Bài tập lớn cơ cấu điện - Chương 7: Nâng cao hệ số và bù công suất phản kháng

CHƯƠNG 7 NÂNG CAO HỆ SỐ VÀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG A- PHẦN LÝ THUYẾT: Điện năng là năng lượng chủ yếu của các xí nghiệp công nghiệp, các xí nghiệp này tiêu thụ khoảng trên 70 % tổng số điện năng sản xuất ra vì thế vấn đề sử dụng hợp lý và tiết kiệm điện năng ở đây có ý nghĩa rất lớn, về mặt sản xuất điện năng vấn đề đặt ra là phải tận dụng hết khả năng của các nhà máy phát điện để sản xuất ra được nhiều nhất đồng thời về mặt dùng điện phải hết sức tiết kiệm điện giảm tổn thất điện năng đến mức nhỏ nhất phấn đấu một KWh điện ngày càng làm ra nhiều sản phẩm. Tính chung trong toàn bộ hệ thống điện thường có 10 – 15 % năng lượng được phát ra bị mất mát trong quá trình truyền tải và phân phối điện năng. Mạng có điện áp KV Tổn thất điện năng ( % ) của Đường dây MBA Tổng U ≥ 110 U = 35 U = 0,1 – 10 Tổng cộng 13,3 6,9 47,8 68 12,4 3 16,6 32 25,7 9,9 64,4 100 Từ bản trên ta thấy tổn thất điện năng trong mạng điện có U = 0,1 – 10 kv ( tức mạng điện trong xí nghiệp ) chiếm tới 64,4 % tổng số điện năng bị tổn thất, sở dĩ như vậy bởi vì mạng phụ tải gây ra tổn thất điện năng lớn, vì thế tiết kiệm điện năng trong xí nghiệp có ý nghĩa rất quan trọng trong xí nghiệp và nền kinh tế quốc dân. Hệ số công suất cosφ là một chỉ tiêu để đánh giá, hệ số cosφ của các xí nghiệp nước ta hiện nay vào khoảng 0,6 – 0,7 chúng ta cần phấn đấu nâng cao dần lên đến 0,9, ngoài mục tiêu tiết kiệm điện năng nó còn đem lại hiệu quả khác như: Phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng là: + động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60 -65 % Q 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% Như vậy động cơ không đồng bộ là 2 loại máy tiêu thụ nhiều Q nhất. Q không sinh công như P nhưng nó là công suất từ hóa trong các máy điện xoay chiều, quá trình trao đổi Q giữa máy phát điện và hộ dùng điện là một quá trình dao động , mỗi chu kỳ của dòng điện Q đổi chiều 4 lần, giá trị trung bình của Q trong nửa chu kỳ điện bằng 0, cho nên việc tạo ra công suất phản kháng không đòi hỏi tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp quay máy phát điện. Mặt khác Q cung cấp cho hộ dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn. Vì vậy người ta đặt gần các hộ tiêu thụ các máy sinh ra Q khi có bù Q thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch sẽ nhỏ đi. Nhờ có bù ta giảm được Q phải truyền tải trên đường dây và nếu P không đổi thì góc φ sẽ giảm xuống tức cosφ tăng lên đưa đến những hiệu quả sau: Giảm được tổn thất công suất trong mạng điện, chúng ta đã biết tổn thất công suất trên đường dây được tính như sau: Khi giảm Q truyền tải trên đường dây ta giảm được thành phần tổn thất công suất ΔPQ do Q gây ra Giảm được tổn thất trong mạng, tổn thất điện áp tính như sau: Khi giảm Q truyền tải trên đường dây ta giảm được thành phần ΔUQ do Q gây ra. Tăng khả năng truyền tải của đường dây và MBA, khả năng truyền tải của đường dây và MBA phụ thuộc vào điều kiện phát nóng tức phụ thuộc vào dòng điện cho phép của chúng, dòng điện chạy trên dây dẫn và MBA được tính như sau: Biểu thức này chứng tỏ rằng cùng một tình trạng phát nóng nhất định của đường dây và MBA chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải P của chúng bằng cách giảm Q mà chúng phải tải đi, vì thế khi giữ nguyên đường dây và MBA, nếu cosφ của mạng được nâng cao thì khả năng truyền tải sẽ tăng lên. CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO HỆ SỐ COSφ Thay thế động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng động cơ có công suất: Khi động cơ không đồng bộ làm việc tiêu thụ lượng công suất phản kháng bằng: Q = Q0 + ( Qđm – Q0 ) . K2pt Trong đó: Q0 : công suất phản kháng lúc làm việc non tải. Qđm : công suất phản kháng lúc làm việc định mức. Kpt : hệ số phụ tải Hệ số công suất được tính: Từ công thức trên chúng ta thấy nếu động cơ làm việc non tải tức Kpt bé thì cosφ thấp. giảm điện áp của các động cơ làm việc non tải: Công suất phản kháng mà động cơ không đồng bộ tiêu thụ được tính như sau: Trong đó: K : là hằng số. Μ : là hệ số dẫn từ. f : là tần số dòng điện. v : là thể tích mạch từ. Do đó nếu ta giảm U thì Q giảm đi rõ rệt do đó cosφ giảm trong thực tế người ta dùng phương pháp sau đây để giảm điện áp khi động cơ làm việc non tải. + đổi nối dây quấn stato từ tam giác sang sao. + thay đổi cách đấu dây. + giảm điện áp bằng MBA. Ngoài ra người ta còn thực hiện các biện pháp sau đây để nâng cao hệ số công suất: + thay đổi và cải tiến quy trình công nghệ để các thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất. + hạn chế động cơ chạy không tải. + dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng bộ. + nâng cao chất lượng sửa chửa động cơ. + thay thế những MBA làm việc non tải bằng những MBA có dung lượng nhỏ hơn. PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG ĐỂ NÂNG CAO HỆ SỐ COSφ: đương lượng kinh tế của công suất phản kháng: Đại lượng kinh tế của công suất phản kháng là Kkt là lượng công suất tác dụng ( kw ) tiết kiệm được khi bù Q ( KVAr ) công suất tác dụng tiết kiệm được bù là. Ptk = Kkt . Qbù Tổn thất công suất tác dụng trên đường dây: Sau khi bù do lượng tổn thất ΔP giảm nên P truyền tải trên đường dây củng giảm. Trước khi bù thành phần tổn thất P do Q gây ra là ΔP1, sau khi bù Qbù thành phần tổn thất P do Q gây ra là. Vậy lượng P tiết kiệm đượclà. ΔP = ΔP1 – ΔP2 Theo định nghĩa: Từ công thức trên ta nhận xét: Nếu dung lượng Qbù < Q thì Ktt được tính như sau: Nếu Q và R càng lớn thì Ktt càng lớn, nghĩa là nếu phụ tải phản kháng càng lớn và càng xa nguồn thì việc bù càng có hiệu quả kinh tế, giá trị của Ktt nằm trong khoảng 0,02 – 0,12 kw / KVAr, trong tính toán có thể lấy các giá trị sau: + hộ dùng điện cho nhà máy cung cấp: Ktt = 0,02 – 0,04. + hộ dùng điện qua một lần biến áp: Ktt = 0,04 – 0,06. + hộ dùng điện qua hai lần biến áp: Ktt = 0,05 – 0,07 + hộ dùng điện qua ba lần biến áp: Ktt = 0,08 – 0,12 xác định dung lượng bù: Dung lượng bù được xác định theo công thức sau: Qbù = Ptt ( tagφ1 – tagφ2 ) .∞ Trong đó: Ptt : là phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ. φ1 : là góc ứng với hệ số công suất trung bình cosφ1 trước khi bù. φ2 : là góc ứng với hệ số công suất cos φ2 muốn đạt được sau khi bù cos φ2 = 0,8 – 0,95 do điện lực quy định. ∞ = 0,9 -1 là hệ số xét tới khả năng nâng cao cosφ bằng các phương pháp không đòi hỏi thiết bị bù. Đối với hộ dùng điện thì dung lượng bù có thể xác định theo quan điễm tối ưu sau: do bù có thể tiết kiệm được một lượng công suất tác dụng là. ΔP = Kkt . Qbù - Kbù . Qbù (Kkt - Kbù ) Trong đó: Kbù : suất tổn thất công suất tác dụng trong thiết bị bù ( kw / KVAr ) Kkt : đương lượng kinh tế của công suất phản kháng (kw / KVAr ) Như vậy ta có Qbù tối ưu = chọn thiết bị bù: Thiết bị bù được lựa chọn trên cơ sở tính toán so sánh kinh tế kỹ thuật bảng sau đây trình bày các loại thiết bị bù thường dùng và suất tổn thất công suất của chúng: Loại thiết bị bù Suất tổn thất công suất Kbù (kw / KVAr ) Tụ điện Máy bù đồng bộ S < 5000 -3000 KVAr Máy bù đồng bộ S < 5000 KVAr Động cơ không đồng bộ cuộn dây được đồng hóa. Máy phát đồng bộ dùng làm máy bù Máy phát đồng bộ dùng làm máy bù, không tháo động cơ sơ cấp. 0,003 – 0,005 0,002 – 0,027 0,03 – 0,05 0,02 – 0,08 0,1 – 0,15 0,15 – 0,3 -Tụ điện: -Là loại thiết bị điện tĩnh làm việc với dòng điện vượt trước điện áp do đò nó có thể sinh ra Q cung cấp cho mạng, tụ điện có các ưu điễm sau: suất tổn thất bé, không có phần quay nên lắp ráp bảo quản dễ dàng. Tùy theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất ta có thể ghép dần các tụ điện vào mạng, khiến hiệu suất sử dụng cao và không bỏ vốn nhiều một lúc, tuy vậy tụ cũng có những nhược điễm sau: + nhạy cảm với những biến động điện áp đặt lên cực tụ điện. + kém chắc chắn đặc biệt là dễ bị phá hỏng khi ngắn mạch. -Máy bù đồng bộ: -Là loại động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ không tải do không có phụ tải trên trục máy nên nó được chế tạo gọn nhẹ và rẻ hơn so với động cơ đồng bộ cùng công suất là ưu điễm, nhược điễm là có phần quay nên lắp ráp bảo quản và vận hành khó khăn do đó máy này thường được dùng ở những nơi cần bù tập trung có dung lượng lớn. - Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa: -Khi cho dòng một chiều chạy vào rôto của động cơ thì nó sẽ làm việc như một động cơ đồng bộ với dòng điện vượt trước điện áp vì thế nó có khả năng sinh ra Q cung cấp cho mạng, nhưng động cơ này tổn thất công suất khá lớn khả năng quá tải kém, vì vậy động cơ này cho phép làm việc không quá 75 % công suất định mức, chính những lý do trên mà động cơ này được coi là thiết bị bù kém nhất nên nó ít được sử dụng. phân phối dung lượng bù trong mạng điện: vị trí đặt thiết bị bù: Máy bù đồng bộ thường được đặt tập trung ở những điễm quan trọng của hệ thống điện. Tụ điện thường được đặt ở mạng điện cao áp hoặc mạng áp thấp, tụ điện điện áp cao ( 6 – 10 kv ) được đặt tập trung ở thanh cái TBA trung gian hoặc TBA phân phối, tụ điện áp thấp ( 0,4 kv ) được đặt theo ba cách: + đặt tập trung ở thanh cái phía điện áp thấp của trạm biến áp phân xưởng. + đặt thành nhóm ở tụ phân phối động lực. + đặt phân tán ở từng thiết bị dùng điện. - phân phối dung lượng bù trong mạng hình tia: Tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra: Với điều kiện ràng buộc về cân bằng công suất bù là: Theo phương pháp toán tử lagrangce ta tìm được dung lượng bù tối ưu của các nhánh: *phân phối dung lượng bù trong mạch phân nhánh: Dung lượng bù tại nhánh thứ n được xác định theo công thức: B – PHẦN TÍNH TOÁN BÙ CÔNG SUẤT CHO DÃY NHÀ E Ta có : Sdm=25(kva) Cosφ=0,72 Suy ra : Tgφ1=0,96 Mà Cosφ cần nâng cao lên là 0,95. Vậy tgφ2=0,328 Ta có : Qbù=P(tgφ1-tgφ2) =58582(0,96-0,328) =36438 (var) Vậy Qbù= 36,4 (kvar) Ta chọn tụ điện bù do Liên Xô chế tạo kc2-0,66-40-3Ỷ Có U= 220(v),40(kvar) Có C=292(γF) Dung lượng bù tại tầng trệt : Q=15188(0,96-0,328) =10054(var).