1.2.1. Khái niệm về CSPK
Xét sự tiêu thụ năng lượng trong một mạch ựiện ựơn giản có tải là ựiện trở và ựiện kháng (hình 5) sau:
Mạch ựiện ựược cung cấp bởi ựiện áp
u = Um . sinωt
Dòng ựiện i lệch pha với ựiện áp u một góc φ:
Hình 5: Mạch ựiện ựơn giản RL
i = Im . sin(ωt Ờ φ) hay i = Im . (sinωt.cos φ Ờ sinφ.cosωt) Có thể coi: i = iỖ + iỖỖ
với iỖ = Im .cos φ. sinωt
iỖỖ = Im . sinφ.cosωt = Im . sinφ.sin(ωt Ờπ/2) Như vậy dòng ựiện i là tổng của hai thành phần:
iỖ có biên ựộ Im .cos φ cùng pha với ựiện áp u
iỖỖ có biên ựộ Im . sinφ chậm pha với ựiện áp một góc π/2 Công suất tương ứng với hai thành phần iỖ và iỖỖ là:
P = ỤỊcosφ gọi là công suất tác dụng
R X I
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
18 Q = ỤỊsinφ gọi là công suất phản kháng
CSPKlà thành phần công suất tiêu thụ trên ựiện cảm hay phát ra trên ựiện dung của mạch ựiện.
1.2.2. Sự tiêu thụ CSPK
Trên lưới ựiện, CSPK ựược tiêu thụ ở: động cơ không ựồng bộ, máy biến áp, kháng ựiện trên ựường dây tải ựiện và ở các phần tử, thiết bị có liên quan ựến từ trường.
Yêu cầu về CSPK chỉ có thể giảm ựến mức tối thiểu chứ không thể triệt tiêu ựược vì nó cần thiết ựể tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong quá trình chuyển hóa ựiện năng.
1) động cơ không ựồng bộ
động cơ không ựồng bộ là thiết bị tiêu thụ CSPK chắnh trong lưới ựiện, chiếm khoảng 60 Ờ 65%;
CSPK của ựộng cơ không ựồng bộ gồm hai thành phần:
- Một phần nhỏ CSPK ựược sử dụng ựể sinh ra từ trường tản trong mạch ựiện sợ cấp;
- Phần lớn CSPK còn lại dùng ựể sinh ra từ trường khe hở;
2) Máy biến áp
MBA tiêu thụ khoảng 22 ựến 25% nhu cầu CSPK tổng của lưới ựiện, nhỏ hơn nhu cầu của các ựộng cơ không ựồng bộ do CSPK dùng ựể từ hóa lõi thép máy biến áp không lớn so với ựộng cơ không ựồng bộ, vì không có khe hở không khắ. Nhưng
Từ công thức trên ta có thể viết:
P = ỤỊcosφ = Z.I(Ịcosφ) = Z.I2.
Z R
= R.I2 (1.1)
Q = ỤỊsinφ = Z.I(Ịsinφ) = Z.I2.
Z X
= X.I2 (1.2) Hình 6: Quan hệ giữa công suất P và Q 0 ỤỊsin φ ỤỊcosφ S = ỤI P Q
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
19 do số thiết bị và tổng dung lượng lớn, nên nhu cầu tổng CSPK của MBA cũng rất ựáng kể.
CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm hai thành phần:
- Công suất phản kháng ựược dùng ựể từ hóa lõi thép - Công suất phản kháng tản từ máy biến áp
3) đèn huỳnh quang
Thông thường các ựèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu ựể hạn chế dòng ựiện. Tuy theo ựiện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa ựược hiệu chỉnh cosφ của chấn lưu nằm trong khoảng 0,3 ựến 0,5.
Các ựèn huỳnh quang hiện ựại có bộ khởi ựộng ựiện từ, hệ số công suất chưa ựược hiểu chỉnh cosφ thường gần bằng 1. Do vậy không cần hiệu chỉnh hệ số công suất của thiết bị nàỵ Tuy nhiên, khi các thiết bị ựiện tử này khởi ựộng thì sinh ra các sóng hàị
1.3. CÁC NGUỒN PHÁT CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI đIỆN đIỆN
Khả năng phát CSPK của các nhà máy ựiện là rất hạn chế, do cosφn của nhà máy từ 0,8 Ờ 0,9 hoặc cao hơn nữạ Vì lý do kinh tế người ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tảị Các máy phát chỉ ựảm ựương một phần nhu cầu CSPK của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù ựảm trách (Máy bù ựồng bộ, tụ ựiện).
Ngoài ra trong hệ thống ựiện nói chung, phải kể ựến một nguồn phát CSPK nữa, ựó là các ựường dây tải ựiện, ựặc biệt là các ựường cáp và ựường dây siêu cao áp. Tuy nhiên ở ựây ta chỉ xét ựến lưới phân phối, do vậy chỉ lưu ý ựến các trường hợp ựường dây 35 kV dài và các ựường cáp ngầm. Tuy nhiên CSPK phát ra từ các phần tử này cũng không ựáng kể nên nguồn phát CSPK chắnh trong lưới phân phối vẫn là tụ ựiện, ựộng cơ ựồng bộ và máy bù.
Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới
1) Máy bù ựồng bộ
Máy bù ựồng bộ là loại máy ựiện ựồng bộ chạy không tải dùng ựể phát hoặc tiêu thụ CSPK. Máy bù ựồng bộ là phương pháp cổ truyền ựể ựiều chỉnh liên tục CSPK. Các máy bù ựồng bộ thường ựược dùng trong hệ thống truyền tải, chẳng hạn ở ựầu vào các ựường dây tải ựiện dài, trong các trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến ựổi dòng ựiện một chiều cao áp.
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
20 ựồng bộ sẽ vượt trước ựiện áp trên cực của nó một góc 900) thì máy phát ra CSPK Qb phát lên mạng ựiện. Ngược lại, nếu ta giảm dòng kắch từ ikt (kắch thắch non, E < U, dòng ựiện chậm sau ựiện áp 900) thì máy bù sẽ biến thành phụ tải tiêu thụ CSPK. Vậy máy bù ựồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra CSPK.
Các máy bù ựồng bộ ngày nay thường ựược trang bị hệ thống kắch thắch từ nhanh có bộ kắch từ chỉnh lưụ
2) Tụ ựiện tĩnh
Tụ ựiện tĩnh là một ựơn vị hoặc một dãy ựơn vị tụ nối với nhau và nối song song với phụ tải theo sơ ựồ hình sao hoặc tam giác, với mục ựắch sản xuất ra CSPK cung cấp trực tiếp cho phụ tải, ựiều này làm giảm CSPK phải truyền tải trên ựường dâỵ Tụ bù tĩnh cũng thường ựược chế tạo không ựổi (nhằm giảm giá thành). Khi cần ựiều chỉnh ựiện áp có thể dùng tụ ựiện bù tĩnh ựóng cắt ựược theo cấp, ựó là biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra CSPK.
Tụ ựiện tĩnh cũng như máy bù ựồng bộ làm việc ở chế ựộ quá kắch CSPK trực tiếp cấp cho hộ tiêu thụ, giảm ựược lượng CSPK truyền tải trong mạng, do ựó giảm ựược tổn thất ựiện áp.
CSPK do tụ ựiện phát ra ựược tắnh theo biểu thức sau: QC = U2.2πf.C.10-9 kVAr (1.3) Trong ựó: - U có ựơn vị là kV
- f tần số có ựơn vị là Hz - C là ựiện dung có ựơn vị là ộF
Khi sử dụng tụ ựiện cần chú ý phải ựảm bảo an toàn vận hành, cụ thể khi cắt tụ ra khỏi lưới phải có ựiện trở phóng ựiện ựể dập ựiện áp.
Các tụ ựiện bù tĩnh ựược dùng rộng rãi ựể hiệu chỉnh hệ số công suất trong các hệ thống phân phối ựiện như: hệ thống phân phối ựiện công nghiệp, thành phố, khu ựông dân cư và nông thôn. Một số các tụ bù tĩnh cũng ựược ựặt ở các trạm truyền tảị
Tụ ựiện là loại thiết bị ựiện tĩnh, làm việc với dòng ựiện vượt trước ựiện áp. Do ựó có thể sinh ra công suất phản khánh Q cung cấp cho mạng. Tụ ựiện tĩnh có những ưu ựiểm sau:
- Suất tổn thất công suất tác dụng bé, khoảng (0,003 Ờ 0,005) kW/kVAr. - Không có phần quay nên lắp ráp bảo quản dễ dàng.
- Tụ ựiện tĩnh ựược chế tạo thành từng ựơn vị nhỏ, vì thế có thể tùy theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất mà ựiều chỉnh dung lượng cho phù
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
21 hợp.
Song tụ ựiện tĩnh cũng có một số nhược ựiểm sau:
- Nhược ựiểm chủ yếu của chúng là cung cấp ựược ắt CSPK khi có rối loạn hoặc thiếu ựiện, bởi vì dung lượng của công suất phản kháng tỷ lệ bình phương với ựiện áp: 2 2 2 C U Q = I X CU 1/ C ω ω = = (1.4)
- Tụ ựiện có cấu tạo kém chắc chắn vì vậy dễ bị phá hỏng khi xảy ra ngắn mạch
- Khi ựiện áp tăng quá 1,1Un thì tụ ựiện dễ bị chọc thủng.
- Khi ựóng tụ ựiện vào mạng có dòng ựiện xung, còn khi cắt tụ khỏi mạng, nếu không có thiết bị phóng ựiện thì sẽ có ựiện áp dư trên tụ.
- Bù bằng tụ ựiện sẽ khó khăn trong việc tự ựộng ựiều chỉnh dung lương bù một cách liên tục.
- Tụ ựiện tĩnh ựược chế tạo dễ dàng ở cấp ựiện áp 6 - 10 kV và 0,4 kV. Thông thường nếu dung lượng bù nhỏ hơn 5 MVAr thì người ta dùng tụ ựiện, còn nếu lớn hơn phải so sánh với máy bù ựồng bộ.
3) động cơ không ựồng bộ rôto dây quấn ựược ựồng bộ hóa
Khi cho dòng ựiện một chiều vào dây quấn Roto của ựộng cơ không ựồng bộ thì ựộng cơ ựó sẽ làm việc như ựộng cơ ựồng bộ, có thể ựiều chỉnh dòng kắch từ ựể nó phát ra CSPK cung cấp cho mạng. Nhược ựiểm của loại này là suất tổn thất công suất tác dụng lớn, khoảng (0,02 Ờ 0,08) kW/kVAr; khả năng quá tải kém. Vì vậy nó chỉ ựược phép làm việc với 75% công suất ựịnh mức.
Vì các nhược ựiểm trên, cho nên nó chỉ ựược dùng khi không có sẵn các loại thiết bị bù khác.
4) Mạng cáp
Cảm kháng của dây dẫn là do có từ thông biến ựổi khi có dòng ựiện chạy trên dây dẫn, trong mạng lưới ựiện phân phối, dây cáp có cảm kháng rất bé vì các lõi cáp ựặt rất gần nhau và từ thông móc vòng qua chúng rất nhỏ. Vậy trên sơ ựồ thay thế của ựường dây cáp chỉ còn có ựiện trở của cáp. Hay nói một cách khác, trên mạng phân phối, tổn thất CSPK từ mạng cáp rất không ựáng kể. CSPK do cáp phát ra phụ
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
22 thuộc vào cấp ựiện áp và tiết diện của lõi thép.
Ngoài các thiết bị bù kể trên, còn có thể dùng ựộng cơ ựồng bộ làm việc ở chế ựộ quá kắch từ, hoặc dùng máy phát ựiện làm việc ở chế ựộ bù ựể làm máy bù.
Ở các xắ nghiệp có nhiều tổ máy phát ựiezen, làm nguồn dự phòng, khi chưa dùng ựến có thể sử dụng làm máy bù ựồng bộ. Theo kinh nghiệm thực tế việc chuyển máy phát thành máy bù không phiền phức lắm. Vì vậy biện pháp này ựược nhiều xắ nghiệp áp dụng.
1.4. Ý NGHĨA CỦA VIỆC BÙ CSPK TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
Hầu hết các thiết bị sử dụng ựiện ựều tiêu thụ CSTD (P) và CSPK (Q). Sự tiêu thụ CSPK này sẽ ựược truyền tải trên lưới ựiện về phắa nguồn cung cấp CSPK, sự truyền tải công suất này trên ựường dây sẽ làm tổn hao một lượng công suất và làm cho hao tổn ựiện áp tăng lên ựồng thời cũng làm cho lượng công suất biểu kiến (S) tăng, dẫn ựến chi phắ ựể xây dựng ựường dây tăng lên. Vì vậy việc bù CSPK cho lưới ựiện sẽ có những tắch cực như sau:
1.4.1. Giảm ựược tổn thất công suất trong mạng ựiện.
Ta có tổn thất công suất trên ựường dây ựược xác ựịnh theo công thức:
2 2 2 2 (P) (Q) 2 2 2 P + Q P Q ∆P = R = R + R = ∆P + ∆P U U U (1.5)
Khi giảm Q truyền tải trên ựường dây, ta giảm ựược thành phần tổn thất công suất ∆P(Q) do Q gây rạ
1.4.2. Giảm ựược tổn thất ựiện áp trong mạng ựiện
Tổn thất ựiện áp ựược xác ựịnh theo công thức:
(P) (Q)
PR + QX P Q
∆U = = R + X = ∆U + ∆U
U U U (1.6)
Khi ta giảm Q truyền tải trên ựường dây, ta giảm ựược thành phần ∆U(Q) do Q gây rạ Từ ựó nâng cao chất lượng ựiện áp cho lưới ựiện.
1.4.3. Tăng khả năng truyền tải của ựường dây và máy biến áp
Khả năng truyền tải của ựường dây và máy biến áp phụ thuộc vào ựiều kiện pháp nóng, tức phụ thuộc vào dòng ựiện cho phép của chúng. Dòng ựiện chạy trên dây dẫn và máy biến áp ựược tắnh như sau:
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ.. 23 2 2 P + Q I = 3U (1.7)
Từ công thức (1.7) cho thấy với cùng một tình trạng phát nóng nhất ựịnh của ựường dây và máy biến áp (tức I = const) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải CSTD P của chúng bằng cách giảm CSPK Q mà chúng phải tải ựị Vì thế khi vẫn giữ nguyên ựường dây và máy biến áp, nếu giảm lượng Q phải truyền tải thì khả năng truyền tải của chúng sẽ ựược tăng lên, góp phần làm ổn ựịnh ựiện áp, tăng khả năng phát ựiện của máy phát ựiệnẦ
Việc bù CSPK ngoài việc nâng cao hệ số công suất cosφ còn ựưa ựến hiệu quả là giảm ựược chi phắ kim loại màu tức giảm ựược tiết diện dây dẫnẦnên tiết kiệm ựược chi phắ ựầu tư xây dựng lưới ựiện. Giảm ựược chi phắ ựiện năngẦ
1.5. CÁC TIÊU CHÍ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI PHỐI
1.5.1. Tiêu chắ kỹ thuật
1.5.1.1. Yêu cầu về cosφ
Phụ tải của các hộ gia ựình thường có hệ số công suất cao, thường là gần bằng 1, do ựó mức tiêu thụ CSPK rất ắt, không thành vấn ựề lớn cần quan tâm. Trái lại, các xắ nghiệp, nhà máy, phân xưởng...ựại bộ phận dùng ựộng cơ không ựồng bộ, là nơi tiêu thụ chủ yếu CSPK. Hệ số công suất của ựộng cơ không ựồng bộ phụ thuộc vào ựiều kiện làm việc của ựộng cơ, các yếu tố chủ yếu như sau:
- Dung lượng của ựộng cơ càng lớn thì hệ số công suất càng cao, suất tiêu thụ CSPK càng nhỏ.
- Hệ số công suất của ựộng cơ phụ thuộc vào tốc ựộ quay của ựộng cơ, nhất là ựối với các ựộng cơ nhỏ. Vắ dụ: động cơ công suất 1 kW nếu quay với tối ựộ 3000 v/ph thì cosφ = 0,85, còn nếu quay với tốc ựộ 750 v/ph thì cosφ sụt xuống còn 0,65. Công suất của ựộng cơ không ựồng bộ càng lớn thì sự cách biệt của hệ số công suất với các tốc ựộ quay khác nhau càng ắt.
- Hệ số công suất của ựộng cơ không ựồng bộ phụ thuộc rất nhiều vào hệ số phụ tải của ựộng cơ, khi quay không tải lượng CSPK cần thiết cho ựộng cơ không ựồng bộ cũng ựã bằng 60 -70% lúc tải ựịnh mức. Công suất phản kháng Q cần thiết khi phụ tải của ựộng cơ bằng P có thể ựược tắnh theo biểu thức sau:
2 kh. tai n kh.tai Q = Q + (Q Q ) n P P − (1.8) Trong ựó:
Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ẦẦẦẦẦẦẦẦẦẦ..
24 phụ tải ựịnh mức.
+ Qkh.tải là CSPK cần cho ựộng cơ chạy không tải, với ựộng cơ có cosφn = 0,9 thì Qkh.tải = 0,6Qn, với ựộng cơ có cosφn = 0,8 thì Qkh.tải = 0,7.Qn. Như vậy với biểu thức trên ta thấy rằng ựộng cơ có cosφn = 0,8 khi tải tụt xuống còn 50% công suất ựịnh mức thì cosφ tụt xuống còn 0,6.
1.5.1.2. đảm bảo mức ựiện ựiện áp cho phép
Khi có ựiện chạy trong dây dẫn thì bao giờ cũng có ựiện áp rơi, cho nên ựiện áp ở từng ựiểm khác nhau trên lưới không giống nhaụ Tất cả các thiết bị tiêu thụ ựiện ựều ựược chế tạo ựể làm việc tối ưu với một ựiện áp ựặt nhất ựịnh, nếu ựiện áp ựặt trên ựầu cực của thiết bị ựiện khác trị số ựịnh mức sẽ làm cho tình trạng làm việc của chúng xấu ựi, vắ dụ:
1) đèn thắp sáng (sợi nung)
Khi ựiện áp ựặt U = Un - 5%Un thì quang thông giảm ựi tới 18%. Nếu ựiện áp giảm ựi 10% thì quang thông giảm tới 30%.
Khi ựiện áp ựặt tăng lên 5% so với ựiện áp danh ựịnh thì tuổi thọ của bóng ựèn bị giảm ựi một nửa, nếu tăng lên 10% thì bị giảm ựi còn dưới 1/3 ...
2) Các ựồ ựiện gia dụng
Các ựồ ựiện gia dụng như bếp ựiện, bàn là ựiện, lò nướng .v.v. Vì có: P = RI2 =