Bù công suất phản kháng Q

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG

2.1.3. Các dạng bù công suất phản kháng

2.1.3.2. Bù công suất phản kháng Q

Bù công suất phản kháng Q chỉ được tiến hành sau khi thực hiện các biện pháp tự nhiên không đạt được yêu cầu.

Bù công suất phản kháng có thể dùng tụ bù, bộ lọc tích cực hoặc máy bù đồng bộ.

a) Máy bù đồng bộ

Máy bù đồng bộ thực chất là động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải và dòng diện kích từ được điều chỉnh quá kích thích để động cơ phát ra công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất của lưới điện. Công suất phản kháng của máy bù đồng bộ được xác định như sau:

E U

X Q mU

đb





 0cos (2.12)

Trong đó: m là số pha stator; U là điện áp pha; Xđb: Điện kháng đồng bộ; E0: Sức điện động không tải; θ: Góc lệch giữa Uvà E0

Giả thiết giữ U, f và P không đổi thì:

- Nếu E0cosθ < U thì Q < 0, nghĩa là máy nhận công suất phản kháng của lưới điện để tạo ra từ trường, máy thiếu kích thích.

- Nếu E0cosθ > U thì Q > 0, nghĩa là máy phát công suất phản kháng cung cấp cho tải, máy quá kích thích.

Như vậy, muốn điều chỉnh công suất phản kháng ta phải thay đổi E0, nghĩa là phải điều chỉnh dòng điện kích từ. Để tăng công suất phản kháng phát ra ta phải tăng dòng điện kích từ. Khi đó E0 sẽ tăng và cosθ tăng nhưng E0sinθ không đổi, do đó Q tăng.

Hình 2.3. Đồ thị vector khi cosφ = 1 và khi cosφ = 0.8 (vượt trước)

Động cơ đồng bộ được sử dụng nhiều trong công nghiệp như luyện kim, khai thác mỏ, thiết bị lạnh, truyền động các máy bơm, nén khí, quạt gió,…

* Ưu điểm của máy bù đồng bộ:

- Có cấu tạo chắc chắn;

- Làm việc tùy theo chế độ kích từ nên có thể cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện và được dùng để điều chỉnh điện áp cho mạng điện rất tốt;

- Tốc độ quay của động cơ đồng bộ không phụ thuộc vào tải nên 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 của máy bù đồng bộ:

- Do là máy điện quay nên việc lắp ráp, vận hành, bảo dưỡng khó khăn;

- Thường chế tạo với công suất lớn nên chỉ thích hợp ở những nơi cần bù tập trung với dung lượng lớn;

- Tiêu thụ nhiều điện năng;

- Suất chi phí tổn thất công suất tác dụng lớn hơn nhiều so với tụ bù (khoảng 0.027 kW/kVAr so với tụ là khoảng 0.003 ÷ 0.004 kW/kVAr) [6];

- Chi phí đầu tư, bảo dưỡng cao.

b) Bộ lọc tích cực

Bộ lọc tích cực cũng là một lựa chọn tốt cho vấn đề cải thiện chất lượng điện năng và điều chỉnh hệ số công suất trong lưới điện. Tuy nhiên, bộ lọc tích cực không được sử dụng rộng rãi vì liên quan đến vấn đề chi phí đầu tư. Hiệu quả của các bộ lọc tích cực đã được chỉ ra như [7], [8]:

- Loại bỏ các sóng hài;

- Giảm các tín hiệu tần số cao;

- Bù công suất phản kháng trong các mạng điện bị ô nhiễm sóng hài tránh được tần số cộng hưởng.

Hình 2.4. Cấu trúc cơ bản của bộ lọc tích cực shunt.

Bộ lọc tích cực shunt tạo ra dòng điện để bù cho các thành phần dòng điện không mong muốn trong dòng tải (thành phần hài bậc 5 và bậc 7).

c) Tụ điện

Tụ điện là một hệ hai vật dẫn đặt gần nhau và ngăn cách nhau bằng một lớp cách điện (điện môi). Tụ điện có tác dụng tích và phóng điện trong mạch điện. Trong hệ thống điện, tụ bù làm cho dòng điện sớm pha hơn điện áp, do đó sinh ra công suất phản kháng nên được sử dụng với mục đích bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất cosφ nhằm đảm bảo hiệu quả vận hành của lưới điện.

Tải có tính cảm như động cơ chẳng hạn sẽ cần tiêu thụ năng lượng phản kháng, do đó sẽ tồn tại dòng điện phản kháng đi từ đầu nguồn đến phụ tải tiêu thụ công suất phản kháng lắp đặt ở cuối nguồn (Dòng điện này chậm pha hơn điện áp 1 góc 90 độ).

Nếu mắc hệ thống tụ bù song song vào tải, dòng điện có tính dung do tụ sinh ra cũng sẽ truyền trong mạng điện (dòng điện này nhanh pha hơn điện áp 1 góc 90 độ).

Kết quả là 2 thành phần dòng điện này triệt tiêu lẫn nhau do đó làm giảm dòng điện phản kháng truyền trong dây dẫn ở phía trước vị trí đặt tụ bù.

Hình 2.5. Phân bố dòng điện trên đường dây khi có tụ bù Công suất phát của tụ bù được xác định theo biểu thức sau:

2

2 2

2

1 CU

C U X

X U I Q

C C

C 









 (2.13)

Từ biểu thức (2.13) ta thấy công suất của tụ tỷ lệ với bình phương điện áp. Do đó thông thường thì các cụm tụ bù hạ áp sẽ hiệu quả hơn tụ bù cao áp.

Công suất bù để nâng giá trị từ cosφ1 lên cosφ2 được xác định như sau:

Qbù Ptg1tg2P.kq,kVAr (2.14) Với P là công suất tác dụng (kW) và kq là hệ số được tính toán sẵn và được cho trong Bảng 2.1. [6]

Giản đồ vector cho bù công suất phản kháng:

Hình 2.6. Vector dòng điện và công suất trước và sau khi bù.

Bảng 2.1. Giá trị hệ số kq phụ thuộc vào cosφ1 hiện tại và cosφ2 mong muốn.