S Ự TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch điện đơn giản có tải là điện trở và điện kháng (hình 1-1) sau:
Mạch điện được cung cấp bởi điện áp u = U m sinωt Dòng điện i lệch pha với điện áp u một góc φ:
Hình 1-1 Mạch điện đơn giản RL i = I m sin(ωt – φ) hay i = Im (sinωt.cos φ – sinφ.cosωt)
Có thể coi: i = i’ + i’’ với i’ = Im cos φ sinωt i’’ = I m sinφ.cosωt = Im sinφ.sin(ωt –π/2)
Dòng điện i bao gồm hai thành phần chính: i’ có biên độ Im cos φ cùng pha với điện áp u, và i’’ có biên độ Im sin φ chậm pha với điện áp một góc π/2.
Công suất tương ứng với hai thành phần i’ và i’’ là:
P = U.I.cosφ gọi là công suất tác dụng
Q = U.I.sinφ gọi là công suất phản kháng
CSPK là thành phần công suất tiêu thụ trên điện cảm hay phát ra trên điện dung của mạch điện
Từ công thức trên ta có thể viết:
Hình 1-2 Quan hệ giữa công suất P và Q
Trên lưới điện, CSPK được tiêu thụ chủ yếu qua các thiết bị như động cơ không đồng bộ, máy biến áp, kháng điện trên đường dây tải điện và các phần tử liên quan đến từ trường.
Yêu cầu về CSPK không thể hoàn toàn triệt tiêu mà chỉ có thể giảm đến mức tối thiểu, vì nó là yếu tố cần thiết để tạo ra từ trường, một yếu tố trung gian quan trọng trong quá trình chuyển hóa điện năng.
1) Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ CSPK chính trong lưới điện, chiếm khoảng 60 – 65%;
CSPK của động cơ không đồng bộ gồm hai thành phần:
- Một phần nhỏ CSPK được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sợ cấp
- Phần lớn CSPK còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở
MBA tiêu thụ khoảng 22-25% nhu cầu công suất phản kháng (CSPK) tổng của lưới điện, thấp hơn so với nhu cầu của các động cơ không đồng bộ Nguyên nhân là do CSPK của MBA chủ yếu dùng để từ hóa lõi thép máy biến áp, không lớn so với động cơ không đồng bộ do không có khe hở không khí Tuy nhiên, với số lượng thiết bị và tổng dung lượng lớn, nhu cầu tổng CSPK của MBA vẫn rất đáng kể.
CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm hai thành phần:
- Công suất phản kháng được dùng để từ hóa lõi thép
- Công suất phản kháng tản từ máy biến áp
Đèn huỳnh quang thường sử dụng chấn lưu để kiểm soát dòng điện, với hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh (cosφ) của chấn lưu dao động từ 0,3 đến 0,5, tùy thuộc vào điện cảm của nó.
Đèn huỳnh quang hiện đại sử dụng bộ khởi động điện từ với hệ số công suất gần bằng 1, do đó không cần hiệu chỉnh hệ số công suất Tuy nhiên, trong quá trình khởi động, các thiết bị điện tử này phát sinh sóng hài.
CÁC NGU ỒN PHÁT CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI ĐIỆN
Khả năng phát CSPK của các nhà máy điện là rất hạn chế, do cosφn của nhà máy từ
Các máy phát điện thường chỉ đáp ứng một phần nhu cầu công suất phản kháng (CSPK) của tải, trong khi phần còn lại được bù đắp bởi các thiết bị như máy bù đồng bộ và tụ điện Điều này chủ yếu do lý do kinh tế, khiến cho việc chế tạo máy phát có khả năng cung cấp CSPK cao (từ 0,8 đến 0,9 hoặc hơn) trở nên không khả thi.
Trong hệ thống điện, một nguồn phát CSPK quan trọng là các đường dây tải điện, đặc biệt là đường cáp và đường dây siêu cao áp Tuy nhiên, trong bài viết này, chúng ta chỉ tập trung vào lưới phân phối, với sự chú ý đến các đường dây 35 kV dài và các đường cáp ngầm Mặc dù CSPK phát ra từ các phần tử này không đáng kể, nguồn phát CSPK chính trong lưới phân phối vẫn đến từ tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù.
1.2.1 Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới
Máy bù đồng bộ là thiết bị điện đồng bộ không tải, được sử dụng để phát hoặc tiêu thụ CSPK Đây là phương pháp truyền thống để điều chỉnh liên tục CSPK, thường được áp dụng trong hệ thống truyền tải, đặc biệt ở đầu vào của các đường dây tải điện dài, trong các trạm biến áp quan trọng và các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp.
Khi tăng dòng điện kích từ ikt, máy bù đồng bộ sẽ phát ra CSPK Q b vào mạng điện, với dòng điện vượt trước điện áp 90 độ Ngược lại, khi giảm dòng kích từ ikt, máy bù sẽ hoạt động như một phụ tải tiêu thụ CSPK Do đó, máy bù đồng bộ có khả năng vừa phát ra vừa tiêu thụ CSPK.
Máy bù đồng bộ hiện đại thường được trang bị hệ thống kích thích từ nhanh với bộ kích từ chỉnh lưu Có nhiều phương pháp khởi động khác nhau, trong đó khởi động đảo chiều là một phương pháp phổ biến.
Tụ điện tĩnh là một hệ thống các tụ điện được kết nối song song với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, nhằm tạo ra CSPK cung cấp trực tiếp cho phụ tải và giảm lượng CSPK cần truyền tải qua đường dây Tụ bù tĩnh thường được sản xuất với thiết kế cố định để giảm chi phí Để điều chỉnh điện áp, có thể sử dụng tụ điện bù tĩnh có khả năng đóng cắt theo cấp, đây là phương pháp kinh tế nhất để sản xuất CSPK.
Tụ điện tĩnh và máy bù đồng bộ hoạt động ở chế độ quá kích CSPK trực tiếp cấp điện cho hộ tiêu thụ, giúp giảm lượng CSPK truyền tải trong mạng và từ đó giảm tổn thất điện áp.
CSPK do tụ điện phát ra được tính theo biểu thức sau:
Q C = U 2 2πf.C.10 -9 kVAr (1.3) Trong đó: - U có đơn vị là kV
- f tần số có đơn vị là Hz
Điện dung của tụ điện được đo bằng đơn vị microfarad (μF) Khi sử dụng tụ điện, việc đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành là rất quan trọng Cần phải có điện trở phóng điện khi cắt tụ ra khỏi lưới để giảm điện áp và tránh nguy hiểm.
Tụ điện bù tĩnh là thiết bị quan trọng được sử dụng để cải thiện hệ số công suất trong các hệ thống phân phối điện, bao gồm hệ thống công nghiệp, đô thị, khu dân cư đông đúc và nông thôn Ngoài ra, một số tụ bù tĩnh còn được lắp đặt tại các trạm truyền tải để tối ưu hóa hiệu suất điện năng.
Tụ điện là thiết bị điện tĩnh hoạt động với dòng điện vượt trước điện áp, cho phép sinh ra công suất phản kháng Q cung cấp cho mạng Tụ điện tĩnh mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
- Suất tổn thất công suất tác dụng bé, khoảng (0,003 – 0,005) kW/kVAr
- Không có phần quay nên lắp ráp bảo quản dễ dàng
Tụ điện tĩnh được thiết kế thành các đơn vị nhỏ, cho phép điều chỉnh dung lượng linh hoạt theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất.
Song tụ điện tĩnh cũng có một số nhược điểm sau:
Nhược điểm chính của các hệ thống này là khả năng cung cấp CSPK (Công suất phản kháng) hạn chế trong trường hợp xảy ra rối loạn hoặc thiếu điện, do dung lượng công suất phản kháng tỷ lệ với bình phương điện áp.
- Tụ điện có cấu tạo kém chắc chắn vì vậy dễ bị phá hỏng khi xảy ra ngắn mạch
- Khi điện áp tăng quá 1,1Un thì tụ điện dễ bị chọc thủng
Khi kết nối tụ điện vào mạng có dòng điện xung, cần lưu ý rằng khi cắt tụ khỏi mạng mà không sử dụng thiết bị phóng điện, sẽ tồn tại điện áp dư trên tụ.
- Bù bằng tụ điện sẽ khó khăn trong việc tự động điều chỉnh dung lương bù một cách liên tục
Tụ điện tĩnh có thể được sản xuất một cách đơn giản cho các cấp điện áp 6 - 10 kV và 0,4 kV Thông thường, khi dung lượng bù dưới 5 MVAr, người ta sẽ chọn sử dụng tụ điện, trong khi nếu dung lượng lớn hơn, cần so sánh với máy bù đồng bộ để đưa ra quyết định phù hợp.
3) Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa
Khi cung cấp dòng điện một chiều cho dây quấn Roto của động cơ không đồng bộ, động cơ sẽ hoạt động như động cơ đồng bộ và có thể điều chỉnh dòng kích từ để phát ra CSPK cho mạng Tuy nhiên, loại động cơ này có nhược điểm là suất tổn thất công suất tác dụng lớn, khoảng 0,02 – 0,08 kW/kVAr, và khả năng quá tải kém, vì vậy chỉ được phép vận hành ở 75% công suất định mức.
Vì các nhược điểm trên, cho nên nó chỉ được dùng khi không có sẵn các loại thiết bị bù khác
CÁC TIÊU CHÍ BÙ CÔNG SU ẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI
Phụ tải của hộ gia đình thường có hệ số công suất cao gần bằng 1, dẫn đến mức tiêu thụ CSPK rất thấp, không đáng lo ngại Ngược lại, các doanh nghiệp, nhà máy và phân xưởng chủ yếu sử dụng động cơ không đồng bộ, là nguồn tiêu thụ chính của CSPK Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ phụ thuộc vào điều kiện làm việc và các yếu tố chính liên quan.
- Dung lượng của động cơ càng lớn thì hệ số công suất càng cao, suất tiêu thụ CSPK càng nhỏ
Hệ số công suất của động cơ phụ thuộc vào tốc độ quay, đặc biệt là ở các động cơ nhỏ Chẳng hạn, động cơ 1 kW ở tốc độ 3000 v/ph có hệ số công suất cosφ = 0,85, trong khi ở tốc độ 750 v/ph, cosφ giảm xuống còn 0,65 Đối với động cơ không đồng bộ, khi công suất lớn hơn, sự chênh lệch hệ số công suất giữa các tốc độ quay khác nhau sẽ giảm.
Hệ số công suất của động cơ không đồng bộ chịu ảnh hưởng lớn từ hệ số phụ tải Khi động cơ quay không tải, lượng công suất phản kháng cần thiết chỉ đạt khoảng 60-70% so với khi động cơ hoạt động ở tải định mức Công suất phản kháng Q cần thiết cho động cơ khi phụ tải bằng P có thể được tính theo một công thức cụ thể.
+ P n và Q n là công suất tác dụng và CSPK cần cho động cơ khi làm việc với phụ tải định mức
+ Q kh.tải là CSPK cần cho động cơ chạy không tải, với động cơ có cosφn = 0,9 thì
Khi tải giảm xuống 50% công suất định mức, động cơ với cosφn = 0,8 sẽ có Q kh.tải = 0,6Q n, dẫn đến cosφ giảm xuống còn 0,6 Điều này cho thấy sự ảnh hưởng của tải đến hệ số công suất của động cơ.
1.4.1.2 Đảm bảo mức điện điện áp cho phép
Khi có dòng điện chạy qua dây dẫn, sẽ luôn xảy ra hiện tượng điện áp rơi, dẫn đến điện áp tại các điểm khác nhau trên lưới không đồng nhất Mỗi thiết bị tiêu thụ điện được thiết kế để hoạt động hiệu quả nhất ở một điện áp nhất định Nếu điện áp cung cấp cho thiết bị không đạt mức định mức, hiệu suất hoạt động của chúng sẽ bị suy giảm.
1) Đèn thắp sáng (sợi nung)
Khi điện áp đặt U = Un - 5%U n thì quang thông giảm đi tới 18% Nếu điện áp giảm đi 10% thì quang thông giảm tới 30%
Khi điện áp tăng 5% so với mức điện áp danh định, tuổi thọ của bóng đèn sẽ giảm xuống còn một nửa Nếu điện áp tăng lên 10%, tuổi thọ của bóng đèn có thể giảm xuống dưới 1/3.
2) Các đồ điện gia dụng
Các thiết bị điện gia dụng như bếp điện, bàn là điện và lò nướng hoạt động dựa trên công thức P = RI² = U²/R Khi điện áp U giảm, thời gian hoạt động của các thiết bị này sẽ kéo dài, dẫn đến tổn thất năng lượng tăng cao.
3) Các lo ại động cơ điện
Mômen quay M của động cơ không đồng bộ trong các xí nghiệp công nghiệp tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào đầu cực Khi điện áp U giảm, mômen quay M sẽ giảm nhanh chóng Nếu điện áp đạt giá trị định mức U = Un, mômen quay sẽ đạt giá trị tương ứng.
Khi điện áp đặt U = 90%Un, mômen quay chỉ đạt 81%M n, trong khi M n là 100% Nếu điện áp giảm quá mức, động cơ có thể ngừng hoạt động hoặc không khởi động được Mômen quay không đủ có thể dẫn đến hỏng hóc sản phẩm hoặc giảm chất lượng sản phẩm.
Khi điện áp đầu vào của động cơ tăng 10% trong thời gian dài, vật liệu cách điện sẽ nhanh chóng bị hỏng do nhiệt độ dây quấn và lõi thép tăng cao, dẫn đến việc tuổi thọ của động cơ chỉ còn lại một nửa.
Việc duy trì điện áp ở mức cho phép là một chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng, tuy nhiên, không thể giữ điện áp đầu cực của thiết bị điện cố định luôn ở mức định mức Thay vào đó, chỉ có thể đảm bảo điện áp thay đổi trong một phạm vi nhất định theo tiêu chuẩn kỹ thuật, thường dao động khoảng ± 5% so với điện áp định mức của lưới điện.
U là điện áp thực tế trên cực các thiết bị dùng điện, ∆V phải thỏa mãn điều kiện sau:∆V - ≤ ∆V ≤ ∆ V +
∆V - và ∆V + là giới hạn dưới và giới hạn trên của đồ lệch điện áp
- Ở nước ta, theo “ Quy trìn h trang bị điện ” độ lệch điện áp cho phép trên phụ tải là:
+ Đối với động cơ điện: ∆V = (- 5 ÷10) %
+ Đối với các thiết bị chiếu sáng: ∆V = (- 2,5 ÷5) %
Đối với các thiết bị khác, độ lệch điện áp ∆V = ± 5% là tiêu chuẩn quan trọng nhất ảnh hưởng đến chi phí của hệ thống điện Để đảm bảo điện áp cung cấp cho phụ tải hoàn toàn chính xác với điện áp định mức là một thách thức lớn, do thực tế là điện áp tại các đầu cực của thiết bị phụ thuộc vào tổn thất điện áp Tổn thất điện áp trong quá trình truyền tải điện năng chịu ảnh hưởng bởi các thông số của mạng lưới và chế độ vận hành của phụ tải.
Từ biểu thức trên ta thấy:
- ∆U phụ thuộc vào R, X của đường dây, khi đóng hay cắt đường dây thì R và X sẽ thay đổi
- P và Q là công suất của phụ tải, chúng luôn luôn thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nhất định nào
- Nếu là mạng điện địa phương, tiết diện dây dẫn nhỏ, điện áp thấp, tức là R > X, nên công suất tác dụng P sẽ có ảnh hưởng nhiều đến trị số ∆U
- Nếu là mạng điện khu vực, công suất truyền tải lớn, tiết diện dây dẫn lớn, điện áp cao, tức là X > R nên CSPK sẽ ảnh hưởng nhiều đến ∆U
Tóm lại, việc thay đổi công suất P và Q trên đường dây sẽ ảnh hưởng đến tổn thất điện áp Công suất P chỉ có thể được phát ra từ máy phát điện và phụ thuộc vào yêu cầu của phụ tải, do đó không thể tự ý điều chỉnh Do đó, để thay đổi tổn thất điện áp ∆U và điều chỉnh điện áp tại phụ tải, cần phải thay đổi công suất phản kháng Q trên đường dây.
Có thể điều chỉnh sự phân bổ CSPK trên lưới điện thông qua việc lắp đặt máy bù đồng bộ hoặc tụ điện tĩnh Ngoài ra, việc phân bổ lại CSPK giữa các nhà máy điện trong hệ thống cũng là một phương pháp hiệu quả.
1.4.1.3 Gi ảm tổn thất công suất đến giới hạn cho phép
Ta có công thức tính toán tổn thất công suất:
Nâng cao điện áp vận hành của mạng điện sẽ giúp giảm thiểu ∆P và ∆A Tuy nhiên, các phụ tải yêu cầu một mức điện áp nhất định, vì vậy cần phải tăng điện áp mà vẫn duy trì điện áp ổn định cho các phụ tải.