thái tiêu thụ, không tiêu thụ, hoặc thậm chí phát công suất phản kháng ra lưới, hoạt động như một máy bù đồng bộ.
1.3. Vai trò then chốt của việc nâng cao chất lượng điện năng
Chất lượng điện năng là một yếu tố sống còn trong sản xuất công nghiệp. Hệ số công suất thấp là một trong những nguyên nhân hàng đầu làm suy giảm chất lượng điện. Nó gây ra sụt áp trên lưới điện, làm tăng dòng điện chạy trên dây dẫn, dẫn đến tổn thất công suất và phát nóng đường dây. Điều này không chỉ làm tăng chi phí tiền điện mà còn ảnh hưởng đến tuổi thọ của các thiết bị khác trong nhà máy. Do đó, việc thực hiện các giải pháp bù công suất phản kháng để nâng cao cosφ không chỉ là một bài toán kinh tế mà còn là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc để đảm bảo tối ưu hóa vận hành và ổn định cho toàn bộ hệ thống điện.
II. Cảnh báo Tác hại của cos phi thấp với hiệu quả năng lượng
Vận hành các phụ tải công suất lớn với hệ số công suất cos phi thấp mang lại nhiều hệ lụy nghiêm trọng cho cả thiết bị và hệ thống lưới điện. Đây không chỉ là vấn đề về lãng phí năng lượng mà còn là một rủi ro tiềm ẩn về kỹ thuật và an toàn vận hành. Khi cosφ thấp, để truyền tải cùng một lượng công suất tác dụng, dòng điện trong mạch phải tăng lên đáng kể. Dòng điện tăng cao gây ra nhiều tác hại của cos phi thấp như phát nóng quá mức trên dây dẫn và thiết bị, tăng tổn thất điện năng và gây ra hiện tượng sụt áp. Việc hiểu rõ những ảnh hưởng tiêu cực này là bước đầu tiên để nhận thức tầm quan trọng của các giải pháp cải thiện và ổn định hệ số công suất, đặc biệt trong môi trường công nghiệp nặng.
2.1. Phân tích tổn thất công suất và sụt áp trên lưới điện
Tổn thất công suất trên đường dây (ΔP) tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện (I²). Khi hệ số công suất cos phi giảm, dòng điện (I) tăng lên, dẫn đến tổn thất công suất tăng theo cấp số nhân. Ví dụ, nếu cosφ giảm từ 0.9 xuống 0.7, dòng điện sẽ tăng khoảng 28%, và tổn thất công suất sẽ tăng gần 65%. Đồng thời, sụt áp trên lưới điện cũng tăng lên, làm giảm điện áp cuối nguồn. Điện áp thấp có thể khiến động cơ và các thiết bị khác hoạt động không ổn định, giảm hiệu suất và thậm chí gây hư hỏng. Đây là những vấn đề trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả năng lượng và chi phí vận hành của doanh nghiệp.
2.2. Ảnh hưởng tiêu cực đến phụ tải công suất lớn và thiết bị
Các phụ tải công suất lớn như động cơ đồng bộ rất nhạy cảm với chất lượng nguồn điện. Dòng điện stator tăng cao do cosφ thấp sẽ gây phát nóng cuộn dây, làm giảm tuổi thọ cách điện và có thể dẫn đến cháy động cơ. Ngoài ra, các thiết bị đóng cắt như aptomat, contactor phải chịu dòng tải lớn hơn định mức thiết kế, làm tăng nguy cơ sự cố và giảm độ tin cậy của hệ thống. Về lâu dài, việc vận hành trong điều kiện cosφ thấp sẽ làm suy giảm tuổi thọ của toàn bộ hệ thống thiết bị điện, gia tăng chi phí bảo trì và thay thế, gây gián đoạn sản xuất.
2.3. Tại sao bù công suất phản kháng là yêu cầu bắt buộc
Để khắc phục những tác hại trên, giải pháp bù công suất phản kháng được xem là yêu cầu bắt buộc. Bằng cách cung cấp nguồn công suất phản kháng ngay tại phụ tải, các giải pháp này giúp giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải từ nguồn. Điều này giúp giảm dòng điện trên lưới, từ đó giảm tổn thất công suất và cải thiện điện áp. Các phương pháp phổ biến bao gồm sử dụng tụ bù công suất hoặc biến động cơ đồng bộ thành máy bù đồng bộ. Việc đầu tư vào hệ thống bù không chỉ giúp tiết kiệm điện năng trong công nghiệp mà còn tuân thủ các quy định của ngành điện về hệ số công suất, tránh bị phạt tiền do tiêu thụ quá nhiều công suất phản kháng.
III. Phương pháp điều chỉnh dòng kích từ để nâng cao cos phi
Một trong những ưu điểm vượt trội của động cơ đồng bộ so với động cơ không đồng bộ là khả năng điều chỉnh được hệ số công suất cos phi. Khả năng này xuất phát từ việc có thể chủ động kiểm soát từ trường của rotor thông qua điều chỉnh dòng kích từ. Bằng cách thay đổi độ lớn của dòng điện một chiều cấp vào cuộn dây rotor, ta có thể thay đổi trạng thái làm việc của động cơ, từ tiêu thụ công suất phản kháng (giống động cơ không đồng bộ) sang trạng thái trung tính (cosφ = 1) hoặc thậm chí phát công suất phản kháng ra lưới. Đây chính là nguyên lý biến động cơ thành một máy bù đồng bộ linh hoạt, một giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng điện năng ngay tại phụ tải.
3.1. Mối liên hệ giữa dòng kích từ và công suất phản kháng
Dòng điện kích từ (If) quyết định độ lớn sức điện động (Ef) cảm ứng trong động cơ. Mối quan hệ giữa Ef và điện áp lưới (VT) sẽ xác định động cơ nhận vào hay phát ra công suất phản kháng. Khi Ef < VT (trạng thái non kích từ), động cơ sẽ nhận công suất phản kháng từ lưới, làm cho cosφ thấp và có tính trễ (lagging). Khi Ef > VT (trạng thái quá kích từ), động cơ sẽ phát công suất phản kháng ra lưới, làm cho cosφ có tính sớm (leading). Khi Ef ≈ VT, động cơ hoạt động với cosφ ≈ 1. Như vậy, điều chỉnh dòng kích từ là công cụ trực tiếp để kiểm soát dòng công suất phản kháng, qua đó nâng cao hệ số công suất cos phi.
3.2. So sánh các trạng thái non kích từ đủ và quá kích từ
Mỗi trạng thái kích từ đều có đặc điểm riêng. Trạng thái non kích từ (thiếu kích từ) khiến động cơ hoạt động với cosφ thấp, làm tăng dòng điện stator và gây tổn thất công suất. Trạng thái đủ kích từ là lý tưởng nhất, động cơ hoạt động với cosφ gần bằng 1, dòng điện stator nhỏ nhất, và hiệu suất cao nhất. Trạng thái quá kích từ biến động cơ thành một nguồn phát công suất phản kháng. Trạng thái này rất hữu ích trong các nhà máy có nhiều phụ tải cảm khác (như động cơ không đồng bộ) để thực hiện bù công suất phản kháng tại chỗ, giúp cải thiện cosφ chung của toàn hệ thống. Việc lựa chọn trạng thái vận hành phụ thuộc vào mục tiêu tối ưu hóa vận hành của nhà máy.
3.3. Biến động cơ đồng bộ thành máy bù công suất phản kháng
Khả năng hoạt động ở chế độ quá kích từ cho phép động cơ đồng bộ đóng vai trò như một máy bù đồng bộ. Khi đó, động cơ vừa thực hiện chức năng kéo tải cơ học, vừa cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện nội bộ. Giải pháp này đặc biệt hiệu quả cho các phụ tải công suất lớn, nơi việc lắp đặt các dàn tụ bù công suất lớn có thể tốn kém và kém linh hoạt. Bằng cách điều khiển tự động dòng kích từ, máy bù đồng bộ có thể đáp ứng tức thời và chính xác nhu cầu công suất phản kháng của hệ thống, giúp ổn định điện áp và duy trì hệ số công suất cos phi ở mức mong muốn, góp phần đáng kể vào việc tiết kiệm điện năng trong công nghiệp.
IV. Hướng dẫn xây dựng thuật toán điều khiển PID tối ưu cos phi
Để tự động hóa quá trình điều chỉnh dòng kích từ và duy trì hệ số công suất cos phi ở giá trị tối ưu, các thuật toán điều khiển hiện đại là giải pháp không thể thiếu. Luận văn của Lê Thị Hải Yến (2020) đã đề xuất một giải pháp hiệu quả dựa trên bộ điều khiển PID kinh điển, được triển khai trên nền tảng PLC. Phương pháp này sử dụng tín hiệu sai lệch giữa giá trị cosφ đặt trước và giá trị cosφ thực tế để tính toán và điều chỉnh dòng kích từ một cách liên tục. Việc ứng dụng bộ điều khiển tự động giúp hệ thống phản ứng nhanh với sự thay đổi của tải, đảm bảo tối ưu hóa vận hành và nâng cao hiệu quả năng lượng một cách ổn định và tin cậy.
4.1. Lựa chọn bộ điều khiển PID_Compact trên PLC S7 1200
Luận văn đã lựa chọn bộ điều khiển PLC S7-1200 của Siemens, một thiết bị mạnh mẽ và phổ biến trong tự động hóa công nghiệp. Cụ thể, khối chức năng PID_Compact được tích hợp sẵn trong phần mềm TIA Portal đã được sử dụng. Khối lệnh này cung cấp một bộ điều khiển PID hoàn chỉnh với các tính năng tinh chỉnh tích hợp, phù hợp cho việc điều khiển các đối tượng tuyến tính. Ưu điểm của việc sử dụng PID_Compact là tính đơn giản trong cấu hình, khả năng tự động dò tìm thông số (auto-tuning), và độ tin cậy cao, giúp rút ngắn thời gian thiết kế và triển khai hệ thống điều khiển cho động cơ đồng bộ.
4.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển và mô phỏng trên Matlab Simulink
Trước khi triển khai trên thực tế, hệ thống điều khiển được xây dựng và kiểm chứng thông qua mô phỏng Matlab Simulink. Mô hình mô phỏng bao gồm các khối chức năng chính: khối động cơ đồng bộ, khối đo lường các thông số điện (dòng, áp, công suất), và khối điều khiển PID. Giá trị cosφ thực tế được tính toán và phản hồi về bộ điều khiển. Bộ PID sẽ so sánh giá trị này với điểm đặt (ví dụ: 0.98) và tạo ra tín hiệu điều khiển để điều chỉnh góc kích của bộ chỉnh lưu Thyristor, qua đó thay đổi dòng kích từ. Phân tích hệ thống điện thông qua mô phỏng cho phép đánh giá tính đúng đắn của thuật toán và tinh chỉnh các tham số trước khi áp dụng vào mô hình thực nghiệm.
4.3. Nguyên tắc chỉnh định tham số PID theo Ziegler Nichols
Để bộ điều khiển PID hoạt động hiệu quả, việc xác định các tham số Kp (khuếch đại), Ti (tích phân), và Td (vi phân) là cực kỳ quan trọng. Luận văn đã áp dụng phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols, một kỹ thuật phổ biến và hiệu quả. Phương pháp này bao gồm việc tăng dần hệ số khuếch đại Kp cho đến khi hệ thống bắt đầu dao động ổn định, từ đó xác định các thông số Kp, Ti, Td theo các công thức kinh nghiệm. Cách tiếp cận này giúp tìm ra bộ tham số tối ưu cho hệ thống điều khiển kích từ, đảm bảo đáp ứng nhanh, ổn định và triệt tiêu sai số xác lập, giúp duy trì hệ số công suất cos phi chính xác theo giá trị mong muốn.
V. Kết quả thực nghiệm Nâng cao cos phi trên động cơ 500kW
Lý thuyết và mô phỏng chỉ có giá trị khi được chứng minh bằng thực tiễn. Phần quan trọng nhất của nghiên cứu là triển khai và thử nghiệm thuật toán điều khiển trên một hệ thống thực. Luận văn đã tiến hành cài đặt thuật toán điều khiển PID vào hệ thống điều khiển kích từ của một động cơ đồng bộ công suất lớn 500kW. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy hiệu quả rõ rệt của giải pháp, khẳng định khả năng ứng dụng trong việc tối ưu hóa vận hành và cải thiện hiệu quả năng lượng trong môi trường công nghiệp thực tế. Các số liệu thu thập được là minh chứng thuyết phục cho tính đúng đắn của hướng nghiên cứu.
5.1. Phân tích kết quả mô phỏng Matlab Simulink chi tiết
Kết quả từ mô phỏng Matlab Simulink cho thấy hệ thống điều khiển có khả năng tự động dò và ổn định giá trị cosφ tại điểm đặt tối ưu. Khi có sự thay đổi đột ngột về tải, bộ điều khiển PID phản ứng nhanh chóng, điều chỉnh lại dòng kích từ để đưa hệ số công suất cos phi trở về giá trị mong muốn trong thời gian ngắn. Quá trình quá độ diễn ra ổn định, độ vọt lố thấp, và sai số xác lập gần như bằng không. Các đồ thị mô phỏng đã chứng minh rằng cấu trúc điều khiển được xây dựng là hoàn toàn hợp lý và có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật đặt ra trước khi chuyển sang giai đoạn thực nghiệm.
5.2. Đánh giá hiệu quả từ mô hình thực nghiệm động cơ 500kW
Trên mô hình thực nghiệm với động cơ đồng bộ 500kW, thuật toán điều khiển đã chứng tỏ hiệu suất vượt trội. Hệ thống có khả năng duy trì ổn định giá trị hệ số công suất cos phi quanh mức đặt trước (ví dụ 0.98 - 0.99) bất chấp sự dao động của tải. Đặc tính ổn định giá trị cosφ được ghi nhận cho thấy hệ thống hoạt động chính xác như dự đoán của mô phỏng. Việc tự động hóa này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất động cơ, giảm tổn thất công suất, mà còn giải phóng người vận hành khỏi việc phải can thiệp thủ công, giảm thiểu sai sót và đảm bảo an toàn cho thiết bị.
5.3. Lợi ích về tiết kiệm điện năng trong công nghiệp thực tế
Ứng dụng thành công giải pháp này mang lại lợi ích kinh tế trực tiếp thông qua tiết kiệm điện năng trong công nghiệp. Bằng việc duy trì cosφ cao, dòng điện tổng trên lưới giảm, giúp giảm tổn thất nhiệt trên đường dây và trong máy biến áp. Doanh nghiệp có thể giảm đáng kể chi phí tiền điện hàng tháng, đặc biệt là tránh được các khoản phạt do vi phạm quy định về hệ số công suất của ngành điện. Hơn nữa, việc cải thiện chất lượng điện năng còn giúp tăng tuổi thọ các thiết bị điện khác trong nhà máy, góp phần vào sự phát triển bền vững và nâng cao năng lực cạnh tranh.
