BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSφ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TH S HOÀNG NGUYÊN PHƯỚC Sinh viên thực hiện Trương Văn Huy Mã SV 1711020153 Lớp 17DDCB1 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Rôn Mã SV 1711020453 Lớp 17DDCB1 Sinh viên thực hiện Cấn Quốc Duy Mã SV 1711020457 Lớp 17DDCB1 Tp HCM, tháng 08 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHI.
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ LĨNH VỰC BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG – NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSφ
Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa, việc nâng cao chất lượng sống và phát triển toàn diện trở thành ưu tiên hàng đầu Nhu cầu ứng dụng công nghệ điều khiển tự động ngày càng gia tăng trong đời sống và sản xuất, đòi hỏi sự linh hoạt, tiện lợi và hiệu quả kinh tế Tại Việt Nam, quá trình này diễn ra sôi động với sự xuất hiện của nhiều thiết bị hiện đại phục vụ cho tự động hóa trong sản xuất và gia công Các nhà máy ngày càng tích cực áp dụng hệ thống tự động và robot công nghiệp để thay thế sức lao động con người.
Nhu cầu ngày càng tăng của con người thúc đẩy sản xuất phải gia tăng để đáp ứng Tuy nhiên, sản xuất cần phải tối ưu hóa, tiết kiệm năng lượng và đảm bảo an toàn.
Trong những năm gần đây, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, đặc biệt là trong lĩnh vực bù công suất phản kháng, hay còn gọi là nâng cao hệ số công suất Cosφ.
Nghiên cứu và ứng dụng bù công suất phản kháng đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, mang lại hiệu quả lớn cho ngành điện và sự phát triển công nghệ, kinh tế - xã hội Kỹ thuật này đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, giúp giảm đáng kể chi phí vận hành hệ thống điện và chi phí sử dụng điện cho các cơ quan, nhà máy, xí nghiệp Hơn nữa, bù công suất phản kháng còn góp phần ổn định hệ thống điện.
Kỹ thuật bù công suất phản kháng đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều nghiên cứu mới được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện và tối ưu hóa việc sử dụng, tiết kiệm điện năng.
Trong những năm gần đây, Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc giải quyết vấn đề năng lượng điện, đặc biệt là sự thiếu hụt điện năng và tình trạng thiết bị lạc hậu Hệ thống điện hiện tại vận hành không ổn định, do đó, nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật bù công suất phản kháng trở thành ưu tiên hàng đầu để phù hợp với lưới điện quốc gia Các nhà máy, xí nghiệp và doanh nghiệp đang phải gánh chịu áp lực lớn từ chi phí điện năng, đặc biệt trong bối cảnh giá điện liên tục tăng.
Nghiên cứu và áp dụng kỹ thuật bù công suất phản kháng được coi là giải pháp hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng điện năng và giảm chi phí tiền điện.
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Để giải quyết vấn đề thiếu hụt nguồn năng lượng điện tại Việt Nam và tối ưu hóa việc sử dụng điện, kỹ thuật bù công suất phản kháng hay nâng cao hệ số công suất Cosφ đang được xem là giải pháp hiệu quả Giải pháp này không chỉ giúp cải thiện chất lượng điện năng mà còn giảm thiểu chi phí tiền điện và hạn chế hao phí năng lượng, mang lại lợi ích lớn cho người sử dụng.
Các lợi ích từ việc nâng cao hệ số công suất Cosφ và bù công suất phản kháng đã thúc đẩy nhiều nghiên cứu kỹ thuật trong lĩnh vực này Việc áp dụng những thành quả nghiên cứu từ cả thế giới và Việt Nam vào quy trình vận hành và sử dụng điện của các hộ tiêu thụ đang mang lại hiệu quả lớn Do đó, việc trang bị hệ thống nâng cao hệ số công suất gần như trở thành yêu cầu bắt buộc đối với các cơ quan, doanh nghiệp, xí nghiệp, cơ sở sản xuất và hệ thống truyền tải điện.
Nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình hệ thống nâng cao hệ số công suất Cosφ” do sự cần thiết của nó trong bối cảnh hiện tại.
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
- Hiểu được tầm quan trọng của hệ thống bù công suất phản kháng
- Nắm được nguyên lý hoạt động của hệ thống
- Hiểu và nắm được các yêu cầu cơ bản về mạch điều khiển
- Xây dựng được chương trình điều khiển
- Thiết kế và thi công được mô hình hoặc mô phỏng bằng phần mềm.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁCH TIẾP CẬN ĐỀ TÀI
1.4.1 Các phương pháp nghiên cứu
Phương pháp mô phỏng trong phân tích thiết kế dựa trên lý thuyết giúp thực hiện việc thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống nâng cao hệ số công suất Cosφ, đồng thời điều khiển bù công suất phản kháng cho tải cảm, phù hợp với thực tế.
- Phương pháp tính toán: Tính toán lựa chọn các linh kiện, khí cụ điện… Từ thực nghiệm điều chỉnh các thông số cho phù hợp công nghệ
1.4.2 Cách tiếp cận đề tài
- Tổng quan về các công trình nghiên cứu có liên quan
- Tổng hợp các lý thuyết xoay quanh lĩnh vực nghiên cứu
- Học hỏi từ những hệ thống bù đã và đang được sử dụng ở những công ty, xí nghiệp, doanh nghiệp…
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống nâng cao hệ số công suất Cosφ
• Điều khiển nâng cao hệ số công suất Cosφ – bù công suất phản kháng
• Sử dụng phương pháp bù tụ, đóng cắt bằng Contactor.
KẾT CẤU VÀ NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài nghiên cứu gồm có 6 chương:
- Chương 1: Giới thiệu tổng quan
- Chương 2: Tìm hiểu về công suất phản kháng và bù công suất phản kháng
- Chương 3: Các giải pháp nâng cao hệ số công suất cosφ – tính toán và kiểm tra tụ bù
- Chương 4: Thiết kế mô hình điều khiển hệ thống nâng cao hệ số công suất cosφ
- Chương 5: Phân tích và chuyển đổi mạch điều khiển cứng sang điều khiển bằng PLC
- Chương 6: Đánh giá kết quả, kết luận.
GIỚI HẠN
Do hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm, cùng với điều kiện thực hiện khó khăn do tình hình dịch COVID-19 phức tạp, đề tài chỉ được xây dựng dưới dạng mô hình và mô phỏng, phục vụ cho quy mô thí nghiệm và nghiên cứu.
TÌM HIỂU VỀ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
CÁC KHÁI NIỆM CHUNG
2.1.1 Khái niệm công suất phản kháng
Công suất phản kháng (CSPK) hay công suất hư kháng, công suất ảo Q là khái niệm quan trọng trong kỹ thuật điện, biểu thị phần công suất điện chuyển ngược về nguồn cung cấp năng lượng trong mỗi chu kỳ Điều này xảy ra do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng, gây ra bởi sự lệch pha giữa hiệu điện thế u(t) và dòng điện i(t).
Khi u(t), i(t) biến đổi theo đồ thị hàm sin, ta có:
- U,I: Các giá trị hiệu dụng của u(t), i(t)
Công suất phản kháng Q là phần ảo của công suất biểu kiến S:
𝑆 = 𝑃 + 𝑖𝑄 (2.2) Đơn vị của Q là VAr (Volt Amperes reactive)
2.1.2 Khái niệm hệ số công suất
Hệ số công suất là tỷ lệ giữa công suất tác dụng và công suất biểu kiến, thể hiện mối quan hệ chặt chẽ giữa các đại lượng công suất thông qua tam giác công suất.
Hình 2.1 Tam giác công suất
- S: Công suất biểu kiến (toàn phần)
Trị số của góc φ có ý nghĩa rất quan trọng:
Trong nghiên cứu và tính toán thực tế, người ta thường dùng khái nghiệm hệ số công suất Cosφ thay cho góc giữa S và P (φ)
Nếu dòng điện hoặc điện áp có chứa sóng hài thì hệ số công suất và Cosφ sẽ khác nhau một hệ số biến dạng Sin
Khi ấy, Cosφ được định nghĩa:
Khi hệ số công suất Cosφ giảm (tức góc φ tăng), công suất phản kháng tiêu thụ hoặc truyền tải sẽ tăng lên, trong khi công suất tác dụng giảm Ngược lại, khi Cosφ tăng (tức φ giảm), lượng công suất phản kháng tiêu thụ hoặc truyền tải sẽ giảm và công suất tác dụng sẽ tăng.
Lượng CSPK truyền tải trên lưới điện các cấp từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ càng lớn thì càng gây tổn thất lớn trên lưới điện.
CÁC NGUỒN TIÊU THỤ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
Công suất phản kháng chủ yếu được tiêu thụ bởi động cơ không đồng bộ, máy biến áp, kháng điện trên đường dây tải điện, cũng như các thiết bị 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 chúng là yếu tố thiết yếu để tạo ra từ trường, đóng vai trò trung gian trong quá trình chuyển đổi giữa các dạng năng lượng khác nhau.
2.2.1 Động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ là thiết bị chủ yếu tiêu thụ CSPK trong hệ thống điện CSPK của động cơ không đồng bộ bao gồm hai thành phần chính:
- Một phần CSPK được dùng để sinh ra từ trường tản trong mạch điện sơ cấp
- Phần lớn CSPK còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở
Các xí nghiệp công nghiệp thường sử dụng động cơ không đồng bộ ba pha, thường xuyên ở trạng thái non tải hoặc không tải, dẫn đến tiêu thụ lượng công suất phản kháng Q rất lớn với hệ số công suất cosφ thấp, thường dao động từ 0,5 đến 0,6 Lượng công suất phản kháng Q mà các xí nghiệp này tiêu thụ chiếm khoảng 65% - 70% tổng công suất Q phát ra từ nhà máy điện.
Hệ số công suất của động cơ phụ thuộc vào mức chất tải mà động cơ đang hoạt động Bảng 2.1 cung cấp các giá trị điển hình của Cosφ cho động cơ không đồng bộ.
Bảng 2.1 Một số giá trị cosφ của động cơ không đồng bộ điển hình Động cơ chất tải Cosφ
Máy biến áp (MBA) tiêu thụ khoảng 22% - 25% nhu cầu CSPK trên tổng lưới điện, thấp hơn so với nhu cầu của các động cơ không đồng bộ do CSPK dùng để từ hóa lõi thép MBA nhỏ hơn Mặc dù MBA không có khe hở không khí, nhưng với số lượng thiết bị và dung lượng lớn, nhu cầu tổng CSPK của MBA vẫn rất đáng kể.
Lượng CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm:
▪ Công suất tổn hao trong lõi sắt
▪ Công suất tổn hao trong cuộn dây
Các thiết bị điện như đèn huỳnh quang, cuộn kháng và thiết bị cảm ứng tiêu thụ công suất phản kháng Đèn huỳnh quang truyền thống sử dụng chấn lưu để hạn chế dòng điện, với hệ số công suất chưa hiệu chỉnh cosφ trong khoảng 0,3 – 0,5 Trong khi đó, đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện từ cho hệ số công suất gần bằng 1, do đó thường không cần hiệu chỉnh Tuy nhiên, khi khởi động, các thiết bị này tạo ra sóng hài, ảnh hưởng đến đường dây trên không và cáp ngầm trung thế, dẫn đến việc phát Q vào lưới khi tải nhỏ và hấp thụ Q khi tải lớn.
Các dây cáp hạ thế tiêu thụ Q Dây trung thế trên không chỉ tiêu thụ Q.
CÁC NGUỒN PHÁT CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
Nhà máy điện không chỉ có khả năng phát công suất tác dụng P mà còn có thể phát công suất phản kháng Tuy nhiên, khả năng phát công suất phản kháng (CSPK) của các nhà máy điện là rất hạn chế, với hệ số công suất (cosφ) thường dao động từ 0,8 đến 0,9 hoặc cao hơn.
Việc tạo ra các máy phát có khả năng cung cấp nhiều CSPK cho phụ tải gặp nhiều khó khăn do các lý do chủ quan và khách quan Các máy phát chỉ đáp ứng một phần nhu cầu CSPK, trong khi phần còn lại được bù đắp bởi các thiết bị bù Các thiết bị bù này bao gồm tụ điện tĩnh và động cơ đồng bộ hoạt động như máy bù.
Trong hệ thống điện, một nguồn phát quan trọng là các đường dây tải điện, đặc biệt là đường cáp và đường dây cao áp Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào lưới điện phân phối, với sự chú ý đặc biệt đến các đường dây 35kV dài và các đường cáp ngầm, cũng như công suất phản kháng liên quan.
10 phát ra từ các phần này cũng không nhiều nên nguồn CSPK chính vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ và máy bù
2.4 MẠCH R, L, C VÀ VAI TRÒ TRONG VIỆC SẢN SINH NĂNG LƯỢNG PHẢN KHÁNG
Hình 2.2 Mạch R, L, C với nguồn áp kích thích điều hòa hình Sin
Xét mạch điện 1 pha với nguồn điện áp 𝑢 = 𝑈 𝑚 𝑆𝑖𝑛𝜔𝑡 (Hình 2.2)
Ta có công suất tức thời qua các phần tử R, L, C lần lượt là:
Công suất tức thời qua phần tử R không có dạng sin, trong khi công suất tức thời qua hai phần tử L và C lại có dạng sin với tần số 2ω, như được thể hiện trong các biểu thức (2.6), (2.7) và (2.8).
Công suất trung bình trong một chu kỳ T của điện áp nguồn qua các phần tử
Công suất trung bình qua phần tử R khác 0 cho thấy sự tiêu tán năng lượng, tức là năng lượng điện được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng, cơ năng và quang năng.
Từ công thức (2.11) và (2.12) => Công suất trung bình qua phần tử L và C đều bằng 0 => Không tiêu tán năng lượng
Hình 2.3 Công suất tức thời qua phần tử thuần trở
Hình 2.4 Công suất tức thời qua phần tử thuần kháng
Hình 2.5 Công suất tức thời qua phần tử thuần dung
Diện tích giữa đường cong PR(t) và trục thời gian trong hình 2.3 thể hiện năng lượng tiêu thụ của phần tử R trong chu kỳ T Giá trị Ptb dương cho thấy năng lượng được chuyển từ nguồn đến mạch điện và bị tiêu tán dưới dạng nhiệt.
Công suất trung bình qua phần tử L, được thể hiện trong Hình 2.4, có sự biến thiên liên tục giữa giá trị dương và âm Trong suốt chu kỳ T, công suất Ptb sinh ra là bằng không.
1⁄4chu kỳ đầu tiên của điện áp, cuộn kháng XL hoàn trả năng lượng cho nguồn cung cấp trước đó và trong 1
⁄4chu kỳ kế tiếp cuộn kháng XL hấp thụ năng lượng từ nguồn cung cấp Quá trình này diễn ra liên tục trong trạng thái xác lập của mạch
Hình 2.5 biểu diễn công suất trung bình qua phần tử C, cũng tương tự phần tử
L, ta thấy PC(t) biến thiên lúc dương lúc âm hoàn toàn, trong toàn chu kỳ T, công suất Ptb sinh ra bằng không Trong1
⁄4 chu kỳ đầu tiên của điện áp, tụ điện XC hấp thụ năng lượng từ nguồn cung cấp và trong 1
Trong chu kỳ tiếp theo, tụ điện sẽ hoàn trả lại năng lượng cho nguồn cung cấp trước đó Quá trình này diễn ra liên tục trong trạng thái ổn định của mạch điện.
Nhận xét về hai dạng sóng công suất tức thời qua phần tử L và C:
- Về mặt hấp thụ và hoàn trả công suất cho nguồn cung cấp thì hai phần tử này có tính chất đối nghịch nhau: Trong 1
⁄4 chu kỳ điện áp nguồn thì công suất cuộn kháng mang dấu âm (-) thì tụ điện mang dấu dương (+) 1
⁄4 chu kỳ tiếp theo, cuộn kháng mang dấu dương (+) thì tụ điện mang dấu âm (-)
Trong trạng thái xác lập, cuộn kháng hấp thụ năng lượng bằng cách vay mượn từ mạch điện dung Nếu năng lượng từ mạch điện dung không đủ, nguồn sẽ cung cấp phần còn lại, và năng lượng này sẽ lưu thông trong mạch nối từ nguồn đến tổ hợp kháng và dung.
Tụ điện đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra năng lượng phản kháng, giúp bù đắp cho sự hấp thụ của điện kháng.
Năng lượng tích lũy trong mạch điện dung được gọi là năng lượng tĩnh điện, trong khi năng lượng tích lũy trong mạch điện kháng được gọi là năng lượng điện từ Đặc biệt, dấu hiệu của hai loại năng lượng này có sự đảo ngược với nhau.
▪ Năng lượng điện từ là năng lượng phản kháng dương (+)
▪ Năng lượng tĩnh điện là năng lượng phản kháng âm (-).
Ý NGHĨA CỦA BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
Bù công suất phản kháng và nâng cao hệ số công suất của thiết bị điện không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn cải thiện hiệu suất của hệ thống cung cấp điện và nâng cao chất lượng điện năng.
2.5.1 Bù công suất phản kháng giúp giảm tiền phạt
Tiền phạt, hay còn gọi là tiền mua điện năng phản kháng, được áp dụng khi hệ số công suất của doanh nghiệp hoặc xí nghiệp sản xuất có giá trị Cosφ nhỏ hơn 0,9 Trong trường hợp này, điện lực sẽ thu tiền điện năng phản kháng nhằm khuyến khích các doanh nghiệp cải thiện hệ số công suất của mình.
Bù công suất phản kháng là giải pháp hiệu quả giúp doanh nghiệp và nhà máy giảm thiểu các khoản phí phạt, đồng thời nâng cao hệ số công suất cosφ, mang lại lợi ích thiết thực cho hoạt động sản xuất.
Hình 2.6 Hóa đơn phạt công suất phản kháng 2.5.2 Bù công suất phản kháng làm giảm tổn thất công suất
Trong các xí nghiệp công nghiệp, phụ tải phản kháng thường chiếm đến 130% so với phụ tải tác dụng Việc truyền tải công suất phản kháng qua đường dây và máy biến áp trong lưới điện không mang lại hiệu quả kinh tế.
Một trong những nguyên nhân gây tổn thất công suất và điện năng trong lưới cung cấp điện là do sự hiện diện của điện trở R trong các phần tử của lưới điện Tổn thất công suất tác dụng xảy ra từ các yếu tố này, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điện.
Xét công thức tính tổn thất công suất:
Phân tích công thức cho thấy tổn hao công suất bao gồm hai thành phần: một là công suất tác dụng, phần này không thể giảm; hai là công suất phản kháng, phần này hoàn toàn có thể được giảm thiểu.
Theo biểu thức (2.3), ta có:
Thay vào biểu thức (2.13) ta được:
Việc nâng cao hệ số công suất trong truyền tải năng lượng điện có ý nghĩa quan trọng, vì khi giảm lượng công suất phản kháng (Q), tổn thất công suất trong lưới sẽ giảm và chất lượng điện áp được cải thiện.
2.5.3 Bù công suất phản kháng làm giảm sụt áp
Giả thiết công suất tác dụng không đổi, cosφ tăng từ cosφ1 lên cosφ2, tức là lượng công suất phản kháng truyền tải giảm từ Q1 xuống Q2 Khi đó Q1 > Q2
Hình 2.7 Trị số Q tương ứng với trị số góc φ 2.5.4 Làm tăng khả năng tải của đường dây và biến áp
Theo hình 2.7, ta thấy rằng S2 nhỏ hơn S1, điều này có nghĩa là đường dây và máy biến áp chỉ cần tải công suất S2 sau khi giảm lượng Q truyền tải Nếu đường dây và máy biến áp đã được chọn để tải S1, thì với Q2, khả năng tải công suất P có thể lớn hơn Điều này chứng tỏ rằng việc giảm Q có thể làm tăng khả năng tải công suất P của đường dây và máy biến áp, từ P1 lên P2.
CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSφ – TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA TỤ BÙ
CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSφ TỰ NHIÊN
Nâng cao hệ số công suất cosφ tự nhiên hay bù cosφ tự nhiên đề cập đến các giải pháp đơn giản và tiết kiệm chi phí giúp tăng giá trị cosφ mà không cần lắp đặt thiết bị bù Những biện pháp này giúp giảm lượng tiêu thụ điện năng Q của doanh nghiệp, mang lại hiệu quả kinh tế cao.
3.1.1 Thay động cơ có công suất phù hợp
Trị số cosφ của động cơ tỉ lệ với hệ số tải của động cơ, động cơ càng non tải thì cosφ càng thấp
Các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp lớn thường sử dụng hàng trăm thiết bị và động cơ khác nhau Việc thay thế các động cơ thường xuyên hoạt động non tải bằng những động cơ có công suất nhỏ hơn và phù hợp hơn sẽ giúp tăng hệ số tải Điều này không chỉ cải thiện cosφ của từng động cơ mà còn nâng cao cosφ tổng thể của toàn bộ nhà máy, xí nghiệp một cách đáng kể.
- Với những động cơ có K t < 0,45 thì nên thay động cơ
- Với những động cơ có K t > 0,75 thì không nên thay động cơ
Đối với các động cơ có chỉ số 0,45 < K t < 0,75, cần đánh giá hai phương án: thay thế hoặc không thay thế động cơ non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn Việc này nhằm xác định phương án nào mang lại lợi ích kinh tế hơn trước khi đưa ra quyết định cuối cùng.
3.1.2 Giảm điện áp đặt vào cực động cơ thường xuyên non tải
Khi không thể thay thế các động cơ thường xuyên vận hành non tải, một giải pháp hiệu quả là giảm điện áp đặt vào các cực của động cơ Giải pháp này không chỉ làm tăng hệ số tải mà còn cải thiện hệ số công suất (cosφ) của động cơ Việc giảm điện áp trên các cực của động cơ không đồng bộ xuống mức tối thiểu Umin sẽ dẫn đến việc giảm công suất phản kháng tiêu thụ, nhờ vào việc giảm dòng điện từ hóa, từ đó nâng cao hệ số công suất.
17 góp phần làm giảm tổn thất công suất sác dụng và nâng cao được hiệu suất 𝜂 của động cơ
Trong thực tế, các phương pháp giảm điện áp ở các động cơ làm việc non tải được tiến hành theo:
- Đổi nối các cuộn dây stator từ nối tam giác sang nối hình sao
- Phân đoạn các cuộn dây stator
- Giảm thấp điện áp vận hành của lưới điện xí nghiệp công nghiệp bằng cách chuyển đổi các đầu phân áp của các máy biến áp hạ áp
Hình 3.1 Đổi nối tam giác - sao
Khi các cuộn dây động cơ được đấu theo hình tam giác, mỗi cuộn sẽ chịu điện áp dây Trong trường hợp động cơ hoạt động thường xuyên ở chế độ non tải, chúng ta có thể chuyển đổi cách đấu nối tại cực động cơ sang hình sao Lúc này, điện áp trên hai cuộn sẽ là Ud, và mỗi cuộn chỉ chịu điện áp pha, với mối quan hệ giữa điện áp pha và điện áp dây là 𝑈 𝑝 = 𝑈 𝑑.
√3 , nghĩa là đã làm cho công suất động cơ giảm đi √3 lần
- Công suất động cơ khi đấu tam giác: 𝑃 = √3 𝑈 𝑑 𝐼 𝑐𝑜𝑠𝜑
- Công suất động cơ khi đấu sao: 𝑃 ′ = √3 𝑈 𝑝 𝐼 𝑐𝑜𝑠𝜑
Với công suất làm việc thực tế Plv không đổi thì hệ số tải đã được nâng cao:
Việc chuyển đổi các cuộn dây stator của động cơ chỉ nên áp dụng cho những động cơ có điện áp dưới 1000 V và thường xuyên hoạt động với tải dưới 30% - 40% so với công suất định mức.
Khi chuyển đổi động cơ từ cấu hình tam giác sang sao, moment quay của động cơ sẽ giảm xuống một phần ba, do đó cần kiểm tra giới hạn khả năng mang tải của động cơ để đảm bảo điều kiện hoạt động ổn định.
Hệ số mang tải giới hạn gần bằng:
- k m max : Bội số moment quay lớn nhất so với định mức (hệ số k m max thường cho ở thông số kỹ thuật của động cơ).
Việc phân đoạn cuộn dây stator của động cơ điện không đồng bộ chỉ khả thi khi không thể chuyển đổi từ cấu hình tam giác sang sao.
3.1.3 Tăng cường chất lượng sửa chữa động cơ Động cơ sau khi sửa chữa thường có cosφ thấp hơn so với trước sửa chữa, mức độ giảm thấp cosφ tùy thuộc vào chất lượng sủa chữa động cơ
Các nhà máy và xí nghiệp lớn thường xuyên phải sửa chữa hàng trăm động cơ, do đó, cần thiết phải thiết lập phân xưởng sửa chữa cơ khí chuyên trách để thực hiện nhiệm vụ này.
Chất lượng sửa chữa động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tiêu thụ năng lượng Q và nâng cao hệ số công suất cosφ của các doanh nghiệp Do đó, việc nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ cần được chú trọng tại các nhà máy và xí nghiệp công nghiệp.
Giả sử đặt ra giả thiết như sau, một nhà máy trung quy mô có tổng công suất tính toán vào khoảng P = 10000 (kW), cosφ = 0,5, lượng Q tiêu thụ sẽ là:
𝑄 = 𝑃 𝑡𝑎𝑛𝜑 1 = 10000 × 1,732 = 17320 (𝑘𝑉𝐴𝑟) Nhà máy sau khi sử dụng các giải pháp bù tự nhiên kể trên, nâng được cosφ lên 0,62 Khi đó lượng Q tiêu thụ sẽ còn:
𝑄 = 𝑃 𝑡𝑎𝑛𝜑 2 = 10000 × 1,265 = 12650 (𝑘𝑉𝐴𝑟) Lượng Q đã giảm được là:
17320 − 12650 = 4670 (𝑘𝑉𝐴𝑟) Như vậy, nhà máy đã giảm bớt được khoản tiền mua 4670 (kVAr) dung lượng công suất phản kháng
Bằng việc áp dụng các giải pháp bù tự nhiên, các nhà máy và xí nghiệp có thể cải thiện hệ số công suất trước khi triển khai thiết bị bù cosφ, từ đó mang lại nhiều lợi ích kinh tế rõ rệt.
CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSφ NHÂN TẠO 19
Để cải thiện hệ số công suất tại các nhà máy và xí nghiệp, ngoài việc áp dụng các giải pháp tự nhiên, cần thực hiện các biện pháp bù cosφ nhân tạo Điều này bao gồm việc sử dụng các thiết bị bù như máy bù đồng bộ và tụ điện tĩnh.
3.2.1 Máy bù đồng bộ Động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải được gọi là máy bù đồng bộ Điều này cho phép chế tạo các máy bù đồng bộ với các khe hở không khí nhỏ hơn và trục nhẹ hơn so với động cơ thường
Máy bù đồng bộ có cấu trúc đơn giản và không có phụ tải trên trục động cơ, hoạt động ở chế độ máy phát để phát ra công suất phản kháng khi quá kích từ, hoặc ở chế độ động cơ để tiêu thụ công suất phản kháng khi non kích từ Sự điều chỉnh công suất phản kháng được thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích từ, với công suất của máy bù đồng bộ dao động từ 5000kVAr đến hơn 75000kVAr Một trong những ưu điểm nổi bật của máy bù đồng bộ là khả năng điều chỉnh mềm công suất phản kháng theo nhu cầu của phụ tải.
Máy bù đồng bộ có một số nhược điểm đáng chú ý như giá thành cao và kích thước cồng kềnh, khiến việc vận hành trở nên phức tạp Ngoài ra, chúng còn gây ra tiếng ồn trong quá trình hoạt động và chiếm diện tích lớn, có thể yêu cầu xây dựng nhà xưởng riêng Hơn nữa, thiết bị này dễ gặp sự cố do phần quay, đặc biệt là khi có hiện tượng đánh lửa ở các chổi than.
Chi phí cho các máy bù đồng bộ tăng đáng kể khi công suất định mức giảm, đồng thời tổn thất công suất tác dụng cũng lớn Do đó, máy bù đồng bộ chỉ nên được sử dụng khi công suất bù lớn từ 5000 kVAr trở lên.
20 mặt hạn chế này mà phạm vi sử dụng của máy bù đồng bộ không phổ biến so với tụ bù
Tụ bù tĩnh là thiết bị điện chuyên dụng, có chức năng phát ra công suất phản kháng Hoạt động của nó tương tự như máy bù đồng bộ, nhưng chỉ làm việc ở chế độ quá kích từ và cung cấp công suất phản kháng.
Bảng 3.1 So sánh tính kinh tế - kỹ thuật của máy bù và tụ bù
Cấu tạo, vận hành, sửa chữa phức tạp Cấu tạo, vận hành, sửa chữa đơn giản
Chi phí đắt Chi phí rẻ hơn
Tổn thất công suất tác dụng lớn Tổn thất công suất tác dụng nhỏ
Hoạt động gây tiếng ồn lớn Hoạt động yên tĩnh Điều chỉnh Qb trơn Điều chỉnh Qb theo cấp
Theo bảng so sánh 3.1, tụ bù có nhiều ưu điểm vượt trội hơn so với máy bù Tuy nhiên, nhược điểm của tụ bù là công suất Qb phát ra không ổn định, mà thay đổi theo cấp bậc khi số lượng tụ bù được tăng hoặc giảm.
Bù cosφ là một yếu tố quan trọng giúp nâng cao giá trị cosφ của xí nghiệp, thường đạt từ 0,9 đến 0,95, nhằm tuân thủ các quy định hiện hành.
PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
Bù phía trung áp thường được áp dụng khi dung lượng bù lớn hơn 2000 kVAr Lợi ích của việc sử dụng bù phía trung áp là giá thành của tụ cao áp thường thấp hơn so với tụ hạ áp Tuy nhiên, phương pháp này không giúp giảm thiểu tổn thất điện năng trong trạm biến áp và lưới hạ áp của xí nghiệp.
Bù phía hạ áp thường được áp dụng cho dung lượng bù nhỏ hơn 2000 kVAr, với tụ điện được lắp đặt tại thanh cái hạ áp của trạm biến áp (TBA) xí nghiệp Mặc dù việc lắp đặt tụ điện tại vị trí này không giúp giảm tổn thất điện năng trong lưới hạ áp của xí nghiệp, nhưng nó lại có tác dụng giảm tổn thất điện năng trong TBA.
Hình 3.4 Sơ đồ đặt tụ bù trên lưới điện 3.3.2 Theo vị trí lắp đặt
Phân loại theo vị trí lắp đặt có 3 hình thức bù:
- Bù tập trung: Tụ điện được đặt ở điểm đầu của mạng điện
- Bù nhóm: Các tụ được đặt tại tủ phân phối cung cấp Q cho nhóm thiết bị Bù nhóm được dùng ở những nơi tiêu thụ Q lớn
Bù riêng là phương pháp sử dụng tụ điện được kết nối trực tiếp tại đầu vào của thiết bị hoặc động cơ Thông thường, các tụ điện này không đi kèm với thiết bị đóng cắt, dẫn đến việc khi động cơ ngừng hoạt động, lưới điện sẽ thiếu hụt một lượng công suất Q tương ứng với công suất của tụ Các phương pháp bù điện bao gồm bù tập trung, bù nhóm và bù riêng.
Hình 3.5 Các hình thức bù theo vị trí lắp đặt tụ bù 3.3.3 Theo cách đóng cắt tụ bù
- Bù nền (bù tĩnh): Bù trực tiếp, thường dùng bù trước một phần công suất phản kháng mà không xảy ra dư công suất phản kháng
- Bù ứng động (tự động điều chỉnh hệ số công suất phản kháng): Dùng cho hệ thống thay đổi, cần đáp ứng nhanh.
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DUNG LƯỢNG BÙ
Để chọn tụ bù cho một tải thì ta cần phải biết công suất (P) và hệ số công suất (Cosφ) của tải
Giả sử ta có công suất của tải là P
Hệ số công suất của tải là: 𝐶𝑜𝑠𝜑 1 → 𝜑 1 → 𝑡𝑎𝑛𝜑 1
Hệ số công suất sau khi bù là: 𝐶𝑜𝑠𝜑 2 → 𝜑 2 → 𝑡𝑎𝑛𝜑 2
Công suất phản kháng cần bù là:
𝑄 𝑏 = 𝑃(𝑡𝑎𝑛𝜑 1 − 𝑡𝑎𝑛𝜑 2 ) (3.2) Giả sử ta có công suất động cơ P = 100 (kW)
Hệ số công suất trước khi bù là: 𝐶𝑜𝑠𝜑 1 = 0,78 → 𝑡𝑎𝑛𝜑 1 = 0,802
Hệ số công suất sau khi bù là: 𝐶𝑜𝑠𝜑 2 = 0,95 → 𝑡𝑎𝑛𝜑 2 = 0,328
Vậy theo biểu thức (3.2), công suất phản kháng cần bù là:
Dựa vào số liệu đã có, chúng ta lựa chọn tụ bù từ bảng catalogue của nhà sản xuất Giả sử mỗi tụ có công suất 10 kVAr, để bù đủ cho tải, chúng ta cần 5 tụ 10 kVAr, mang lại tổng công suất phản kháng là 50 kVAr.
Ngoài ra để thuận tiện cho việc tính nhanh dung lượng bù, người ta còn sử dụng “bảng tra dung lượng cần bù dựa theo hệ số k”
Lúc này, ta áp dụng công thức:
Với k là hệ số cần bù (Tra trong bảng tra dung lượng cần bù – xem phụ lục 2).
KIỂM TRA TỤ BÙ
Tụ bù là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện công nghiệp, thường được sử dụng tại các nhà máy và xí nghiệp Việc kiểm tra và đánh giá chất lượng tụ bù là cần thiết để lập kế hoạch bảo trì, sửa chữa và thay thế kịp thời các tụ kém chất lượng Điều này giúp ngăn chặn các sự cố nghiêm trọng như cháy nổ và tình trạng phù dầu.
Hình 3.6 Tụ bị bung dầu
3.5.1 Kiểm tra tụ bù bằng đồng hồ đo điện dung Đặc trưng của tụ điện là điện dung, vì vậy ta có thể dùng đồng hồ đo điện dung để kiểm tra xem tụ còn tốt hay không Điều kiện để thực hiện phép đo này là tụ phải đang không tải và được xả hết
Ta có thể dùng đồng hồ Fluke 179, Kyoritsu 1011, Hioki DT4256 hoặc tương đương để đo dung lượng tụ
Hình 3.7 Một số loại đồng hồ đo điện dung đa năng 3.5.2 Kiểm tra tụ bằng ampe kềm
Có thể kiểm tra tụ điện gián tiếp bằng cách đo dòng điện khi tụ hoạt động, phương pháp này không chỉ chính xác mà còn dễ thực hiện.
- Bước 1: Kiểm tra thông số dòng điện định mức đi qua tụ điện (A) được ghi trên nhãn do nhà sản xuất cung cấp
- Bước 2: Sử dụng ampe kềm, vặn về thang đo dòng điện và đo dòng điện đi qua tụ
Bước 3: So sánh kết quả đo được với giá trị dòng định mức ghi trên nhãn của tụ điện do nhà sản xuất cung cấp Thông thường, sau một thời gian sử dụng, dòng điện này sẽ bị giảm dần.
Hình 3.8 Sử dụng Ampe kềm để đo dòng điện đi qua tụ
Để kiểm tra tình trạng của tụ điện, cần xác minh rằng dòng điện của cả ba pha đều bằng nhau và đạt mức định mức ghi trên nhãn, điều này cho thấy tụ vẫn còn hoạt động tốt Tuy nhiên, sau một thời gian sử dụng, dòng điện có thể giảm xuống Dòng điện định mức thường xuyên qua các tụ điện là một yếu tố quan trọng cần lưu ý.
Bảng 3.2 Một số giá trị dòng điện định mức đi qua các tụ
Dung lượng tụ Giá trị dòng điện định mức
CÁC SƠ ĐỒ BÙ THÔNG DỤNG
Nhà máy có công suất đỉnh 160kW và hệ số công suất ban đầu là 0.75, với mục tiêu nâng cao hệ số công suất lên 0.95 sau khi bù Nhà máy hoạt động liên tục 24/24, và trong quá trình khảo sát, nhận thấy hiệu suất hoạt động của nhà máy không đạt yêu cầu.
27 động tại các mức công suất 100kW, 110kW, 120kW, 130kW, 140kW, 150kW và 160kW Chúng ta sẽ cùng xem xét và so sánh 2 phương án bù sau đây:
3.6.1 Bù ứng động 5 cấp x 20 kVAr
Hình 3.9 Sơ đồ bù ứng động 5 cấp
Hoạt động của bộ điều khiển được trình bày trong bảng 3.3, với đáp ứng công suất bù ứng động gồm 5 cấp Dữ liệu này được tổng hợp thông qua các phép tính dựa trên công thức 3.2.
Bảng 3.3 Hoạt động tụ bù ứng động 5 cấp
Dung lượng cần bù (kVAr) 55,0 60,5 66,0 71,5 77,0 82,5 88,0 Dung lượng bù (kVAr) 60,0 60,0 80,0 80,5 80,0 80,0 100,0 Sai số bù (kVAr) 5,0 -0,5 14,0 9,5 3,0 -2,5 12,0
3.6.2 Bù nền 1 cấp 50 kVAr và ứng động 4 cấp x 10 kVAr
Hình 3.10 Sơ đồ bù nền 1 cấp và ứng động 4 cấp
Bảng 3.4 trình bày hoạt động của bộ điều khiển với công suất bù nền 50kVAr và 4 cấp ứng động, dựa trên số liệu được tính toán từ công thức 3.2.
Bảng 3.4 Hoạt động tụ bù nền 1 cấp và ứng động 4 cấp
Dung lượng cần bù (kVAr) 55,0 60,5 66,0 71,5 77,0 82,5 88,0 Dung lượng bù (kVAr) 60,0 60,0 70,0 70 80,0 80,0 90,0 Sai số bù (kVAr) 5,0 -0,5 4,0 -1,5 3,0 -2,5 2,0
Việc sử dụng tụ bù nền giúp cải thiện độ chính xác của lượng bù, nhưng nếu thực hiện không đúng cách, có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị trong thời gian không tải.
Ngoài các phương án bù đã đề cập, cần chú ý đến việc bù nền cho trạm biến áp không tải, do khi máy biến áp hoạt động ở trạng thái không tải, hệ số công suất cosφ sẽ rất thấp.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSφ SỬ DỤNG TẢI CẢM
TỔNG QUÁT MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Mô hình hệ thống gồm có hai phần chính:
- Phần động lực bao gồm:
▪ Mạch động lực của hệ thống nâng cao hệ số cosφ
▪ Mạch động lực phần phụ tải sử dụng 3 động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc
- Phần điều khiển bao gồm:
▪ Mạch điều khiển hệ thống nâng cao hệ số cosφ
▪ Mạch điều khiển phụ tải sử dụng PLC và contactor.
XÁC ĐỊNH YÊU CẦU BÀI TOÁN THIẾT KẾ
Mục tiêu chính của hệ thống là cải thiện hệ số cosφ, do đó cần thiết lập mô hình tải Giả sử phụ tải bao gồm mạch điều khiển ba động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc, hoạt động tuần tự và được điều khiển bởi PLC ở hai chế độ: tự động và bằng tay Hệ số cosφ của mỗi động cơ được xác định dựa trên thông số trong catalogue của nhà sản xuất.
Lúc tải hoạt động, hệ thống tự xác định hệ số cosφ qua bộ điều khiển bù 4 cấp
Hệ thống SK QR – X4 tự động điều chỉnh tụ bù dựa trên giá trị cosφ của tải Nếu cosφ thấp hơn giá trị cài đặt, hệ thống sẽ tự động đóng tụ bù theo các cấp, và ngược lại Ngoài ra, người dùng cũng có thể thực hiện thao tác đóng/ngắt tụ bù ở chế độ bằng tay Mục tiêu là đạt được cosφ mong muốn là 0,95 sau khi bù.
TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC TẢI
Theo yêu cầu thiết kế, tải AC3 được xác định với mục tiêu nâng cao hệ số cosφ của tải lên 0,95 Do đó, khi tra cứu catalog động cơ 3 pha, ưu tiên chọn các động cơ có cosφ dưới 0,9 để giả tải.
Tra cứu catalogue động cơ điện 3 pha không đồng bộ rotor lồng sóc – 50Hz của hãng VIHEM (Xem phụ lục 3) cho phép lựa chọn 3 động cơ với các thông số cụ thể được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 4.1 Thông số động cơ 3 pha rotor lồng sóc – 50Hz
Chế độ làm việc kW HP (rpm) (V) (A) η% cosφ
4.3.2 Xác định phụ tải tính toán
Mục đích của việc xác định phụ tải tính toán là cung cấp cơ sở cho việc lựa chọn thiết bị trong lưới hoặc hệ thống Điều này bao gồm việc xác định số lượng thiết bị hiệu quả (n hq) cần thiết để đảm bảo hoạt động tối ưu của hệ thống.
Số thiết bị hiệu quả của nhóm n thiết bị được xác định là một chỉ số quy đổi, trong đó nhq thiết bị có công suất định mức và chế độ làm việc tương đồng, nhằm tạo ra phụ tải tính toán tương đương với phụ tải tiêu thụ thực tế của nhóm n thiết bị đó.
Số thiết bị hiệu quả có thể được tính gần đúng bằng công thức sau:
Với: P dmi : Công suất định mức của thiết bị thứ i Áp dụng công thức 4.1 ta tính được số thiết bị hiệu quả như sau:
32 b) Xác định hế số sử dụng của nhóm thiết bị K sd
Hệ số sử dụng ksd T là tỷ lệ giữa công suất tác dụng trung bình trong khoảng thời gian T và công suất định mức của thiết bị, với giá trị không vượt quá 1 Hệ số này phản ánh mức độ khai thác và sử dụng thiết bị theo không gian và thời gian Khi xem xét hệ số sử dụng trong ca mang tải lớn nhất, thường không cần chỉ định chỉ số T.
Theo tiêu chuẩn TVVN 9206:2012, hệ số sử dụng cho nhóm thiết bị động cơ có công suất dưới 30kW khi làm việc liên tục nằm trong khoảng 0,8 đến 0,9 Việc xác định phụ tải tính toán là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động của các thiết bị này.
Với nhq = 2,6 và n = 3, ta có phụ tải tính toán là:
Phụ tải đỉnh nhọn được định nghĩa là mức phụ tải cực đại tức thời, có vai trò quan trọng trong việc tính toán ảnh hưởng tới việc khởi động các động cơ điện.
- Với một thiết bị, đó chính là dòng mở máy I mm
▪ I mm = (5 – 7)I đm (đối với động cơ Rotor lồng sóc)
▪ I mm = (3 – 5)I đm (đối với động cơ Rotor dây quấn)
- Với nhóm thiết bị, dòng điện đỉnh nhọn là:
𝐼 đn = 𝐼 mm max + (𝐼 𝑡𝑡 − 𝐾 𝑠𝑑 𝐼 đm max ) (4.7)
- I mm max : Dòng điện mở máy lớn nhất của thiết bị trong nhóm thiết bị
- I đm max : Dòng điện định mức của thiết bị có dòng mở máy lớn nhất
Tra bảng catalogue động cơ Vihem (phụ lục 3), ta có tỷ số dòng khởi động động cơ lớn nhất của thiết bị trong nhóm là:
𝐼 dd = 6,5; 𝐼 đmĐC = 28,9 (𝐴) [đấu ∆] ; 𝐼 đmĐC = 16,7 (𝐴) [đấu ⅄]
Vì tải là động cơ không đồng bộ 3 pha, rotor lồng sóc, nên:
𝐼 𝑚𝑚 𝑚𝑎𝑥 = 6,5.28,9 = 187,85 (𝐴) Áp dụng công thức 4.7, tính được dòng đỉnh nhọn của phụ tải là:
Để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các thiết bị điện, việc tính toán dòng điện định mức (𝐼 đn) là rất quan trọng, với kết quả đạt 211,84 A Để phòng tránh thiệt hại trong trường hợp xảy ra sự cố điện, các thiết bị bảo vệ như cầu chì và CB (circuit breaker) nên được sử dụng.
CB (Circuit Breaker), là khí cụ điện dùng đóng ngắt mạch điện, nhiệm vụ của
CB là thiết bị cách ly mạch sự cố khỏi lưới điện, giúp giảm thiểu thiệt hại do sự cố ngắn mạch, quá dòng, quá tải và hỏng cách điện Các chức năng chính của CB bao gồm bảo vệ hệ thống điện và đảm bảo an toàn cho thiết bị và người sử dụng.
Bảng 4.2 Các chức năng của CB
Bảo vệ Cách ly Đóng cắt
- Cách điện giữa các tiếp điểm mở
- Đóng cắt theo chức năng
- Đóng cắt lúc khẩn cấp
- Đóng cắt khi bảo trì cơ
Nguyên lý hoạt động của thiết bị bảo vệ dựa vào dòng điện đi qua chúng Khi dòng điện nhỏ hơn hoặc bằng giá trị cho phép (Iđm), mạch sẽ hoạt động bình thường Tuy nhiên, nếu dòng điện vượt quá mức cho phép, thiết bị sẽ kích hoạt để bảo vệ mạch.
Thiết bị bảo vệ 34 phép sẽ ngay lập tức hoặc sau một khoảng thời gian nhất định tác động và cách ly mạch có sự cố Một số thiết bị bảo vệ và cách ly bao gồm:
ACB (máy cắt không khí) là thiết bị thường được sử dụng cho điện hạ áp, phù hợp với các đường dây nguồn và tải có dòng lớn, thường từ 400A trở lên Dòng định mức tối đa của ACB có thể đạt đến 6300A, giúp đảm bảo an toàn và hiệu suất cho hệ thống điện.
- VCB (Vacuum Circuit Breakers): Máy cắt chân không, thường dùng với điện áp trung áp trở lên khoảng từ 6.6kV
MCCB (aptomat khối) là thiết bị bảo vệ được sử dụng trong mạng hạ áp, với khả năng cắt ngắn mạch lớn lên tới 80kA và dòng cắt định mức có thể đạt 2400A.
MCB (Miniature Circuit Breaker), hay còn gọi là CB tép, là loại cầu dao tự động nhỏ gọn, thường được sử dụng cho các phụ tải nhỏ MCB có dòng cắt định và dòng cắt quá tải thấp, thường là 100A/10kA, giúp bảo vệ hệ thống điện an toàn và hiệu quả.
- RCCB (Residual Current Circuit Breaker): Chống dòng rò loại có kích thước cỡ MCB 2 cực, 3cực, 4 cực
- RCBO (Residual Current Circuit Breaker with Overcurrent Protection): Chống dòng rò loại có kích thước cỡ MCB 2P có thêm bảo vệ quá dòng
ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker) là thiết bị chống dòng rò, thường được lắp đặt ở đầu mỗi nguồn điện và các nhánh cho hộ tiêu thụ điện ở cấp thấp hơn Thiết bị này hoạt động bằng cách phát hiện dòng dò xuống đất và tự động ngắt điện trong mạch điện phía sau, giúp bảo vệ con người khỏi nguy cơ giật điện.
- RCD (Residual Current Device): Một thiết bị luôn gắn kèm với MCCB hay MCB để bảo vệ chống dòng rò
35 b) Điều kiện, các yếu tố quan trọng khi lựa chọn CB:
- Các đặc tính của lưới điện mà CB được lắp đặt
- Các đặc tính của tải
- Dòng định mức của CB
- Dòng bảo vệ quá tải của CB
- Dòng cắt ngắn mạch định mức I cu
TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC TỦ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 47
Trong chương trước, chúng ta đã khám phá các phương án bù công suất phản kháng và xác định phương án tối ưu Do đó, mô hình này sẽ áp dụng phương án bù ứng động 4 cấp cho tải cảm, cụ thể là hệ thống 3 động cơ đã được đề cập trong mục 4.3.
Về phần mạch động lực của tủ bù công suất phản kháng cơ bản sẽ bao gồm các phần tử, thiết bị như MCCB, Contactor và các tụ bù
Hình 4.11 Sơ đồ mạch động lực tủ bù 4.4.2 Nguyên lý hoạt động
Hoạt động của hệ thống nâng cao hệ số công suất cosφ bao gồm 3 chế độ: a) Chế độ OFF:
Tất cả các MCCB (1 – 4) đều ở vị trí OFF, các tụ không được kết nối vào hệ thống b) Chế độ MANUAL (Bằng tay):
Các bộ tụ bù có thể được kết nối vào hệ thống bằng cách chuyển sang chế độ MAN từ bộ điều khiển bù 4 cấp SK QR-X4, cho phép đóng các MCCB (1 – 4) vào hệ thống Dung lượng bù sẽ thay đổi tùy thuộc vào số lượng tụ được đóng Việc thực hiện đóng tụ bù ở chế độ MAN cũng được quản lý thông qua bộ điều khiển bù 4 cấp SK QR-X4.
Chế độ AUTO của bộ điều khiển bù 4 cấp SK QR-X4 tự động kích hoạt các bộ tụ theo thông số cài đặt Dựa trên lệnh từ bộ điều khiển, các MCCB (1 – 4) sẽ được kết nối vào hệ thống.
Các bộ tụ sẽ được điều khiển đóng cắt bởi các contactor, với cuộn dây được kết nối nguồn 220V thông qua bộ điều khiển SK, cho phép sử dụng linh hoạt trong cả chế độ Manual và Auto.
4.4.3 Tính toán dung lượng tụ bù
Trong các phần trước, chúng ta đã xác định các thông số tính toán của phụ tải, tạo điều kiện cho việc tính toán dung lượng tụ bù Trong phần này, chúng ta sẽ áp dụng phương pháp cosφ trung bình cùng với công suất tính toán để lựa chọn dung lượng phù hợp cho hệ thống bù công suất phản kháng.
Bảng 4.10 Thông số tính toán của tải
Chế độ làm việc kW HP (rpm) (V) (A) η% cosφ
Công suất tính toán của tải: 𝑃 𝑡𝑡 = 31,5 (𝑘𝑊) (Theo biểu thức 4.3)
Hệ số công suất của tải là: 𝑐𝑜𝑠𝜑 1 = 𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑡𝑏 = 0,86 → 𝑡𝑎𝑛𝜑 1 = 0,6
Hệ số công suất sau khi bù là: 𝑐𝑜𝑠𝜑 2 = 0,95 → 𝑡𝑎𝑛𝜑 2 = 0,33
Dung lượng cần bù là:
Từ số liệu này ta chọn tụ bù trong bảng Catalogue của hãng Samwha Chọn tụ có mã RMC – 405025KT
Bảng 4.11 Thông số kỹ thuật tụ bù RMC – 405025KT
Loại Dung lượng Dòng điện Kích thước [mm]
50 Để bù đủ cho tải thì ta cần bù 4 tụ 2,5 (kVAr) Tổng công suất phản kháng là
Hình 4.12 Thông số tụ bù theo Catalogue của hãng Samwha
4.4.4 Tính chọn MCB cho tụ bù
𝑈 đmCB ≥ 𝑈 đmHT Tra bảng Catalogue MCB hãng LS chọn MCB có mã BKN 3P C4A có thông số kỹ thuật như sau:
Hình 4.13 Thông số kỹ thuật MCB LS BKN 3P C4A
Vì hệ thống có 4 tụ cùng loại nên số lượng MCB cũng tương ứng với số lượng của tụ là 4 MCB BKN 3P C4A
4.4.5 Tính chọn contactor cho tụ
Căn cứ các điều kiện, thông số tính toán của tụ bù, tra bảng catalogue contactor hãng LS, chọn contactor có mã MC – 6a
Bảng 4.12 Thông số kỹ thuật contactor LS MC – 6a
Cuộn hút: 220V, 380V, Điện áp thử nghiệm xung (Uimp): 6kV Độ bền cơ học: 2.5 triệu lần đóng cắt
Tương thích relay nhiệt: MT – 12
Xuất xứ: LS Hàn Quốc
TÍNH CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BÙ
- Có thể điều khiển Manual – Auto
- Có thể chỉnh được thời gian đóng cắt
- Có thể cài đặt được giá trị cosφ
- Điều khiển đóng cắt dạng vòng – tuần tự
4.5.1 Bộ điều khiển tụ bù SK QR – X4
Hình 4.15 Bộ điều khiển tụ bù SK QR – X4 a Sơ đồ đấu dây của bộ điều khiển:
Hình 4.16 Sơ đồ đấu dây bộ điều khiển tụ bù
53 b Các đặc tính nổi bật của bộ điều khiển:
- Tự động đổi cực tính máy biến dòng CT
- Tự động tránh tình trạng đóng cắt lặp lại (nghĩa là không cần hệ số C/K)
Cho phép cài đặt thời gian trễ riêng biệt cho quá trình đóng và cắt, giúp dễ dàng điều chỉnh phù hợp với các phụ tải thay đổi liên tục.
Khi có điện, bộ điều khiển hoạt động tự động, hiển thị giá trị cosφ của phụ tải hoặc L o C khi không có tải.
Bộ điều khiển sẽ so sánh trị số cosφ của phụ tải với các ngưỡng đã được thiết lập để quyết định việc đóng hoặc cắt tụ bù Khi bộ điều khiển thực hiện quá trình này, đèn Delaying sẽ nhấp nháy theo thời gian trễ đã cài đặt.
Các cấp tụ bù được đóng/cắt theo thứ tự xoay vòng
Để chuyển sang chế độ đóng cắt bằng tay nhằm thử contactor hoặc tụ bù, nhấn nút [Mode/Prog.] khoảng 0,5 giây cho đến khi đèn Manual sáng lên Khi đó, bạn có thể đóng hoặc cắt tụ bù bằng cách nhấn nút [∆] hoặc [∇] Để trở về chế độ tự động, chỉ cần nhấn nút [Mode/Prog.] thêm 0,5 giây.
Để chuyển bộ điều khiển vào chế độ lập trình, bạn hãy nhấn nút [Mode/Prog.] trong khoảng 2 giây Màn hình sẽ hiển thị các thông số A, b, C, d cùng với các giá trị cài đặt 1, 2, 3, 4 tương ứng Tiếp theo, nhấn nút [Mode/Prog.] để chọn thông số mong muốn.
Nhấn nút [∆]/[∇] để chọn giá trị 1 hoặc 2… cho từng thông số
- Ngưỡng đóng A: Thông số A xác định ngưỡng đóng của bộ điều khiển
Chọn 1 trong 3 giá trị sau:
- Ngưỡng cắt b: Thông số b xác định ngưỡng cắt của bộ điều khiển
Chọn 1 trong 3 giá trị sau:
- Thời gian đóng C: Thông số C xác định thời gian trễ khi đóng của bộ điều khiển
Chọn 1 trong 4 giá trị sau:
- Thời gian cắt d: Thông số d xác định thời gian trễ khi cắt của bộ điều khiển
Chọn 1 trong 4 giá trị sau:
Ngoài 4 thông số chính kể trên còn có thêm thông số E và F
- Ngưỡng cắt E: Thông số E xác định ngưỡng bảo vệ quá điện áp cho bộ điều khiển
Chọn 1 trong 4 giá trị sau:
- Thông số F: Xác định số cấp cho phép mà bộ điều khiển được đóng
Chọn 1 trong 4 giá trị sau:
Sau khi chọn các giá trị cài đặt, nhấn nút [Mode/Prog.] trong khoảng 2 giây để bộ điều khiển thoát khỏi chế độ lập trình và lưu các giá trị mới vào bộ nhớ Bộ điều khiển này sử dụng bộ nhớ không mất dữ liệu, nghĩa là nội dung sẽ không bị mất khi nguồn điện bị ngắt.
Bảng 4.13 Thông số kỹ thuật bộ điều khiển bù SK QR-X4 Điện áp hoạt động AC220V ±15%, 50/60Hz
Công suất tiêu thụ 5VA
Quy cách cầu chì đề nghị 250V, 2A, có thời gian trễ Lắp ngoài
Quy cách máy biến dòng Dòng thứ cấp định mức 5A
Khả năng đóng cắt của Relay AC400V/DC120 2A tải trở 120000 lần tác động Thứ tự đóng cắt của tiếp điểm Xoay vòng 1.1.1.1 Độ chính xác 1.0%
Kích thước cắt tủ điện 92x92mm
Dải nhiệt độ/ độ ẩm vận hành -10C ~ 35C, 10% ~ 85%RH
Sử dụng các đồng hồ đo Volt và Ampe, được thiết kế bằng loại chỉ thị kim
- Volt kế có góc quay 90°, có khoảng dự trữ quá áp bảo vệ thiết bị
- Ampe kế có góc quay 90°, có khoảng dự trữ quá dòng bảo vệ thiết bị
Hình 4.17 Sơ đồ kết nối khối đo lường
Volt kế (Voltmeter) là thiết bị có khả năng đo điện áp giữa các pha hoặc từng pha riêng lẻ Thiết bị này cho phép người dùng điều chỉnh chế độ đo thông qua công tắc chuyển mạch với 7 vị trí khác nhau.
Hình 4.18 Công tắc chuyển mạch
- RN: Đo áp giữa pha R với N
- SN: Đo áp giữa pha S với N
- TN: Đo áp giữa pha T với N
- RS: Đo áp giữa pha R và pha S
- ST: Đo áp giữa pha S và pha T
- RT: Đo áp giữa pha R và pha T
Mã sản phẩm: BE – 96 500VAC Hiển thị: 0 – 500V
Kích thước: 96 x 96mm Ứng dụng: Đo điện áp mạng điện hạ thế 3 pha 380V Xuất xứ: Taiwan Meter
Ampe kế đo chỉ số dòng điện gián tiếp thông qua biến dòng CT (Current Transformer) bằng cách cho dây dẫn điện đi xuyên qua trung tâm của biến dòng Giá trị dòng điện qua dây dẫn sẽ được hiển thị trên đồng hồ Ampe kế.
Hình 4.20 Nguyên lý hoạt động của biến dòng CT
Khi lựa chọn biến dòng, cần căn cứ vào dòng định mức lớn nhất của tải Theo bảng 4.1, dòng định mức lớn nhất là I đmĐC3 = 28,9 A Do đó, biến dòng được chọn có tỷ số 50/5A.
Tra cứu catalogue biến dòng tròn RCT, chọn biến dòng có mã RCT-15-1 50/5A
Mã sản phẩm: RCT-15-1 50/5A Kích thước lỗ: 35mm Đầu vào: 0-50A Đầu ra: 0-5A
Cấp chính xác: class 1 Xuất xứ: Taiwan Meter Chọn đồng hồ đo dòng điện (Ampe kế) có mã BE-96 50/5A để tương thích tốt với CT kể trên
Mã sản phẩm: BE – 96 50/5A Đầu vào: 0 – 5A
Hiển thị: 0 – 50A Kích thước: 96 x 96mm Ứng dụng: Dùng để đo dòng điện gián tiếp qua biến dòng 50/5A Xuất xứ: Taiwan Meter
Hình 4.23 Công tắc chuyển mạch Ampe 4 vị trí
Mã sản phẩm: 3P4W 4POS 3CT Kích thước: 48x60mm Ứng dụng:
Dùng để chuyển pha kết hợp với đồng hồ đo dòng Ampe kế
Đèn Led R, Y, B chỉ thị pha tủ điện 220VAC AD16 – 30S được bảo vệ bởi cầu chì FS-101 – 2A, đảm bảo an toàn và hiệu suất cho hệ thống.
Hình 4.24 Cầu chì kèm đế FS – 101; Đèn báo pha 220VAC AD16 – 30S
TÍNH CHỌN MẠCH DIỀU KHIỂN PHỤ TẢI
Hình 4.25 Sơ đồ điều khiển tải bằng contactor
Mô tả nguyên lý hoạt động:
Mạch điều khiển động cơ 1 hoạt động theo thời gian đã được lập trình trước, sau đó sẽ dừng lại và chuyển sang điều khiển động cơ 2 Động cơ 2 cũng sẽ hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định trước khi chuyển sang động cơ tiếp theo.
3 Tương tự như vậy và chuyển về lại động cơ 1 Do đó mạch được gọi là mạch điều khiển 3 động cơ chạy luân phiên
Công tắc Mode hai vị trí cho phép người dùng chọn chế độ điều khiển Man/Auto Khi ở chế độ Manual (Bằng tay), việc đóng công tắc Mode sẽ kích hoạt relay RL, dẫn đến việc tiếp điểm thường đóng của RL mở ra Kết quả là, Timer T1, T2 và T3 sẽ không nhận được nguồn điện.
Khi nhấn nút ON1, contactor K1 sẽ kích hoạt động cơ 1 và tiếp điểm thường hở K1 sẽ đóng lại, giữ cho nút ON1 luôn được kích hoạt Trong chế độ Man, các Timer không được cấp điện, do đó các động cơ sẽ hoạt động độc lập với nhau.
Khi nhấn nút ON2 thì contactor K2 hút, cấp điện cho động cơ 2 quay Tương tự với động cơ 3
Để dừng động cơ, nhấn nút OFF1 cho động cơ 1 và OFF2 cho động cơ 2, tương tự cho động cơ 3 Trong chế độ Auto, khi công tắc Mode để hở, relay RL không được cấp điện, dẫn đến tiếp điểm thường đóng RL không thay đổi trạng thái Do đó, khi nhấn nút, chức năng dừng động cơ sẽ không hoạt động.
ON thì cuộn hút Timer được cấp điện, mạch chạy chế độ Auto
Khi nhấn nút ON1 contactor K1 cấp điện cho động cơ 1 quay Đồng thời Timer
1 được cấp điện sẽ bắt đầu đếm thời gian
Khi Timer 1 đạt thời gian cài đặt, tiếp điểm thường đóng T1 mở ra, làm mất điện contactor K1 và dừng động cơ 1 Đồng thời, tiếp điểm thường hở T1 đóng lại, cung cấp nguồn cho contactor K2 và Timer 2 Kết quả là động cơ 2 hoạt động, động cơ 1 dừng lại và Timer 2 bắt đầu đếm thời gian.
Khi Timer 2 đạt thời gian cài đặt, tiếp điểm thường đóng T2 mở ra, khiến contactor K2 mất điện và động cơ 2 dừng lại Đồng thời, tiếp điểm thường hở của T2 đóng lại, cung cấp nguồn cho contactor K3 và Timer 3 Lúc này, động cơ 3 bắt đầu quay, trong khi động cơ 2 dừng hoạt động và Timer 3 bắt đầu đếm thời gian mới.
Khi Timer 3 hoàn thành thời gian đã đặt, tiếp điểm thường đóng T3 mở ra, dẫn đến việc contactor K3 mất điện và động cơ 3 dừng hoạt động Đồng thời, tiếp điểm thường hở của T3 đóng lại, kích hoạt động cơ 1 khởi động trở lại.
Hình 4.26 Sơ đồ nối dây toàn hệ thống
KHẢO SÁT, TÍNH TOÁN CÁC TRẠNG THÁI ĐÓNG/NGẮT TỤ DỰA VÀO SỰ THAY ĐỔI CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG CẦN BÙ
Hệ thống bao gồm hai thành phần chính: phần tải và phần bù công suất phản kháng, được xác định dựa trên thông số tải và dung lượng tụ Các trạng thái đóng/ngắt tụ sẽ được thực hiện tự động hoặc thủ công, tùy thuộc vào sự thay đổi của công suất phản kháng cần bù.
Phần hệ thống bù, điều khiển tự động hoặc bằng tay qua bộ điều khiển SK QR-X4 với 4 cấp bù
Cài đặt các thông số như sau:
- Ngưỡng đóng A tại giá trị A-2: đóng cosφ = 0,9 cảm
- Ngưỡng cắt b tại giá trị b – 1: cắt cosφ = 0,95 cảm
- Thời gian đóng C tại giá trị C – 1: đóng = 5 giây
- Thời gian cắt d tại giá trị d – 1: cắt = 30 giây
- Ngưỡng cắt E tại giá trị E – 2: quá áp = 240V
- Số cấp F tạ giá trị F – 4 : 4 cấp bù ứng động
Các trạng thái tải có thể xảy ra là:
- Động cơ 1 và 2 cùng chạy;
- Động cơ 1 và 3 cùng chạy;
- Động cơ 2 và 3 cùng chạy;
- Cả ba động cơ cùng chạy
Xét trường hợp thứ nhất, chỉ có động cơ 1 chạy:
Công suất tính toán của tải: 𝑃 𝑡𝑡 = 𝑃 ĐC1 = 5,5 (𝑘𝑊)
Hệ số công suất của tải là: 𝑐𝑜𝑠𝜑 1 = 0,86 → 𝑡𝑎𝑛𝜑 1 = 0,6
Hệ số công suất sau khi bù là: 𝑐𝑜𝑠𝜑 2 = 0,95 → 𝑡𝑎𝑛𝜑 2 = 0,33
Dung lượng cần bù là:
Như vậy, hệ thống thực hiện đóng 1 cấp bù, tức là dung lượng được bù vào là 2,5kVAr và sai số bù sẽ là 1,01kVAr
Thực hiện khảo sát với các trường hợp còn lại
Số liệu ghi chép được tổng hợp trong bảng sau:
Bảng 4.14 Kết quả khảo sát hoạt động đóng cấp bù theo sự thay đổi công suất và hệ số công suất của tải
Các trường hợp hoạt động
Chỉ động cơ 3 Động cơ 1&2 Động cơ 1&3 Động cơ 2&3
Mô hình bù ứng động 4 cấp với dung lượng bù 2,5kVAr mỗi cấp cho phép sai số bù trong mức cho phép, đáp ứng hiệu quả cho hệ thống tải trong điều kiện làm việc liên tục theo lý thuyết Hệ thống này có khả năng điều chỉnh linh hoạt để phù hợp với quy mô thực tế.
