CHƯƠNG 2. CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
2.2. Hệ thống động cơ
2.2.1. Giải pháp điều chỉnh hệ số công suất (HSCS)
Hệ số công suất cosφ là một chỉ tiêu để đánh giá nhà máy dùng điện có hợp lý và tiết kiệm hay không, việc tiết kiệm điện năng và nâng cao hệ số công suất cosφ là chủ trương lâu dài, gắn liền với việc phát huy hiệu quả trong quá trình sản xuất, phân phối và sử dụng
điện năng. Tuy nhiên, trong khi thực hiện các biện pháp tiết kiệm điện năng và nâng cao hệ số cosφ chúng ta cần lưu ý một số điểm để không làm ảnh hưởng xấu đến điều kiện làm việc bình thường của nhà máy.
2.2.1.1. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số cosφ
Các hộ dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng (CSTD) P và công suất phản kháng (CSPK) Q, những thiết bị tiêu thụ nhiều CSPK là:
- Động cơ không đồng bộ (KĐB) tiêu thụ khoảng (60÷ 65)% tổng CSPK của mạng
- Máy biến áp tiêu thụ khoảng (20÷25)%.
- Đường dây trên không, điện kháng và các thiết bị điện khác tiêu thụ khoảng 10%.
Công suất tác dụng P là công suất được biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng điện, đó là công suất hữu ích. Còn CSPK Q là công suất từ hóa trong các máy điện xoay chiều, nó không sinh ra công. Quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa máy phát điện và hộ dùng điện là một quá trình dao động trong mỗi chu kỳ của dòng điện thì CSPK đổi chiều 4 lần, giá trị trung bình của Q trong nữa chu kỳ của dòng điện là bằng không. Cho nên việc tạo ra công suất phản kháng không làm tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp kéo máy phát điện. Mặt khác, công suất phản kháng cấp cho hộ tiêu thụ điện không nhất thiết là phải lấy từ nguồn phát điện (máy phát điện), để tránh truyền tải một lượng lớn công suất phản kháng trên đường dây dẫn điện, người ta đặt gần các hộ tiêu thụ điện các máy phát công suất phản kháng, đó là các tụ điện hoặc các máy bù đồng bộ. Các thiết bị này cung cấp trực tiếp công suất phản kháng cho phụ tải. Cách làm như vậy gọi là bù công suất phản kháng. Khi bù công suất phản kháng thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch sẽ nhỏ đi, hệ số cosφ của mạch được nâng cao [3].
Quan hệ giữa P, Q và góc φ:
φ = arctg𝑄𝑃
Khi P không đổi, nhờ có bù công suất phản kháng, lượng Q truyền tải trên đường dây giảm xuống do đó góc φ giảm làm cho cos φ tăng lên. Hệ số cos φ được nâng lên sẽ đưa đến những hiệu quả sau:
- Giảm được công suất tổn thất trong mạng điện Công suất tổn thất trên đường dây được tính như sau:
2 2 2 2
( ) ( )
2 . 2. 2. P Q
P Q P Q
P R R R P P
U U U
(2.1)
Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần tổn thất công suất ΔP do Q gây ra.
- Giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện Tổn thất được tính như sau:
( ) ( )
. . . .
P Q
P R Q X P R Q X
P U U
U U U (2. 2)
Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần tổn thất điện áp ΔU-
(Q) do Q gây ra.
- Tăng khả năng truyển tải của đường dây và máy biến áp
Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của nó dòng điện chạy trên đường dây và trong máy biến áp được tính như sau:
2 2
3.
P Q
I U
(2. 3)
Từ biểu thức (2. 3) cho thấy với cùng một tình trạng phát nóng của đường dây và máy biến áp ( tức I= const) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi.
Ngoài việc nâng cao hệ số cosφ còn đưa đến hiệu quả là giảm chi phí kim loại màu, góp phần ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện vv…
Như vậy nâng cao hệ số cosφ, bù công suất phản kháng là vấn đề quan trọng phải được đặc biệt quan tâm khi thiết kế và vận hành một hệ thống cung cấp điện.
2.2.1.2. Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosφ được chia làm hai nhóm chính
Nhóm nâng cao hệ số công suất cosφ tự nhiên (không dùng thiết bị bù) và nhóm các biện pháp nâng cao hệ số cosφ bằng cách bù công suất phản kháng.
a) Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên
Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên là các biện pháp để các hộ dùng điện giảm bớt lượng công suất phản kháng Q tiêu thụ như:
- Áp dụng các quy trình công nghệ tiên tiến: thay đổi và cải tiến quy trình công nghệ để các thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất.
- Sử dụng hợp lý các thiết bị điện: thay thế động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng các động cơ có công suất nhỏ hơn, phù hợp với tải.
Khi làm việc động cơ không đồng bộ tiêu thụ lượng công suất phản kháng:
2
0 ( dm 0) pt
Q Q Q Q k (2. 4)
Trong đó:
+ Q0 là công suất phản kháng lúc động cơ làm không tải.
+ Qdm là công suất phản kháng lúc động cơ làm việc định mức.
+ kpt là hệ số phụ tải
Công suất Q0 thường chiếm khoảng 60÷70% công suất phản kháng định mức Qdm. Hệ số công suất của động cơ được tính theo công thức sau:
2
0 0 2
cos = 1
( )
1 ( )
.
dm pt
dm pt
P
S Q Q Q k
P K
(2. 5)
Từ công thức trên ta thấy nếu động cơ làm việc non tải (kpt bé) thì cosφ sẽ thấp. thay thế động cơ làm việc non tải bằng động cơ nhỏ hơn ta tăng hệ số phụ tải kpt do đó nâng cao cosφ của động cơ. Việc thay thế động cơ phải dựa trên điều kiện về kinh tế kỹ thuật, việc thay thế phải làm giảm được tổn thất công suất tác dụng trong mạng và động cơ, vì có như vậy việc thay thế mới có lợi, ác tính toán cho thấy:
- Nếu kpt < 0,45 thì việc thay thế bao giờ cũng có lợi.
- Nếu 0,45< kpt < 0,7 thì phải so sánh kinh tế kỹ thuật mới xác định tính hiệu quả của việc thay thế.
Ngoài ra việc thay thế phải đảm bảo nhiệt độ làm việc của động cơ phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép, đảm bảo điều kiện mở máy và vùng làm việc ổn định của động cơ.
Giảm điện áp của những động cơ làm việc non tải
Công suất phản kháng mà động cơ không đồng bộ tiêu thụ được tính như sau:
U2
Q k fV M
(2. 6)
Trong đó:
k : hệ số và U là điện áp trên cực động cơ
M : là hệ số dẫn từ f : tần số của dòng điện V : Thể tích mạch từ
Từ (2. 6) ta thấy công suất phản kháng Q tỉ lệ với bình phương điện áp U. Vì vậy nếu giảm được điện áp U thì giảm được Q do đó hệ số cosφ của động cơ được nâng lên.
Trong thực tế người ta dùng phương pháp sau để giảm điện áp đặt lên các động cơ không đồng bộ làm việc non tải:
- Đổi nối dây quấn stator từ tam giác sang sao
Khi đổi nối dây quấn stator từ tam giác sang sao thì điện áp đặt lên 1 pha sẽ giảm đi 3lần, do đó cosφ và hiệu suất được nâng cao, nhưng momen cực đại giảm đi 3 lần (MMax≡ U2) vì vậy phải kiểm tra lại khả năng mở máy và làm việc ổn định của đông cơ, biện pháp này dùng cho động cơ có điện áp nhỏ hơn 1000V và hệ số phụ tải nằm trong khoảng 0.35÷0.4.
- Thay đổi cách phân nhóm dây quấn stator.
Biện pháp thay đổi các phân nhóm của dây quấn stator thường được áp dụng đối với động cơ có công suất lớn có nhiều mạch nhánh song song trong cùng 1 pha, biện pháp này chỉ phù hợp với động cơ được chế tạo với nhiều dây đầu ra.
- Thay đổi đầu phân áp máy biến áp để giảm điện áp của mạng điện phân phối trong nhà máy. Biện pháp này chỉ cho phép áp dụng khi tất cả các động cơ trong nhà máy đều làm việc non tải và không có bất kỳ thiết bị nào yêu cầu cao về mức điện áp, trong thực tế thì biện pháp này khó thực hiện được.
Hạn chế động cơ không đồng bộ chạy không tải
Các máy công cụ trong quy trình làm việc đôi lúc phải làm việc không tải, ví dụ như trong qua trình chuyển từ quy trình gia công này quy trình gia công khác hoặc do thao tác không hợp lý của công nhân vận hành máy. Khi làm việc không tải thì cosφ của động cơ rất thấp, vì thế cần hạn chế động cơ chạy không tải, đó là biện pháp tốt để nâng cao cosφ của nó. Các biện pháp hạn chế động cơ chạy non tải được thực hiện theo 2 hướng:
- Hướng dẫn cho công nhân vận hành các thao tác hợp lý, giảm tối thiểu thời gian để máy chạy không tải.
- Đặt thiết bị hạn chế không tải trong sơ đồ khống chế động cơ. Nếu động cơ chạy không tải quá thời gian chỉ định t nào đó thì động cơ bị cắt ra khỏi mạng điện.
Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ
Hệ số công suất cao, khi cần có thể vận hành ở chế độ kích thích để trở thành máy bù cung cấp công suất phản kháng cho mạng điện.
b) Nâng cao hệ số cosφ bằng phương pháp bù.
Bằng cách đặt các thiết bị bù gần các hộ dung điện để cung cấp công suất phản kháng, giảm được lượng công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây do đó nâng cao được hệ số cosφ của mạng điện. Biện pháp bù không làm giảm lượng công suất phản kháng của hộ tiêu thụ mà giảm được lượng công suất phản kháng truyền tải trên đường dây. Sau khi thực hiện các biện pháp nâng cao hệ số cosφ tự nhiên mà chưa thấy đạt yêu cầu thì ta mới xét tới phương pháp bù.
Bù công suất phản kháng Q ngoài tác dụng nâng cao hệ số công suất cosφ để tiết kiệm điện mà còn tác dụng quan trọng là điều chỉnh và ổn định điện áp của mạng điện cung cấp.