Giải pháp nâng cao chất lượng điện áp đối với các thiết bị động cơ công suất lớn trong hệ thống điện

Bài viết trình bày các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng, nguyên nhân làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng và tác động ngược lại của yếu tố này đến hiệu quả làm việc, tuổi thọ của các động cơ điện; phân tích các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng, đặc biệt là giải pháp bù công suất phản kháng; xây dựng một phương pháp xác định dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng cho các động cơ điện không đồng bộ.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP ĐỐI VỚI CÁC THIẾT BỊ ĐỘNG CƠ CÔNG SUẤT LỚN TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VOLTAGE QUALITY IMPROVEMENT FOR INDUCTION MOTOR IN POWER SYSTEM Nguyễn Tiến Dũng1, Đinh Ngọc Quang2, Bùi Anh Tuấn3 Trường Đại học Điện lực, 2Công ty IGS Việt Nam, 3Trường Đại học Công nghiệp dệt may Hà Nội Ngày nhận bài: 04/02/2020, Ngày chấp nhận đăng: 24/04/2020, Phản biện: PGS.TS Phạm Tuấn Thành Tóm tắt: Bài báo trình bày vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng, nguyên nhân làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện tác động ngược lại yếu tố đến hiệu làm việc, tuổi thọ động điện; phân tích giải pháp nâng cao chất lượng điện năng, đặc biệt giải pháp bù công suất phản kháng; xây dựng phương pháp xác định dung lượng bù tối ưu công suất phản kháng cho động điện khơng đồng Từ khóa: Chất lượng điện năng, bù công suất phản kháng, dao động điện áp Abstract: This article introduces the issues related to power quality, causes an adverse effect on the power quality and reverse the impact of this factor to the effective working life of induction motors The solution to improve power quality, especially the reactive power compensation solution are discussed A method of determining the optimal compensation amount of reactive power to the high power induction motor is proposed Keywords: Power quality, reactive power compensation, voltage fluctuations ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với phát triển khoa học công nghệ, toán chất lượng điện ngày trở nên quan trọng với quốc gia giới Việc giải tốt toán giúp cho quốc gia sử dụng hiệu tiết kiệm lượng, tăng cường độ tin cậy an toàn cung cấp điện (qua đảm bảo an ninh lượng), tăng tuổi thọ khả làm việc 48 thiết bị sản xuất, truyền tải, phân phối sử dụng điện đặc biệt đảm bảo sức khỏe cho khách hàng sử dụng điện giải vấn đề nhấp nháy điện áp ảnh hưởng tới sức khỏe người lao động [1], [2] Chất lượng điện cung cấp tác động trực tiếp đến nhiều khách hàng công nghiệp Ngày nay, dây chuyền sản xuất cơng nghiệp Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) trang bị đại với trình độ tự động hóa cao, thiết bị dây chuyền thường nhạy cảm với thông số điện cung cấp so với hệ thiết bị điện trước Quy mô sản xuất lớn, thiết bị sử dụng đại hậu chất lượng điện xấu (sụt áp, tần số không ổn định, xuất hài bậc cao, gián đoạn cung cấp điện,…) trở nên nghiêm trọng [1] Chất lượng điện làm giảm hiệu suất thiết bị điện, gây thêm tổn thất công suất tác dụng điện năng, gây tượng phát nóng, làm giảm tuổi thọ thiết bị, gây vấn đề sức khỏe người lao động,… Một phụ tải phổ biến hệ thống phân phối điện động khơng đồng (chiếm tới 45-50% công suất loại phụ tải) Các động có ưu điểm cấu trúc đơn giản, dễ điều chỉnh tốc độ công suất nên sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, đặc tính hoạt động thiết bị, động gây nhiều vấn đề chất lượng điện năng, tổn thất cơng suất tác dụng, đặc biệt q trình khởi động Khi khởi động, rotor bị ngắn mạch, dịng điện tăng cao kéo theo dao động điện áp Khi rotor tăng tốc, dòng điện giảm dần Trong trình khởi động, điều chỉnh tốc độ, động không đồng tiêu thụ nhiều lượng Không gây vấn đề chất lượng điện năng, thân động nhạy cảm với thay đổi này, cụ thể sau [3], [4]: Số 22  Ảnh hưởng việc sụt điện áp: điện áp lưới điện xuống thấp khiến cho hiệu suất động giảm đáng kể Nếu điện áp giảm 5% so với điện áp định mức hiệu suất động giảm khoảng 1%, điện áp động giảm 10%, hiệu suất giảm 2% Lượng công suất biến thành nhiệt làm cho động nóng lên  Ảnh hưởng hệ số cơng suất: hệ số công suất cosφ tỷ số công suất tác dụng P cơng suất tồn phần S Với động không đồng thường cosφ thấp (dưới 0,85) lượng công suất phản kháng lớn Lượng công suất phản kháng gây tổn thất lớn dạng nhiệt đường dây cáp máy biến áp (tổng tổn thất nhà máy lên tới 8-10%, tổn thất máy biến áp trung áp khoảng 2,5%, máy biến áp 110 kV khoảng 1,5%, phần tổn thất đường dây cáp từ đến 6%) Hệ số cosφ thấp làm cho điện áp động giảm kéo theo giảm tổn thất động tăng lên  Ảnh hưởng độ không đối xứng điện áp ba pha tới hiệu suất động [5]: thông thường, động công suất lớn thường động pha Nếu điện áp pha có độ chênh lệch khiến động bị rung, lắc tăng tổn thất Thông thường điện áp pha lệch khoảng 2% tổn thất động tăng 8%, lệch 3,5% tổn thất tăng 25% 5% tổn thất tăng 50% Vì vậy, cần phải giữ cho điện áp ba pha xấp xỉ nhau, độ lệch 2%  Ảnh hưởng sóng hài tới động [6]: sóng hài tượng méo dạng điện áp thiết bị điện tử, hồ quang gây 49 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Nếu sóng hài nhỏ 5% tổn thất động tăng khoảng 4,26% Tuy nhiên, sóng hài lớn (vài chục %) tổn thất tăng thêm từ 30-35% cho thiết bị điện thường bỏ qua hiệu việc bù tới hiệu suất động khơng đồng Do việc tính tốn cơng suất khơng thực xác ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TÍNH TỐN LƯỢNG CƠNG SUẤT BÙ TỐI ƯU CỦA CÁC ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ Mục tiêu viết tìm cách xác định lượng bù công suất phản kháng tốt động khơng đồng Có thể thấy ảnh hưởng chất lượng điện tới hiệu suất động không đồng vấn đề chất lượng điện áp, bao gồm: điện áp sụt thấp, hệ số công suất thấp, vấn đề không đối xứng điện áp sóng hài Việc nâng cao hiệu suất động thực cách đặt thêm thiết bị điều chỉnh điện áp, bù cơng suất phản kháng lọc sóng hài Các thiết bị bù trơn công suất phản kháng, tốc độ cao làm tăng đáng kể hiệu suất nhà máy giảm tổn thất, nâng cao tuổi thọ thiết bị [4] Trong lưới điện đại, thiết bị thông dụng để bù công suất phản kháng lưới điện tụ bù tĩnh ưu điểm vượt trội giá thành rẻ, tổn thất nhỏ, dễ lắp đặt… Ngoài ra, với tiến ngành điện tử công suất, nhược điểm lớn tụ bù tĩnh khứ khó bù trơn công suất phản kháng, dễ bị tải gặp phụ tải khơng tuyến tính (do bị cộng hưởng) dễ gây ổn định cho hệ thống đóng cắt bị loại bỏ thay khởi động từ thiết bị chuyển mạch dùng thyristor điều khiển [2] Một vấn đề quan trọng toán bù việc lựa chọn công suất bù tối ưu thiết bị bù với giá thành rẻ, hoạt động thời gian lâu dài Trước đây, toán lựa chọn cơng suất bù INM Để thuận tiện cho việc trình bày, ta xét sơ đồ nguyên lý hệ thống phân phối điển hình lưới điện cho hình Т1 Т2 km 110 kV 40000/110 Stt (3х120) 22 kV 1000/22 0,4 kV Qbù Hình Sơ đồ nguyên lý lưới điện phân phối Do tổn thất công suất tác dụng hệ thống điện phụ thuộc vào dịng cơng suất điện trở Rtđ nên phạm vi 50 viết đề cập tới sơ đồ thay với điện trở tác dụng R hệ thống cho hình Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ХC RC ХТ2 RТ2 Ptt + jQtt RT1 XT1 XB Xht Rht Hình Sơ đồ thay lưới điện Với thiết bị bù đặt cuối đường dây nên ta tính tốn thơng số hệ thống quy phía 0,4 kV Với hệ thống điện: X ht  U ht ( 3) 3I NM (1) trường hợp U ht  110 kV; ( 3) - dòng điện ngắn mạch pha I NM 110 kV, kA vị dài, Ω/km; L - chiều dài cáp, km Máy biến áp T2: RT  PN U dmHT  1000 S dm (4) PN - tổn hao công suất ngắn mạch (2) đó: PN - tổn hao cơng suất ngắn mạch máy biến áp T1, kW; S dm - công suất định mức máy biến áp T1, MVA; U dmHT1 - điện áp định mức phía hạ áp Số 22 (3) đó: Máy biến áp T1: máy biến áp T1, kV 0,4 22 r0 - điện trở tác dụng cáp đơn đó: U ht - điện áp hệ thống, PN U dmHT 0,4 RT    , (Ω) 1000 S dm U dmHT1 RC  r0  L  với: 0,4 ;  110 Rht  0,1 X ht Đường dây cáp: máy biến áp T2, kW; S dm2 - công suất định mức máy biến áp T2, MVA; U dmHT - điện áp định mức phía hạ áp máy biến áp T2, kV Tổng trở tương đương toàn hệ thống quy phía 0,4 kV là: Rtđ  Rht  RT  RC  RT (5) 51 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Lúc này, tổn thất động không đồng gây lưới điện có thiết bị bù: P1  Rtđ  Ptt2   Qtt  QB  103 bị bù pB đặc tính động không đồng theo điện áp (công suất phản kháng) đó: Thơng thường mối quan hệ điện áp phụ tải điện áp lưới điện thường tính tốn theo độ sụt áp cơng thức sau: pB - tổn thất công suất tác dụng thiết U pt  U ht  U bị bù, kW/kVAr;  U ht  U đm (6) pB QB  Ptt Q  Qb  QB - công suất thiết bị bù, kVAr; Ptt Rtd  (Qtt  Qbu ) X td U ht (8) Q  Qb - hiệu suất động theo Trong X td  X ht  X T  X C  X T công suất phản kháng Trong trình vận hành lưới điện, giá trị Uht, Rtd Xtd thường thay đổi, thấy giá trị điện áp phụ thuộc chủ yếu vào biến thiên phụ tải lượng cơng suất bù Ta thấy tổn thất chia làm phần: phần dòng cơng suất cịn lại chạy vào hệ thống gây tổn thất điện trở hệ thống, phần thứ hai phần tổn thất thiết bị bù, phần thứ ba tổn thất động khơng đồng Để tính tốn cơng suất bù tối ưu hệ thống điện với tiêu chí tổn thất cơng suất tác dụng tồn hệ thống P1 nhỏ nhất, Theo Nema MG 1-12-45, động không đồng chạy với phụ tải định mức, hiệu suất động theo thay đổi điện áp hình dạng parabol đạt cao vị trí 1,02 Uđm theo đường cong ta có:  Qtt  QB  103 P1  2 Rtđ QB U đm (7) pB  Ptt  'Q  Qb   Có thể thấy, tốn tính lượng cơng suất bù tối ưu với động khơng đồng tốn phức tạp Lượng công suất không phụ thuộc vào công suất phụ tải mà phụ thuộc vào cấu trúc lưới Rtđ, điện áp định mức phụ tải, giá trị suất tổn hao công suất thiết 52 Hình Quan hệ điện áp hiệu suất động theo Nema Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Đường cong quan hệ biến thiên điện áp biến thiên hiệu suất động biểu diễn theo cơng thức sau: Q  Qb   K U  C (9)  Ptt Rtd  (Qtt  Qbu ) X td   K   C U ht   Với K C số xác định dựa đường cong thực nghiệm theo hình Các hệ số hồn tồn xác định loại động khác Giá trị đạo hàm Q  Qb  theo QB xác định sau: Q  Qb    'Q  Qb  Qbu (Q  Qbu ) X td  2 K tt U ht2 (10) Từ công thức (10) (8) xác định giá trị cơng suất phản kháng tối ưu cịn lại a) chạy vào hệ thống điện (Qtt  Qbu) theo thông số hệ thống điện công suất tác dụng Ptt phụ tải pbu (Qtt  Qbu )  (11) 2( K1 Ptt  K ) Với K1  K X td 10 3 K  R td U ht2 U dm Trên thực tế, hệ thống phụ tải thường xuyên có thay đổi cơng suất tác dụng giá trị Qbu tối ưu thường xuyên thay đổi theo phụ tải Tuy nhiên, sử dụng thiết bị bù trơn công suất phản kháng tốc độ cao SVC, STATCOM thiết bị bù lai [2] giúp cho hộ phụ tải điện giảm lượng tổn thất đáng kể, đồng thời giảm phát nóng thiết bị điện, qua nâng cao tuổi thọ thiết bị b) Hình Hiệu thiết bị bù lai tịa nhà viễn thơng - M1 Viettel trước (a) sau lắp đặt (b) Số 22 53 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) a) b) Hình Hiệu thiết bị bù lai xưởng khí - M1 Viettel trước (a) sau lắp đặt (b) a) b) Hình Hiệu thiết bị bù lai nhà thí nghiệm, kiểm định - M1 Viettel trước (a) sau lắp đặt (b) Sau nhiều lần cải tiến, hệ thống thiết bị bù lai sử dụng phương pháp tính tốn 54 theo công thức (11) sản xuất ứng dụng số phụ tải điện như: Nhà Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) máy sản xuất kính an tồn Hải Long, Nhà máy sản xuất inox Hoàng Vũ, Nhà máy dệt Kim Hoa, Nhà máy sản xuất gang cầu Thiên Phát, Tập đồn Viettel, Hình 4, kết đo đạc hiệu thiết bị bù lai sử dụng số sở sản xuất Trung tâm Thơng tin M1 Tập đồn Viettel Kết đo đạc giá trị công suất tác dụng Pmax thời điểm sử dụng không sử dụng thiết bị bù lai cho thấy: giá trị điện áp nâng lên đáng kể, khoảng 4÷8 V (tương đương 1,8÷3,6%) Giá trị dịng điện giảm từ 13 tới 20%, hệ số công suất cải thiện từ 0,91 lên xấp xỉ 0,99÷1,00 Độ dao động cơng suất tác dụng tiêu thụ công suất tác dụng giảm Các kết đo đạc thực tế sử dụng cho thấy hiệu tiết kiệm điện 6% KẾT LUẬN Bài báo phân tích tác động qua lại chất lượng điện hiệu suất làm việc động điện không đồng công suất lớn hệ thống điện Từ đó, nhóm tác giả đề xuất giải pháp tính tốn lượng cơng suất bù nhanh cho động điện không đồng nhằm đảm bảo tổn thất cơng suất tác dụng tồn hệ thống nhỏ Sau xây dựng thuật toán điều khiển dung lượng bù nhanh tối ưu, nhóm tác giả tiến hành sản xuất lắp đặt thiết bị bù lai số địa điểm Thông qua kết đo đạc, biên nghiệm thu đơn vị sử dụng thiết bị bù lai cho thấy việc nâng cao hệ số công suất cosφ nhanh gần tức thời theo biến thiên phụ tải, thiết bị bù lai hồn tồn có khả nâng cao điện áp Chính điều này, hiệu suất làm việc phụ tải nâng lên, đặc biệt với động điện công suất lớn Và lần cho thấy phương pháp tính tốn bù tối ưu công suất phản kháng báo trình bày đem lại số xác việc tính tốn cơng suất thiết bị bù tối ưu tức thời cho thiết bị bù trơn tốc độ cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đình Long, Sổ tay tra cứu chất lượng điện năng, Hội điện lực Việt Nam, 2014 [2] Bùi Anh Tuấn, Đinh Ngọc Quang, Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Công Thương: “Nghiên cứu, chế tạo thiết bị bù công suất phản kháng lưới điện hạ áp dựa nguyên lý lai”, 2014 [3] Miloje Kostic, Induction Motors - Modelling And Controll, Intech 2012 [4] Austin Bonnet, The Impact That Voltage Variations Have on AC Induction Motor Performance, Pulp and Paper- IEEE, 1999 [5] Bonnett, A.H An overview of how AC induction motors’ performance has been affected by the October 24, 1997 Implementation of the Energy Policy Act of 1992 IEEE Transaction on Industry Applications, Vol.36, No1, 2000, pp 242-256 [6] Kravčik A.E Induction Machines Handbook (Moscow, 1982), p 504, (in Russian) Số 22 55 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Tiến Dũng tốt nghiệp đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2005; nhận Thạc sĩ ngành điều khiển tự động hóa Học viện Kỹ thuật quân năm 2012 Lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển hệ thống bù để nâng cao chất lượng điện năng, tự động hóa nhà máy, khu công nghiệp Tác giả Đinh Ngọc Quang tốt nghiệp đại học chuyên ngành hệ thống điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2001; nhận Tiến sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện Đại học Bách khoa Quốc gia Odessa, Ukraina năm 2010 Lĩnh vực nghiên cứu: lọc sóng hài, bù cơng suất phản kháng, điện tử công suất chất lượng điện Tác giả Bùi Anh Tuấn tốt nghiệp đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội chuyên ngành hệ thống điện năm 2001; nhận Tiến sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện Đại học Claude Bernard - Lyon 1, Cộng hòa Pháp năm 2011 Lĩnh vực nghiên cứu: vật liệu điện từ, bù công suất phản kháng, chất lượng điện lượng 56 Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 22 57 ... đối xứng điện áp sóng hài Việc nâng cao hiệu suất động thực cách đặt thêm thiết bị điều chỉnh điện áp, bù cơng suất phản kháng lọc sóng hài Các thiết bị bù trơn công suất phản kháng, tốc độ cao. .. việc sụt điện áp: điện áp lưới điện xuống thấp khiến cho hiệu suất động giảm đáng kể Nếu điện áp giảm 5% so với điện áp định mức hiệu suất động giảm khoảng 1%, điện áp động giảm 10%, hiệu suất giảm... hiệu suất giảm 2% Lượng công suất biến thành nhiệt làm cho động nóng lên  Ảnh hưởng hệ số công suất: hệ số công suất cosφ tỷ số công suất tác dụng P công suất tồn phần S Với động khơng đồng thường