Đồ án môn học: Xây dựng hệ thống điều khiển bù cos tự động

Cùng với quá trình phát triển kinh tế và xã hội của đất nước , nghành điện luôn phải đi trước một bước trong công cuộc công nghiệp hóa. Các nhà máy xí nghiệp , các khu công nghiệp ngày càng phát triển nhanh chóng đòi hỏi tiêu thụ công suất phản kháng càng tăng, điều này làm giảm hệ số cos. Do đó hệ số công suất cos có giá trị nhỏ điều này ảnh hưởng rất lớn đến các tham số kinh tế kỹ thuật của mạng điện như : giảm chất lượng điện áp, tăng tổn thất công suất và tăng đốt nóng dây dẫn, tăng tiết diện dây dẫn hạn chế khả năng truyền tải công suất tác dụng, không sử dụng hết khả năng của động cơ sơ cấp, giảm chất lượng điện, tăng giá thành điện năng.Vấn đề bù cos là giải pháp giảm tổn thất điện năng rất được coi trọng ở các nước tiên tiến.giải pháp này được quan tâm ngay từ khâu thiết kế, lựa chọn thiết bị và dây truyền công nghệ sản xuất trong công nghiệp.Với đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển bù cos tự động ”, nhóm em đã cố gắng tìm kiếm, học hỏi, tính toán và tổng hợp để hoàn thành một cách tốt nhất đề tài. Song do kiến thức còn hạn chế nên bài làm của nhóm em không thể tránh khỏi những thiếu sót, do vậy, nhóm em kính mong nhận được sự đóng góp ý, bảo ban của thầy, cùng với sự giúp đỡ của các bạn để nhóm em có thể hoàn thành đề tài của mình và hoàn thành tốt việc học tập trong nhà trường cũng như công việc sau này.Nhóm em xin chân thành cảm ơn

LỜI NÓI ĐẦU

***

Cùng với quá trình phát triển kinh tế và xã hội của đất nước , nghành điệnluôn phải đi trước một bước trong công cuộc công nghiệp hóa Các nhà máy xínghiệp , các khu công nghiệp ngày càng phát triển nhanh chóng đòi hỏi tiêu thụcông suất phản kháng càng tăng, điều này làm giảm hệ số cosϕ Do đó hệ số côngsuất cosϕ có giá trị nhỏ điều này ảnh hưởng rất lớn đến các tham số kinh tế kỹthuật của mạng điện như : giảm chất lượng điện áp, tăng tổn thất công suất và tăngđốt nóng dây dẫn, tăng tiết diện dây dẫn hạn chế khả năng truyền tải công suất tácdụng, không sử dụng hết khả năng của động cơ sơ cấp, giảm chất lượng điện, tănggiá thành điện năng

Vấn đề bù cosϕ là giải pháp giảm tổn thất điện năng rất được coi trọng ở cácnước tiên tiến.giải pháp này được quan tâm ngay từ khâu thiết kế, lựa chọn thiết bị

và dây truyền công nghệ sản xuất trong công nghiệp

Với đề tài “Xây dựng hệ thống điều khiển bù cosϕ tự động ”, nhóm em

đã cố gắng tìm kiếm, học hỏi, tính toán và tổng hợp để hoàn thành một cách tốt nhất đề tài Song do kiến thức còn hạn chế nên bài làm của nhóm em không thể tránh khỏi những thiếu sót, do vậy, nhóm em kính mong nhận được sự đóng góp

ý, bảo ban của thầy, cùng với sự giúp đỡ của các bạn để nhóm em có thể hoàn thành đề tài của mình và hoàn thành tốt việc học tập trong nhà trường cũng như công việc sau này

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Số : Đề 1

Họ và tên HS-SV : Đào Văn An Lớp : Điện 4k7

Nguyễn Thành An Khoa : Điện

Giáo viên hướng dẫn : Th.s Nguyễn Đăng Toàn

PHẦN VIẾT BÁO CÁO

1 Tìm hiểu về các hệ thống bù cosϕ trong công nghiệp

2 Xây dựng phương án bù và tính chọn các thiết bị liên quan

3 Xây dựng hệ thống bù cosϕ tự động

CHƯƠNG 1

Tìm hiểu về các hệ thống bù cosϕ trong công nghiệp

1.1 Khái niệm về hệ số cosϕ:

Mức độ tiêu thụ công suất phản kháng được đánh giá bởi hệ số công suất, mà được xác định bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S) Hscs= P/S, còn hệ số cosϕ được hiểu là tỷ số giữa công suất tác dụng và công suất toàn phần của thành phần tần số cơ bản: cosϕ=

Như vậy hệ số cosϕ chỉ ứng với mạch điện xoay chiều tần số cơ bản , nó khác với hệ số công suất, được xét trong mạng điện có sự hiện diện của các thành phần sóng hài Biểu hiện của sự hiện diện của sóng hài là hệ số công suất đo đếm

có giá trị nhỏ hơn hệ số cosϕ Tuy nhiên trong thực tế tính toán người ta thường bỏqua sự ảnh hưởng của các thành phần sóng hài và coi hệ số công suất chính là hệ

số cosϕ Hệ số công suất trung bình của mạng điện có thể xác định theo biểu thức:

cos ϕ = =

1.2 Ảnh hưởng của hệ số cosϕ đối với các tham số kỹ thuật của mạng điện.

Khi cosϕ của các thiết bị càng lớn, tức là mức độ tiêu thụ công suất phản kháng ngày càng bé, vì vậy làm cho mức độ yêu cầu về Q từ lưới ít, nó góp phần cải thiện chế độ làm việc của lưới.Hệ số cosϕ của các hộ tiêu thụ lại phụ thuộc vào chế độ làm việc của các phụ tải điện.khi hệ số cosϕ thấp sẽ dẫn đến tăng công suất phản kháng, sự truyền tải công suất phản kháng trong mạng điện làm giảm sút các chỉ tiêu kỹ thuật của mạng điện

1.2.1 Làm tăng tổn thất công suất và tăng đốt nóng dây dẫn

Tổn thất công suất trong mạng điện được xác định theo biểu thức:

=3R = R = + ;

Khi truyền tải điện năng trong mạng điện cao áp do điện trở phản kháng lớn lên thành phần tổn hao công suất phản kháng thường lớn hơn thành phần tổn thất công suất tác dụng

1.2.2 Tăng tiết diện dây dẫn

Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng cho phép, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng Dòng điện chạy qua các phần tử được xác định :

I = =

1.2.3 Không sử dụng hết khả năng của động cơ sơ cấp

Khi tăng công suất phản kháng truyền tải sẽ dẫn tới hiện tượng không sử dụng hết khả năng của động cơ sơ cấp và máy phát vì để đảm bảo giá trị định mức của cosϕ thì công suất tác dụng phải giảm xuống.Nếu công suất phản kháng vượt quá giá trị định mức mà được xác định bởi cosϕthì tại nhà máy điện người ta buộc phải giảm công suất tác dụng của các máy phát để tránh sự đốt nóng quá mức của máy

1.2.4 Giảm chất lượng điện

Tăng công suất phản kháng sẽ làm giảm chất lượng điện do tổn thất điện áp tăng và do dao động điện áp khi công suất phản kháng thay đổi Như đã biết, tổn thất điện áp được xác định bởi biểu thức:

= +

Thành phần tổn thất phản kháng tỷ lệ thuận với công suất phản kháng Việc tăng công suất Q sẽ làm tăng đáng kể tổn thất điện áp, do đó làm giảm chất lượng điện

1.2 Phương pháp nâng cao hệ số công suất:

Tất cả các giải pháp nâng cao hệ số công suất có thể phân thành các nhóm sau :1.2.1 Các giải pháp tổ chức –kĩ thuật

Nhóm các giải pháp tổ chức kĩ thuật không đòi hỏi chi phí vốn đầu tư thiết

bị thường được gọi là các giải pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên , bao gồm các giải pháp cơ bản sau :

+ Sắp sếp hợp lý các quy trình công nghệ , cải tiến các quy trình công nghệ để các thiết bị điện hợp lý nhất

+ Thay các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ công suất thấp hơn

+Thiết lập các chế độ điện áp tối ưu : ta có thể nâng cao hệ số cos bằng cách giảm điện áp ở những động cơ làm việc non tải, thường ta thay đổi

tổ nối dây động cơ từ tam giác ra đấu sao

+Thiết lập chế độ làm việc kinh tế của trạm biến áp

+Dùng động cơ đồng bộ thay thế cho động cơ không đồng bộ

+Dùng các thiết bị chỉnh lưu với hệ số công suất vượt trước

1.2.2 Các giải pháp kĩ thuật

Các giải pháp kĩ thuật thường được áp dụng để nâng cao hệ số cos áp dụng cho các cơ cấu bù công suất phản kháng Do phụ tải trong thực tế chủ yếu mang

tính điện cảm nên vecto dòng điện chậm hơn so với vecto điện áp , nếu bù được toàn bộ lượng công suất phản kháng thì chỉ còn lại thành phần tác dụng nên vecto dòng và áp sẽ trùng nhau có thể dùng tụ bù hoặc máy bù đồng bộ Biện pháp nàyđược gọi chung là bù cos.

1.2.3 xác định công suất của các thiết bị bù

+ Xác định dung lượng bù công suất phản kháng theo hệ số công suất yêucầu

+Xác định dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng

+Phân bố công suất bù giữa các phân xưởng

+Chọn vị trí của thiết bị bù tại trạm biến áp phân phối

1.2.4 Đánh giá hiệu quả bù công suất phản kháng

+ Đương lượng bù công suất phản kháng

Hiệu quả bù công suất phản kháng có thể đánh giá trên cơ sở so sánh lượng điện năng tiết kiệm được do việc lắp đặt các thiết bị bù

+ Hiệu quả kinh tế bù công suất phản kháng

Giá trị đương lượng bù công suất phản kháng chỉ cho biết mức độ tiết kiệm điện năng do đặt thiết bị bù , mà chưa xét đến vốn đầu tư của thiết bị , bởi vậy cần phải xem xét hiệu quả bù thực sự của các thiết bị bù

1.4 Các hệ thống bù cosϕ trong công nghiệp.

Tổn thất điện áp của lưới điện phụ thuộc vào rất nhiều công suất truyền tải

và thông số đường dây Khi vận hành phải đảm bảo sao cho sự thay đổi điện áp tại

vị trí trên lưới so với định mức nằm trong phạm vi điện áp cho phép

1.4.1 Tụ bù ngang

1.4.1.1 Chức năng, ứng dụng.

Véc tơ dòng đi qua tụ bao giờ cũng vượt trước véc tơ điện áp, do vậy tụ điện luôn phát ra công suất phản kháng Q, cung cấp cho phụ tải, giảm lượng công suất phản kháng truyền tải từ lưới về có tác dụng nâng cao điện áp tại cuối đường dây.Như vậy, với các đường dây truyền tải có điện dung pha đất nhỏ thì việc nối rẽ nhánh tụ công suất (bù ngang) tại đầu vào tải hoặc trạm phân phối sẽ giảm được sựsụt áp và giữ ổn định tại các nút phụ tải

Sơ đồ thay thế như sau :

Như vậy, sẽ giảm khi có , trong trường hợp tải P nhỏ hơn hoặc không tải mà lớn thì

< 0, điều đó có nghĩa là sẽ xảy ra sự dâng quá áp tại các nút có lắp đặt

1.4.1.2 Cấu tạo, đặc điểm

Các bản tụ điện thường được làm bằng các lá kim loại được cách điện bởi màng giấy mỏng tẩm dung môi và được cuốn lại với nhau thành các lớp xen kẽ và được nhúng trong dầu cách điện Để có các bộ tụ cao áp, người ta ghép nối nhiều ổ

tụ nhỏ chia đều điện áp đặt lên mỗi ổ tụ

Đặc điểm của phương pháp dùng tụ bù ngang :

+ Chỉ phát Q nên có tác dụng tăng điện áp.

+ Điều chỉnh điện áp theo từng cấp cố định tùy theo dung lượng bù + Lượng Q phát ra phụ thuộc vào điện áp lưới

500kv, khoảng cách lớn nhất giữa hai điểm đặt kháng là 500km

Hình 2.2.Sơ đồ nguyên lý của kháng điện trên lưới

1.4.2.2 Nguyên lý cấu tạo.

Cuộn kháng có thể coi như một máy biến áp mà trong đó không có cuộn dâythứ cấp, tất cả dòng chảy vào cuộn kháng trở thành dòng kích từ (dòng không tải )

Cấu trúc nguyên lý của cuộn kháng tương tự như của máy biến áp, nhưng vì tất cả dòng chảy vào quận kháng là dòng kích từ nên nếu dùng khung từ như máy biến áp thông thường, nó sẽ bão hòa rất nhanh, trở kháng của cuộn kháng sẽ rất lớn

và dòng chảy qua cuộn kháng sẽ nhỏ

Trong cuộn kháng, đường khép mạch từ khác so với máy biến áp.Mạch từ được khép kín qua khe hở của không khí nhằm tránh bão hòa nhanh cho khung từ.Muốn được như vậy trong phần ứng của cuộn kháng bằng thép, người ta tao rất nhiều những khoảng trống bằng nêm chèn vào trong lõi thép

1.4.3 Tụ bù dọc

1.4.3.1 Chức năng, tác dụng

Trên các đường dây siêu cao áp có độ dài lớn, điện dung pha – đất và pha – pha

là rất lớn, do đó khi không tải hoặc tải nhỏ thì điện áp cuối đường dây sẽ cao hơn đầu đường dây Vì vậy, kháng bù ngang có tác dụng giảm sự tăng áp này, giữ điện

áp tại cuối đường dây ổn định bằng điện áp định mức.Đối với tụ bù dọc chỉ có tác dụng giảm điện áp giáng trên đường dây, dàn đều điện áp trên đường dây bằng với điện áp cho phép và tăng khả năng truyền tải đối với đường dây

Đồ thị điện áp dọc đường dây như sau :

Đường 1: khi không có tụ và kháng bù

Đường 2: Khi có tụ và kháng bù

2.3 Đồ thị điện áp dọc đường dây

1.4.3.2 Nguyên lý bù

Tụ bù được mắc nối tiếp trên đường dây truyền tải làm cho tổng trở đường dây nhỏ đi: XS = X Trở kháng trong hệ thống truyền tải bao gồm phần lớn là thành phần điện kháng và phần nhỏ là thành phần điện trở: = R + J.XS Do đó, nếuchúng ta thay đổi được XS thì sẽ thay đổi được điện áp ở phía tải bởi vì sự sụt áp trên đường dây được gây nên bởi dòng điện điện kháng nhiều hơn dòng điện điện trở

Sơ đồ mô phỏng đường dây khi có tụ bù dọc :

Hình 2.4: Sơ đồ mô phỏng đường dây

Sau khi bù, điện kháng trên đường dây là: = X -

Như vậy, U sẽ giảm lắp tụ bù khi dọc.

và bù riêng khá giống nhau

Việc điều khiển có thể thực hiện bằng tay qua MCCB, bán tự động dùng contactorhoặc mắc trực tiếp vào tải đóng điện cho mạch bù đồng thời khi đóng tải

- Trong các trường hợp khi tải không thay đổi

Giả sử :có 1 nhà máy có công suất đỉnh là 160kW, hệ số công suất Costrước khi bù là 0.75, hệ số công suất bạn mong muốn sau khi bù là 0.95 Nhà máy này làm việc liên tục 24/24.Trong quá trình hoạt động, khảo sát nhận thấy nhà máy chỉ hoạt động tại các mức công suất 100kW, 110kW, 120kW, 130kW, 140kW, 150kW

và 160kW

Ta xem xét phương án bù nền sau:

Hoạt động của bộ điều khiển lúc này như bảng sau

Nhận xét: Sử dụng tụ bù nền thì lượng bù đáp ứng chính xác hơn.

Công suất (kW) 100 110 120 130 140 150 160

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 70.5 80.0 80.0 90.0

Sai số bù (kVar) 5.0 0.5 14.0 4.0 3.0 -2.5 2.0

Tuy nhiên, nếu chúng ta tiến hành tụ bù nền không phù hợp dễ dẫn đến hư hỏng thiết bị trong thời gian không tải vì tụ bù nền sẽ gây hiện tượng quá điện áp.Một giải pháp hữu hiệu để phòng trường hợp này là tụ bù nền được đóng cùng với côngtắc mở nguồn của một hệ thống máy móc.

Chương 2 Xây dựng phương án bù và tính chọn các thiết bị liên quan

2.1 Xây dựng phương án bù

2.1.1 Xây dựng bài toán

Nâng cao chất lượng điện áp bằng cách thay đổi hệ số công suất cos Áp dụng tính toán thiết kế tụ bù cho trạm biến áp có công suất tải là 100kVA, 380VAC Hệ

số cos khi chưa bù là 0.75 yêu cầu sau khi bù phải đạt từ 0.880.99 để tránh bị phạt tiền công suất phản kháng

Để nâng cao chất lượng điện năng, tránh bị phạt tiền công suất phản kháng

ta lắp đặt 01 tủ tự động bù hệ số công suất tại thanh cái 0,4kV Tủ tự động bù đảmbảo làm việc hoàn toàn tự động, khi thiếu công suất phản kháng nó sẽ tự độngđóng các bộ tụ vào, còn khi phụ tải dừng làm việc đủ công suất phản kháng tủ sẽlại tự động nhả các bộ tụ ra đảm bảo ổn định điện áp cho phụ tải

2.1.2 Các phương án bù cos

Bù trên lưới điện áp

Trong mạng lưới hạ áp, bù công suất được thực hiện bằng :

- Tụ điện với lượng bù cố định (bù nền)

- Thiết bị điều chỉnh bù tự động hoặc một bộ tụ cho phép điều chỉnh liên tụctheo yêu cầu khi tải thay đổi

Tụ bù nền

Bố trí tụ bù gồm một hoặc nhiều tụ tạo nên lượng bù không đổi

Bộ tụ bù điều khiển tự động ( bù ứng động )

- Bù công suất thường được hiện bằng các phương tiện điều khiển đóng ngắttừng bộ phận công suất

- Thiết bị này cho phép điều khiển bù công suất một cách tự động, giữ hệ sốcông suất trong một giới hạn cho phép chung quanh giá trị hệ số công suất đượcchọn

- Thiết bị này được lắp đặt tại các vị trí mà công suất tác dụng và công suấtphản kháng thay đổi trong phạm vi rất rộng ví dụ: tại thanh góp của tủ phân phốichính, tại đầu nối của các cáp trục chịu tải lớn.

Vị trí lắp đặt tụ bù :Gồm 3 kiểu bù

Bù tập trung : áp dụng cho tải ổn định và liên tục.

Nguyên lý : bộ tụ đấu vào thanh góp hạ áp của tủ phân phối chính và được đóng

trong thời gian tải hoạt động

Ưu điểm:

- Giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng

- Làm giảm công suất biểu kiến

- Làm nhẹ tải cho máy biến áp và do đó nó có khả năng phát triển thêm các phụ tảicần thiết

Bù nhóm ( từng phân đoạn ).

Bù nhóm nên sử dụng khi mạng điện quá lớn và khi chế độ tải tiêu thụ theo thờigian của các phân đoạn thay đổi khác nhau

Nguyên lý : bộ tụ được đấu vào tủ phân phối khu vực hiệu quả do bù nhóm mang

lại cho dây dẫn xuất phát từ tủ phân phối chính đến các tủ khu vực có đặt tụ đượcthể hiện rõ nhất

Ưu điểm:

- Làm giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng

- Làm giảm công suất biểu kiến yêu cầu

- Kích thước dây cáp đi đến các tủ phân phối khu vực sẽ giảm đi hoặc với cùng dâycáp trên có thể tăng thêm phụ tải cho tủ phân phối khu vực.

Bù riêng:Bù riêng nên được xét đến khi công suất động cơ lớn đáng kế so

Làm giảm tiền phạt do tiêu thụ công suất phản kháng (kVAr)

Giảm công suất biểu kiến yêu cầu

Giảm kích thước và tổn hao dây dẫn đối với tất cả dây dẫn

2.2 Tính chọn các thiết bị bù

Từ phương án bù nhóm em chọn phương pháp bù điều khiển tự động bằng

tụ bù theo kiểu bù tập trung

2.2.1Tính chọn

Cách chọn công suất cho tủ bù tự động :

Với tải có công suất là 100KVA thì hệ số coskhi chưa bù là:

cos=0.75 tan=0.88

vậy công suất đặt là : P=S*cos= 100*0.75=75 kW

+ Để ổn định điện áp và tránh bị phạt tiền CSPK cần nâng cao hệ số cos từ mức 0.880.99 ta chọn mức bù : cos=0.95 tan=0.33 vậy công suất cần bù là:

Điện áp định mức đầu vào 380/400 VAC, 3 pha

Điện áp định mức đầu ra 1 pha 220VAC, 3 pha 380VAC

Dòng định mức 25 ÷ 6300A (Theo nhu cầu thực tế thiết bị)

Dải công suất bù Từ 15 ÷ 1000 KVAr

Mật độ dòng điện 1.5A ÷ 3A/mm2

Cấp bảo vệ IP54 (tủ điện ngoài trời ) / IP42 (tủ điện trong

nhà)

Tiêu chuẩn lắp ráp IEC 60439-1

Giám sát trạng thái từ xa qua Có

Cài đặt nhiệt độ và hiển thị nhiệt độ làm

việc bên trong tủ điện Không

Tự động điều chỉnh độ ẩm không khí trong Không

2.2.2Thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển cho hệ thống bù

Giả sử dây cáp điện từ tủ phân phối tổng sang tủ tụ bù có chiều dài là 5m

Ta tính toán tiết diện cáp theo điều kiện đốt nóng cho phép :

*Với : K1_hệ số hiệu chỉnh theo nhiệt độ K2_hệ số hiệu chỉnh theo số cáp

dòng điện tnhs toán, A _dòng điện cho phép,A

=

Ta có =50kVAr , sindo tải có tính thuần trở

==72.17 A

Ở nhiệt độ tiêu chuẩn là 25độ , nhiệt độ môi trường xung quanh là 30độ thì

có K1=0.94 số sợi cáp đặt chung rãnh là 1 , nên K2 = 1

Trong hệ thống điện tụ điện được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau :

bù kinh tế , bù kĩ thuật bù thay đổi thông số đường dây …trong thực tế người ta chế tạo tụ điện bù cosp với nhiều kích cỡ chủng loại với công suất

từ vài kVAr đến vài trăm kVAr có 1 pha và 3 pha , có loại tụ điện rời có loạilắp đặt sẵn thành tủ

ở đây ta lựa chọn tụ điện rời loại có điện áp 0.38 kV được lắp tại thanh cái 0.4kV là loại 3 pha , từ trên ta tính được công suất tụ bù là : =50kVAr Tra bảng 6.9 sổ tay tra cứu thiết bị điện của Ngô Hồng Quang (Trang343)chọn tụ điện bù cos điện áp 400V, do DAE YEONG chế tạo có các thông số:

Uđm,V Qb, kVAr C, F Mã hiệu Iđm.A

Aptomat được chế tạo với nhiều cấp điện áp khác nhau : 400v, 440v ,500v, 600v… người ta cũng chế tạo aptomat 1 pha, 2 pha, 3 pha với số cực khác nhau 1 cực, 2 cực, 3 cực

Chọn và kiểm tra aptomat

Aptomat được chọn theo dòng điện định mức , điện áp định mức và được kiểm tra về độ ổn định lực điện động , ổn định về nhiệt theo dòng ngắn mạch cũng như khả năng cắt tương tự như máy cắt điện Việc lựa chọn và kiểm tra aptomat được tiến hành theo các công thức trong bảng :

Chọn và kiểm tra aptomat

Đại lượng chọn và kiểm tra Công thức