BỘ CÔNG THƯƠNG CÔNG TY CỔ PHẦN CHẾ TẠO BIẾN THẾ VÀ VẬT LIỆU ĐIỆN HÀ NỘI BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHCN Đề tài nghiên cứu KHCN cấp Bộ Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TỦ BÙ HỆ SỐ CÔNG SUẤT (COS ϕ) CHO PHỤ TẢI ĐIỆN NĂNG, CÔNG SUẤT ĐẾN 500 KVAR Chủ nhiệm đề tài: TÔN LONG NGÀ 7658 03/02/2010 HÀ NỘI - 2010 Mục lục Các định Bộ công thơng đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ năm 2009 Phần thứ Nghiên cứu mục đích giải pháp nâng cao hệ số công suất phụ tải điện Những kiến thức mạch điện hình sin hệ số công suất mạch điện xoay chiều Hệ số công suất mạch điện xoay chiều Mục đích giải pháp nâng cao hệ số công suất Trang Trang Trang B) TÝnh to¸n thiÕt kế hệ thống bù hệ số công suất Khảo sát tình hình nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống bù hệ số công suất Tiêu chuẩn hoá dung lợng Tủ bù cos Trang Trang 10 C) Nghiên cứu thiết kế tính Tủ bù Nguyên lí làm việc Tủ bù cos Các tính kỹ thuật Tủ bï ……………………… Trang 12 Trang 13 suÊt Phần thứ hai Yêu cầu chung đặc tính; cấu tạo Bộ điều khiển hệ số công Trang 14 Trang 15 Tính toán thiết kế phần cứng điều khiển Trang 21 Thiết kế phần mềm cho điều khiển Phần thứ ba Chế tạo điều khiển Chế tạo tủ bù cos - Thử nghiệm đánh giá Phần phụ lục: Các văn đánh giá nghiệm thu đề tài Trang 47 Phần thứ Tình hình nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống bù Hệ số công suất A) Nghiên cứu mục đích giải pháp nâng cao Hệ số công suất phụ tải điện Những kiến thức mạch điện hình sin hệ số công suất mạch điện xoay chiều Theo nh lý thuyết, đặc điểm khác trình lợng xảy mạch điện hình sin so với mạch điện không đổi : mạch điện hình sin, từ trờng điện trờng luôn biến thiên theo dạng hình sin theo thời gian Vì mạch điện xoay chiều hình sin đợc thiết lập, tợng tiêu tán lợng có tợng tích phóng lợng từ trờng điện trờng Do phần tử điện cảm ta có điện áp Ul = L x di / dt , qua điện dung cã Ic = C x d uc / dt Từ ta tìm hiểu mối quan hệ trị số hiệu dụng pha hai đại lợng Dòng điện Điện áp phần tử phụ tải đợc coi nh có tợng tiêu tán lợng có tợng tích phóng lợng phần tử đồng thời có hai trình tiêu tán tích phóng lợng Trong mạch điện xoay chiều hình sin, đấu với phụ tải, đồng thời xảy nhiều trình lợng khác nhau, trình lợng có công suất đặc trng cho đại lợng cờng độ dòng điện đại lợng điện áp Do tính chất tính tác dụng loại công suất khác mà từ lý luận điện công học ngời ta đà đa khái niệm : Công suất tác dụng ( công suất hữu công ) - đặc trng cho cờng độ tiêu tán lợng trung bình ; Công suất phản kháng ( công suất vô công ) đặc trng cho cờng độ tích phóng lợng 1.1 Khảo sát mạch điện hình sin với phụ tải điện trở Ur ; Ir Ir Ur Trong đoạn mạch đa điện áp Ur vào hai đầu điện trở R, theo định luật Ôm, có dòng điện Ir chạy qua điện trở Giá trị dòng điện Ir = Ur / R Tõ ®ã rót kÕt luận : Trong mạch điện trở, dòng điện điện áp trùng pha với giá trị hiệu dụng U lớn I R lần Về c«ng suÊt tøc thêi P = Ur x Ir nã biến thiên theo thời gian Trong chu kỳ biến thiên, dòng điện điện áp chiều nên công suất dơng Công suất tức thời không cã ý nghÜa tÝnh to¸n Trong thùc tÕ, ng−êi ta đa khái niệm Công suất tác dụng P, trị số trung bình công suất chu kỳ 1.2 Khảo sát mạch điện hình sin với phụ tải tuý điện cảm Ul 900 Ul ; I l 00000 Il Trong sơ đồ này, dòng điện Il chạy qua đoạn mạch có bối dây L xuất sức điện động tự cảm El Nếu giả thiết chiều dơng vecto El trùng với Il điện áp rơi cuộn dây Ul = jxl Il Trong ®ã ωL = Xl gọi điện kháng điện cảm Công thức biểu thức định luật ôm Từ rút kết luận : Điện áp mạch điện kháng ( điện cảm ) luôn vợt trớc dòng điện / chu kỳ tức vợt trớc dòng điện 900 Giá trị hiệu dụng U lớn I xl lần Về công suất, mạch tuý điện cảm tợng tiêu tán lợng, mà có tợng tích phóng lợng theo chu kỳ Nh coi nh tiêu thụ công suất tác dụng Quá trình tích phóng lợng đoạn mạch gọi Công suất phản kháng điện cảm Ql ( phản tác dụng ) 1.3 Khảo sát dòng điện hình sin đoạn mạch điện dung Uc Ic Ic Uc Khi điện áp Uc đặt lên hai cực tụ điện C hình sin qua tụ có dòng điện Ic chạy qua Mối quan hệ dòng điện điện áp : Ic = Uc / Xc ( mà Xc = 1/ C ) Từ công thức biểu thị theo định luật Ôm, ta có kết luận : Điện áp đoạn mạch tuý điện dung chậm sau dòng điện / chu kỳ Khi vẽ đồ thị biến thiên theo thời gian điện áp dòng điện, ta thấy 1/4 chu kỳ đầu dòng điện, điện áp tăng, vecto U; I chiều, nh tụ điện nạp công suất Pc = Uc Ic > O , nh lợng từ nguồn đa vµo sÏ tÝch l vµo tơ ë 1/4 chu kú tiếp theo, điện áp bắt đầu giảm, dòng điện tăng, nh chiều U; I ngợc nhau, tụ bắt đầu phóng điện công suất Pc = Uc Ic < O , tức lợng đợc tích luỹ tụ điện phóng mạch Quả trình tiếp diễn cho tất chu kỳ Vì vậy, đoạn mạch tuý điện dung tợng tiêu tán lợng, mà có tích phóng lợng mà Quá trình tích phóng lợng mạch gọi Công suất phản kháng điện dung Qc 1.4 Khảo sát dòng điện hình sin mạch gồm: điện trở , điện cảm điện dung ( mạch R L – C ) UL Ur UC U R L UL f UC Ur C Trong sơ đồ trên, dòng điện chạy qua phần tử R-L-C , điện áp giáng theo định luật Kiêc Khốp, ta có : U = Ur + Ul + Uc Đồ thị biểu diễn cộng vecto điện áp nh hình Trong mạch có Điện trở R Điện kháng X = Xl + Xc Nh− vËy tæng trë Z = R + X I Nhìn vào đồ thị trên, ta rút kết luận : Trong mạch nhánh gồm phần tử R-L-C , vectơ Điện áp vectơ Dòng điện lệch góc Nếu mạch có tính điện cảm ( X > O , > O ) dòng điện chậm sau điện áp góc ; ngợc lại mạch có tính chất điện dung(( X < O , < O ) dòng điện vợt trớc điện áp góc Từ đồ thị này, Tổng trở Z phép cộng hai thành phần điện trở điện kháng, mà phép cộng vectơ Tức cạnh huyền Tam giác tổng trở Hệ số công suất mạch điện xoay chiều hình sin Khi có dòng điện hình sin chạy qua mạch điện phức hợp mạch điện xảy đồng thời hai trình lợng khác mặt chất trình tiêu tán tích phóng lợng Cờng độ hai trình đợc đặc trng Công suất tác dụng P công suất phản kháng Q Công suất tác dụng P Nó đặc trng cho cờng độ tiêu tán lợng để biến đổi từ điện thành ; nhiệt quang Công thức công suất nh sau : P = U I cosϕ ( W ) Trong cos gọi Hệ số công suất Trờng hợp mạch điện trở, vectơ Dòng áp chiều trùng pha nên góc lệch, = O , cos = , công suất P = UI Ngợc lại, mạch điện cảm có tợng tích phóng lợng, vectơ U vợt trớc I góc 90 , nªn cosϕ = O , nh− vËy P cịng = O Công suất phản kháng Q Nó đặc trng cho cờng độ tích phóng lợng điện từ trờng mạch Công suất Q lớn cờng độ tích phóng lợng lớn Ta có : Q = U I sinϕ ( Var ) Trờng hợp mạch tiêu tán, góc = O , nªn sinϕ = O nh− vËy Q = O ; mạch tích phóng góc = 90 , nªn sinϕ = , nh− vËy Q = U.I Trong kü tht ®iƯn, ng−êi ta thờng nói phụ tải tiêu thụ công suất phản kháng Q, nh phải hiểu lợng phụ tải lấy để biến điện thành dạng lợng khác Công suất biểu kiến S Ngoài hai công suất tác dụng P phản tác dụng Q đặc trng cho cờng độ hai tợng lợng xảy mạch điện, để tiện cho tính toán sau này, ngời ta đa thêm khái niệm Công suất biểu kiến S : S=U.I ( V.A ) Mỗi nguồn phát điện có mang giá trị định hai đại lợng điện áp dòng điện Nhà sản xuất qui định., gọi giá trị định mức Nếu nguồn điện chiều luôn có khả phát hết toàn công suất cực đại theo định mức : Pđm = Uđm Iđm Nhng với nguồn xoay chiều, công suất tác dụng phát nhỏ có công suất phản tác dụng Tuỳ mức độ tích phóng lợng phụ tải mạnh hay yếu mà Hệ số công suất lớn hay nhỏ Do nhÃn máy phát điện xoay chiều ghi công suất biểu kiến định mức máy: Sdm = Uđm Iđm Công suất công suất tác dụng cực đại mà máy có khả phát hệ số công suất cos phụ tải Tam giác công suất Từ công thức tính toán th«ng sè S,Q,P ta rót : S = √ P2 + Q2 Nh− vËy C«ng st biĨu kiÕn S tổng bình phơng công suất tác dụng công suất phản tác dụng Đây Tam giác công suất S Q P Trong tam giác công suất này, biết hai ba thành phần Công suất, ta dễ dàng tính thành phần thứ ba Hệ số công suất Hệ số công suÊt cos ϕ = P / S = P / P2 + Q2 Trong hộ tiêu thụ điện công nghiệp, ngời ta thờng lắp hai loại công tơ đo điện tiêu thụ hữu công vô công, từ ta tính hệ số công suất phụ tải Mục đích giải pháp nâng cao hệ số công suất phụ tải Mục đích ý nghĩa việc nâng cao hệ số công suất ã Việc nâng cao hệ số công suất cos phụ tải mang lại lợi ích kinh tế vô to lớn Theo nh phần lý thuyết nêu trên, tam giác công suất, ta nâng cao hệ số công suất cos tiến dần tức góc không, nh công suất phản tác dụng Q nhỏ, lúc công suất tác dụng P gần công suất biểu kiến S Tóm lại ta nâng cao hệ số công suất phụ tải, ta nâng cao hệ số sử dụng nguồn điện , tức ta tận dụng hết công suất nguồn điện để phục vụ sản xuất ta tiết kiệm đợc chi phí cho vịêc trang bị nguồn điện ( máy ph¸t; m¸y biÕn ¸p cÊp ngn ) qu¸ lín so víi thùc tÕ sư dơng VÝ dơ : Toµn bé phụ tải thiết kế công ty có công st P = 500 kW ; víi hƯ sè cos = 0,75 , ta phải chọn Trạm biến ¸p cung cÊp ngn cã c«ng st biĨu kiÕn S: S = P : cos ϕ ⇒ S = 500 : 0,75 = 666,7 kVA Nh−ng nÕu thiÕt kÕ, ta đa thêm thiết bị để nâng cao hệ số cos = 0,95 Thì lúc Máy biến ¸p cÊp nguån chØ cÇn : S = 500 : 0,95 = 526,3 kVA Nh− vËy kinh phÝ mua s¾m thiết bị ban đầu đợc tiết kiệm nhiều ã Mặt khác với điện áp công suất truyền tải định đờng dây, dòng điện tổn hao đờng dây tỉ lệ nghịch với hệ số cos Đúng vậy, dòng điện chạy đờng dây là: I = P : U cos , tổn thất công suất điện trở dây dẫn : P = R dây I2 = R d©y P2 / U2 cos2 ϕ Tõ ta thấy rằng, cao hệ số công suất phụ tải, dòng điện tổn thất đờng dây giảm nhiều, nh chọn dây dẫn có tiết diện nhỏ hơn, tiết kiệm chi phí Giải pháp nâng cao hệ số công suất phụ tải Hiện nay, tát phụ tải hộ tiêu thụ điện dân dụng hộ công nghiệp có tính chất : tính điện trở, tinh cảm kháng tính điện dung ( nhỏ so với tính cảm kháng ) Muốn nâng cao hệ số công suất phụ tải, ta phải đấu Tụ điện song song với Theo lý thuyết, ta khảo sát mạch điện sau ®©y: U IC Itd I I f Ipt f' Z Ipt C IC IC Trong sơ đồ đấu dây trên, ta đấu song song tụ điện với phụ tải, dòng điện chạy qua phụ tải không đổi trị số góc pha Nhng dòng điện chạy đờng dây lúc tổng dòng điện qua phụ tảI dòng điện chạy qua Tụ điện : I = Ipt + Ic Nhìn vào đồ thị vectơ trên, ta thấy dòng điện dây dẫn sau đợc bù I nhỏ dòng điện phụ tải Ipt ( dòng điện chạy đờng dây trớc bù ) Căn vào đồ thị trên, ta tính đợc trị số điện dung cần bù để nâng từ cos lên cos Công thøc tÝnh trÞ sè nh− sau : Ic = Ipkpt Ipk = I td ( tgϕ - tgϕ’ ) = P/U ( tg - tg ) Mặt khác : Ic = U / Xc = Uω C Do ®ã rót : C = P / U2ω (tg - tg ) Kết luận : Để nâng cao hệ số công suất phụ tải phơng pháp tốt ta cần phải đấu thêm Tụ điện song song với phụ tải, gọi phơng pháp bù tụ điện tĩnh B ) Tính toán thiết kế hệ thống bù hệ số công suất Khảo sát tình hình thiết kế chế tạo thiết bị điện phục vụ cho việc nâng cao hệ số công suất phụ tải công nghiệp nớc - Ngày nay, tất quốc gia giới đà đa Chính sách tiết kiệm lợng cho riêng đất nớc Điện dạng lợng tái tạo đợc Với tốc độ phát triển nhanh chóng ngành công nghiệp, tơng lai gần, quốc gia phát triển phát triển thiếu điện cách nghiêm trọng Vì quốc gia giới bên cạnh việc xây dựng thêm nhà máy phát điện mới, họ đà đa sách cụ thể nhằm mục đích nâng cao chất lợng phát dẫn điện sử dụng điện cách có hiệu - Một nhiều biện pháp tiết kiệm điện nâng cao chất lợng phụ tải công nghiệp đấu bù thêm tụ điện xoay chiều để làm giảm tối thiểu góc , nâng cao hệ số công suất - Với phơng pháp bù tụ điện này, ngời ta phân làm kiểu : Bù trực tiếp cho phụ tải hộ công nghiệp riêng rẻ bù tập trung cho cụm công nghiệp dân sinh - Bù trực tiếp hộ công nghiệp, ngời ta th−êng bï ë phÝa h¹ thÕ HƯ thèng bï cos phía hạ đợc áp dụng nhiều : linh kiện thiết bị nh Tụ điện xoay chiều; thiết bị đóng cắt; điều khiển trung tâm đợc chế tạo đại trà, có giá thành rẻ, dễ thiết kế chế tạo lắp đặt - Bù bên phía cao Trạm phân phối điện trung gian có phức tạp hơn, chi phí cao tất thiết bị linh kiện phải thiết bị trung Vả lại việc điều khiển đóng cắt tụ điện cao phức tạp tính an toàn, độ tin cậy yêu cầu phải cao - Tại nớc có công nghiệp phát triển, có nhiều công ty chuyên sản xuất loại tụ điện cao hạ phụ vụ cho việc bù hệ số công suất Trớc đây, việc thực đóng cắt tụ điện thờng đợc thực tay Ngày ngành tự động hoá phát triển nên thiết bị điều khiển đóng cắt hoạt động theo chế độ hoàn toàn tự động Tình hình nghiên cứu thiết kế chế tạo sử dụng hệ thống bù cos nớc - Theo quy định ngành điện lực, hộ sử dụng điện cho sản xuất công nghiệp phải lắp đồng thời hai công tơ đo đếm điện là: Công tơ hữu công Công tơ vô công Nếu cos nhỏ 0,85 theo quy định Ngành bắt buộc sở sản xuất phảI mua lợng công suất phản kháng ( vô công ) Vì nay, tất nhà máy xí nghiệp Việt nam phải lắp đặt hai loại công tơ D_times=0; // Debounce if(B_flag) { BD_times++; if(BD_times==5000) { D_times=0; BD_times=0; // Reset timeout timeout=0; SETUP_Flag=TRUE; switch(B_value) { case 0xDF: if(PARA_Change_Flag && (PROG_No==5)) { STORE_PARA(); PARA_Change_Flag=FALSE; // Reset Timer Sec_times = 0; DTIME_times = 0; // Get_MODE(); // DTIME_LEVEL=Get_DTIME_LEVEL(); // COSPHI_LEVEL=Get_COSPHI_LEVEL(); // RESET_RELAYS_STATUS(); } PROG_No++; if(PROG_No>=6) { PROG_No=0; SETUP_Flag=FALSE; } break; case 0xBF: PARA_INC(); PARA_Change_Flag=TRUE; break; case 0xF7: PARA_DEC(); PARA_Change_Flag=TRUE; 35 break; default: break; } B_flag=FALSE; } } } // Timer overflow interrupt service routine interrupt [TIM0_OVF] void timer0_ovf_isr(void) { static unsigned char times=0; TCNT0=0x00; times++; if(times==10) { // Read LAENERGY Read_ADE(LAENERGY,3); LAENERGY_Result.Byte_var[2]=r_ade[2]; LAENERGY_Result.Byte_var[1]=r_ade[1]; LAENERGY_Result.Byte_var[0]=r_ade[0]; // Read LVAENERGY Read_ADE(LVAENERGY,3); LVAENERGY_Result.Byte_var[2]=r_ade[2]; LVAENERGY_Result.Byte_var[1]=r_ade[1]; LVAENERGY_Result.Byte_var[0]=r_ade[0]; // if((LAENERGY_Result.Byte_var[2] & 0x80) !=0) { LAENERGY_Result.Long_var = 0x01000000 LAENERGY_Result.Long_var; MINUS_SIGN=ON; } else MINUS_SIGN=OFF; // Read LVARENERGY Read_ADE(LVARENERGY,3); if((r_ade[2] & 0x80) !=0) LOAD_PROPERTY=CAP; else 36 LOAD_PROPERTY=IND; // Read IRMS Read_ADE(IRMS,3); IRMS_Result.Byte_var[2]=r_ade[2]; IRMS_Result.Byte_var[1]=r_ade[1]; IRMS_Result.Byte_var[0]=r_ade[0]; // if(IRMS_Result.Long_var>CURRENT_LEVEL) CO_Flag=TRUE; else CO_Flag=FALSE; } } // Declare your global variables here void Init_uC() { #asm("cli") PORTA=0xFF; DDRA=0xFF; PORTB=0xFF; DDRB=0xBF; PORTC=0x00; // Turn off all relays DDRC=0xFF; PORTD=0xFF; DDRD=0x97; PORTE=0x07; DDRE=0x07; // Timer/Counter initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 7.813 kHz, 128us/clock // Mode: Normal top=FFh // OC0 output: Disconnected // 32768us Interrupt TCCR0=0x05; TCNT0=0x00; OCR0=0x00; // Timer/Counter initialization 37 // Clock source: System Clock // Clock value: 8000.000 kHz // Mode: Normal top=FFFFh // OC1A output: Discon // OC1B output: Discon // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer Overflow Interrupt: On // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x01; TCNT1H=0xFE;// 50us TCNT1L=0x6F; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off // INT2: Off MCUCR=0x00; EMCUCR=0x00; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x82; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; // SPI initialization // SPI Type: Master // SPI Clock Rate: 2000.000 kHz // SPI Clock Phase: Cycle Half // SPI Clock Polarity: Low // SPI Data Order: MSB First 38 SPCR=0x54; SPSR=0x00; // Clock rate f/2 PARA_To_RAM(); } void Init_ADE() { Write_ADE(MODE,2,0,0,0x0C); Write_ADE(MODE,2,0,0,0x80); Write_ADE(PHCAL,1,0,0,0x2E); Write_ADE(LINECYC,2,0,0,0x64); // 1s Write_ADE(VAGAIN,2,0,2,226); } float CosPhi_Calculate() { float cos_phi; cos_phi = (float)(LAENERGY_Result.Long_var)/LVAENERGY_Result.Long_var; if(cos_phi>1) cos_phi=1; return cos_phi; } void CosPhi_Report() { unsigned char var; CosPhi= CosPhi_Calculate(); // if(IRMS_Result.Long_var