Động cơ đồng bộ (ĐCĐB) đƣợc sử dụng nhiều trong các xí nghiệp công nghiệp nhƣ xí nghiệp luyện kim, hoá chất, luyện khoáng vv. để truyền động cho các máy công tác có chế độ làm việc lâu dài và ổn định nhƣ máy bơm, quạt, máy nén, băng tải vv. Các loại động cơ đồng bộ được chế tạo với hệ số công suất vượt trước, do đó có thể áp dụng làm nguồn công suất phản kháng. Khả năng kỹ thuật của động cơ đồng bộ là giá trị công suất phản kháng cực đại có thể phát mà không quá nhiệt cho các cuộn dây stator và rôtor. Các tham số đặc trƣng cho chế độ làm việc của động cơ đồng bộ là
- Hệ số mang tải tác dụng kP = P/Pn - Hệ số mang tải phản kháng kQ = Q/Qn - Điện áp tương đối U* =U/Un Trong đó :
P, Q – phụ tải tác dụng và phản kháng;
U – điện áp lưới
Pn, Qn, Un – các giá trị phụ tải và điện áp định mức.
Khi điện áp nằm trong giới hạn 0,95 1,05 thì động cơ đồng bộ có thể làm việc lâu dài với công suất phản kháng định mức. Khả năng phát công suất của động cơ đồng bộ đƣợc xác định theo biểu thức
QM = kQMQn
kQM – giá trị cực đại của hệ số mang tải phản kháng, nó phụ thuộc vào hệ số kP và giá trị điện áp, kQM = f(kP, U*).
Trong quá trình làm việc động cơ bị đốt nóng do tổn thất công suất tác dụng gây nên. Lƣợng tổn thất này phụ thuộc vào chế độ làm việc của động cơ
P = f(kP, kQ, U*)
Bằng phương pháp gần đúng có thể xác định tổn thất công suất tác dụng trong động cơ đồng bộ theo biểu thức
P = D1kQ + D2kQ2 (2.13)
hay 1 22 Q2
Q Q D Q P D
n n
(2.14) Trong đó: D1, D2 – các hệ số phụ thuộc vào loại và đ ặc tính c ủa động cơ đồng bộ.
Đối với nhóm gồm N động cơ
] ) (
[ 2
2 2 1
N Q Q Q D N Q N D P
n n
2 2
2
1 Q
N Q Q D Q
D
n n
(2.15) Trong đó:
Qn – công suất định mức của mỗi động cơ
Q – tổng công suất phản kháng do tất cả các động cơ phát ra
* Ưu điểm của động cơ đồng bộ
- Có thể sử dụng làm nguồn công suất phản kháng với chi phí phụ không lớn, bởi vì khi làm việc với hệ số công suất vượt trước công suất toàn phần của động cơ đồng bộ, mà xác định giá thành của nó tăng lên rât không đáng kể so với khả năng bù của nó (xem bảng sau).
cos n 1 0,9 0,85 0,8
Sn, % 0 11 17 25
(Q/Pn).100, % 0 48 62 75
- Sự phụ thuộc giữa mômen quay vào dao động điện áp thấp (mômen quay của động cơ đồng bộ tỷ lệ với điện áp theo hàm bậc nhất, trong khi đó ở động cơ không đồng bộ – tỷ lệ theo bậc 2);
- Tốc độ quay của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào phụ tải do đó hiệu suất làm việc cao;
- Tổn thất công suất tác dụng thấp hơn so với động cơ không đồng bộ vì hệ số hiệu dụng cao.
* Nhược điểm
- Giá thành tương đối cao, có nghĩa là suất vốn đầu tư bù công suất phản kháng lớn (kho ảng 12,5$/kVAr);
- Suất chi phí tổn thất công suất tác dụng lớn hơn nhiều so với tụ bù (kho ảng 0,027 kW/kVAr, trong khi đó ở tụ khoảng 0,003-0,004 kW/kVAr);
- Chiếm diện tích rộng và khi làm việc gây tiếng ồn.
Chính vì những lý do đó mà động cơ đồng bộ thường chỉ tận dụng ở các xí nghiệp công nghiệp, chứ ít khi sử dụng ở các trạm biến áp.
2.3.2. Tụ điện
Tụ điện là thiết bị tĩnh, đƣợc sử dụng rộng rãi để bù công suất phản kháng trong mạng điện, nó có thể đƣợc mắc ngay trên đầu của các hộ dùng điện, trên thanh cái của các trạm biến áp hoặc tại các điểm nút của mạng điện (hình 1.5). Tụ bù tĩnh có thể mắc độc lập hoặc mắc thành từng nhóm theo sơ đồ đấu tam giác hoặc đấu sao Y.
Hình 2.5. Sơ đồ mắc tụ bù tĩnh
Công suất phát c ủa tụ đƣợc xác định theo biểu thức
2 2
2 . CU
X X U
I Q
C C
C (2.16)
Tức là công suất của tụ tỷ lệ với bình phương điện áp. Các cụm tụ bù hạ áp thường có hiệu quả bù cao hơn so với tụ bù cao áp. Công suất phát của tụ tỷ lệ với giá trị điện áp
)2
(
c
n U
Q U
Q (2.17)
Trong đó:
U – điện áp thực tế tại nơi đ ặt tụ UC – điện áp định mức của tụ bù.
Nếu chia cả tử và mẫu của phân số trong ngo ặc cho điện áp định mức của lưới Un ta sẽ đƣợc
2
* ) ( *
c
n U
Q U
Q (2.18)
S=P+jQ QC
~
Trong đó:
U* - điện áp tương đối của mạng điện tại nơi đ ặt tụ U* = U/Un U*c- tỷ lệ điện áp định mức của tụ và lưới, U*c = Uc /Un. Qn - công suất định mức của tụ bù.
Chi phí quy dẫn của tụ bù đƣợc xác định theo biểu thức
Q t P U c
pK U pK
Z b Tu) b ]
( *
[ 2
*
0 (2.19)
Z = C0.c + C1.cQ
C0.c=pK0 (2.20)
t P U c
pK U
C c b Tu 2 b
* .
1 )
( * (2.21)
Trong đó:
K0, Kb – các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của tụ bù;
p – hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao thiết bị bù;
c – giá thành tổn thất điện năng,
Pb tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù;
t – thời gian làm việc của tụ bù.
* Ưu điểm của tụ bù tĩnh:
- Làm việc êm dịu, tin c ậy do kết cấu đơn giản.
- Tuổi thọ cao.
- Tiêu thụ công suất tác dụng ít.
- Có thể thay đổi dung lƣợng bằng cách thay đổi sơ đồ của các cụm tụ bù.
* Nhược điểm:
- Không thể điều chỉnh trơn nên độ chính xác kém.
- Gây mất ổn định cho lưới do công suất của tụ.
Qc = 3.U2. C.10-3 ; (2.22) Khi điện áp giảm U giảm dẫn đến Qc giảm, do đó làm tăng lƣợng tổn thất U, đại lượng này làm điện áp trong lưới càng giảm hơn. Cứ thế gây ra hiện tượng gọi là "thác s ụt áp" làm mất ổ n định trong hệ thống điện.
2.4.3. Máy phát và máy bù đ ồng bộ
Nguồn công suất phản kháng chủ yếu trong hệ thống điện là máy phát và máy bù đồng bộ. Chi phí cho sản xuất công suất phản kháng ở đây không tốn kém nhiều nhƣ đối với các nguồn công suất phản kháng khác nhƣng việc truyền tải công suất phản kháng đến các hộ dùng điện không phải bao giờ cũng có hiệu quả kinh tế.
Thêm vào đó, khả năng phát công suất phản kháng của các nhà máy điện bị hạn chế do cos của các máy phát từ 0,8 0,81. Vì lý do kinh tế các máy phát chỉ đ ảm đương một phần nhu c ầu công suất phản kháng của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm nhiệm. Việc xác định tổn thất công suất tác dụng trong máy phát và máy bù đồng bộ cũng tiến hành tương tự như đối với động cơ đồng bộ. Các giá trị của các hệ số D1 và D2 cho trong sổ tay thiết kế ứng với từng loại máy phát. Đối với các máy phát công suất lớn, chi phí cho s ản xuất công suất phản kháng không đáng kể, nên trong nhiều trường hợp có thể không cần xét đến. Về phần mình, máy bù đồng bộ đƣợc sử dụng cho mục đích chính là sản xuất công suất phản kháng, do đó giá thành của nó phải đƣợc tính đến trong quá trình so sánh kinh tế kỹ thuật các nguồn công suất phản kháng. Vốn đầu tƣ của máy bù đồng bộ để sản xuất ra lƣợng công suất phản kháng Q đƣợc xác định theo biểu thức
Q Q K K
n
MB (2.23)
Trong đó:
KMB – vốn đầu tƣ của máy bù đồng bộ;
Qn – công suất định mức của máy bù đồng bộ.
Tổn thất công suất tác dụng trong máy bù đồng bộ gồm hai thành phần: Tổn thất cố định P1 (hay tổn thất không tải) và tổn thất thay đổi P2, phụ thuộc vào hệ số mang tải của máy.
M n
M n
Q P P Q
Q Q
P1 (Q0 )2 ( 0)2 (2.24)
Q Q P P
n 0
2 (2.25)
Trong đó:
Q0 – công suất phản kháng do máy bù đồng bộ phát ra trước khi có xí nghiệp cần thiết kế
Q – phụ tải phản kháng;
PM – tổn thất công suất ngắn mạch của máy bù đồng bộ, kW;
P0 – tổn thất công suất không tải của máy bù đồng bộ, kW;
Q
Q P P
Q P Q
Q Q P Q
P P
n M
n M
n
0 2
0 2
0 2
1 ( ) ( ) (2.26)
hay 2 2 2
0
0 2
Q Q Q P Q
Q Q P
Q P P
n M n
M n
(2.27) Chi phí quy đổi của máy bù đồng bộ
ZM B= C1M BQ + C2MBQ2 (2.28)
với 2
0 0
0 00 1
2
n M M
n n
MB
MB Q
Q g P
Q g P Q
C pK (2.29)
0 2 2
n M M
MB Q
g P
C (2.30)
Trong đó:
g00- suất giá thành tổn thất không tải, đ/kW g0M- suất giá thành tổn thất ngắn mạch, đ/kW.
2.3.4. Bài toán chọn nguồn công suất phản kháng tối ưu
Khi đƣa một phụ tải vào mạng thì lƣợng tiêu thụ công suất phản kháng sẽ tăng, do đó nguồn công suất phản kháng cũng phải tăng tương ứng để đáp ứng chế độ làm việc bình thường của mạng điện. Bài toán chọn nguồn công suất phản kháng là một trong những bài toán quan trọng, việc chọn nguồn công suất phản kháng hợp lý không những cho phép nâng cao hiệu quả kinh tế của mạng điện mà còn cải thiện các tham số kỹ thuật, chính xác hơn là các tham số chế độ của mạng điện. Việc lựa chọn nguồn công suất phản kháng đƣợc thực hiện trên cơ sở cực tiểu hoá chi phí quy dẫn. Bài toán đƣợc thiết lập nhƣ sau: Hãy xác định giá trị công suất phản kháng của nguồn thứ i Qi để tổng chi phí quy dẫn có giá trị nhỏ nhất. Hàm mục tiêu trong trường hợp này có dạng
Z = f(Q1, Q2, …, QN) = min (2.31) Các điều kiện ràng buộc:
- Cân bằng công suất phản kháng:
Q Q
Q
M
j j N
i i
1 1
(2.32) - Các điều kiện kỹ thuật
Umin U UM ax (2.33)
I Icp
Qmin.i Qi QMax.i (2.34)
Trong đó:
Qi, Qj – công suất của nguồn và của các phụ tải
N, M – số nguồn và số phụ tải;
U – điện áp thực tế tại điểm nút;
Umin, UMax – giá trị giới hạn dưới và giới hạn trên của điện áp;
Icp – dòng điện cực đại cho phép của phần tử mạng điện;
Qmin, QMax – giới hạn dưới và giới hạn trên của nguồn công suất phản kháng
Giá trị công suất kinh tế được xác định theo phương pháp lặp gần đúng với độ chính xác cho phép.