1. CHƯƠNG VII BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Biên soạn: Phạm Khánh Tùng Bộ môn Kỹ thuật điện – Khoa Sư phạm kỹ thuật hnue.edu.vn\directory\tungpk
  2. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1. Khái niệm và ý nghĩa nâng cao hệ số công suất • Tận dụng hết các khả năng (công suất đặt) các nhà máy điện. • Tiết kiệm, sử dụng hợp lý thiết bị điện, giảm tổn thất điện năng. • Trong toàn bộ hệ thống có 10÷15% năng lượng điện bị tổn thất qua khâu truyền tải và phân phối, trong đó mạng xí nghiệp chiếm khoảng 60% lượng tổn thất đó. • Sử dụng hợp lý và khai thác hiệu quả thiết bị điện có thể đem lại những lợi ích to lớn.
  3. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.1. Bản chất của hệ số công suất + Công suất tác dụng P: đặc trưng cho chuyển hoá năng lượng Sinh ra công cho quá trình động lực (môment quay ở động cơ), bù vào các tổn hao do phát nóng dây dẫn, lõi thép… Tại nguồn P trực tiếp liên quan đến tiêu hao năng lượng đầu vào. Công suất tác dụng P. + Công suất phản kháng Q: đặc trưng cho tích phóng năng lượng giữa nguồn và tải, Từ hoá lõi thép máy biến áp, động cơ, gây biến đổi từ thông để tạo ra sđđ phía thứ cấp, tổn thất từ thông tản trong mạng.
  4. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Ở nguồn công suất Q liên quan đến sđđ của máy phát (dòng kích từ máy phát). Giữa công suất P và công suất Q có liên hệ trực tiếp và đặc trưng cho mối quan hệ đó là hệ số công suất (pf – power factor, cosφ). Các đại lượng P; Q; S; cosφ liên hệ với nhau bằng tam giác công suất.
  5. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Công suất toàn phần S đặc trưng cho công suất thiết kế của thiết bị điện Cùng một công suất S (cố định) nếu cosφ lớn (φ nhỏ) → công suất P lớn → thiết bị được khai thác tốt. Nếu cosφ lớn → công suất Q nhỏ. Đứng về phương diện truyền tải nếu lượng Q (đòi hỏi từ nguồn) càng giảm thì sẽ giảm lượng tổn thất. Vì vậy thực chất của việc nâng cao hệ số cosφ cũng đồng nghĩa với việc giảm đòi hỏi về Q ở các hộ phụ tải.
  6. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 1.2. Ý nghĩa của nâng cao hệ số công suất cosφ - Giảm tổn thất công suất và điện năng trên tất cả các phần tử (đường dây và máy biến áp) P2  Q2 P2 Q2 P  2 R  2 R  2 R  P P   PQ  U U U Nếu Q giảm → ∆P(Q) sẽ giảm → ∆P cũng sẽ giảm → ∆A giảm. - Làm giảm tổn thất điện áp trong các phần tử của mạng: PR  QX PR QX U     U  P   U Q  U U U - Tăng khả năng truyền tải của các phần tử: P2  Q2 I 3.U
  7. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Quá trình trao đổi công suất Q giữa máy phát điện và hộ tiêu thụ là quá trình giao động. Mỗi chu kỳ q(t) đổi chiều 4 lần, giá trị trung bình trong 1/2 chu kỳ là bằng không). Tương tự như khái niệm của công suất tác dụng, qui ước cho công suất phản kháng ý nghĩa tương tự và coi nó là công suất phát ra, tiêu thụ hoặc tuyền tải một đại lượng qui ước gọi là năng lượng phản kháng Wp (VAr.h) → Q = Wp / t (VAr). Phụ tải cảm kháng với Q > 0 là phụ tải tiêu thụ Q Phụ tải dung kháng với Q < 0 là nguồn phát ra công suất Q.
  8. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Trong mạng xí nghiệp công suất phản kháng phân bổ như sau: 60 ÷ 65 % ở các động cơ không đồng bộ. 20 ÷ 25 % ở các máy biến áp. 10 ÷ 20 % ở các thiết bị khác. Phụ tải công nghiệp đều mang tính chất điện cảm (tức là tiêu thụ công suất phản kháng). Có thể tạo ra công suất phản kháng trong mạng điện (phụ tải) mà không tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp, quay máy phát.
  9. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Tránh phải truyền tải một lượng Q khá lớn trên dường dây → đặt gần các hộ tiêu thụ thiết bị sinh ra Q (tụ hoặc máy bù đồng bộ) hay bù công suất phản kháng, ví dụ sơ đồ cấp điện có đặt thiết bị bù:
  10. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Phụ tải là các đại lượng biến đổi liên tục theo thời gian nên trị số của cosφ cũng biến động theo thời gian. Trong tính toán thường dùng trị số trung bình của cosφ  t Q(t )dt  t 2   Qtb  cos tb  cos arctg t 1   cos arctg    P (t 2 ) dt   Ptb   t 1  Trong đó : Qtb ; Ptb có thể xác định bằng đồng hồ đo điện năng. A AR Ptb  ; Qtb  t2  t1 t2  t1
  11. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 2. Các biện pháp nâng cao hệ số công suất: Nâng cao hệ số công suất chính là giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây, và có 2 nhóm phương pháp. + Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên: Vận hành hợp lý các thiết bị dùng điện nhằm giảm lượng Q đỏi hỏi từ nguồn. + Nâng cao hệ số công suất bằng cách đặt thiết bị bù: Không giảm lượng Q đòi hỏi từ thiết bị dùng điện mà cung cấp công suất phản kháng Q tại các hộ dùng điện nhằm giảm lượng Q phải truyền tải trên đường dây. Ưu tiên áp dụng nhóm phương pháp tự nhiên
  12. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 2.1. Nhóm các phương pháp tự nhiên - Thay những động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng những động cơ có công suất nhỏ hơn: Khi làm việc bình thường động cơ tiêu thụ công suất phản kháng: Q  Qkt  Qđm k pt2 Công suất phản kháng khi không tải (chiểm tỷ lệ 60 ÷ 70 % so với Qđm) và có thể xác định theo công thức: Qkt  3U đm I kt Ikt - dòng điện không tải của động cơ. P kpt - hệ số mang tải của động cơ k pt  Pđm
  13. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ∆Qđm - lượng gia tăng công suất phản kháng khi động cơ mang tải định mức so với khi không tải. Pđm Qđm  Qđm  Qkt  tg đm  3U đm I kt đm Với ηđm - hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức. P P 1 cos     S P2  Q2  Qkt  Qđm k pt2  1      k pt Pđm  Do đó ta thấy rằng kpt giảm → cosφ cũng giảm.
  14. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Ví dụ: Một động cơ: cosφ = 0,8 khi kpt = 1; cosφ = 0,65 khi kpt = 0,5; cosϕ = 0,51 khi kpt = 0,3 Khi có động cơ không đồng bộ làm việc non tải phải dựa vào mức độ tải để quyết định việc thay thế. Kinh nghiệm vận hành cho thấy rằng: kpt < 0,45 việc thay thế bao giờ cũng có lợi. kpt > 0,7 việc thay thế sẽ không có lợi. 0,45 < kpt < 0,7 việc có tiến hành thay thế phải dựa trên việc so sánh kinh tế.
  15. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG - Giảm điện áp đặt vào động cơ thường xuyên làm việc non tải: Thực hiện giảm áp khi không có điều kiện thay thế động cơ công suất nhỏ hơn. Công suất phản kháng cho động cơ KĐB : U2 Qk f .V  Trong đó : k - hằng số; U - điện áp đặt vào động cơ; μ - hệ số dẫn từ của mạch từ; f - tần số dòng điện; V - thể tích mạch từ
  16. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Phương pháp giảm điện áp trong thực tế: + Đổi nối dây quấn stato từ đấu ∆ → Y + Thay đổi cách phân nhóm dây cuốn stato. + Thay đổi đầu phân áp của máy biến áp hạ áp. Chú ý: Các biện pháp này thực hiện tốt đối với các động cơ có điện áp U
  17. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG - Hạn chế động cơ không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải Các động cơ máy công cụ khi làm việc có thời gian chạy không tải xen lẫn thời gian mang tải (chiếm tới 50 - 60 %). Nếu giảm thời gian không tải → tránh được tổn thất. Quá trình đóng cắt động cơ cũng sinh ra tổn hao mở máy. Thực tế vận hành thấy nếu t0 (thời gian chạy không tải) của động cơ lớn hơn 10 giây thì việc cắt khỏi mạng có lợi. Biện pháp: + Thao tác hợp lý, hạn chế thời gian chạy không tải. + Đặt bộ hạn chế chạy không tải.
  18. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG - Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ: Đối với máy có công suất lớn, không yêu cầu điều chỉnh tốc độ + Hệ số công suất cao, có thể làm việc ở chế độ quá kích từ → máy bù công suất phản kháng, góp phần sự ổn định của hệ thống. + Mômen quay tỷ lệ với bậc nhất của điện áp → ít ảnh hưởng đến dao động điện áp. Khi tần số nguồn thay đổi, tốc độ quay không phụ thuộc vào phụ tải nên năng suất làm việc cao. + Nhược điểm: cấu tạo phức tạp, giá thành cao, số lượng mới chỉ chiếm 20% tổng số động cơ.
  19. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 3. Bù công suất phản kháng Bù công suất phản kháng Q chỉ được tiến hành sau khi thực hiện các biện pháp tự nhiên không đạt được yêu cầu. 3.1. Thiết bị bù Sử dụng hai loại thiết bị bù chính là tụ điện tĩnh và máy bù đồng bộ. Hai loại thiết bị này có những ưu nhược điểm gần như trái ngược nhau. Tùy theo yêu cầu của phụ tải và mạng điện cung cấp có thể lựa chọn thiết bị bù phù hợp
  20. CHƯƠNG VII : BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG Máy bù đồng bộ: động cơ đồng bộ chạy không tải. - Có khả năng phát và tiêu thụ được công suất phản kháng. - Công suất phản kháng phát ra không phụ thuộc vào điện áp đặt, chủ yếu là phụ thuộc vào dòng kích từ (điều chỉnh được dễ dàng). - Lắp đặt vận hành phức tạp, dễ gây sự cố (vì có bộ phần quay). - Máy bù đồng bộ tiêu thụ công suất tác dụng khá lớn khoảng 0,015÷0,02 kW/kVAr. - Giá tiền đơn vị công suất phản kháng thay đổi theo dung lượng. Nếu dung lượng nhỏ thì sẽ đắt. Vì vậy chỉ được sản xuất ra với dung lượng lớn 5 MVAr trở lên.