Thiết kế tủ bù công suất - Sao Nam Tronics

A.   Kiến thức về tủ bù công suất

 I.   Tại sao cần cải thiện hệ số công suất:

1. Giảm giá thành tiền điện:

- Nâng cao hệ số công suất đem lại những ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế, nhất là giảm tiền điện.

- Trong giai đoạn sủ dụng điện có giới hạn theo qui định. Việc tiêu thụ năng lượng phản kháng vượt quá 40% năng lượng tác dụng (tgφ > 0,4: đây là giá trị thoã thuận với công ty cung cấp điện) thì người sử dụng năng lượng phản kháng phải trả tiền hàng tháng theo giá hiện hành.

-  Do đó, tổng năng lượng phản kháng được tính tiền cho thời gian sử dụng sẽ là:

kVAr ( phải trả tiền ) = KWh ( tgφ – 0,4)

2. Tối ưu hoá kinh tế - kỹ thuật

   - Cải thiện hệ số công suất cho phép người sử dụng máy biến áp, thiết bị đóng cắt và cáp nhỏ hơn V.V…đồng thời giảm tổn thất điện năng và sụt áp trong mạng điện.

   - Hệ số công suất cao cho phép tối ưu hoá các phần tử cung cấp điện. Khi ấy các thiết bị điện không cần định mức dư thừa. Tuy nhiên để đạt được kết quả tốt nhất, cần đặt tụ cạnh cạnh từng phần tử của thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng.

   - Để cải thiện hệ số công suất của mạng điện, cần một bộ tụ điện làm nguồn phát công suất phản kháng. Cách giải quyết này được gọi là bù công suất phản kháng.

   -Tải mang tính cảm có hệ số công suất thấp sẽ nhận thành phần dòng điện phản kháng từ máy phát đưa đến qua hệ thống truyền tải phân phối. Do đó kéo theo tốn thất công suất và hiện tượng sụt áp.

- Khi mắc các tụ song song với tải, dòng điện có tính dung của tụ sẽ có cùng đường đi như thành phần cảm kháng của dòng tải. vì vậy hai dòng điện này sẽ triệt tiêu lẫn nhau I_C = I_L. Như vậy không còn tồn tại dòng phản kháng qua phần lưới phía trước vị trí đặt tụ.

- Đặc biệt ta nên tránh định mức động cơ quá lớn cũng như chế độ chạy không tải của động cơ. Lúc này hệ số công suất của động cơ rất nhỏ (0,17) do lượng công suất tác dụng tiêu thụ ở chế độ không tải rất nhỏ.

II. Các Phương pháp bù công suất:      

1. Bù trên lưới điện áp

Trong mạng lưới hạ áp, bù công suất được thực hiện bằng :

-          Tụ điện với lượng bù cố định (bù nền).

-          Thiết bị điều chỉnh bù tự động hoặc một bộ tụ cho phép điều chỉnh liên tục theo yêu cầu khi tải thay đổi.

Chú ý : Khi công suất phản kháng cần bù vượt quá 800KVAr và tải có tính liên tục và ổn định, việc lắp đặt bộ tụ ở phía trung áp thường có hiệu quả kinh tế tốt hơn.

 2. Tụ bù nền

Bố trí bù gồm một hoặc nhiều tụ tạo nên lượng bù không đổi. việc điều khiển có thể thực hiện:

-          Bằng tay: dùng CB hoặc LBS ( load – break switch )

-          Bán tự động: dùng contactor

-          Mắc trực tiếp vào tải đóng điện cho mạch bù đồng thời khi đóng tải.

Các tụ điện được đặt:

-          Tại vị trí đấu nối của thiết bị tiêu thụ điện có tính cảm ( động cơ điện và máy biến áp ).

-          Tại vị trí thanh góp cấp nguồn cho nhiều động cơ nhỏ và các phụ tải có tính cảm kháng đối với chúng việc bù từng thiết bị một tỏ ra quá tốn kém.

-          Trong các trường hợp khi tải không thay đổi.

3. Bộ tụ bù điều khiển tự động ( bù ứng động )

- Bù công suất thường được hiện bằng các phương tiện điều khiển đóng ngắt từng bộ phận công suất.

- Thiết bị này cho phép điều khiển bù công suất một cách tự động, giữ hệ số công suất trong một giới hạn cho phép chung quanh giá trị hệ số công suất được chọn.

- Thiết bị này được lắp đặt tại các vị trí mà công suất tác dụng và công suất phản kháng thay đổi trong phạm vi rộng. có thể  tại thanh góp của tủ phân phối chính, tại đầu nối của các cáp trục chịu tải lớn.

Các nguyên lý và lý do sử dụng bù tự động:

- Bộ tụ bù gồm nhiều phần và mỗi phần được điều khiển bằng contactor. Việc đóng một contactor sẽ đóng một số tụ song song với các tụ vận hành.  công suất bù có thể tăng hay giảm theo từng cấp bằng cách thực hiện đóng hoặc cắt contactor điều khiển tụ. Một rơley điều khiển kiểm soát hệ số công suất của mạng điện sẽ thực hiện đóng và mở các contactor tương ứng để hệ số công suất cả hệ thống thay đổi  từng bậc .

-Để điều khiển rơle máy biến dòng phải đặt lên một pha của dây cáp dẫn điện cung cấp đến mạch được điều khiển. Khi thực hiện bù chính xác bằng các giá trị tải yêu cầu sẽ tránh được hiện tượng quá điện áp khi tải giảm xuống thấp và do đó khử bỏ các điều kiện phát sinh quá điện áp và tránh các thiệt hại xảy ra cho trang thiết bị.

- Quá điện áp xuất hiện do hiện tượng bù dư phụ thuộc một phần vào giá trị tổng trở nguồn.

- Nếu công suất bộ tụ ( kVar ) nhỏ hơn hoặc bằng 15% công suất định mức máy biến áp cấp nguồn, nên sử dụng bù nền.

                                    - Nếu ở trên mức 15%, nên sử dụng bù kiểu tự động.

- Vị trí lắp đặt tụ áp trong mạng điện có tính đến chế độ bù công suất; hoặc bù tập trung, bù nhóm, bù cục bộ, hoặc bù kết hợp hai phương án sau cùng.

- Về nguyên tắc, bù lý tưởng có nghĩa là bù áp dụng cho từng thời điểm tiêu thụ và với mức độ mà phụ tải yêu cầu cho mỗi thời điểm.

- Trong thực tiễn, việc chọn phương cách bù dựa vào các hệ số kinh tế và kỹ thuật.

3.1 .Bù tập trung : áp dụng cho tải ổn định và liên tục.

Nguyên lý : bộ tụ đấu vào thanh góp hạ áp của tủ phân phối chính và được đóng trong thời gian tải hoạt động.

Ưu điểm:

- Giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng .

- Làm giảm công suất biểu kiến.

- Làm nhẹ tải cho máy biến áp và do đó nó có khả năng phát triển thêm các phụ tải cần thiết.

Nhận xét :

- Dòng điện phản kháng tiếp tục đi vào tất cả lộ ra tủ phân phối chính của mạng hạ thế.

- Vì lý do này kích cỡ dây dẫn , công suất tổn hao không được cải thiện ở chế độ bù tập trung.

3.2 Bù nhóm ( từng phân đoạn ).

Bù nhóm nên sử dụng khi mạng điện quá lớn và khi chế độ tải tiêu thụ theo thời gian của các phân đoạn thay đổi khác nhau.

Nguyên lý : bộ tụ được đấu vào tủ phân phối khu vực . hiệu quả do bù nhóm mang lại cho dây dẫn xuất phát từ tủ phân phối chính đến các tủ khu vực có đặt tụ được thể hiện rõ nhất.

Ưu điểm:

- Làm giảm tiền phạt do vấn đề tiêu thụ công suất phản kháng.

-  Làm giảm công suất biểu kiến yêu cầu.

- Kích thước dây cáp đi đến các tủ phân phối khu vực sẽ giảm đi hoặc với cùng dây cáp trên có thể tăng thêm phụ tải cho tủ phân phối khu vực.

Nhận xét :

- Dòng điện phản kháng tiếp tục đi vào tất cả dây dẫn xuất phát từ tủ phân phối khu vực.

- Vì lý do này mà kích thước và công suất tổn hao trong dây dẫn nói trên không được cải thiện với chế độ bù nhóm.

- Khi có sự thay đổi đáng kể của tải, luôn luôn tồn tại nguy cơ bù dư và kèm  theo hiện tượng quá điện áp.

3.3 Bù riêng:

Bù riêng nên được xét đến khi công suất động cơ lớn đáng kế so với mạng điện.

Nguyên lý: bộ tụ mắc trực tiếp vào đầu dây nối của thiết bị dùng điện có tính cảm ( chủ yếu là các động cơ ).

Bộ tụ định mức ( kVAr) đến khoảng 25%  giá trị công suất động cơ. Bù bổ sung tại đầu nguồn điện cũng có thể mang lại hiệu quả tốt.

Ưu điểm :

- Làm giảm tiền phạt do tiêu thụ công suất phản kháng (kVAr)

- Giảm công suất biểu kiến yêu cầu.

- Giảm kích thước và tổn hao dây dẫn đối với tất cả dây dẫn.

Nhận xét :

Các dòng điện phản kháng có giá trị lớn sẽ không còn tồn tại trong mạng điện.

3.4 Mức độ bù tối ưu

Phương pháp chung

Bảng số liệu tính toán công suất phản kháng cần thiết trong giai đoạn thiết kế. qua đó có thể xác định công suất phản kháng và công suất tác dụng cho mức độ bù khác nhau.

Vấn đề tối ưu hoá kinh tế kỹ thuật cho một mạng điện đang hoạt động.

Việc tính toán định mức bù tối ưu cho một mạng đã tồn tại có thể thực hiện theo những lưu ý sau:

+ Tiền điện trước khi đặt bù

+ Tiền điện tương lai sau khi lắp tụ bù.

+ Các chi phí bao gồm :

-          Mua tụ bù và mạch điều khiển.

-          Lắp đặt và bảo trì

-          Tổn thất trong tụ và tổn thất trên dây cáp, máy biến áp sau khi lắp tụ bù.

III. Chọn Tụ Bù :

1. Phương pháp tính đơn giản:

(để chọn tụ bù cho một tải nào đó thì ta cần biết công suất(P) của tải đó và hệ số công suất (Cos φ) của tải đó):

    Giả sử ta có công suất của tải là P

    Hệ số công suất của tải là Cos φ₁ → tg φ₁ ( trước khi bù )

    Hệ số công suất sau khi bù là Cos φ₂ → tg φ₂.

    Công suất phản kháng cần bù là Q_C = P (tgφ₁ – tgφ₂ ).

Từ công suất cần bù ta chọn tụ bù cho phù hợp trong bảng catalog của nhà cung cấp tụ bù.

    Để dễ hiểu ta sẽ cho ví dụ minh hoạ như sau:

    Giả sử ta có công suất tải là P = 270 (KW).

    Hệ số công suất trước khi bù là cosφ₁ = 0.75 → tgφ₁ = 0.88

    Hệ số công suất sau khi bù là Cosφ₂ = 0.95 → tgφ₂ = 0.33

    Vậy công suất phản kháng cần bù là Q_bù = P ( tgφ₁ – tgφ₂ )

            Q_bù = 270( 0.88 – 0.33 ) = 148.5 (KVAr)

 Từ số liệu này ta chọn tụ bù trong bảng catalog của nhà sản xuất giả sử là ta có tụ 25KVAr. Để bù đủ cho tải thì ta cần bù 6 tụ 25 KVAr tổng công suất phản kháng là 6x25=150(KVAr) với 6 tụ bù này ta chọn bộ điều khiển 6 cấp .

2. Phương pháp bù tối ưu dựa vào điều kiện không đóng tiền phạt:

  Xét hoá đơn tiền điện liên quan đến dung lượng kVArh đã tiêu thụ và ghi nhận số kVArh phải trả tiền  sau đó, chọn hoá đơn tiền giá kVArh cao nhất phải trả (không xét đến trường hợp ngoại lệ).

            Ví dụ: 15965 kVArh trong tháng giêng

Tính tổng thời gian hoạt động trong tháng đó ví dụ : 220h số giờ xét để tính là những giờ mà hệ thống điện chịu tải lớn nhất và tải đạt giá trị đỉnh cao nhất. ngoài thời gian kể trên việc tiêu thụ công suất phản kháng là miễn phí.

            Giá trị công suất cần bù:

                        [kVAr] = kVAr/T = Q_bù

kVAr : số kVAr phải trả tiền.

T : số giờ hoạt động

 Dung lượng bù thường được chọn cao hơn giá trị tính toán một chút.

Sưu tầm.