Nghiên cứu thiết kế chế tạo tủ bù hệ số công suất (có phi) cho phụ tải điện năng, công suất đến 500 k VAR

- Một trong nhiều biện pháp tiết kiệm điện năng là nâng cao chất lượng của phụ tải công nghiệp là đấu bù thêm các tụ điện xoay chiều để làm giảm tối thiểu góc ϕ, nâng cao hệ số công suất

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 ĐẾN 500 KVAR Chủ nhiệm đề tài: TÔN LONG NGÀ

7658

03/02/2010

1 Nghiên cứu về mục đích và giải pháp nâng cao hệ số công suất

phụ tải điện

1 Những kiến thức cơ bản về mạch điện hình sin và hệ số công

suất trong mạch điện xoay chiều ………

2 Hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều ………

3 Mục đích và các giải pháp nâng cao hệ số công suất ……

B) Tính toán thiết kế hệ thống bù hệ số công suất

1 Khảo sát tình hình nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống bù hệ số

công suất ………

2 Tiêu chuẩn hoá dung l−ợng Tủ bù cosϕ ………

C) Nghiên cứu thiết kế các tính năng của Tủ bù

1 Nguyên lí làm việc của Tủ bù cosϕ ………

2 Các tính năng kỹ thuật của Tủ bù ………

Phần thứ hai

1 Yêu cầu chung về đặc tính; cấu tạo của Bộ điều khiển hệ số công

suất ………

2 Tính toán thiết kế phần cứng của bộ điều khiển ………

3 Thiết kế phần mềm cho bộ điều khiển ………

Phần thứ ba

1 Chế tạo bộ điều khiển – Chế tạo tủ bù cosϕ - Thử nghiệm và

đánh giá ………

Trang 2 Trang 5 Trang 7

Trang 9 Trang 10

Trang 12 Trang 13

Trang 14 Trang 15 Trang 21

Trang 47 Phần phụ lục: Các văn bản đánh giá nghiệm thu đề tài

Theo như lý thuyết, đặc điểm khác nhau cơ bản về quá trình năng lượng xảy

ra trong mạch điện hình sin so với mạch điện không đổi là : ở mạch điện hình sin,

từ trường và điện trường luôn luôn biến thiên theo dạng hình sin và theo thời gian Vì vậy khi mạch điện xoay chiều hình sin được thiết lập, thì ngoài hiện tượng tiêu tán năng lượng vẫn có hiện tượng tích phóng năng lượng của từ trường và điện

và các pha giữa hai đại lượng Dòng điện và Điện áp trên các phần tử phụ tải được coi như chỉ có hiện tượng tiêu tán năng lượng hoặc chỉ có hiện tượng tích phóng năng lượng và trên phần tử đồng thời có cả hai quá trình tiêu tán và tích phóng năng lượng

Trong mạch điện xoay chiều hình sin, khi đấu với phụ tải, đồng thời xảy ra nhiều quá trình năng lượng khác nhau, và mỗi quá trình năng lượng sẽ có một công suất đặc trưng cho đại lượng cường độ dòng điện và đại lượng điện áp Do các tính chất và tính tác dụng của từng loại công suất khác nhau mà từ đó trong lý luận điện

công học người ta đã đưa ra các khái niệm : Công suất tác dụng ( công suất hữu công ) - đặc trưng cho cường độ tiêu tán năng lượng trung bình ; Công suất phản

kháng ( công suất vô công ) – là đặc trưng cho cường độ tích phóng năng lượng

1.1 Khảo sát mạch điện hình sin với phụ tải thuần điện trở

Ur ; Ir Ir

Ur

Từ đó rút ra kết luận : Trong mạch điện thuần trở, dòng điện và điện áp trùng

pha với nhau còn giá trị hiệu dụng thì U lớn hơn I là R lần

chu kỳ biến thiên, dòng điện và điện áp luôn cùng chiều nên công suất luôn dương Công suất tức thời không có ý nghĩa trong tính toán Trong thực tế, người ta đưa ra

khái niệm Công suất tác dụng P, nó là trị số trung bình của công suất trong 1 chu

kháng điện cảm Công thức trên chính là biểu thức của định luật ôm Từ đó rút ra

kết luận : Điện áp trong mạch điện thuần kháng ( điện cảm ) luôn luôn vượt trước

dòng điện 1 / 4 chu kỳ – tức là vượt trước dòng điện 90 0

Giá trị hiệu dụng U lớn hơn I là x l lần

năng lượng, mà chỉ có hiện tượng tích phóng năng lượng theo chu kỳ Như vậy coi

như không có tiêu thụ công suất tác dụng Quá trình tích phóng năng lượng trong

đoạn mạch này gọi là Công suất phản kháng điện cảm Q l ( phản tác dụng )

1.3 Khảo sát dòng điện hình sin trong đoạn mạch thuần điện dung

Điện áp trên đoạn mạch thuần tuý điện dung sẽ chậm sau dòng điện 1 / 4

chu kỳ

Khi vẽ đồ thị biến thiên theo thời gian của điện áp và dòng điện, ta thấy ở

1/4 chu kỳ đầu của dòng điện, khi điện áp tăng, thì vecto U; I cùng chiều, nh− vậy

vào sẽ tích luỹ vào tụ ở 1/4 chu kỳ tiếp theo, điện áp bắt đầu giảm, dòng điện vẫn

còn tăng, nh− vậy chiều của U; I sẽ ng−ợc nhau, tụ bắt đầu phóng điện và công

mạch Quả trình này cứ tiếp diễn cho tất cả các chu kỳ Vì vậy, trong đoạn mạch

thuần tuý điện dung không có hiện t−ợng tiêu tán năng l−ợng, mà chỉ có tích phóng

trên đó theo định luật Kiêc Khốp, ta có :

U = Ur + Ul + Uc

Đồ thị biểu diễn cộng vecto điện áp nh− hình trên Trong mạch này có Điện

Nhìn vào đồ thị trên, ta rút ra kết luận : Trong mạch nhánh gồm các phần

tử R-L-C , vectơ Điện áp và vectơ Dòng điện lệch nhau một góc ϕ Nếu mạch có tính điện cảm ( X > O , ϕ > O ) thì dòng điện sẽ chậm sau điện áp một góc ϕ ; ngược lại nếu mạch có tính chất điện dung(( X < O , ϕ < O ) thì dòng điện sẽ vượt trước điện áp một góc ϕ

Từ đồ thị này, Tổng trở Z không phải là phép cộng của hai thành phần điện trở

và điện kháng, mà là phép cộng vectơ Tức là nó bằng cạnh huyền của Tam giác tổng trở

2 Hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều hình sin

Khi có dòng điện hình sin chạy qua một mạch điện phức hợp thì trong mạch

điện ấy xảy ra đồng thời hai quá trình năng lượng khác nhau về mặt bản chất đó là quá trình tiêu tán và tích phóng năng lượng Cường độ của hai quá trình này được

đặc trưng bởi Công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q

Trong đó cosϕ gọi là Hệ số công suất

Trường hợp nếu mạch thuần điện trở, vectơ Dòng và áp cùng chiều và trùng pha nên không có góc lệch, ϕ = O , vì vậy cosϕ = 1 , và công suất P = UI Ngược lại, trong mạch thuần điện cảm chỉ có hiện tượng tích phóng năng lượng, vectơ U

Trong kỹ thuật điện, người ta thường nói phụ tải tiêu thụ một công suất phản kháng Q, như vậy phải hiểu rằng năng lượng ấy không phải do phụ tải lấy đi để biến điện năng thành các dạng năng lượng khác

Công suất biểu kiến S

Ngoài hai công suất tác dụng P và phản tác dụng Q là đặc trưng cho cường độ của hai hiện tượng năng lượng xảy ra trong mạch điện, để tiện cho tính toán sau

này, người ta đưa thêm ra khái niệm về Công suất biểu kiến S :

S = U I ( V.A ) Mỗi một nguồn phát điện đều có mang giá trị nhất định của hai đại lượng điện

áp và dòng điện do Nhà sản xuất qui định., gọi là giá trị định mức Nếu là nguồn

điện 1 chiều thì nó luôn luôn có khả năng phát hết toàn bộ công suất cực đại theo

phát ra sẽ nhỏ hơn 1 vì còn có công suất phản tác dụng Tuỳ mức độ tích phóng năng lượng của phụ tải mạnh hay yếu mà Hệ số công suất lớn hay nhỏ Do đó trên nhãn các máy phát điện xoay chiều đều ghi công suất biểu kiến định mức của máy:

Sdm = Uđm Iđm Công suất này chính là công suất tác dụng cực đại mà máy có khả năng phát

ra khi hệ số công suất cosϕ của phụ tải bằng 1

Tam giác công suất

Từ các công thức tính toán các thông số S,Q,P ta rút ra :

Như vậy Công suất biểu kiến S sẽ bằng tổng bình phương của công suất tác

dụng và công suất phản tác dụng Đây chính là Tam giác công suất

Trong các hộ tiêu thụ điện năng công nghiệp, người ta thường lắp hai loại công tơ đo điện năng tiêu thụ hữu công và vô công, từ đó ta tính ra hệ số công suất của phụ tải

3 Mục đích và các giải pháp nâng cao hệ số công suất của phụ tải

Mục đích và ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất

• Việc nâng cao hệ số công suất cosϕ của phụ tải nó mang lại lợi ích kinh tế vô cùng to lớn

Theo như phần lý thuyết nêu trên, trong tam giác công suất, nếu ta nâng cao

hệ số công suất cosϕ tiến dần về 1 tức là góc ϕ càng về không, như vậy công suất phản tác dụng Q càng nhỏ, lúc đó công suất tác dụng P gần bằng công suất biểu kiến S Tóm lại khi ta nâng cao hệ số công suất của phụ tải, ta sẽ nâng cao hệ số

sử dụng nguồn điện , tức là ta sẽ tận dụng hết công suất của nguồn điện để phục vụ sản xuất hoặc ta sẽ tiết kiệm được chi phí cho vịêc trang bị nguồn điện ( máy phát; máy biến áp cấp nguồn ) quá lớn so với thực tế sử dụng Ví dụ :

Toàn bộ phụ tải thiết kế của 1 công ty có công suất P = 500 kW ; với hệ số cos ϕ = 0,75 , thì ta phải chọn Trạm biến áp cung cấp nguồn có công suất biểu kiến S:

S = P : cos ϕ ⇒ S = 500 : 0,75 = 666,7 kVA

Nhưng nếu khi thiết kế, ta đưa thêm các thiết bị để nâng cao hệ số cos ϕ = 0,95 Thì lúc này Máy biến áp cấp nguồn chỉ cần :

S = 500 : 0,95 = 526,3 kVA Như vậy kinh phí mua sắm thiết bị ban đầu sẽ được tiết kiệm đi rất nhiều

• Mặt khác với điện áp và công suất truyền tải nhất định trên đường dây, thì dòng điện và tổn hao đường dây sẽ tỉ lệ nghịch với hệ số cos ϕ

Đúng vậy, dòng điện chạy trên đường dây là: I = P : U cos ϕ , tổn thất công suất trên điện trở dây dẫn là :

∆ P = R dây I2 = R dây P2 / U2 cos2 ϕ

Từ đây ta thấy rằng, nếu năng cao hệ số công suất của phụ tải, dòng điện và tổn thất đường dây sẽ giảm đi rất nhiều, và như vậy có thể chọn dây dẫn có tiết diện nhỏ hơn, tiết kiệm chi phí hơn

Giải pháp nâng cao hệ số công suất của phụ tải

Hiện nay, tát cả các phụ tải của các hộ tiêu thụ điện dân dụng hoặc hộ công

nghiệp đều có cả 3 tính chất : tính điện trở, tinh cảm kháng và tính điện dung ( nhỏ

hơn so với tính cảm kháng ) Muốn nâng cao hệ số công suất của phụ tải, ta phải

đấu các Tụ điện song song với nó Theo lý thuyết, ta khảo sát mạch điện sau đây:

f

f ' Z

Trong sơ đồ đấu dây trên, ta đấu song song các tụ điện với phụ tải, dòng điện

chạy qua phụ tải vẫn không đổi về trị số và góc pha Nhưng dòng điện chạy trên

đường dây lúc này sẽ bằng tổng của dòng điện qua phụ tảI và dòng điện chạy qua

Tụ điện :

I = Ipt + Ic

Nhìn vào đồ thị vectơ trên, ta thấy dòng điện trên dây dẫn sau khi được bù I sẽ

Căn cứ vào đồ thị trên, ta có thể tính được trị số điện dung cần bù để nâng từ cos ϕ lên cos ϕ’ Công thức tính trị số như sau :

Ic = Ipkpt Ipk = I td ( tgϕ - tgϕ’ ) = P/U ( tgϕ - tgϕ’ )

Kết luận : Để nâng cao hệ số công suất của phụ tải phương pháp tốt nhất

là ta cần phải đấu thêm Tụ điện song song với phụ tải, gọi là phương pháp bù

bằng tụ điện tĩnh

B ) Tính toán thiết kế hệ thống bù hệ số công suất

việc nâng cao hệ số công suất của các phụ tải công nghiệp ở nước ngoài

- Ngày nay, tất cả các quốc gia trên thế giới đều đã đưa ra Chính sách tiết kiệm năng lượng cho riêng đất nước mình Điện năng là dạng năng lượng không thể tái tạo được Với tốc độ phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp, trong tương lai gần, các quốc gia phát triển và đang phát triển sẽ thiếu điện một cách nghiêm trọng Vì vậy các quốc gia trên thế giới bên cạnh việc xây dựng thêm các nhà máy phát điện mới, họ đã đưa ra các chính sách cụ thể nhằm mục đích nâng cao chất lượng phát dẫn điện và sử dụng điện một cách có hiệu quả

- Một trong nhiều biện pháp tiết kiệm điện năng là nâng cao chất lượng của phụ tải công nghiệp là đấu bù thêm các tụ điện xoay chiều để làm giảm tối thiểu góc ϕ, nâng cao hệ số công suất

- Với phương pháp bù bằng tụ điện này, người ta phân ra làm 2 kiểu : Bù trực tiếp cho phụ tải của từng hộ công nghiệp riêng rẻ và bù tập trung cho một cụm công nghiệp và dân sinh

- Bù trực tiếp ở các hộ công nghiệp, người ta thường bù ở phía hạ thế Hệ thống bù cos ϕ phía hạ thế sở dĩ được áp dụng nhiều bởi vì : các linh kiện và thiết

bị như Tụ điện xoay chiều; thiết bị đóng cắt; bộ điều khiển trung tâm … được chế tạo đại trà, có giá thành rẻ, dễ thiết kế chế tạo và lắp đặt

- Bù bên phía cao thế ở các Trạm phân phối điện trung gian có phức tạp hơn, chi phí rất cao vì tất cả các thiết bị và linh kiện đều phải là thiết bị trung thế Vả lại việc điều khiển đóng cắt các tụ điện cao thế cũng phức tạp và tính an toàn,

độ tin cậy yêu cầu phải rất cao

- Tại các nước có nền công nghiệp phát triển, có rất nhiều công ty chuyên sản xuất các loại tụ điện cao và hạ thế phụ vụ cho việc bù hệ số công suất Trước đây, việc thực hiện đóng cắt các tụ điện thường được thực hiện bằng tay Ngày nay ngành tự động hoá rất phát triển nên các thiết bị điều khiển đóng cắt hoạt động theo chế độ hoàn toàn tự động

cos ϕ ở trong nước

- Theo các quy định của ngành điện lực, các hộ sử dụng điện cho sản xuất công nghiệp đều phải lắp đồng thời hai công tơ đo đếm điện năng là: Công tơ hữu công và Công tơ vô công Nếu cosϕ nhỏ hơn 0,85 theo quy định của Ngành thì bắt buộc các cơ sở sản xuất phảI mua lượng công suất phản kháng ( vô công ) Vì vậy hiện nay, tất cả các nhà máy xí nghiệp ở Việt nam đều phải lắp đặt hai loại công tơ

đo đếm điện năng là; công tơ hữu công và công tơ vô công Hộ tiêu thụ nào không cải thiện hệ số công suất của phụ tải, công suất phản kháng cao sẽ bị tính tiền Do

đó việc lắp đặt thêm hệ thống bù tụ điện để nâng cao hệ số công suất là yêu cầu cấp bách, nó mang lại nguồn lợi kinh tế rất lớn Mỗi trạm biến áp yêu cầu cần phải lắp đặt một tủ bù cosϕ, vì vậy số lượng nhu cầu tủ bù là rất lớn

- Thông qua tìm hiểu thị trường trong cả nước, hầu như chưa có đơn vị nào sản xuất các thiết bị, linh kiện phụ vụ cho việc chế tạo tủ bù như : Tụ điện xoay chiều dung lượng lớn ; Đặc biệt là bộ tự động điều khiển bù cosϕ

- Thông thường các Nhà sản xuất đã mua các linh kiện thiết bị nhập ngoại để lắp ráp và bán cho các hộ tiêu dùng điện Nhiều năm nay, một số hãng lớn của nước ngoài đã cung cấp các thiết bị linh kiện cho thị trường Việt nam : Simen ; Toshiba ; Hàn quốc ; Singapo ; Trung quốc …

Để thuận tiện trong việc sản xuất loạt lớn các loại Tủ bù, người ta đã đưa ra dãy công suất cho phù hợp theo dãy của tiêu chuẩn Máy biến áp điện lực

3.1 Khảo sát tính chất phụ tải của các hộ tiêu thụ điện năng

- Khi tính toán công suất tiêu thụ điện của một nhà máy xí nghiệp nào đó, ta phải thống kê toàn bộ các phụ tải theo nhóm tính chất : thuần trở ; cảm kháng và thuần dung Đồng thời ta cũng phải thống kê tất cả các hệ số công suất của từng thiết bị được Nhà sản xuất công bố trên nhãn máy để từ đó có thể tính ra hệ số công suất tức thời – trung bình của phụ tải

- Thông thường các loại phụ tải có trong các nhà máy xí nghiệp ở nước ta hiện nay như sau :

• Phụ tải thuần trở ấýCc loại đèn sợi đốt ; bếp điện, lò sấy, lò nhiệt luyện … cosϕ = 1

• Phụ tải cảm kháng : + Động cơ không đồng bộ : cosϕ = 0,8 – 0,85

+ Động cơ đồng bộ: cosϕ = 0,95 - 1

+ Máy biến áp điện lực: cosϕ = 0,8 – 0,85

+ Máy biến áp lò, hàn, mạ, cuộn kháng, khuếch đại

điện từ … cosϕ = 0,55 – 0,75

- Phụ tải luôn luôn thay đổi theo thời gian vì chế độ làm việc của các thiết bị

điện diễn ra không đồng thời, vì vậy hệ số công suất cũng luôn biến đổi

- Qua khảo sát thực tế các nhà máy xí nghiệp công nghiệp ở nước ta và tài liệu của nước ngoài, hệ số công suất cosϕ trung bình nằm trong khoảng từ 0,8 đến 0,85

- Dựa vào tam giác công suất ở phần trên ta nhận thấy, muốn cosϕ tiến tới gần bằng 1 tức là công suất tác dụng gần bằng công suất biểu kiến thì phải làm nhỏ công suất phản kháng Vì vậy để làm nhỏ công suất Q, ta phải đấu thêm Tụ điện C

phần trăm công suất bù, ta đưa ra dãy dung lượng của Tủ hệ số công suất nhằm tiêu chuẩn hoá phụ vụ cho việc sản xuất hàng loạt

Tiêu chuẩn xí nghiệp của Tủ bù cosϕ hạ thế 400 V

Hiện nay ở nước ta chưa có TCVN nên Công ty sẽ ra tiêu chuẩn xí nghiệp để

áp dụng trong thời gian tới nhằm đáp ứng yêu cầu của Khách hàng

biến áp ( kVA )

Dung lượng tủ bù ( kVAR )

C ) Nghiên cứu thiết kế các tính năng của Tủ bù cosϕ hạ thế

1 Nguyên lí làm việc của Tủ bù hệ số công suất

Như ta đã biết ở phần trên, tất cả các phụ tải sinh hoạt và công nghiệp đều có tính điện cảm, chúng luôn luôn thay đổi theo thời gian nên hệ số công suất của phụ tải cũng luôn biến động theo thời gian Vì vậy ta phải đấu thêm tụ bù để nâng cao cosϕ của phụ tải Do hệ số công suất biến thiên theo thời gian nên dung lượng của các tụ bù cũng thay đổi theo thời gian

Trước đây người ta thường dùng cách bù cố định, tức là luôn luôn đấu song song với một số lượng tụ điện nhất định trong suốt thời gian sử dụng điện Cách làm này có nhược điểm lớn là: khi cosϕ cao, các tụ điện vẫn làm việc, gây lãng phí, tuổi thọ của tụ suy giảm nhanh; khi cosϕ xuống thấp quá, lượng tụ điện không

đủ bù nên hệ số công suất quá thấp sẽ phải bị tính tiền mua Công suất phản kháng Ngày nay do công nghiệp điện tử ngày càng phát triển, các bộ điều khiển tự

động được sản xuất đủ các tính năng để đóng cắt các tụ bù theo chu trình cài đặt sẵn Ta hãy xem sơ đồ nguyên lí làm việc của Tủ bù sau đây ( sơ đồ 1 dây )

K : các khởi động từ để đóng – cắt các tụ điện

Bộ điều khiển trung tâm

Nguyên lí làm việc của tủ bù như sau : Khi cosϕ của phụ tải Z thay đổi tăng hoặc giảm, Bộ điều khiển ghi giá trị cosϕ thực của phụ tải, sau đó so sánh với giá trị cosϕ mong muốn ( đã được cài đặt trong Bộ vi xử lý), rồi điều khiển các rơle để

đóng hoặc cắt các tụ điện theo 1 tuần tự đã được mặc định sẵn

Như vậy đối với tủ bù, bộ phận cực kỳ quan trọng có ảnh hưởng rất lớn tới

chất lượng làm việc của toàn bộ hệ thống bù hệ số công suất đó là Bộ điều khiển

trung tâm

2 Cấu tạo của Tủ bù hệ số công suất

Cáu tạo của Tủ bù cosϕ bao gồm phần sau đây:

• Vỏ tủ: Vỏ tủ được làm bằng tôn 1,5 mm Kết cấu tủ phù hợp với vị trí lắp

đặt: trong nhà hoặc ngoài trời Toàn bộ vỏ được sơn tĩnh điện tránh gỉ sét

• Thiết bị đóng cắt nguồn: Sử dụng áptômát có sẵn trên thị trường

• Các tụ bù: Hiện nay trong nước chưa có nơi nào sản xuất tụ bù hạ thế Tụ bú chủ yếu nhập từ Hàn quốc; Singapo; Nhật và các nước Châu âu… Có hai loại phổ biến: Tụ đầu và Tụ khô Cấp điện áp tới 450 VAC

• Các khởi động từ dùng đẻ đóng cắt các tụ bù: Sản phẩm nhập ngoại Laọi khởi động từ có tự dập hồ quang, báo đảm số lẩn đóng cắt cao, không bị hư hỏng tiếp điểm

• Trong một số trường hợp Khách hàng có yêu cầu lắp thêm cuônk kháng nhằm mục đích bảo vệ quá dòng khi các tụ bị sự cố ngắn mạch hoặc Tủ bù

bị sự cố ngắn mạch

• Phần quan trọng nhất của Tủ bù và là quả tim điều khiển mọi hoạt động của

Tủ là Bộ điều khiển hệ số công suất Phần này được tính toán thiết kế trong

phần dưới đây

3 Các tính năng kỹ thuật của Tủ bù cos ϕ

Các tính năng kỹ thuật cơ bản của Tủ bù phụ thuộc rất lớn vào các tính năng của Bộ điều khiển do các Nhà sản xuất chế tạo Thông qua tìm hiểu các loại điều khiển bù hệ số công suất của nước ngoài có bán trên thị trường Việt nam, khi thiết

kế Tủ bù phải có các tính năng kỹ thuật cơ bản của Tủ bù như sau :

• Tủ phải có chức năng đóng – cắt các tụ bù bằng tay hoặc hoàn toàn tự

động

• Tủ phải được thiết kế với 6 hoặc 12 cấp bù cosϕ

đóng hoặc cắt các tụ điện theo một chu trình được lập trình sẵn

• Hiển thị trạng thái đóng – cắt của từng Tụ điện

• Hiển thị tính chất của phụ tải: tính điện cảm; tính điện dung

• Hiển thị các kí hiệu mặc định của các tính năng khi cài đặt bộ điều khiển

• Hiển thị báo lỗi khi quá dòng hoặc quá áp và đấu sai mạch làm việc ở trong tủ

• Cuối cùng Tủ phải có kết cấu phù hợp cho việc lắp đặt ở trong nhà hoặc ngoài trời; phải bảo đảm độ cách điện, an toàn cao theo đúng các tiêu chuẩn, quy định hiện hành

Phần thứ hai

Thiết kế bộ điều khiển tự động hệ số công suất PFC-09

1 Yêu cầu chung về đặc tính, cấu tạo của bộ điều khiển hệ số

công suất PFC-09

Đặc tính kỹ thuật của bộ PFC-09 :

Bộ điều khiển PFC-09 là bộ điều hành vi xử lí, nó được thiết kế đáp ứng các

đặc tính và yêu cầu kỹ thuật của Tủ bù hệ số công suất như đã nêu ở phần trên Vì vậy các đặc tính của bộ điều khiển PFC-09 như sau :

• Điện áp làm việc 220 V.AC hoặc 380 V.AC

• Tần số làm việc 50 hoặc 60 Hz

• Hệ số công suất mục tiêu có thể thiết lập trong 1 dải rộng từ giá trị chậm 0,80 đến giá trị vượt trước 0,90

• Các bước điều chỉnh được thiết kế là 6 bước ( cấp ) hoặc 12 cấp

• Thời gian đóng trễ của tụ điện là 45 giây; 3 phút và 9 phút

• Hệ số công suất mục tiêu cần phải đạt được nhanh khi thay đổi thời gian

đóng mà nó phụ thuộc vào cường độ của công suấtphản kháng

• Chuỗi đóng- cắt tụ điện có thể lựa chọn theo các kiểu tăng-giảm hoặc kiểu mạch vòng tròn

• Hệ số công suất mục tiêu được cài đặt bằng 3 cấp : 0,85 ; 0,9 và 0,95

• Phần hiển thị phải có :

+ Luôn luôn hiện số giá trị cosϕ thực của phụ tải

+ Hiển thị trạng thái đóng của các tụ điện

+ Hiển thị tính chất của phụ tải : điện cảm; điện dung

+ Hiển thị các giá trị khi lập trình cài đặt

+ Báo lỗi : quá dòng ;quá áp; đấu ngược cực tính máy biến dòng đầu vào

Kết cấu của bộ điều khiển hệ số công suất PFC-09 :

Là thiết bị điện dạng đồng hồ, dùng để lắp đặt trên tủ bảng điện nên kích thước và hình dáng phải theo các tiêu chuẩn quy định , không gian bên trong phải

được tận dụng tối đa để lắp đặt các linh kiện điện tử

Cấu tạo của bộ PFC-09 được thiết kế chia thành 2 khối:

• Khối đầu vào-ra và cấp nguồn : Khối này nằm toàn bộ trên 1 tấm mạch in 2

của Đầu vào và Đầu ra ; Máy biến áp cấp nguồn nuôi1 chiều cho các IC ; Biến dòng dùng để biến dòng điện 5A thành giá trị thấp để đ−a tín hiệu dòng điện IC năng l−ợng và các Rơle cách ly của đầu ra

• Khối vi xử lí và hiển thị : Toàn bộ linh kiện đ−ợc lắp đặt trên panen mạch in

2 lớp, bao gồm : IC năng l−ợng ; Bộ xử lí trung tâm ; Đèn LED hiển thị thông số cosϕ; điot phát quang hiển thị các trạng thái làm việc của Tụ điện

và báo các lỗi của mạch và các bàn phím lập trình

Hai khối này đ−ợc liên kết với nhau thông qua các jắc cắm , đ−ợc lắp đặt toàn

bộ trong vỏ đồng hồ

2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PFC-09

Bộ xử lí - thu thập dữ liệu trung tâm ATMEGA-8515

Đầu ra Rơle điều khiển

Bàn phím lập trình

Nguồn cấp 220VAC/5VDC

Phụ tải

2.2 B¶n vÏ nguyªn lÝ vµ b¶n vÏ m¹ch in cña PFC-09

Bé ®iÒu khiÓn cã 2 m¹ch chÝnh ®−îc thiÕt kÕ trªn phÇn mÒm chuyªn dông, gåm:

- M¹ch ®o l−êng vµ tÝnh to¸n

- M¹ch nguån vµ m¹ch ®iÒu khiÓn c¸c r¬le

( Xem b¶n vÏ kÌm theo trang sau ®©y )

H×nh ¶nh hai blok cña Bé ®iÒu khiÓn PFC-09

2.3 Thiết kế phần cấp nguồn

Như ta đã biết, để đo được cosϕ của phụ tải, phải có hai đại lượng: dòng điện

và điện áp của phụ tải được đưa cùng đồng thời vào thiết bị đo Theo sơ đồ khối

được thiết kế như trên, thì 2 đại lượng điện được đưa vào PFC-09 như sau:

• Cấp nguồn điện áp: Điện áp của Tủ bù là 3 pha 380V lấy từ lưới 3 pha 3 dây hoặc 3 pha 4 dây Cho nên điện áp đầu vào của Biến áp nguồn nuôi cho PFC-09 được thiết kế định mức là 220V hoặc 380V và điện áp đầu ra của Biến áp là 5V 1 chiều Mạch chỉnh lưu này được thiết kế bao gồm: nắn dòng; lọc và ổn áp nên chất lượng tín hiệu đầu ra bảo đảm tốt Tín hiệu này

được đưa vào IC năng lượng và IC xử lí trung tâm

• Cấp nguồn dòng điện: Để lấy tín hiệu dòng điện phụ tải để đưa vào bộ điều khiển, ta phải lấy dòng bên mạch thứ cấp của CT là 5A Nhưng giá trị của

đại lượng này quá lớn, bắt buộc phải biến đổi thành dòng điện nhỏ hơn thích hợp cho mạch điện tử ( cỡ vài trăm mA )

• Về mặt lí thuyết, giá trị điện dung C cần bù phải tỉ lệ thuận với công suất Phụ tải Z , nhưng phụ tải luôn thay đổi theo thời gian, vì vậy Bộ điều khiển phảI điều khiển Đóng – Cắt số tụ cho phù hợp Mặt khác dung lượng của Tủ

bù cũng khác nhau, nên bộ điều khiển phải được cài đặt tín hiệu dòng đầu vào khác nhau tuỳ theo tỉ số biến dòng của phụ tải Hệ số điều chỉnh này

được gọi là Giá trị C/ K, và được tính theo công suất sau :

N : Tỉ số biến của CT phụ tải

V : Điện áp dây ( V )

Thông thường khi lắp đặt, người ta phải tính toán giá trị C/K để nạp vào con

IC năng lượng Gần đây IC năng lượng chuyên dụng này đã được cải tiến nên nó hoàn toàn làm việc tự động theo sự thay đổi giá trị C/K

2.4 Thiết kế phần ghi các thông số đầu vào

Việc đo và ghi lại toàn bộ các thông số của các đại lượng điện của đầu vào

được thực hiện bởi 1 con IC – gọi là IC năng lượng chuyên dụng – kí hiệu ADE

7753

2.4.1 Các tính năng của chip đo năng lượng ADE7753 của hãng Analog

Devies:

• Dáp ứng theo tiêu chuẩn IEC60687/ 61268

• Sai số điện năng tác dụng nhỏ hơn 0,1%

• Đo điện năng tác dụng; phản kháng toàn phần

• Đo dòng điện tần số công nghiệp chính xác tới 0,5%

• Đo điện áp tần số công nghiệp chính xác tới 0,5%

• Xung đầu ra tần số cao

• Chuẩn giao tiếp SPI

Đầu vào của IC này là Dòng điện pha và Điện áp pha của phụ tải Nó được khởi tạo điều khiển và thiết lập bởi hệ thống xử lí trung tâm Đầu ra của nó sau khi

đã được xử lí là những thanh ghi dữ liệu có chứa các thông tin về mạch điện đang hoạt động như sau :

• Hệ số công suất Cất ở dạng thanh ghi

• Tần số lưới điện Cất ở dạng thanh ghi

• Dòng điện tiêu thụ của phụ tải Cất ở dạng thanh ghi

• Điện áp pha “

• Báo đặc tính tải ( điện dung hay điện cảm ) “

• Báo chiều công suất Cất ở dạng thanh ghi

2.4.2 Mô tả các thanh ghi ( Có tài liệu của Nhà sản xuất cung cấp )

Mỗi khi cần giám sát, xử lí các kết quả đo, hệ thống xử lí trung tâm chỉ cần thiết lập giao diện truyền thông theo chuẩn SPI Toàn bộ các dữ liệu về các thông

số của mạch điện sẽ được đưa về bộ xử lí trung tâm để tính toán và đưa ra các lệnh

điều khiển tương ứng cho các rơle đầu ra hoạt động ( đóng hoặc cắt )

2.5 Thiết kế phần vi xử lí – thu thập dữ liệu trung tâm

Trong phần xử lí số liệu ta dùng con chíp ATMEGA-8515 Đây là bộ vi xử lí

8 Kbit, có tốc độ xử lí nhanh ( 8 MHz ), độ tin cậy và an toàn cao

2.5.1 Các tính năng kỹ thuật của vi xử lí ATMEGA-8515:

• Vi điều khiển AVR 8 bit, tốc độ nhanh, tiết kiệm năng lượng

• Kiến trúc RISC: 130 lệnh, thực hiện trong cùng 1 chu kỳ máy; 32 x 8 thanh ghi dùng chung; Có tới 16 đầu vào MIPS tần số 16 Hz; Bộ nhấn đeôI chu kỳ

on chip

• Bộ nhớ chương trình ổn định: 8K bit bộ nhớ flash với 10.000 lần đọc / xoá;

512 bit EEPROM với 10.000 lần đọc/ xoá; 512 bit SRAM nội; 65K bit không gian nhớ ngoài có thể lựa chọn

• Ngoại vi: Có bộ đếm thời gian; Giao tiếp USA RT lập trình được;Bộ so sánh

ânlog

• Các tính năng đặc biệt: Bộ giao động nội; Nguồn ngắt nội và ngoại

• Chân vào ra: 35 cổng vào ra lập trình được

• Tần số thạch anh

2.6 Thiết kế phần hiển thị thông số và các đèn cảnh báo

Phần hiển thị của bộ điều khiển hệ số công suất PFC-09 được thiết kế và lắp

đặt các loại đèn LED sau đây:

• LED 7 thanh, màu đỏ, kích thước to 8 x 15 mm : luôn luôn hiển thị hệ số cosϕ và hiển thị các kí hiệu khi cài đặt chương trình

• LED tròn, loại diot phát quang : Báo trạng thái tác động của các tụ điện (

đèn bật đỏ thì tụ C đang đóng ); Báo đặc tính tải : điện dung hay điện cảm ; Báo các lỗi như phần nêu trên

2.7 Thiết kế phần lập trình

Để phụ vụ cho việc lập trình, ta sử dụng bàn phím, thật ra các chương trình để Khách hàng cài đặt rất đơn giản cho nên cấu tạo bàn phím không nhiều chỉ có 3 chiếc nut bấm : 01 chiếc để cài đặt lại tính năng ; 1 chiếc Tăng và 1 chiếc Giảm Các thông số được lập trình trên bàn phím gồm :

• Cấu hình mạng điện sẽ sử dụng

• Giá trị cosϕ mục đích ( giá trị hệ số công suất mong muốn sau khi bù )

• Thời gian trễ

• Chuỗi đóng cắt

• Chế độ cảnh báo

• Số cấp đóng cắt của tụ điện

• Tỉ lệ điện dung của dãy Tụ điện

2.8 Thiết kế phần đầu ra

• Phía đầu ra được thiết kế lắp đặt các rơle cách ly dùng để đóng cắt các cuộn dây hút của khởi động từ, điều khiển các tụ làm việc theo chương trình đã cài đặt Các rơle này có điện áp định mức 250V và dòng 5A

• Chuỗi đóng cắt : Các rơle sẽ được điều khiển đóng hoặc cắt các tụ điện theo một dạng chuỗi làm việc nhất định khi thiết kế Thông thường có hai loại chuỗi đóng cắt như sau:

+ Kiểu Lên – xuống hay còn gọi là kiểu Cuối vào Đầu ra (

Last-in-First-out ): Một tụ điện được đóng cuối cùng sẽ được cắt trước; và Tụ cắt sau cùng sẽ là được đóng trước

+ Kiểu Vòng tròn hay còn gọi là kiểu Đầu vào Đầu ra ( First-in-First-out ):

Một tụ cắt trước sẽ được đóng trước

• Tỉ số các cấp đầu ra : Để cho việc bù cosϕ tăng lên hoặc giảm xuống được

đều đặn và mịn màng, ta phải lắp đặt các tụ có tỉ điện dung sao cho thật hợp

lý để bộ điều khiển ra lệnh đóng hoặc cắt không bị dật cục làm ảnh hưởng

tới Tụ điện, gây chóng hỏng Thông thường có 3 kiểu bố trí các tụ điện ở 6 hoặc 12 cấp theo tỉ lệ sau:

+ Các cấp bằng nhau : 1:1:1:1:1:1 tức là giá trị điện dung của các cấp bằng nhau

+ Kiểu đa cấp 1: 1:2:2:2:2:2 tức là trị số điện dung của các Tụ điện từ vị trí thứ hai đến vị trí thứ sáu đều bằng nhau và gấp đôI giá trị của Tụ thứ nhất Ví dụ: 20kVAR; 40kVAR; 40kVAR; 40kVAR; 40kVAR; 40kVAR + Kiểu đa cấp 2 : 1:2:4:8:8:8 tức là Tụ thứ hai gấp đôi Tụ thứ nhất; Tụ thứ

ba gấp đôi Tụ thứ hai và Tụ thứ tư gấp đôi Tụ thứ ba; Cuối cùng các Tụ còn lại giống như Tụ thứ tư Ví dụ : 10 kVAR; 20kVAR; 40kVAR; 80kVAR; 80kVAR; 80kVAR

3 Thiết kế phần mềm của Bộ điều khiểnhệ số công suất PFC-09

3.1 Lưu đồ thuật toán sử dụng viết phần mềm cho PFC-09

Đọc giỏ trị, và tớnh toỏn Cosphi

Đọc ra cỏc chế độ cài đặt, điều khiển từ

Hiển thị Giỏ trị Cosphi thựcPhớm bấm

Xử lớ phớm ấCài đặt cỏc thụng

ố

Xử lớ đúng cắt tụ

Kết thỳc

SƠ ĐỒ KHỐI XỬ LÝ ĐÓNG CẮT TỤ BÙ

2.Liệt kê chương trình

This program was produced by the

CodeWizardAVR V1.24.6 Standard

Automatic Program Generator

© Copyright 1998-2005 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l

Kết Reset biến đếm