Nõng cao hệ số cụng suất Cosϕ là một trong những biện phỏp quan trọng để
tiết kiệm điện năng. Sau đõy chỳng ta sẽ phõn tớch hiệu quả do việc nõng cao hệ số cụng suất đem lại.
Phần lớn cỏc thiết bị dựng điện đều tiờu thụ cụng suất tỏc dụng P và cụng suất phản khỏng Q. Những thiết bị tiờu thụ nhiều cụng suất là:
- Động cơ khụng đồng bộ tiờu thụ khoảng 60%ữ 65% tổng cụng suất phản khỏng của mạng.
- Mỏy biến ỏp tiờu thụ khoảng 20%ữ 25%.
- Đường dõy trờn khụng, khỏng điện và cỏc thiết bị điện khỏc tiờu thụ khoảng 10%.
Như vậy động cơ khụng đồng bộ và mỏy biến ỏp là hai loại mỏy điện tiờu thụ nhiều cụng suất phản khỏng nhất. Cụng suất tỏc dụng P là cụng suất được biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong cỏc mỏy dựng điện, cũn cụng suất
phản khỏng Q là cụng suất từ húa trong cỏc mỏy diện xoay chiều, nú khụng sing ra cụng. Quỏ trỡnh trao đổi cụng suất phản khỏng giữa mỏy phỏt điện và hộ dựng điện là một quỏ trỡnh dao động. Mỗi chu kỳ của dũng điện, Q đổi chiều bốn lần, giỏ trị trung bỡnh của Q trong 1/2 chu kỳ của dũng điện bằng khụng. Cho nờn việc tạo ra cụng suất phản khỏng khụng đũi hỏi tiờu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp quay mỏy phỏt điện. Mặt khỏc cụng suất phản khỏng cung cấp cho hộ dựng điện khụng nhất thiết phải lấy từ nguồn (mỏy phỏt điện). Vỡ vậy để trỏnh truyền tải một lượng cụng suất Q quỏ lớn trờn đường dõy, người ta đặt gần cỏc hộ dựng điện cỏc mỏy sinh ra Q (tụ điện, mỏy bự đồng bộ) để cung cấp trực tiếp cho cỏc phụ tải, làm như vậy được gọi là bự cụng suất phản khỏng. Khi cú bự cụng suất phản khỏng thỡ gúc lệch pha giữa dũng điện và điện ỏp trong mạch sẽ nhỏ đi, do đú hệ số cụng suất cosϕ của mạng được nõng cao, giữa P, Q, gúcϕ cú
quan hệ như sau:
Q arctg
P
ϕ = (5-1)
Khi lượng P khụng đổi, nhờ cú bự cụng suất phản khỏng, lượng Q truyền tải trờn đường dõy giảm xuống, do đú gúc ϕ giảm kết quả là cosϕ tăng lờn.
Hệ số cụng suất cosϕ được nõng lờn sẽ đưa đến những hiệu quả sau:
5.1.2.1.Giảm được tổn thất cụng suất trong mạng điện.
Chỳng ta đó biết tổn thất cụng suất trờn đường dõy được tớnh như sau:
( ) ( ) 2 2 2 2 P Q 2 2 2 P Q P Q P .R .R .R P P U U U + ∆ = = + = ∆ + ∆ (5-2)
Khi giảm Q truyền tải trờn đường dõy, ta giảm được thành phần tổn thất cụng suất ∆P(Q) do Q gõy ra.
5.1.2.2. Giảm được tổn thất điện ỏp trong mạng điện.
Tổn thất điện ỏp được tớnh như sau:
(P) (Q) PR QX PR QX U U U U U U + ∆ = = + = ∆ + ∆ (5-3)
Giảm lượng Q truyền tải trờn đường dõy, ta giảm được thành phần ∆Q(Q) do
5.1.2.3. Tăng khả năng truyền tải của đường dõy và mỏy biến ỏp.
Nú phụ thuộc vào điều kiện phỏt núng, tức phụ thuộc vào dũng điện cho phộp của chỳng. Dũng điện chạy trờn dõy dẫn và mỏy biến ỏp được tớnh như sau:
2 2 P Q I 3.U + = (5-4)
Biểu thức trờn chứng tỏ với cựng một tỡnh trạng phỏt núng nhất định của đường dõy và mỏy biến ỏp (I= const) chỳng ta cú thể tăng khả năng truyền tải cụng suất tỏc dụng P của chỳng bằng cỏch giảm cụng suất phản khỏng Q mà chỳng tải đi. Vỡ thế khi vẫn giữ nguyờn đường dõy và mỏy biến ỏp nếu cosϕ của mạng được nõng cao (tức giảm lượng Q phải truyền tải) thỡ khả năng truyền tải của chỳng sẽ được tăng lờn.
Ngoài ra việc nõng cao hệ số cosϕ cũn đưa đến hiệu quả là giảm được chi phớ kim loại màu, gúp phần ổn định điện ỏp, tăng khả năng phỏt điện của mỏy phỏt điện…
5.1.3. Biện pháp nõng cao hệ số cụng suất cosϕ tự nhiờn.
5.1.3.1. Thay đổi và cải tiến quy trỡnh cụng nghệ để cỏc thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất.
Căn cứ vào điều kiện cụ thể cần xắp xếp quy trỡnh cụng nghệ một cỏch hợp lý nhất. Việc giảm bớt những tỏc động những nhõn cụng thừa và ỏp dụng cỏc biện phỏp gia cụng tiờn tiến đều đưa tới kết quả tiết kiệm điện, giảm bớt điện năng tiờu thụ cho một đơn vị sản phẩm. Trong nhà mỏy, cỏc thiết bị cú cụng suất lớn thường là nơi tiờu thụ nhiều điện năng nhất vỡ thế cần nghiờn cứu để cỏc thiết bị đú vận hành ở cỏc chế độ kinh tế nhất và tiết kiệm nhất. Ở cỏc nhà mỏy cú cụng suất lớn, cỏc mỏy đú thường tiờu thụ khoảng từ 30- 40% cụng suất điện năng cung cấp cho toàn nhà mỏy. Vỡ vậy định chế độ vận hành hợp lý cho cỏc mỏy đú cú ảnh hưởng lớn đến vấn đề tiết kiệm điện.Theo kinh nghiệm vận hành thỡ hệ số phụ tải của cỏc mỏy cụng suất lớn gần bằng một thỡ điện năng tiờu hao trờn một đơn vị sản phẩm sẽ giảm tới mức tối thiểu, vỡ vậy cần bố trớ cho cỏc mỏy này luụn luụn làm việc đầy tải, mỏy bơm và quạt củng là những hộ tiờu thụ nhiều điện, khi cú nhiều mỏy bơm hay mỏy quạt làm việc song song thỡ phải điều chỉnh tốc độ và phương thức vận hành của chỳng để đặt được phương thức vận hành kinh tế và tiết kiệm nhất. Cỏc lũ điện (điện trở, điện cảm ,hồ quang)
thường cú cụng suất lớn và vận hành liờn tục trong thời gian dài, vỡ vậy cần sắp xếp để chỳng làm việc đều trong ba ca,trỏnh tỡnh trạng làm việc một lỳc gõy tỡnh trạng căng thẳng về phương diện cung cấp điện.
5.1.3.2. Thay thế động cơ khụng đồng bộ làm việc non tải bằng cỏc động cơ cú cụng suất nhỏ hơn.
Khi làm việc động cơ đồng bộ tiờu thụ cụng suất phản khỏng bằng
2 0 dm 0 pt
Q Q= +(Q −Q ).k ϕ (5-5)
Trong đú :
0
Q : Cụng suất phản khỏng lỳc động cơ làm việc khụng tải.
dm
Q : Cụng suất phản khỏng lỳc động cơ làm việc định mức.
pt
k : Hệ số phụ tải.
Cụng suất phản khỏng khụng tải Q0 thường chiếm khoảng 60-70% cụng suất phản khỏng định mức Qdm.
Hệ số cụng suất của động cơ được tớnh theo cụng thức sau: P Cos S ϕ = = ( ) 2 0 dm 0 pt dm pt 1 Q Q .Q K 1 P .K + + (5-6)
Từ cụng thức trờn ta thấy nếu động cơ làm việc non tải (K thấp) thỡ cospt ϕ
sẽ thấp.
Rừ ràng thay thế động cơ làm việc non tải bằng động cơ cú cụng suất nhỏ hơn ta sẽ tăng được hệ số phụ tải Kpt do đú nõng cao được Cosϕ của động cơ.
Điều kiện kinh tế cho phộp thay thế động cơ là: việc thay thế phải giảm được tổn thất cụng suất tỏc dụng trong mạng và động cơ ,vỡ cú được như vậy việc thay thế mới cú lợi .Cỏc tớnh toỏn cho thấy rằng :
- Nếu Kpt<0,45 thỡ việc thay thế bao giờ củng cú lợi.
- Nếu 0,45<Kpt<0,7 thỡ phải so sỏnh kinh tế kỹ thuật mới xỏc định việc thay thế cú lợi hay khụng. Điều kiện kỹ thật cho phộp thay thế động cơ là:Việc thay thế phải đảm bảo nhiệt độ của động cơ nhỏ hơn nhiệt độ cho phộp, đảm bảo điều kiện mở mỏy và làm việc ổn định của động cơ.
5.1.3.3. Hạn chế động cơ chạy khụng tải.
Cỏc mỏy cụng cụ trong quỏ trỡnh gia cụng thường nhiều lỳc phải chạy khụng tải ,chẳng hạn như chuyển động từ động tỏc gia cụng này sang động tỏc gia cụng khỏc ,khi chạy lựi dao hoặc rà mỏy cũng cú thể do thao tỏc của cụng nhõn khụng hợp lý mà nhiều lỳc mỏy phải chạy khụng tải. Nhiều thống kờ cho thấy đối với mỏy cụng cụ thời gian chậy khụng tải chiếm khoảng 35-65% toàn bộ thời gian làm việc. Chỳng ta đó biết động cơ chạy non tải thỡ hệ số Cosϕ của nú rất thấp. Vỡ thế hạn chế động cơ chạy khụng tải là một trong những biện phỏp để nõng cao hệ số Cosϕ của động cơ. Biện phỏp hạn chế động cơ chạy non tải được thực hiện theo hai hướng:
- Hướng thứ nhất là vận dụng cụng nhõn hợp lý hoỏ cỏc thao tỏc, hạn chế đến mức thấp nhõt thời gian chạy khụng tải.
- Hướng thứ hai là đặt bộ hạn chế khụng tải trong sơ đồ khống chế động cơ. Thụng thường nếu động cơ chạy khụng tải quỏ thời gian chỉnh định t0 nào đú thỡ động cơ bị cắt ra khỏi mạng.
5.1.3.4. Dựng động cơ đồng bộ thay thế động cơ khụng đồng bộ.
Ở những mỏy sản xuất cú cụng suất tương đối lớn và khụng yờu cầu điều chỉnh tốc độ mỏy bơm, mỏy phỏt, mỏy nộn khớ, ta nờn dựng động cơ đồng bộ. Vỡ động cơ đồng bộ cú những ưu điểm rừ rệt sau đõy so với động cơ khụng động bộ:
- Hệ số cụng suất cao, khi cần cú thể làm việc ở chế độ quỏ kớch từ để trở thành một mỏy bự cung cấp cụng suất phản khỏng cho mạng điện.
- Mụ men quay tỷ lệ bậc nhất với điện ỏp của mạng, vỡ vậy nú ớt phụ thuộc vào sự dao động của điện ỏp. Khi tần số của nguồn khụng đổi, tốc độ quay của động cơ khụng phụ thuộc vào phụ tải, do đú năng suất làm việc của mỏy cao. Khuyết điểm của động cơ là chế tạo phức tạp, giỏ thành đắt. Chớnh vỡ vậy động cơ khụng đồng bộ chỉ chiếm khoảng 20% tổng số động cơ dựng trong cụng nghiệp. Ngày nay nhờ đó chế tạo được những động cơ giỏ thành hạ và cú giả cụng suất tương đối rộng nờn người ta cú xu hướng sử dụng loại động cơ đồng bộ.
5.1.3.5. Nõng cao chất lượng sửa chữa động cơ.
Do chất lượng sửa chửa động cơ khụng tốt nờn sau khi sửa chữa cỏc tớnh năng của động cơ thường kộm, tổn thất trong động cơ tăng lờn, Cosφ giảm. Vỡ vậỵ cần chỳ trọng đến khõu nõng cao chất lượng sửa chữa động cơ gúp phần giải quyết vần đề cải thiện hệ số Cosφ của nhà mỏy.
5.1.3.6. Thay thế mỏy biến ỏp làm việc non tải bằng những mỏy biến ỏp cú dụng lượng nhỏ hơn.
Mỏy biến ỏp là một trong những mỏy điện tiờu thụ nhiều cụng suất phản khỏng (sau động cơ khụng đồng bộ). Vỡ vậy nếu trong tương lai tương đối dài mà hệ số phụ tải của mỏy biến ỏp khụng cú khả năng vượt quỏ 0,3 thỡ nờn thay nú bằng mỏy cú dung lượng nhỏ hơn. Đứng về mặt vận hành mà xột thỡ trongthời gian cú phụ tải nhỏ (ca ba) nờn cắt bớt cỏc mỏy biến ỏp non tải. Biện phỏp này cũng cú tỏc dụng lớn nõng cao hệ số cosφ tự nhiờn của nhà mỏy.
Nõng cao hệ số cụng suất cosφ tự nhiờn: là tỡm cỏc biện phỏp để cỏc hộ tiờu thụ điện giảm bớt được lượng cụng suất phản khỏng tiờu thụ, hợp lý hoỏ cỏc quỏ trỡnh sản xuất, giảm thời gian chạy khụng tải của cỏc động cơ, thay thế cỏc động cơ thường xuyờn làm việc non tải bằng cỏc động cơ cú cụng suất hợp lý hơn. Nõng cao hệ số cụng suất cosφ tự nhiờn rất cú lợi vỡ đưa lại hiệu quả kinh tế lõu dài mà khụng phải đặt thờm thiết bị bự.
Nõng cao hệ số cụng suất cosφ bằng biện phỏp bự cụng suất phản khỏng. Thực chất là đặt cỏc thiết bị bự ở gần cỏc hộ tiờu dựng điện để cung cấp cụng suất phản khỏng theo yờu cầu của chỳng, nhờ vậy sẽ giảm được lượng cụng suất phản khỏng phải truyền tải trờn đường dõy theo yờu cầu của chỳng.
5.1.4. Chọn thiết bị bự.
Để bự cụng suất phản khỏng cho hệ thống cung cấp điện cú thể sử dụng tụ điện tĩnh, mỏy bự đồng bộ, động cơ khụng đồng bộ làm việc ở chế độ quỏ kớch thớch ở đõy ta lựa chọn cỏc bộ tụ tĩnh để làm thiết bị bự cho nhà mỏy. Sử dụng cỏc bộ tụ điện cú ưu điểm là tiờu hao ớt cụng suất tỏc dụng, khụng cú phần quay như mỏy bự đồng bộ nờn lắp rỏp, bảo quản và vận hành dễ dàng. Tụ điện được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vỡ thế cú thể tuỳ theo sự phỏt triển của cỏc phụ tải trong quỏ trỡnh sản xuất mà chỳng ta ghộp dần tụ điện vào mạng khiến hiệu suõt sử dụng cao và khụng phải bỏ vốn đầu tư ngay một lỳc. Tuy nhiờn, tụ điện cũng
cú một số nhược điểm nhất định. Trong thực tế với cỏc nhà mỏy, xớ nghiệp cú cụng suất khụng thật lớn thường dựng tụ điện tĩnh để bự cụng suất phản khỏng nhằm mục đớch nõng cao hệ số cụng suất.
Vị trớ đặt cỏc thiết bị bự ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu quả bự. Cỏc bộ tụ điện bự cú thể đặt ở TPPTT, thanh cỏi cao ỏp, hạ ỏp của TBAPX, tại cỏc tủ phõn phối, tủ động lực hoặc tại đầu cực cỏc phụ tải lớn. Để xỏc định chớnh xỏc vị trớ và dung lượng đặt cỏc thiết bị bự cần phải tớnh toỏn so sỏnh kinh tế kỹ thuật cho từng phương ỏn đặt bự cho một hệ thống cung cấp điện cụ thể. Song theo kinh nghiệm thực tế, trong trường hợp cụng suất và dung lượng bự cụng suất phản khỏng của cỏc nhà mỏy, thiết bị khụng thật lớn cú thể phõn bố dung lượng bự cần thiết đặt tại thanh cỏi hạ ỏp của TBAPX để giảm nhẹ vốn đầu tư và thuận lợi cho cụng tỏc quản lý, vận hành.
5.1.5. Nõng cao hệ số Cosφ bằng phương pháp bự.
Bằng cỏch đặt cỏc thiết bị bự ở gần cỏc hộ dựng điện để cung cấp cụng suất phản khỏng cho chỳng, ta giảm được lương cụng suất phản khỏng phải truyền trờn đường dõy do đú nõng cao hệ số Cosφ mạng điện. Biện phỏp bự khụng giảm được lượng cụng suất phản khỏng của cỏc hộ tiờu thụ mà chỉ giảm được lượng cụng suất truyền tải trờn đường đõy mà thụi. Vỡ thế chỉ sau lkhi thực hiện cỏc biện phỏp nõng cao hệ số Cosφ tự nhiờn mà vẫn khụng đặt được yờu cầu thỡ chỳng ta mới xột tới phương phỏp bự. Núi chung hệ số Cosφ tự nhiờn cao nhất cũng khụng đạt tới 0,9 (thường vào khoảng 0,7-0,8) vỡ thế cỏc xớ nghiệp hiện đại bao giờ cũng đặt thờm cỏc thiết bị bự. Cần chỳ ý là bự cụng suất phản khỏng ngoài mục đớch chớnh là nõng cao hệ số Cosφ để tiết kiệm điện cũn cú tỏc dụng hết sức quan trọng là điều chỉnh và ổn định điện ỏp của mạng. Bự cụng suất phản khỏng đưa lại hiệu quả kinh tế như trờn đó phõn tớch nhưng phải tốn kộm thờm về mua sắm thiết bị bự và chi phớ vận hành chung. Vỡ vậy quyết định phương ỏn bự phải dựa trờn cơ sở tớnh toỏn và so sỏnh kinh tế kỷ thuật.
5.1.6. Các thiết bị bự trong hệ thống cung cấp điện.
5.1.6.1. Tụ tĩnh điện. * Nhược điểm:
- Tụ chỉ phỏt ra cụng suất phản khỏng mà khụng tiờu thụ cụng suất phản khỏng.
- Tụ rất nhạy cảm với điện ỏp đặt ở đầu cực (cụng suất phản khỏng phỏt ra tỉ lệ với bỡnh phương điện ỏp đặt ở đầu cực).
- Điện ỏp đầu cực tăng quỏ 10% tụ bị nổ. - Khi xảy ra sự cố lớn tụ rất dễ hỏng. * Ưu điểm:
- Nú cú phần quay nờn vận hành quản lớ đơn giản.
- Giỏ thành kVA ớt phụ thuộc vào tổng chi phớ dễ dàng xộ lẻ cỏc đại lượng bự đặt ở cỏc phụ tải khỏc nhau nhằn làm giảm dung lượng tụ đặt ở phụ tải.
- Tổn thất cụng suất tỏc dụng trờn tụ bộ (0,03-0,035) kW/kVA.
- Tụ cú thể ghộp nối song song hoặc nối tiếp để đỏp ứng với mọi dung lượng bự ở mọi cấp điện ỏp từ 0,4-750kW.
5.1.6.2 Mỏy bự đồng bộ. (Thực chất là động cơ đồng bộ song khụng mang tải) * Ưu điểm:
- Cú thể điều chỉnh trơn cụng suất phản khỏng.
- Cú thể tiờu thụ bớt cụng suất phản khỏng khi hệ thụng thừa cụng suất phản khỏng.
- Cụng suất phản khỏng phỏt ra ở đầu cực tỉ lệ bậc nhất với điện ỏp đặt ở đầu cực (nờn ớt nhạy cảm).
* Nhược điểm: - Giỏ thành đắt.
- Thường dựng với mỏy cú dung lượng từ 5000kVA trở lờn.
- Tổn hao cụng suất tỏc dụng rơi trờn mỏy bự đồng bộ là lớn (đối với mỏy