CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
3.6 CÁC SƠ ĐỒ BÙ THÔNG DỤNG
Giả sử rằng nhà máy có cơng suất đỉnh là 160kW, hệ số cơng suất cosφ trước khi bù là 0.75, hệ số công suất 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
27
động tại các mức công suất 100kW, 110kW, 120kW, 130kW, 140kW, 150kW và 160kW. Chúng ta sẽ cùng xem xét và so sánh 2 phương án bù sau đây:
3.6.1 Bù ứng động 5 cấp x 20 kVAr
Hình 3.9 Sơ đồ bù ứng động 5 cấp
Hoạt động của bộ điều khiển lúc này được cho trong bảng 3.3. Đáp ứng công suất bù ứng động 5 cấp. (Số liệu được tổng hợp qua tính tốn bằng cơng thức 3.2)
Bảng 3.3 Hoạt động tụ bù ứng động 5 cấp
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 80,0 80,5 80,0 80,0 100,0 Sai số bù (kVAr) 5,0 -0,5 14,0 9,5 3,0 -2,5 12,0
28
3.6.2 Bù nền 1 cấp 50 kVAr và ứng động 4 cấp x 10 kVAr
Hình 3.10 Sơ đồ bù nền 1 cấp và ứng động 4 cấp
Hoạt động của bộ điều khiển lúc này được cho trong bảng 3.4. Đáp ứng công suất bù nền 50kVAr và 4 cấp ứng động. (Số liệu được tổng hợp qua tính tốn bằng
cơng thức 3.2).
Bảng 3.4 Hoạt động tụ bù nền 1 cấp và ứng động 4 cấp
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 80,0 80,0 90,0 Sai số bù (kVAr) 5,0 -0,5 4,0 -1,5 3,0 -2,5 2,0
29
Nhận xét:
Trường hợp có sử dụng tụ bù nền thì lượng bù đáp ứng chính xác hơn. Tuy nhiên, nếu chúng ta tiến hành bù nền không phù hợp sẽ dễ dấn đến hư hỏng thiết bị trong thời gian không tải.
Ngoài những phương án bù kể trên, ta cũng cần phải lưu ý đến bù nền cho trạm biến áp khơng tải vì khi máy biến áp hoạt động khơng tải thì cosφ rất thấp.
30
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSφ SỬ DỤNG TẢI CẢM
4.1 TỔNG QUÁT MƠ HÌNH HỆ THỐNG
Mơ hình hệ thống gồm có hai phần chính: - Phần động lực bao gồm:
▪ Mạch động lực của hệ thống nâng cao hệ số cosφ.
▪ Mạch động lực phần phụ tải sử dụng 3 động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.
- Phần điều khiển bao gồm:
▪ Mạch điều khiển hệ thống nâng cao hệ số cosφ.
▪ Mạch điều khiển phụ tải sử dụng PLC và contactor.
4.2 XÁC ĐỊNH YÊU CẦU BÀI TOÁN THIẾT KẾ
Mục đích chính của hệ thống chính là nâng cao hệ số cosφ vì vậy ta cần phải thiết lập mơ hình tải. Giả sử phụ tải là mạch điều khiển 3 động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc chạy tuần tự điều khiển bằng PLC ở hai chế độ tự động và bằng tay. Cosφ của mỗi động cơ được xác định theo catalogue của hãng sản xuất.
Lúc tải hoạt động, hệ thống tự xác định hệ số cosφ qua bộ điều khiển bù 4 cấp SK QR – X4. Nếu cosφ của tải thấp hơn giá trị cài đặt trước thì hệ thống đóng tụ bù theo các cấp và ngược lại. Hoặc có thể đóng/ngắt các cấp tụ bù ở chế độ bằng tay. Cosφ mong muốn sau khi bù đạt 0,95.
4.3 TÍNH CHỌN MẠCH ĐỘNG LỰC TẢI
4.3.1 Tính chọn động cơ
Theo yêu cầu của bài toán thiết kế đặt ra, ta xác định được tải AC3, mục đích của hệ thống là nâng cao được hệ số cosφ của tải lên đến 0,95, vì vậy khi tra cứu catalogue động cơ 3 pha, ta ưu tiên chọn những động cơ 3 pha có cosφ dưới 0,9 để giả tải.
Tra cứu catalogue động cơ điện 3 pha khơng đồng bộ rotor lồng sóc – 50Hz do hãng VIHEM sản xuất (Xem phụ lục 3), ta chọn ra 3 động cơ có các thơng số được cho trong bảng sau:
31
Bảng 4.1 Thơng số động cơ 3 pha rotor lồng sóc – 50Hz
S T T Kiểu Cơng suất Tốc độ Điện áp Δ ⅄ ⁄ Dịng điện Δ ⅄ ⁄ Hiệu suất Hệ số công suất Chế độ làm việc kW HP (rpm) (V) (A) η% cosφ 1 3K132S4 5,5 7,5 1445 220/380 19,0/11,0 88,5 0,86 S1 2 3K160S4 11 15 1460 380/660 22,2/12,8 90 0,84 S1 3 3K160M4 15 20 1460 380/660 28,9/16,7 91 0,87 S1 4.3.2 Xác định phụ tải tính tốn
Mục đích của xác định phụ tải tính tốn là để làm cơ sở cho việc tính chọn của các thiết bị trong lưới hoặc hệ thống.
a) Số thiết bị hiệu quả (nhq)
Số thiết bị hiệu quả của nhóm n thiết bị được định nghĩa là một số quy đổi có nhq thiết bị có cơng suất định mức và chế độ làm việc giống nhau và tạo nên phụ tải tính tốn bằng với phụ tải tiêu thụ thực bởi n thiết bị đó.
Số thiết bị hiệu quả có thể được tính gần đúng bằng cơng thức sau: 2 1 2 1 n dmi i hq n dmi i P n P = = = (4.1)
Với: Pdmi: Công suất định mức của thiết bị thứ i.
Áp dụng cơng thức 4.1 ta tính được số thiết bị hiệu quả như sau:
( ) 2 2 1 2 2 2 2 1 5, 5 11 15 2, 6 5, 5 11 15 n dmi i hq n dmi i P n P = = + + = = = + +
32
b) Xác định hế số sử dụng của nhóm thiết bị Ksd
Hệ số sử dụng ksd T được định nghĩa là tỉ số giữa cơng suất tác dụng trung bình trong khoảng thời gian T và công suất định mức của thiết bị. Hệ số này có giá trị khơng lớn hơn 1. Nó nói lên mức độ khai thác và sử dụng thiết bị theo không gian và thời gian. Khi hệ số sử dụng được xét trong ca mang tải lớn nhất, người ta thường bỏ chỉ số T.
𝐾𝑠𝑑 𝑇 = 𝑃𝑡𝑏𝑇
∑ 𝑃𝑑𝑚 (4.2)
Theo tiêu chuẩn (TVVN 9206:2012) thì hệ số sử dụng dành cho nhóm các loại thiết bị động cơ làm việc liên tục có cơng suất dưới 30kW vào khoảng 0,8 – 0,9.
c) Xác định phụ tải tính tốn Với nhq = 2,6 và n = 3, ta có phụ tải tính tốn là: 𝑃𝑡𝑡 =∑𝑃𝑑𝑚𝑖 = 5,5 + 11 + 15 = 31,5 (𝑘𝑊) 3 𝑖=1 (4.3) cos 5,5.0,86 11.0,84 15.0,87 cos 0,86 5,5 11 15 i dmi tb dmi P P = = + + = + + (4.4) 𝑄𝑡𝑡 = 𝑃𝑡𝑡. 𝑡𝑎𝑛𝜑 = 31,5.0,6 = 18,9 (𝑘𝑉𝐴𝑟) (4.5) 𝐼𝑡𝑡 = 𝑆𝑡𝑡 √3. 𝑈đm = √𝑃𝑡𝑡2 + 𝑄𝑡𝑡2 √3. 380 = √31,52+ 18,92 √3. 380 = 0,05 = 50 (𝐴) (4.6) d) Xác định phụ tải đỉnh nhọn
Được định nghĩa là phụ tải cực đại tức thời, được xác định để tính tốn ảnh hưởng tới khởi động các động cơ điện.
- Với một thiết bị, đó chính là dịng mở máy Imm
▪ Imm = (5 – 7)Iđm (đối với động cơ Rotor lồng sóc).
▪ Imm = (3 – 5)Iđm (đối với động cơ Rotor dây quấn).
- Với nhóm thiết bị, dịng điện đỉnh nhọn là:
33
Với:
- Imm max: Dòng điện mở máy lớn nhất của thiết bị trong nhóm thiết bị.
- Iđm max: Dòng điện định mức của thiết bị có dịng mở máy lớn nhất.
Tra bảng catalogue động cơ Vihem (phụ lục 3), ta có tỷ số dòng khởi động
động cơ lớn nhất của thiết bị trong nhóm là:
𝐼kđ
𝐼dd = 6,5; 𝐼đmĐC = 28,9 (𝐴) [đấu ∆] ; 𝐼đmĐC = 16,7 (𝐴) [đấu ⅄]
Vì tải là động cơ khơng đồng bộ 3 pha, rotor lồng sóc, nên:
𝐼𝑚𝑚 𝑚𝑎𝑥 = 6,5.28,9 = 187,85 (𝐴)
Áp dụng cơng thức 4.7, tính được dịng đỉnh nhọn của phụ tải là:
𝐼đn = 187,85 +(50 − 0,9.28,9)= 211,84 (𝐴) (4.8)
4.3.3 Tính chọn MCCB
Để các thiết bị làm việc an tồn, hiệu quả và tránh những thiệt hại khi có sự cố về điện có thể dùng các thiết bị như cầu chì, CB,…
CB (Circuit Breaker), là khí cụ điện dùng đóng ngắt mạch điện, nhiệm vụ của CB là cách ly được mạch sự cố ra khỏi lưới điện, hạn chế hậu quả phá hỏng của sự cố ngắn mạch, quá dòng, quá tải, sự cố hỏng cách điện. Các chức năng thông thường của CB như sau:
Bảng 4.2 Các chức năng của CB Bảo vệ Cách ly Đóng cắt Bảo vệ Cách ly Đóng cắt - Quá tải - Ngắn mạch - Chạm vỏ (Rò điện) - Cách điện giữa các tiếp điểm mở - Đóng cắt theo chức năng - Đóng cắt lúc khẩn cấp - Dừng khẩn cấp
- Đóng cắt khi bảo trì cơ
Ngun lý hoạt động của các thiết bị bảo vệ là dựa vào dòng điện đi qua chúng. Nếu dòng điện nhỏ hơn hoặc bằng giá trị cho phép (Iđm) của thiết bị thì mạch sẽ vận hành bình thường. Nhưng khi dòng điện đi qua thiết bị lớn hơn dòng cho
34
phép thì thiết bị bảo vệ sẽ tác động và cách ly mạch có sự cố một cách tức thời hoặc trễ sau một thời gian nhất định.
a) Một số thiết bị bảo vệ, cách ly:
- ACB (air circuit breaker): Máy cắt khơng khí, thường dùng với điện hạ áp, dùng cho các đường dây nguồn hoặc các tải có dịng lớn, thường thì lớn hơn 400A có thể chọn ACB. Dòng định mức tối đa của ACB có thể lên đến 6300A.
- VCB (Vacuum Circuit Breakers): Máy cắt chân không, thường dùng với điện áp trung áp trở lên khoảng từ 6.6kV.
- MCCB (Moulded case circuit breaker): Là aptomat khối dùng với mạng hạ áp, thường có dịng cắt ngắn mạch lớn (có thể lên tới 80kA). MCCB có thể đạt đến dịng cắt định mức 2400A.
- MCB (Miniature Circuit Breaker): Thường được gọi là CB tép, dạng CB thu gọn dùng cho phụ tải nhỏ, thường có dịng cắt định và dịng cắt quá tải thấp (100A/10kA).
- RCCB (Residual Current Circuit Breaker): Chống dịng rị loại có kích thước cỡ MCB 2 cực, 3cực, 4 cực.
- RCBO (Residual Current Circuit Breaker with Overcurrent Protection): Chống dịng rị loại có kích thước cỡ MCB 2P có thêm bảo vệ q dịng. - ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker): Là thiết bị chống dòng rò. ELCB là
thiết bị bảo vệ thường được mắc ở đầu mỗi nguồn điện, và các nhánh cho các hộ tiêu thụ điện ở cấp thấp hơn theo các thông số phù hợp. Trong trường hợp xuất hiện dịng dị xuống đất thì ELCB sẽ phát hiện và ngắt điện một cách tự động ở mạch điện phía sau nó. Như vậy ELCB bảo vệ được con người khơng xảy ra tình trạng giật điện.
- RCD (Residual Current Device): Một thiết bị luôn gắn kèm với MCCB hay MCB để bảo vệ chống dòng rò.
35
b) Điều kiện, các yếu tố quan trọng khi lựa chọn CB:
- Các đặc tính của lưới điện mà CB được lắp đặt.
- Các đặc tính của tải.
- Dịng định mức của CB.
- Dòng bảo vệ quá tải của CB.
- Dòng cắt ngắn mạch định mức Icu
- CB có khả năng cắt ít nhất có giá trị bằng dòng ngắn mạch Icắt nhiệt (Ith). c) Các thông số kỹ thuật của CB và các điều kiện để tính chọn:
Bảng 4.3 Các thơng số kỹ thuật của CB và các điều kiện tính chọn cụ thể
𝑈đmCB > 𝑈đmHT 𝐼đmCB ≥ 𝐼𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥
(𝐼𝑐𝑝𝑑𝑑. 𝐾ℎ𝑐) ≥ 𝐼cắt nhiệt ≥ 𝐼𝑙𝑣𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛 ≥ 𝐼cắt từ ≥ 𝐼đỉnh nhọn 𝐼𝑁𝑚𝑎𝑥 > 𝐼cắt nhanh 𝐼cắtđm > 𝐼𝑁𝑚𝑎𝑥 𝐼𝑐𝑠 = (25%, 50%, 75%, 100%). 𝐼𝑐𝑢
Trong đó:
- UđmCB (Điện áp làm việc định mức) hay còn gọi là Ue (Rated service voltage)
là giá trị điện áp mà thiết bị có thể vận hành trong điều kiện bình thường. - IđmCB (Dòng điện định mức của CB) hay còn gọi là In (Rated service current)
là giá trị cực đại của dòng điện mà CB và Relay bảo vệ quá tải có thể chịu đựng được ở nhiệt độ khơng vượt quá giới hạn cho phép.
- Icắt nhiệt (Dòng tác động nhiệt của thiết bị bảo vệ) hay còn gọi là dòng cắt
nhiệt Ir (Overload Relay trip-current setting) hoặc còn gọi là Ith (Thermal
Overload Relays) là giá trị dòng ngưỡng tác động của CB khi có quá tải. - Icắt từ (Dòng tác động từ) hay còn gọi là Im (Short-circuit relay trip-current
setting) là dịng ngắn mạch có thời gian trễ.
- Icắt nhanh (Dòng cắt nhanh) hay còn gọi là dòng Ii, là dịng ln đảm bảo cắt
36
- Icắtđm (Dòng khả năng cắt ngắn mạch định mức) hay còn gọi là Icu (Rated
ultimate short-circuit breadking capacity) dòng khả năng cắt ngắn mạch định mức (dòng cắt cho phép), đây là dòng điện cực đại đi qua tiếp điểm của CB trong vịng 1 giây mà khơng làm hỏng tiếp điểm này.
- Isc (Rated service short-circuit breaking capacity) dòng khả năng cắt ngắn mạch thao tác, là dịng đặc tính ngắn mạch thao tác.
d) Tính chọn MCCB:
Dựa vào bảng 4.1 và catalogue động cơ Vihem (Phụ lục3), các kết quả xác
định được, ta tính chọn MCCB cho phụ tải như sau:
▪ Điện áp làm việc định mức:
𝑈đmCB > 𝑈đmHT ≥ 380(𝑉)
▪ Dòng điện đỉnh nhọn của phụ tải (theo biểu thức 4.8)
𝐼đn = 211,84 (𝐴) = 𝐼lvmax ⇒ 𝐼đmCB ≥ 𝐼lvmax ≥ 211,84 (𝐴)
Từ các thống số trên, tra bảng Catalog MCCB hãng LS ta chọn được MCCB có mã ABN203c 250A với các thơng số được cho như sau:
Hình 4.1 MCCB LS ABN203c 250A ABN203c 250A
37
Bảng 4.4 Thông số kỹ thuật MCCB ABN203c 250A
Mã sản phẩm: ABN203c 250A
Dòng sản phẩm: MCCB ABN
Số cực: 3P
Frame size: 250AF
Dòng định mức: 250A
Dòng cắt ngắn mạch: 30kA
Chức năng:
Dùng để kiểm soát
Bảo vệ quá tải và ngắn mạch
Ứng dụng: Dùng trong mạng lưới điện
dân dụng và công nghiệp
Tiêu chuẩn: IEC 60947-2
Điện áp thử nghiệm xung
(Uimp): 8kV
Xuất xứ: LS Hàn Quốc
4.3.4 Tính chọn Contactor và Relay nhiệt
Contactor là một khí cụ điện dùng để đóng ngắt các tiếp điểm, tạo liên lạc trong mạch điện bằng nút nhấn. Khi sử dụng Contactor, ta có thể điều khiển mạch điện từ xa có phụ tải với điện áp đến 500V và dòng đến 600A.
Contactor được cấu tạo gồm các thành phần: Cơ cấu điện từ (nam châm điện), hệ thống dập hồ quang, hệ thống tiếp điểm (chính và phụ).
Relays nhiệt là một loại khí cụ để bảo vệ động cơ và mạch điện khi có sự cố quá tải. Relays nhiệt không tác động tức thời theo trị số dịng điện vì nó có quán tính nhiệt lớn, phải có thời gian phát nóng, do đó nó làm việc có thời gian từ vài giây cho đến vài phút.
38
a) Các thông số cơ bản của Contactor:
Điện áp định mức Uđm Dòng điện định mức Iđm
Khả năng ngắt Contactor xoay chiều ~ 10 lần Iđm. Khi ngắt mạch, contactor
ngắt dòng điện bằng dòng điện định mức qua động cơ. Ucontactor = 20%.UHT Khả năng đóng Contactor xoay chiều từ 4 ~ 7 lần Iđm
b) Điều kiện cần khi chọn Contactor:
Các đặc tính của tải: Động cơ khơng đồng bộ 3 pha Rotor lồng sóc – tương ứng tải AC3. (Theo: TCVN 6592 – 4 – 1:2009 mục 5.4.1, bảng 1, trang 19)
Dòng điện mở máy qua Contactor: Id = (6~8).Ie
Hình 4.2 Giản đồ dịng điện khởi động theo thời gian
Điều kiện cần khi chọn Relay nhiệt
Đường đặc tính A-s của Relays gần sát với đường đặc tính A-s của đối tượng cần bảo vệ. Nếu chọn thấp quá sẽ không tận dụng được công suất của động cơ điện, ngược lại sẽ giảm tuổi thọ động cơ.
Trong thực tế, cách chọn phù hợp là chọn dòng điện định mức của Relays nhiệt bằng dòng điện định mức của động cơ điện cần được bảo vệ. Relays sẽ tác động ở giá trị từ (1,2 ~ 1,3)IđmĐC.
39 Tính chọn Contactor và Relay nhiệt: Chọn Contactor cho động cơ M1: Điện áp định mức Contactor:
𝑈đmContactor ≥ 𝑈đmĐC ≥ 𝑈đmHT ≥ 380 (𝑉)
Dòng điện định mức Contactor:
𝐼đmContactor1 ≥ 𝐼đmĐC1 ≥ 11 (𝐴)
Dòng điện mở máy qua Contactor:
𝐼kđ
𝐼dd = 6,5 ⇒ 𝐼d1 = 6,5.19 = 71,5 (𝐴)
Công suất định mức của động cơ theo Catalog:
𝑃đmĐC1 = 7,5 (𝐻𝑃) = 5,5 (𝑘𝑊)
Chọn Relay nhiệt cho động cơ M1
𝐼đmTH1 = 1,3.11 = 14,3 (𝐴)
Từ các thông số trên, tra bảng Catalogue Contactor và Relay nhiệt hãng LS ta chọn Contactor mã MC – 12a và Relay nhiệt có mã MT – 12/2H11 có các thơng số được cho ở bảng sau:
Hình 4.3 Contactor LS MC – 12a 12a
40
Bảng 4.5 Thông số kỹ thuật Contactor LS MC – 12a
Mã sản phẩm: MC-12a Số cực: 3 Dòng định mức: 12A Công suất: 5.5kW Tiếp điểm phụ: 1a Cuộn hút: 220V, 380V,...
Điện áp hoạt động: 690VAC
Điện áp thử nghiệm xung (Uimp): 6kV
Độ bền cơ học: 2.5 triệu lần đóng cắt
Tiêu chuẩn: IEC 60947
Tương thích rơ le nhiệt: MT-12
Hình 4.4 Relay nhiệt 3P LS MT – 12/2H11 LS MT – 12/2H11
41
Bảng 4.6 Thông số kỹ thuật Relay nhiệt 3P LS MT – 32/2H15
Mã sản phẩm: MT-12 (12-18A)