Giáo trình Cung cấp điện phần 2

của nguồn điện chính và nguồn dự phòng. Tầm cài đặt thấp áp từ 80 tới 90℅ , quá áp từ 102 tới 115℅ so với điện áp định mức.  Cài đặt tần số điịnh mức của nguồn điện :50Hz.  Giám sát tần số của nguồn điện chính và nguồn dự phòng: Tầm cài đặt thấp tần số từ 40 tới 49 Hz và quá tần số từ 51Hz tới 60Hz: Các timer lập trình được: Timer trì hoãn khởi động máy phát .(T1-TDNE). Đảm bảo bỏ qua sự cố mất điện hoặc giao động nhất thời của nguồn điện chính .Timer được kích hoạt khi nguồn điện chính bị mất , nếu nguồn điện chính có lại trong lúc timer dang chạy thì nó sẽ tự reset lại. Trong khoảng thời gian náy bộ ATS controller được cung cấp từ nguồn nội bê trong, vì vậy không cần dung tới bộ UPS hay bộ Accu ung cấp them bên ngoài , nguồn nội duy trì trong 3 phút. Tầm cài đặt (T1- TDES) :0 tới 60giây (Mặc định là 5s): Timer trì hoãn từ chuyển mạch từ nguồn chinhs sang nguồn dự phòng (T2- TDNE). Đảm bảo nguồn dự phòng đã hoạt động ổn định . Timer tính từ lúc nguồn dự phòng đã sẵn sàng. Tầm cài đặt (T2-TDNE):0 tới 60s ( Mặc điịnh 5s). Timer trì hoãn về vị trí “0” khi chuyển từ mạch nguồn chính sang nguồn dự phòng.(T3-TONF). Tầm cài đặt (T3-TONF) 0 tới 20s (Mặc định 0s). Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 92 Timer trì hoãn mạch nguồn từ nguồn dự phòng sang nguồn chính(T4- TDEN) Đảm bảo sự ổn định của nguồn điện chính trứoc khi thực hiện chuyển mạch .Timer tính từ lúc có nguồn điện chính trở lại. Tầm cài đặt (T4-TDNE): 0 tới 30 min .(Mặc định :2 min). Timer trì hoãn chuyển mạch về vị trí “0” khi chuyển mạch từ nguồn dự phòng sang nguồn điện chính (T5-TONR). Tầm cài đặt (T5-TONR) :0 tới 20s (Mặc định: 0s ). Timer trì hoãn tắt máy phát (cool-down) (T6-TDEC). Cho phép máy phát tiếp tục hoạt động chạy không tải sau khi transfer Switch đã chuyển sang nguồn điện chính. Tầm cài đặt :0 tới 30min .(Mặc định :4min) Lập trình thời khoá biêu hoạt động Cho phép thiết lập thời gian hoạt đông trong ngày ( thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc). Bộ ATS sẽ ngừng hoạt động khi nằm ngoài khoảng thời gian hoạt động này. Tự động kiểm tra sự hoạt động của máy phát ( hoặc nguồn dự phòng) theo lịch. Cài đặt thời gian kiểm tra trong tuần : Khoảng thời gian cố định 1 tuần 1 lần , với 1 ngày 1 lần, gời vàkhoảng thời gian hoạt động; Cài đặt kiểm tra hoạt động trong tháng :Một lần 1 tháng , với ngày trong tháng , giờ khoảng thời gian hoạt động. Thiết lập kiểm tra với hoạt động có tải hoặc không tải: Kiểm tra hoạt động của máy phát bằng tay. Cho phép người vận hành kiểm tra hoạt động của máy phát ( hoặc nguồn dự phòng) với các chế độ có tải hoặc không có tải. Năm ngõ ra tín hiệu điều khiển .  O-GEN(9-10) : ngõ ra tiếp điểm khởi động máy phát kiểu ON/OFF, thường hở (NO).  O-POSSI(1-2) : ngõ ra tiếp điểm chuyển mạch sang nguồn mạch chính.Lập trình kiểu ngõ ra Impulse mode hoặc contactor mode.  O-POSII(5-6) : ngõ ra tiếp điểm chuyển mạch sang nguồn dự phòng.Lập trình chọn kiểu ngõ ra Impulse hoặc contactor mode.  O-POSO(3-4) :ngõ ra tiếp điểm chuyển mạch sang vị trí OFF. Lập trình chọn Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 93 kiểu ngõ ra Impulse mode hoặc contactor mode.  O-OP2(7-8) : ngõ ra tiếp điểm phụ, cho phép cài đặt thực hiện 1 số các chức năng:  Cảnh báo chuyển mạch không thành công : Cảnh báo xảy ra khi đã có tín hiệu chuyển mạch rồi mà Transfer Switch vẫn không chuyển như vậy có thể lỗi do phần cơ khí hay môtơ của Transfer Witch.  Chỉ có nguồn điện áp chính đã sẵn sang( tương tự đèn LED LINE-1) (L1A).  Cảnh báo nguồn dự phòng đã sẵn sàng(tương tự đèn LED LINE-2) (L2A). Ba ngõ vào vị trí thông tin chuyển mạch .  I-POSI (13-18):Transfer Switch đang ở vị trí 1:  I-POS0 (14-18): Transfer Switch đang ở vị trí “0”:  I-POSII (15-18): Transfer Switch đang ở vị trí II: Hai ngõ vào tìn hiệu điều khiển :  I-OP1(16-18), I-OP2(17-18):Dạng tiếp điểm, tuỳ theo lập trình mỗi ngõ thực hiện 1 chức năng:  Nhận thông tin từ nguồn dự phòng đã sẵn sàng (dạng tiếp điểm )(L2A).  Điều khiển chuyển mạch từ xa (Remote Transfer Control –RMT). Cho phép chuyển mạch từ nguồn điện chính sang nguồn dự phòng trước khi timer (T2-TDNE) kết thúc:  Test có tải từ xa. Bắt đầu thực hiện chuyển mạch khi ngõ vào có tín hiệu tích cực , khi ngõ vào không tích cực bộ chuyển mạch chuyển về vị trí ban đầu  Test không có tải từ xa.Bắt đầu thực hiện khi có ngõ vào tích cực . Nguồn cung cấp cho ATS Controller:  Từ nguồn điện chính (L1,L2,L3,N): 280VAC max:  Từ nguồn dự phòng (G1,N):280VAC max:  Từ nguồn nội (bên trong ATS Controller ):Duy trì 3 phút khi mất điện nguồn chính và nguồn dự phòngchưa kịp khởi động : Đặc biệt, ATS Controller không Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 94 dung UPS và Accu bên ngoài: Nguồn cung cấp cho đồng hồ thời gian thực(Real Time Clock):  Từ nguồn điện chính hoặc nguồn dự phòng.  Từ nguồn nội khi không có nguồn điện chính và dự phòng, thời gian duy trì là hai tháng . Tiếp điểm Relay.  Tiếp điểm khởi động máy phát: Relay 2A/30VDC, 1A/125VAC:  Tiếp điểm O-POS0, O-POSI.O-POSII, Relay thường, 2A/24VDC, 1A/125VAC.  Tiếp điểm phụ O-OP2: Relay, 2A/30VDC, 1A/125VAC. Các ngõ vào lập trình được: (I-POS0,I-POSII,I-OPI,I-OP2): Tín hiệu dạng tiép điểm .Ngõ vào chung của các ngõ vào lập trình được làI-OPCOM. Lưu ý: Không được kết nối bất cứ nguồn điện nào với các ngõ vào này. 3.4.7. Chƣơng trình điều khiển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 95 Hình 3.6. Sơ đồ kết nối của bộ điều khiển ATS Trong sơ đồ mạch ATS được chia ra làm hai thành phần chính : a. Phần mạch lực: Phần mạch lực bao gồm mạch nguồn điện chính đó là MAINS SUPPLY: Mạch cung cấp điện chủ đạo cho tải trong suốt quá trình làm việc, đây là mạch điện 3 pha 4 dây L1,L2,L3,N có trung tính nối chung với trung tính của nguồn dự phòng. Các cầu chì F1 dùng với muc đích bảo vệ khi hệ thống xảy ra quá tải, hay ngắn mạch. Contactor A dùng để đóng cắt mạch điện cho tải đựoc cung cấp điện từ nguồn điện chính.Contactor A nay cần đảm bảo liên động an toàn với contactor B phía nguồn điện dừ phòng để tránh hiện tượng trong cùng 1 thời gian cả hai nguồn điện đều được cung cấp cho tải. Phần mạch lực phía nguồn dự phòng là nguồn điện từ máy phát GEN. Đây Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 96 là máy phát điện xoay chiều 3 pha 4 dây với các pha G1,G2,G3, N.Nguồn này chỉ được đưa vào sử dụng khi nguồn điện chính xảy ra sự cố và làm việc trong khoảng thời gian khắc phục sự cố phía nguồn điện chính. Thiết bị đóng cắt phía nguồn điện dự phòng là contactor B. Contactor được liên động với A cả về điện và cơ khí. Cả hai contactor này đều được điều khiển bởi bộ ATS phát ra. b. Phần mạch điều khiển Bộ ATS là thiết bị điều khiển chủ đạo, nó có nhiêm vụ giám sát các thông số kỹ thuật phía nguồn điện chính và nguồn dừ phòng để đưa ra các tín hiệu điều khiển hợp lý nhằm cung cấp nguồn cho tải an toàn tin cậy và hiệu quả. Các cuộn dây A, B là các cuộn dây tương ứng của các contactor AvàB. Việc cấp điên cho các cuộn dây này được lấy từ bộ điều khiển ATS, cả hai cuộn dây không được phép cấp nguồn đồng thời. Các tiếp điểm tương ứng là a1, a2, b1. b2 là các tiếp điểm phụ của A và B. Với a2,b2 dùng để liên động khoá chéo về điện cho 2 cuộn dây, a1,b1 dùng làm tín hiệu phản hồi đưa về nhằm mục đích báo rằng các contactor đã tác động. K là cuộn dây dùng điều khiển củ đề máy phát điện với tiếp điểm thường hở tương ứng: Tín hiệu đề máy phát được lấy từ cặp tiếp điểm O-GEN ( 9,10 ).  Chân tín hiệu (1,2) dùng để điều khiển contactor A.  Chân tín hiệu (5,6) dùng để điều khiển contactor B.  Chân tín hiệu (3,4) dùng báo vị trí “0”.  Chân tín hiệu ( 7 ) dùng tuỳ chọn đầu ra.  Chân tín hiệu ( 8) dùng làm chân COM.  Chân tín hiệu ( 9,10 ) dùng đề máy phát điện. Chân tín hiệu ( 16 ) dùng tuỳ chọn đầu vào  Chân tín hiệu ( 17 ) dùng tuỳ chọn đầu vao 1  Chân tín hiệu ( 18 ) dùng làm chân COM  Chân tín hiệu ( 15 ) dùng làm phản hồi của contactor B Chân tín hiệu (13) dùng làm phản hồi của contactor A. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 97  Ngoài ra các chân L1,L2,L3,N là các chân cấp nguồn đầu vào của bộ ATS lấy từ lưới điện chính. c. Nguyên lý làm việc của bộ chuyển nguồn ATS: Bộ ATS được chia ra làm 3 quá trình làm việc như sau.  Giai đoạn 1: Khởi động và kiểm tra các thông số phía nguồn điện chính.  Giai đoạn 2: Qúa trình tự động đề máy phát điện sẵn sàng cấp nguồn cho tải từ lưới điện nguồn dự phòng.  Giai đoạn 3: Kiểm tra các thông số yêu cầu phía nguồn điện dự phòng từ máy phát. Giai đoạn 1: Ta cấp nguồn cho bộ ATS lấy từ nguồn điện chính, khởi đông bộ ATS vào làm việc.Lúc này ATS sẽ tự động kiểm tra các thông số của lưói điện chính như là dòng điện, điện áp hay tần số. Các giá trị này được so với các giá trị định mức tương ứng nuế đạt bằng giá trị định mức thì đạt yêu cầu và có thể sẵn sàng đóng nguồn điện chính vào cho tải. Trước khi đóng máy cắt phía nguồn điện chính thì bộ thời gian đếm với khoảng thời gian t1 nhằm mục đích là các giá trị đó đựoc ổn đình hay chưa. Ngoài ra, khi đóng máy cắt A phía nguồn điện chính cũng cần phải thoả mãn là máy cắt phía nguồn điện dự phòng phải đựoc mở ra an toan nhăm để tránh hiện tượng trong cùng1 thời gian tải đựoc cấp nguồn đồng thời từ hai lưới điện. Giai đoạn 2: Đây là giai đoạn cấp tín hiệu đề máy phát điện. Trong quá trình làm việc của tải được cung cấp điện từ nguồn điện chính mà có xảy ra 1 sự cố nào đó như mất pha, quá áp, quá dòng thì bộ chuyển nguồn ATS sẽ tự đông phát ra tín hiệu đề máy phat điên để sẵn sàng đưa lưói điện dự phong vào làm việc.Bộ khởi động máy phát có đặc điểm sau; Nếu khởi đọng 1 lần mà thành công, nó sẽ trở về trạng thái chờ ban đầu. Nếu khởi động 1 lần mà không thành công thí bộ đếm thời gian sẽ đếm trong 1 khoảng thời gian 3 đến 4 giây rồi mới tiếp tục khởi động lần 2, nếu khởi đông lần 2 không được rồi sẽ đến lần 3. Sau khi khởi động máy phát 3 lần mà khồg thành công thì bộ ATS sẽ tự động phát tín hiệu cảnh báo ra bên ngoài cho người vận hành biết để khắc phục sự cố. Và lúc này bộ ATS sẽ tự động khoá lại. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 98 Giai đoạn 3: Kiểm tra các thông số của lưới điện dự phòng để sẵn sàng cấp điện từ nguồn dự phòng cho tải. Sau khi máy phát được đề nổ thành công và chạy trong 1 khoảng thời gian cho tới khi điện áp ổn định với mức điện áp khoảng 0.8 Uđm thì bộ ATS sẽ bắt đầu kiểm tra các thông số của lưới điện từ máy phát. Nếu các thông số kiểm tra đã đạt thì bộ thời gian bắt đầu đếm trong khoảng thời gian rồi mới phát tín hiệu đóng máy cắt B vào làm việc. Việc làm này nhằm đảm bảo lưới điện dự phòng đã chạy ổn định. Đồng thời cũng cần thoả mãn răng máy cắt phía nguồn điện chính đã đựơc mở ra an toàn. Trong quá trình làm việc của tải lấy nguồn từ phía máy phát thì bộ ATS vẫn trong trạng thái sẵn sàng kiểm tra lưới điện chính nếu có điện trở lại thì phải đóng nguồn điện trở lại từ nguồn điện chính. Nguồn dự phòng ở đây chỉ làm việc trong khoảng thời gian mà lưới điện chính được khắc phục sự cố cho phép. 3.5 Bộ lƣu điện UPS. 3.5.1. Khái niệm UPS (Uninterruptible Power Supply) là thiết bị cung cấp điện năng có khả năng duy trì điện thế ổn định ngay khi nguồn điện chính bị ngưng bên cạnh đó UPS có thêm một số chức năng như chống xung, lọc nhiễu, ổn áp, ổn tầng và các phần mềm đi kèm có khả năng quản trị năng lượng cho cả một hệ thống. Mạch lọc của thiết bị sẽ cấp nguồn “sạch” và “xanh” cho máy tính, máy chủ hay thiết bị mạng không bị tắt hay mất dữ liệu vì sự cố mất nguồn điện đột ngột. 3.5.2. Phân loại UPS UPS có 3 dạng xử lý dòng điện vào/ra tùy theo mục đích sử dụng:  Off-Line(Standby): Với tính năng duy nhất là lưu trữ điện và đảm bảo nguồn điện liên tục khi mất điện nên loại này thường có công suất nhỏ và chỉ cung cấp điện cho những thiết bị cần nguồn điện không quan trọng.  Line Interactive: Hỗ trợ nhiều tính năng hơn. Loại UPS này cung cấp nguồn điện đã được điều chỉnh (chống sốc điện và tự điều chỉnh điện thế), cho phép máy tính điều khiển trực tiếp thông qua một phần mềm. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 99  On-Line: Là loại cao cấp nhất. Loại này cung cấp nguồn điện lý tưởng đúng chuẩn, đáp ứng cho những hệ thống quan trọng và thiết bị có giá trị cao. a. UPS offline Hai trạng thái làm việc của một UPS offline thông thường (không có công nghệ Line interactive):  Ở trạng thái lưới điện ổn định thì nguồn tiêu thụ sử dụng điện trực tiếp của lưới điện. UPS lúc này chỉ sử dụng một bộ nạp (charger) để nạp điện một cách tự động cho ắc quy.  Khi điện áp lưới điện không đảm bảo (quá cao, quá thấp) hoặc mất điện thì lúc này mạch điện chuyển sang dùng điện cung cấp ra từ ắc quy và bộ inverter. Qua nguyên lý được phân tích như trên thì ta thấy rằng thời gian cung cấp điện cho thiết bị tiêu thụ vì thế mà bị gián đoạn. Sự gián đoạn này gây ra việc cung cấp nguồn điện không ổn định tại phía các thiết bị tiêu thụ. UPS offline không có công dụng ổn áp khi chúng sử dụng điện lưới bình thường bởi đơn giản khi không có sự cố về lưới điện thì các thiết bị phía sau UPS đơn thuần được nối trực tiếp với lưới điện thông qua rơ le. b. UPS offline với công nghệ Line interactive Khắc phục nhược điểm của loại UPS offline thông thường là loại UPS offline công nghệ Line interactive. Do sự tích cực hơn trong nguyên lý hoạt động nên chúng lại có giá thành cao hơn so với loại UPS offline thông thường. Hình 3.7: Sơ đồ UPS UPS offline với công nghệ Line interactive Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 100 Theo hình ngay phía trên, ta dễ nhận thấy rằng nhánh cung cấp điện trực tiếp cho thiết bị tiêu thụ được thông qua một biến áp tự ngẫu. Ở đây có các trường hợp sau:  Trong trường hợp điện áp cấp vào UPS bình thường thì mạch UPS hoạt động như khung hình phía trên-bên trái. Có nghĩa rằng biến áp tự ngẫu lúc này có số vòng dây sơ cấp bằng thứ cấp, do đó không có sự can thiệp nào vào điện áp đầu ra và UPS hoạt động giống như loại UPS offline thông thường.  Trong trường hợp điện áp của lưới thấp hơn so với điện áp chuẩn, biến áp tự ngẫu sẽ chuyển mạch sang một nấc khác, làm cho điện áp đầu ra đảm bảo đúng thông số yêu cầu. Trong trường hợp điện áp của lưới điện cao hơn so với thông số chuẩn thì trường hợp này cũng vậy.  Trong trường hợp mất điện lưới UPS offline công nghệ Line interactive sẽ chuyển các mạch giống như loại UPS thông thường: tức là chúng ngắt nhánh đi qua biến áp tự ngẫu và chuyển sang sử dụng nhánh ắc quy với inverter. Loại UPS offline theo công nghệ line interactive này tiến bộ hơn loại UPS offline truyền thống: Chúng có thể ổn định điện áp so với loại offline truyền thống. c. UPS online Khắc phục hoàn toàn các nhược điểm của hai loại UPS trên là UPS online, chính vì vậy mà loại UPS này thường có giá bán cao nhất so với các loại trên. Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý làm việc đơn giản của UPS online Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 101 Nguồn điện lưới lúc này không cung cấp điện trực tiếp cho các thiết bị, mà chúng được biến đổi thành dòng điện một chiều tương ứng với điện áp của ắc quy. Ở đây trong mạch đã thể hiện sự cung cấp điện từ ắc quy và chính từ lưới điện đến bộ inverter để biến đổi thành điện áp đầu ra phù hợp với thiết bị sử dụng. Như vậy, có thể thấy rằng trong bất kỳ sự cố nào về lưới điện thì UPS online cũng có thể cung cấp điện cho thiết bị sử dụng mà không có một thời gian trễ nào. Điều này làm cho thiết bị sử dụng rất an toàn, và ổn định. UPS online sẽ luôn luôn ổn định điện áp đầu ra bởi cũng theo mạch thì điện áp đầu vào lúc này được biến đổi xuống mức điện áp ắc quy và chúng có công dụng như một ắc quy có dung lượng lớn vô cùng (nếu không bị sự cố lưới điện), mạch inverter sẽ đóng vai trò một bộ ổn định điện áp. Vì vậy chỉ với các loại UPS online mới có công dụng ổn áp một cách triệt để. 3.5.3. Các chế độ hoạt động của UPS a. Chế độ hoạt động bình thƣờng: Tải AC chính được cấp nguồn liên tục bởi bộ chuyển đổi UPS, bộ chỉnh lưu và bộ nạp lấy nguồn từ nguồn cấp AC chính chuyển đổi thành nguồn DC để cung cấp cho bộ chuyển đổi, trong khi hệ thống ắc quy đang nạp. Nguồn cấp bởi bộ chuyển đổi UPS sẽ có điện áp và tần số nằm trong khoảng giới hạn. Hình 3.9: Chế độ hoạt động bình thường của UPS b. Chế độ chạy bằng ắc qui: Khi nguồn AC đầu vào bị mất, các tải AC được cấp nguồn lấy từ ắc quy thông qua bộ chuyển đổi (inverter) mà không cần bất cứ sự chuyển mạch nào. Không làm gián đoạn về nguồn điện tới tải trong quá trình mất hay Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 102 quá trình hồi phục lại nguồn AC chính. Trong quá trình phục hồi lại nguồn AC chính, nguồn tới bộ chỉnh lưu bị hạn chế từng bước. Tiếp theo giai đoạn tương đối ngắn này, bộ chỉnh lưu lại cấp nguồn cho bộ chuyển đổi (inverter) và tiếp tục nạp cho ắc qui. Tất cả các chức năng này được thực hiện một cách tự động và không gây ra ngắt nguồn cấp cho các tải. Hình 3.10: Chế độ hoạt động bằng nguồn Accu c. Chế độ chia nguồn đầu vào (source share mode): Một phần công suất tới tải được cung cấp từ nguồn AC chính và một phần được cấp từ ắc qui. Tỷ lệ công suất dùng nguồn AC chính có thể đặt được bởi người sử dụng với tỉ lệ từ 20% - 80% tổng công suất đang hoạt động. Chế độ này thường dùng trong chế độ mà công suất máy phát điện phát nhỏ hơn cần thiết. Hình 3.11: Chế độ hoạt động chia nguồn vào d. Chế độ tháo ắc quy hoặc chế độ đổi tần: Nếu hệ thống ắc qui được tháo riêng ra để bảo dưỡng hoặc UPS được sử dụng như một thiết bị đổi tần, nó được ngắt khỏi bộ chuyển đổi ắc quy và inverter bằng cách ngắt một áp tô mát bên ngoài. UPS Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 103 tiếp tục hoạt động bình thường ngoại trừ chức năng lưu điện. e. Chế độ Bypass: Nếu bộ chuyển đổi (inverter) bị hỏng, hay bộ chuyển đổi bị vượt quá ngưỡng quá tải, hoặc bộ chuyển đổi (inverter) bị tắt bởi người sử dụng và khi đó nếu bộ chuyển đổi đang đồng bộ với nguồn bypass thì bộ chuyển mạch tĩnh sẽ thực hiện việc chuyển toàn bộ tải tới nguồn bypass mà không được gây ra ngắt nguồn AC cho tải. Nếu bộ chuyển đổi không đồng bộ với nguồn bypass, bộ chuyển mạch tĩnh sẽ thực hiện chuyển đổi tải từ bộ chuyển đổi tới nguồn bypass với sự ngắt nguồn AC cho tải. Sự gián đoạn này nhỏ hơn 15ms (tại 50Hz). Hình 3.12: Chế độ hoạt động Bybass f. Chế độ ECO: Trong chế độ hoạt động tiết kiệm, nguồn bypass sẽ được ưu tiên sử dụng hơn bộ chuyển đổi, khi nguồn bypass mất, tải AC được chuyển sang bộ chuyển đổi. Trong chế độ này, hiệu quả sẽ cao hơn. Người sử dụng có thể lựa chọn chức năng này. Trong chế độ ECO tải được nuôi qua chuyển mạch bypass tĩnh trong khi điện áp nguồn được giữ trong khoảng điện áp có tần số ra dao động ±0.5Hz, ±1Hz, ±2Hz và ±3Hz. Giá trị mặc định là ±2Hz; khoảng biên độ được cố định tại mức dao động ±10% của điện áp danh nghĩa bypass. Lỗi trên nguồn bypass AC giữ trong mức dao động trên dẫn đến việc chuyển đổi tải đến bộ chuyển đổi UPS. Bộ chỉnh lưu và chuyển đổi ắc qui trong cả 2 trường hợp sẽ nạp cho ắc qui khi chúng có nguồn AC cung cấp Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 104 Hình 3.13: Chế độ hoạt động ECO g. Chế độ bảo trì: Mỗi UPS có một đường bypass bảo vệ bên trong (bộ bypass bảo vệ ngoài có thể lắp đặt trong Maintenance Bypass Cabinet-MCB). Nếu UPS cần bảo trì hay sửa chữa, sau khi bộ chuyển đổi được tắt đi và tải được chuyển qua khối bypass, khối bypass bảo vệ bên trong hay bypass bảo vệ bên ngoài có thể được bật lên, UPS có thể tắt đi và ắc qui có thể ngắt để sửa chữa. Hình 3.14: Chế độ bảo trì h. Chế độ song song: Để có công xuất cao hơn hay độ ổn định cao hơn, đầu ra (3 pha/4 dây) có thể nối song song trực tiếp với nhau. Bộ điều khiển song song trong tất cả các UPS tự động chia sẻ tải độc lập. Công suất mắc song song lớn nhất lớn hơn 6 lần tải danh định của mỗi khối trong hệ thống. i. Chế độ dự phòng Master/Slave (Còn gọi là dự phòng nóng): Mô đun UPS chính nối tới tải và Mô đun UPS phụ nối tới đường bypass của Mô đun chính. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 105 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP 14- Các đặc tính của nguồn điện dự phòng? 15- Trình bày các dạng hư hỏng và các bảo vệ của máy phát điện tại chỗ? 16- Trình bày các chức năng cơ bản của bộ ATS? Nguyên lý điều chỉnh của bộ ATS? 17- UPS là gì? Các loại UPS hiện có trên thị trường? Các chế độ hoạt động của UPS? Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 106 CHƢƠNG 4: NÂNG CAO HỆ SỐ COSφ Mục tiêu:  Hiểu được ý nghĩa việc bù công suất phản kháng, các thiết bị bù công suất phản kháng và các phương pháp bù công suất phản kháng.  Tính toán, thiết kế hệ thống bù công suất phản kháng cho công trình nhà xưởng. 4.1. Khái niệm chung. Nhu cầu dùng điện ngày một cao nên ngày càng phải tận dụng hết các khả năng của các nhà máy điện, về mặt sử dụng phải hết sức tiết kiệm, sử dụng hợp lý thiết bị điện, giảm tổn thất điện năng đến mức nhỏ nhất, phấn đấu để 1kWh điện năng ngày càng làm ra nhiều sản phẩm. Toàn bộ hệ thống cung cấp điện có đến 10  15% năng lượng điện bị tổn thất qua khâu truyền tải và phân phối, trong đó mạng xí nghiệp chiếm khoảng 60% lượng tổn thất đó. Vì vậy việc sử dụng hợp lý và khai thác hiệu quả thiết bị điện có ý nghĩa rất quan trọng không không những có lợi cho xí nghiệp mà còn có lợi cho nền kinh tế quốc dân. Trong mạng điện tồn tại hai loại công suất:  Công suất tác dụng: P “ Đặc trưng cho sự sinh ra công, liên quan đến quá trình động lực, gây ra moment qua cho các động cơ. Một phần nhỏ bù vào các tổn hao do phát nong dây dẫn, lõi thép.ở nguồn P trực tiếp liên quan đến tiêu hao năng lượng đầu vào như Than, hơi nước, lượng nước .v.v Tóm lại P đặc trưng cho quá trình chuyển hoá năng lượng.  Công suất phản kháng: Q ngược lại không sinh ra công. Nó đặc trưng cho quá trình tích phóng năng lượng giữa nguồn và tải, nó liên quan đến quá trình từ hóa lõi thép máy biến áp, động cơ, gây biến đổi từ thông để tạo ra sức điện động phía thứ cấp. Nó đặc trưng cho khâu tổn thất từ tản trong mạng, ở nguồn nó liên quan đến sức điện động của máy phát (liên quan đến dòng kích từ máy phát). Như vậy để chuyển hoá Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 107 được P cần phải có hiện diện của Q. Giũa P & Q lại liên hệ trực tiếp với nhau, mà đặc trưng cho mối quan hệ đó là hệ số công suất. )1.4(cos 22 S P QP P K p     Như vậy S đặc trưng cho công suất thiết kế của thiết bị điện, việc tăng giảm P, Q không tuỳ tiện được, cùng một công suất S (cố định) nếu cos càng lớn (tức  càng nhỏ) tức là công suất tác dụng càng lớn, lúc đó người ta nói thiết bị được khai thác tốt hơn. Như vậy với từng thiết bị nếu cos càng lớn tức thiết bị đòi hỏi lượng Q càng ít. Đứng về phương diện truyền tải nếu lượng Q (đòi hỏi từ nguồng) càng giảm thì sẽ giảm lượng tổn thất. Vì vậy thực chất của việc nâng cao hệ số cos cũng đồng nghĩa với việc giảm đòi hỏi về Q ở các hộ phụ tải. 4.2. Ý nghĩa và mục đích của việc nâng cao cos. Nâng cao hệ số cos là một trong những biện pháp hiệu quả để tiết kiệm điện năng, 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 , máy biến áp , đường dây trên không, kháng điện và các thiết bị điện khác. Để tránh truyền tải một lượng lớn Q trên đường dây người ta cần đặt gần các hộ tiêu thụ các thiết bị sinh ra Q (tụ điện , máy bù đồng bộ), để cấp trực tiếp cho phụ tải, 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, do đó hệ số công suất cos của mạng được nâng cao, giữa P và Q có quan hệ sau: )2.4( Q P arctg Khi lượng P không đổi, nhờ có bù công suất phản kháng lượng Q truyền tải trên đường dây sẽ giảm xuống, do đó góc  giảm, cos tăng lên. Hệ số công suất cos được nâng lên sẽ đưa đến những hiệu quả sau đây: a. Giảm tổn thất công suất và điện năng trên tất cả các phần tử (đƣờng dây và BA.) Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 108 )()(. QP2 2 2 2 2 2 PPR U Q R U P R U S P  Thực vậy nếu Q giảm  P(Q) sẽ giảm  P cũng sẽ giảm  A giảm. b. Làm giảm tổn thất điện áp trong các phần tử của mạng: )()( QP UU U QX U PR U  Giảm lượng Q truyền tải trên đường dây ta giảm được thành phần Q U do Q gây ra. c. Tăng khả năng truyền tải của các phần tử: U3 QP I 22   Như vậy trong mạng điện ta sẽ coi những phụ tải cảm kháng với Q>0 là một phụ tải tiêu thụ công suất phản kháng. Còn những phụ tải dung kháng với Q<0 là nguồn phát ra công suất phản kháng. Trong mạng xí nghiệp công suất phản kháng phân bổ như sau: 60  65 % ở các động cơ không đồng bộ. 20  25 % ở các máy biến áp. 10  20 % ở các thiết bị khác. Như vậy ta thấy rằng phụ tải công nghiệp đều mang tính chất điện cảm (tức tiêu thụ công suất phản kháng). Xuất phát từ bản chất của công suất phản kháng như vậy ta thấy rằng có thể tạo ra công suất phản kháng trong mạng điện mà không đỏi hỏi tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp, quay máy phát. d. Giảm đƣợc chi phí kim loại màu, góp phần làm ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của nhà máy phát điện. 4.3. Các biện pháp nâng cao cos. Thực chất của việc nâng cao hệ số công suất là nhằm giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây của mạng. Ta có 2 phương pháp để nâng hệ số công suất phản kháng: Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 109  Nâng cao hệ số cos tự nhiên: (biện pháp tự nhiên) đây là nhóm phương pháp bằng cách vận hành hợp lý các thiết bị dùng điện nhằm giảm lượng Q đỏi hỏi từ nguồn.  Nâng cao hệ số công suất bằng cách đặt thiết bị bù: (không yêu cầu giảm lượng Q đòi hỏi từ thiết bị dùng điện mà cung cấp công suất phản kháng Q tại các hộ dùng điện nhằm giảm lượng Q phải truyền tải trên đường dây). Phương pháp này chỉ thực hiện sau khi đã thực hiện biện pháp thứ nhất mà chưa đạt được kết quả thì mơi thực hiện việc bù. 4.3.1. Nhóm các phƣơng pháp tự nhiên: a. Thay những động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng những động cơ có công suất nhỏ hơn. Khi làm việc bình thường động cơ tiêu thụ 1 lượng công suất phản kháng bằng: )3.4(. 2ptđmkt kQQQ  Trong đó: Qkt - công suất phản kháng khi không tải (chiểm tỷ lệ 60  70 % so với Qdm) và có thể xác định theo công thức: Qkt  ktdmIU3 (Ikt – dòng không tải của động cơ). dm pt P P k  - hệ số mang tải của động cơ. Qdm – lượng gia tăng Q khi động cơ mang tải định mức so với khi không tải. )4.4(3 ktdmdm dm dm ktđmđm IUtg P QQQ    dm – hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức. Vậy )5.4( . . 1 1 cos 2 2 22              dmpt ptdmkt Pk kQQQP P S P  Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 110 Do đó ta thấy rằng kpt giảm  cos cũng sẽ giảm. Ví dụ: Một động cơ có cos = 0,8 khi kpt =1 cos = 0,65 kpt =0,5 cos = 0,51 kpt = 0,3 Chú ý: Khi có động cơ không đồng bộ làm việc non tải phải dựa vào nức độ tải của chúng mà quyết định chọn giữa thay hoặc không thay. Kinh nghiệm vận hành cho thấy rằng: Khi kpt < 0,45 việc thay thế bao giờ cũng có lợi. khi kpt > 0,7 việc thay thế sẽ không có lợi. khi 0,45 < kpt < 0,7 việc có tiến hành thay thế phải dựa trên việc so sánh kinh tế cụ thể mới quyết định được. Ngoài ra khi tiến hành thay thế các động cơ cong cần phải đảm bào các điều kiện kỹ thuật, tức đảm bảo nhiệt độ của động cơ phải không lón hơn nhiệt độ cho phép và các điều kiện khác về mở máy và làm việc ổn định. b. Giảm điện áp đặt vào động cơ thƣờng xuyên làm việc non tải: Biện pháp này thực hiện khi không có điều kiện thay động cơ có công suất nhỏ hơn. Ta biết rằng công suất phản kháng đòi hỏi từ 1 động cơ không đồng bộ có thể viết dưới biểu thức sau: Vf U KQ .; 2   (4.6) Trong đó: K – hằng số. U - điện áp đặt vào động cơ.  - hệ số dẫn từ của mạch từ. f - tần số dòng điện. V - thể tích mạch từ. Để giảm U thực tế thường tiến hành như sau: Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 111  Đổi nối dây quấn stato từ đấu   Y .  Thay đổi cách phân nhóm dây cuốn stato.  Thay đổi đầu phân áp của biến áp hạ áp. Chú ý: Kinh nghiệm cho thấy rằng biện pháp này chỉ thực hiện tốt đối với các ĐC. U<1000 V và khi kpt < 0,3  0,4. Cần chú ý rằng khi thay đổi   Y, điện áp sẽ giảm 3 lần  dòng tăng 3 lần nhưng momen sẽ giảm đi 3 lần  vì vậy phải kiểm tra điều kiện quá tải và khởi động sau đó. c. Hạn chế ĐC không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải: Đa số các động cơ máy công cụ khi làm việc có nhiều thười gian chạy không tải xen lẫn giữa thời gian mang tải. Nhiều khi thời gian chạy không tải chiếm tới 50-60 % thời gian làm việc. Nếu thời gian động cơ chạy không tải được cắt ra sẽ chánh được tổn thất. Tuy nhiên trong quá trình đóng cắt động cơ cũng sinh ra tổn hao mở máy. Thực tế vận hành thấy nếu t0 của động cơ lớn hơn 10 giây thì việc cắt khỏi mạng có lợi. Biện pháp này có 2 hướng:  Vận động công nhân thao tác hợp lý để hạn chế đến mức thấp nhất thời gian chạy không tải, thay đổi qui trình thao tác nhằm hạn chế t0.  Đặt bộ hạn chế chạy không tải. d. Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ: Ở những nơi qui trình công nghệ cho phép, máy có công suất lớn không yêu cầu điều chỉnh tốc độ như máy bơm, quạt gió, máy nén khí v.v.. việc thay thế sẽ có ưu điểm.  Hệ số công suất cao hưon, khi cần có thể làm việc ở chế độ quá kích từ để trở thành máy bù công suất phản kháng, góp phần sự ổn định của hệ thống.  Momen quay tỷ lệ với bậc nhất của điện áp  ít ảnh hưởng đến dao động điện áp. Khi tần số nguồn thay đổi, tốc độ quay không phụ thuộc vào phụ tải  năng suất làm việc cao. Khuyết điểm: cấu tạo phức tạp, giá thành cao, số lượng mới chỉ chiếm 20% tổng số ĐC. Nhờ những tiến bộ mới nên có nhiều xu hướng sử dụng ngày càng nhiều. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 112 Ngoài ra cong một số biện pháp khác như nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ thay thế máy biến áp non tải, vận hành kinh tế trạm biến áp (đặt nhiều máy cho một trạm), áp đặt các qui trình công nghệ mới nhằm giảm giờ máy chạy không tải hoặc tiết kiệm điện năng. 4.4. Các thiết bị bù. Thiết bị bù: Thông thường người ta sử dụng 2 loại thiết bị bù chính là tụ điện tĩnh và máy bù đồng bộ cả 2 loại thiết bị này có những ưu nhược điểm gần như trái ngược nhau: 4.4.1. Máy bù đồng bộ: Thực chất là loại động cơ đồng bộ chạy không tải có một số đặc điểm (ưư nhược điểm).  Vừa có khả năng phát ra lại vừa tiêu thụ được công suất phản kháng.  Công suât phản kháng phát ra không phụ thuộc vào điện áp đặt vào nó, mà chủ yếu là phụ thuộc vào dòng kích từ (có thể điều chỉnh được dẽ dàng).  Lắp đặt vận hành phức tạp, đễ gây sự cố (vì có bộ phần quay).  Máy bù đồng bộ tiêu thụ một lượng công suất tác dụng khá lớn khoảng 0,015 – 0,02 kW/kVA.  Giá tiền đơn vị công suất phản kháng phát ra thay đổi theo dung lượng. Nếu dung lợng bé thì sẽ đát. Vì vậy chỉ được sản xuất ra với dung lượng lớn 5 MVAr trở lên. 4.4.2. Tụ điện tĩnh: Có ưu nhược điểm gần như trái ngược với máy bù đồng bộ:  Giá tiền 1 đơn vị công suất phản kháng phát ra hầu như không thay đổi theo dung lượng. điều này thuận tiện cho việc chia nhỏ ra nhiều nhóm nhỏ đặt sâu về phía phụ tải.  Tiêu thụ rất ít công suất tác dụng khoảng 0,003 – 0.005 kW/kVAr.  Vận hành lắp đặt đơn gian, ít gây ra sự cố.  Công suất phản kháng phát ra phụ thuộc vào điện áp đặt vào tụ.  Chỉ phát ra công suất phản kháng và không có khả năng điều chỉnh. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 113  Vậy mạng xí nghiệp chỉ nên sử dụng tụ điện tĩnh, còn máy bù đồng bộ chỉ được dùng ở phía hạ áp (6-10 kV) của các tram trung gian. 4.5. Lựa chọn phƣơng án bù. 4.5.1. Phƣơng án bù ở phía cao hạ áp của trạm BA: Xét mạng điện như hình vẽ: Hình 4.1: Phương án bù cosφ mạng cao áp Trong đó: Qbc ; Qbh - dung lượng bù đặt tại thanh cái cao và hạ áp của trạm BA. Rd ; RB - Điện trở đường dây và máy BA qui về cùng cấp điện áp. Bài toán này được đặt ra bởi giá 1 kVAr tụ bù ở phía hạ áp (0,4 kV) thường đắt hơn 1 kVAr tụ ở phía 6-10 kV từ 2 đến 2,5 lần. Bài toán đặt ra là với lượng Qb biết trước chung ta phải phân bổ hợp lý về phía cao, hạ áp (tức xác định được dung lượng bù kinh tế). Như vậy ràng buộc của bài toán này sẽ là: Qbc + Qbh = Qb (4.7) Để làm được điều này ta tiến hành thiết lập hàm Z=Z1+Z2+Z3 với các biến là Qbc; và Qbh với ràng buộc như trên, đồng thời với đặc thù của bài toán này (chỉ phân phối 1 lượng Qb cố định), nên có thể bỏ qua không xét đến thành phần Z2 (thành phần liên quan đến tổn thất bên trong của tụ). Nếu gọi kc & kh – giá tiền 1 kVAr tụ bù ở phía cao và hạ của trạm. Lúc đó ta có: Z=(avh+atc)(Qbckc +Qbhkh)+ 2 B U RTC .. (Q-Qbh) 2 Có thể thấy Qbc = Qb - Qbh P +jQ N Qbh Qbc N Qbc Rd RB (Q - Qbh) Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 114 Z=(avh+atc)[(Qb - Qbh)kc +Qbhkh]+ 2 B U RTC .. (Q-Qbh) 2 Trong đó T – thời gian đóng tụ vào lưới. Lấy đạo hàn Z theo Qbh rồi cho băng không ta có: 0QQ U RTC2 kkaa Q Z bh2 B chtcvh bh    )( ... ))(( Từ đó ta tìm được: B tcvh tubh RTC Ukaa QQ ...2 .).( 2  (4.8) Nếu k = kh – kc (mức chênh giá 1 kVAr tụ) [đ/kVAr]. Q & Qbh [kVAr] U [kV] Thì ta có ][10. ...2 .).( 3 2 kVAr RTC Ukaa QQ B tcvh tubh   (4.9)  Qbc –tu = Qb - Qbh-tu Khi cần xét đến điều kiện đặt thiết bụ bù sâu hơn về phía hạ áp mà không phải chỉ đặt ở thanh cái tổng hạ áp của trạm ta có thể tham khảo công thức theo tác giả Lipkin như sau: )10.4( ))1.( 10].0005,0 . [ 32     B tcvh bh R TC aa U QQ Trong đó:  - Hệ số phụ thuộc vào dạng tram và mạng ( = 0,8 trạm bên trong PX.  = 0,6 mạng là thanh dẫn). 4.5.2. Phân phối dung lƣợng bù trong mạch cùng cấp điện áp: Sau khi tìm được dung lượng bù hợp lý phía cao, hạ áp cần phân phối dung lượng đó cho các địa điểm cần thiết trong mạng (cùng cấp điện áp), lúc đó ta chỉ cần thiết lập Z(Qb1 ; Qb2 .) với ràng buộc Qb =  Qbi . Bài toán phân phối này có đặc điểm là thành phần Z1 & Z2 (chi phí liên quan đến vốn đầu tư & tổn thất bên trong các bộ tụ) có thể được bỏ qua vì chỉ phân phối với lượng Q tổng cố định và lại trong cùng một cấp điện áp nêu Z2 cũng sẽ không đổi trong mọi trường hợp. Tuy nhiên trong một Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 115 số trường hợp đặc biệt hay gặp như mạng hình tia và mạng nối liên thông chúng ta có thể áp dụng những công thức chung.  Mạng hình tia: Xét mạng điện như hình vẽ. Giả thiết ta cần phân phối một lượng Qb về các hộ 1; 2 & 3 biết trước kết cấu lưới (hình tia) cùng các phụ tải Q1 ;Q2 và Q3. Hàn chi phí tính toán viết trong trường hợp này như sau: Z= 2U TC. [(Q1 – Qb1) 2 R1 + (Q2 – Qb2) 2 R2 + (Q3 - Qb + Qb1 + Qb2) 2 .R3 Hình 4.2: Phương án bù cosφ mạng hình tia Ta lấy đạo hàm theo Qb1 & Qb2 rồi cho bằng không. 0RQQQQ2RQQ2 U TC Q Z 32b1bb311b12 1b     ]).().([ . 0RQQQQ2RQQ2 U TC Q Z 32b1bb322b22 2b     ]).().([ . Ta nhận thấy: (Q1 – Qb1).R1 = (Q2 – Qb2).R2 = (Q3 – Qb3).R3 = hằng số = H Q1 – Qb1 = H/R1 Q2 – Qb2 = H/R2 Q3 – Qb3 = H/R3 Cộng đẳng thức ta có: (Q1 + Q2 + Q3) – (Qb1 + Qb2 + Qb3) = ) 111 .( 321 RRR H  (Q - Qb ). Rtđ = H Trong đó Rtđ - là điện trở tương đương của R1 R2 & R3 mắc song song. Q3 – Qb + Qb1 + Qb2 1 2 3 R1 R2 R3 Q1 – Qb1 Q2 – Qb2 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 116 Rút ra dạng tổng quát: (Qi – Qbi).Ri = (Q - Qb).Rtđ Vậy dung lượng bù tại nhánh thứ i bất kỳ của lưới hình tia là: i td bibi R R QQQQ ).(   (4.11)  Mạng liên thông: Hình 4.3: Phương án bù cosφ mạng liên thông Ta có: Z = C.T/U 2 . [(Q3 – Qb3) 2 .(R3 + R23) + (Q2 – Qb2) 2 .R2 + (Q2 + Q3 – Qb2 – Qb3) 2 .R12 + (Q1 - Qb + Qb2 + Qb3) 2 .R1 + (Q - Qb) 2 .RN1 Lần lượt lấy đạo hàm của Z theo Qbi và cho băng không  công thức tổng quát như sau: m tdm n mi bi n mi imbm R R QQQQ ).(    (4.12) Trong đó: Qbm - Dung lượng bù đặt tại vị trí Qm.   n mi iQ -Tổng công suất phản kháng kể từ phụ tải Qm  Qn (cuối đương dây).   n mi biQ - Tổng dung lượng cần bù từ phụ tải m  n (cuối đường dây). Rm - Điện trở nhánh m. Rtdm - Điện trở tương đương giữa nhánh m và phần mạng còng lại từ nút m đến n. Q1 – Qb + Qb2 + Qb3 N 1 2 3 RN1 R12 R13 R1 R2 R3 Q3 – Qb3 Q2 – Qb2 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 117 4.6. Xác định vị trí lắp đặt tụ bù. 4.6.1. Đặt tụ bù tập trung: Áp dụng khi tải ổn định và liên tục. Nguyên lý: Bộ tụ bù được đấu vào thanh cái hạ áp của tủ phân phối chính và phải được đóng trong thời gian tải hoạt động. Ưu điểm: Làm giảm công suất biểu kiến yêu cầu, làm nhẹ tải cho máy biến áp, do đó có khả năng phát triển thêm các phụ tải khi cần thiết. Nhược điểm: Dòng điện phản kháng đi vào tất cả các lộ ra của tủ phân phối chính mạng hạ áp.Vì thế, tiết diện và công suất tổn hao trong dây dẫn không đượ cải thiện. MMMM TỤ BÙ Hình 4.4: Bù tập trung tại thanh cái tủ phân phối 4.6.2. Đặt tụ bù thành nhóm: Áp 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, do tụ từng phân đoạn nên dây dẫn xuất phát từ tủ phân phối chính đến các tủ phân phối khu vực có đặt tụ được thể hiện rõ nhất. Ưu điểm: Làm giảm công suất biểu kiến yêu cầu, kích thước dây dẫn đi đến các tủ phân phối khu vực sẽ giảm đi hoặc với cùng tiết diện dây trên có thể tăng thêm phụ tải cho tủ phân phối khu vực. Như vậy, tổn hao trên đường dây cáp sẽ giảm. Nhược điểm: Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 118 - Dòng điện phản kháng đi vào tất cả dây dẫn xuất phát từ tủ phân phối khu vực. Vì thế, kích thước dây dẫn và công suất tổn hao trong dây dẫn của các đoạn dây ở trên không được cải thiện với chế độ bù từng phân đoạn. - Khi có sự thay đổi đáng kể của tải, luôn luôn tồn tại nguy cơ bù thừa và kèm theo hiện tượng quá áp. MMMM TỤ BÙTỤ BÙ Hình 4.5: Bù thành nhóm tại tủ phân phối khu vực 4.6.3. Đặt tụ bù riêng cho từng phụ tải lớn. )Nên được xét đến khi công suất động cơ tương đối lơn so với công suất mạng điện) Nguyên lý: Bộ tụ mắc trực tiếp vào đầu dây nối của thiết bị dùng điện có cảm tính (chủ yếu động cơ). Bù riêng nên được xét đến khi công suất động cơ là đáng kể so với công suất mạng điện. Bộ tụ định mức (kVAr) trong khoảng 25% giá trị công suất (kW) của động cơ. Bù bổ sung tại đầu nguồn điện cũng có thể mang lại hiệu quả tốt. Ưu điểm:  Giảm công suất biểu kiến yêu cầu.  Giảm kích thước và tổn hao dây dẫn đối với tất cả dây dẫn.  Các dòng điện phản kháng có giá trị lớn sẽ không còn tồn tại trong mạng điện. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 119 MMMM TỤ BÙTỤ BÙTỤ BÙTỤ BÙ Hình 4.6: Bù thành nhóm tại thiết bị điện 4.7. Xác định dung lƣợng bù tối ƣu. 4.7.1. Xác định dung lƣợng bù kinh tế tại các hộ tiêu thụ: (hộ tiêu thụ có thể là các xí nghiệp, các trạm trung gian, các hộ dùng điện khác). Chúng ta đều biết khi đặt thiết bù sẽ giảm được tổn tất điện năng (A). Tuy nhiên cũng tiêu tốn một lượng vốn, đồng thời các TB bù cũng gây nên một lượng tổn thất P ngay trong bản thân nó và cũng cần đến 1 chi phí vận hành. Vậy thì sẽ đặt một dung lượng nào đó là hợp lý? Để giải quyết vấn đề này chúng ta phải thiết lập được quan hệ của Qbu với Ztt.  rồi tìm Qbu ? để Z  min, ta gọi dung lượng đó là Qbu kinh tế hoặc tối ưu. Hình 4.6: Bù tại hộ tiêu thụ Z = Z1 + Z2 + Z3 (4.13) Trong đó: Z1 – thành phần chi phí liên quan đến vốn đầu tư. Z1 = (avh + atc). k0.Qbu R, X P + jQ Qbu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 120 avh – hệ số vận hành (khấu hao). atc - hệ số hiệu quả kinh tế của việc thu hồi vốn đầu tư. k0 - giá tiền đơn vị công suất đặt TB. bù [đ/1kVAr]. Qbu – dung lượng bù (mà chung ta đang cần tìm) [kVAr]. Z2 - Thành phần liên quan đến tổn thất điện năng do TB bù tiêu tốn. Z2 = P0.Qbu.T.C (4.14) P0 - Suất tổn hao công suất tác dụng trong TB. bù [kW/1kVAr]. T - Thời gian làm việc của TB. bù. (thời gian đóng tụ vào lưới). C - giá tiền điện năng tổn thất [đ/kWh]. Z3 - Thành phần tổn thất điện năng trong hệ thống (sau bù). )15.4(... )( 2 2 3 CR U QQ Z bu    R - Điện trở của mạng. U - điện áp của mạng. Q - Công suất phản kháng yêu cầu của hộ tiêu thụ.  - Thời gian tổn thất công suất cực đại. Như vậy ta đã xây dựng được Z = f(Qbu)  Qkt  Zmin. 2 bu2bu0bu0tcvh QQ U RC CTQPQkaaZ )( .. ....).(   0QQ U RC2 CTPkaa Q Z bu200tcvh bu    )( ... ..).(  RC PTCkaaU QQ tcvhbukt ...2 ]..).[( 00 2    (4.16) Tương tự ta có thể lập biểu thức hàm chi phí tính toán và tình dung lượng bù kinh tế cho mạng đường dây chính CC. cho một số họ phụ tải. Lúc đó ta có Z = f(Qbu1; Qbu2 ; .). Z= (avh + atc).k0.(Qbu1 + Qbu2 + .) + C.T.P0 .(Qbu1 + Qbu2 + ) +   2buijijij2 QQRU c )( . Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 121 Hình 4.7: Bù tại nhiều hộ tiêu thụ Để tìm được dung lượng bù kinh tế đặt tại từng hộ tiêu thụ ta lần lượt lấy đạo hàm riêng của chi phí tính toán theo Qbj ; Qb2 v.v. và cho bằng không. Giải hệ phương trình đó ta tìm được dung lượng bù kinh tế đặt ở các điểm khác nhau. Trị số Qb giải ra là âm chứng tỏ việc đặt tụ điện bù ở hộ đó là không kinh tế, ta thay Qb đó bằng không ở những phương trình còn lại và giải hệ (n-1) phương trình đó một lần nữa. Ví dụ: Hai xí nghiệp công nghiệp 1 và 2 được cung cấp điện từ N theo hình vẽ. Giả sử đã tính được điện trở các đoạn đường dây 10 kV là 2 và 3 . Hãy xác định dung lượng bù kinh tế tại thanh cái 10 kV của 2 xí nghiệp. Tại mỗi xí nghiệp 1; 2 ta đặt Qb1 ; Qb2 sau đó thành lập hàm chi phí tính toán theo biến số đó: Z = (avh + atc ).(Qb1 + Qb2).k0 + C.T.P0(Qb1 +Qb2) + 2 2b1b212 1N 2b22 12 QQQQ U Rc QQ U Rc )( .. )( ..   Đạo hàm Z theo Qb1 và Qb2 rồi cho bằng không. 4000 + j2000 3000 + j3000 N 1 2 1 2 N 2 3 2000-Qb1 3000-Qb2 0 1 2 3 n Q1; Qbu1 Q2; Qbu2 Q3; Qbu3 Qn; Qbun Q01; Qbu01 Q12; Qbu12 Q23; Qbu23 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 122 0QQQQ U RC2 PCTkaa Q Z 2b1b212 1N 00tcvh 1b    )( .. .)(  )( ..2 .)( 222 12 00 2 btcvh b QQ U RC PCTkaa Q Z     0QQQQ U RC2 2b1b212 1N  )( .. Nếu lấy k0 = 70 đ/kVAr ; P0 = 0,005 kW/kVAr; avh = 0,1 ; atc = 0,125 C = 0,1 đ/kWh ;  = 2500 h. Gải hệ phương trình trên được: Qb1 = 200 kVAr Qb2 = 3000 kVAr Vì Qb1 < 0 chứng tỏ không nên đặt thiết bị bù tại xí nghiệp 1 thay Qb1 = 0 vào phương trình thứ hai, cuối cùng giải ra được Qb2 = 2900 kVAr. Vậy muốn mạng điện trên vận hành kinh tế chỉ nên đặt thiết bị bù tại xí nghiệp 2 với dung lượmg 2900 kVAr. 4.7.2. Phân phối thiết bị bù trong mạng điện xí nghiệp: Công suất thiết bị bù đặt tại xí nghiệp tìm được bằng cách giải bài toán bù kinh tế như trước thông thường không được chấp nhận, vì như vậy có thể dẫn đến cos của xí nghiệp chỉ cần đạt tới 0,7 hoặc thấp hơn. Và như thế xí nghiệp vẫn cần một lượng Q khá lớn yêu cầu từ lưới điện  dẫn tới những tổn thất to lớn  vì vậy thông thường người ta sẽ tiết hành bù để nâng hệ số công suất từ một giá trị nào đó lên một mức theo yêu cầu của nhà nước. Từ hình vẽ cho ta thấy có thể xác định được Qb. )( 21  tgtgPQ tbb  (4.17) Trong đó: Ptb – công suất tác dụng trung bình của hộ tiêu thụ. Qbù 2 1 S Ptb Q1 Q2 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 123 tg1 tương ứng với cos1 hệ số trước khi bù tg2 tương ứng với cos2 hệ số cần đạt tới, Thường đối với các xí nghiệp cần phải bù để đạt được hệ số cos qui định của ngành điện (0,85  0,9). Vấn đề đặt ra là nên phân phối và đặt tổng dung lượng bù vừa tính ở đâu? và bao nhiêu để có lợi nhất cho xí nghiệp. Về nguyên tắc chúng ta cũng có thể đặt tại một số điểm thông thường như thanh cái hạ áp của các trạm BA trung tâm, thanh cái cao áp và hạ áp của các trạm BA phân xưởng hoặc ở một số ĐC công suất lớn rồi thiết lập Z(Qb1; Qb2 ; Qbn).  tiến hành tìm cực trị của hàm Z với ràng buộc: )18.4( 1    b n i bi QQ Qb - Tổng dung lượng bù xác định theo công thức trên. Trên thực tế kích cỡ của bài toán này sẽ có kích thước khá lớn, đặc biệt là các xí nghiệp cỡ trung và lớn, vì trong các xí nghiệp này sẽ cùng một lúc tồn tại nhiều cấp điện áp khác nhau, mà giá trung bình 1 kVAr tụ bù ở các cấp điện áp khác nhau lại khác nhau khá nhiều. Vì vậy người ta thường chi nhỏ ra làm 2 bước: trước hết tìm dung lượng bù đặt ở phía cao và hạ áp, sau đó đem phân phối dung lượng bù tìm được cho mạng cao và hạ áp. Ví dụ: Hãy phân phối dung lượng bù Qb = 300 kVAr cho mạng điện hạ áp (HV.) với R1 = R2 = 0,04 ; R12 = 0,02 ; Q1 = 200 kVAr; Q2 = 100 kVAr; Q3 = 200 kVAr. Bài giải: Trước tiên tính các điện trở tương đương: Rtd2 = R2 song song R3  Rtd2 = 0,04.0,04/(0,04+0,04)= 0,04/2=0,02 . Rtd1 mạch giũa R1 với R12+Rtd2 Rtd1 = R1 .(R12+Rtd2) / (R1 + R12 + Rtd2)= 0,04.(0,02+0,02)/(0,04 + 0,02 + 0,02) = 0,02  áp dụng công thức: Qb1 = Q1 – [(Q1 + Q2 + Q3) - Qb]. Rtd1/R1 = 200 – [ 500 – 300 ]. 0,02/0,04 = 100 kVAr. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 124 Qb2 = Q2 – [(Q2 + Q3) – (QB - Qb1)]. Rtd2 /R2 = 100 – [ 300 – (300-100)]. 0,02 /0,04 = 50 kVAr. Qb3 = Q3 – [(Q2 + Q3) – (Qb - Qb1)].Rtd2/R3 = 200 – [300 – (300-100)]. 0,02/0,04 = 150 kVAr. hoặc ta cung có thể suy ra ngay Qb3 = Qb - (Qb1 + Qb2) Qb3 = 300 – (100 + 50) = 150 kVAr. Vi dụ: Hãy phân phối dung lượng bù Qb = 300 kVAr cho mạng điện hạ áp U=380 V như HV. Điện trở các nhánh cho như hình vẽ. Phụ tải các hộ cho trên HV. cho bằng kVAr. Bài giải: Điện trở tương đương của 4 nhánh: 30 1 10 1 20 1 10 1 20 1 1 Rtd    ,,,, Q = 200 + 150 + 150 + 100 = 600 Thay số vào ta có: 1 td b11b R R QQQQ ).(   100 1030 1 300600200  ,. ).( kVAr Dung lượng bù tại các tủ động lực còn lại: Qb2 = 150 – (600 – 300). 1/ 30.0,2 = 100 kVAr. Qb3 = 150 – (600 – 300). 1/30. 0,1 = 50 kVAr. Qb4 = 100 – (600 – 300). 1/30.0,2 = 50 kVAr. 0,1  1 200 –Qb1 0,2  2 150 –Qb2 0,1  3 150 –Qb3 0,2  4 100 –Qb4 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 125 CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP 1. Hệ số công suất cosφ là gì? Nguyên nhân và hậu quả của hệ số cos thấp? Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số cos? 2. Các biện pháp dùng để nâng cao hệ số cos? 3. Phương pháp xác định giá trị điện năng cho các xí nghiệp? 4. Cho một động cơ có các thông số sau: Unguồn pha =220VAC ; P =1000HP ; η = 95% ; cos φ = 0.75. Xác định công suất phản kháng cần bù cho động cơ để nâng hệ số cos φ lên 0.95? 5. Cho một động cơ có các thông số sau: Unguồn pha =220VAC ; P =1500HP ; cos φ = 0.7. Xác định công suất phản kháng cần bù cho động cơ để nâng hệ số cos φ lên 0.98? 6. Hãy xác định Ptt: STT Tên thiết bị SL Pđm (kW) cos ksd 1 Máy tiện 4 8 0,6 0,14 2 Máy doa 2 10 0,7 0,16 3 Cầu trục 3 pha  = 25% 1 20 0,8 0,15 4 Máy mài 1 6 0,65 0,17 5 Máy phay 1 4 0,6 0,15 6 Máy khoan 3 5 0,5 0,13 7 Hàn 1 pha  = 40% 1 15 kVA 0,6 0,15 Thiết bị một pha mắc vào điện áp dây UAB = 380VAC. Xác định Q bù để nâng hệ số cụng suất lên 0.98. 7. Một phân xưởng cơ khí với các thiết bị động lực có tham số cho trong bảng sau: Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 126 Tên thiết bị SL )(kWpdm φcos ksd kmm Kt Máy phay ngang 3 17 0,6 0,14 2.0 0.95 Máy phay đứng 2 2,8 0,6 0,14 5,5 0.9 Cầu trục, %% 40εdm  2 17 0,5 0,10 2.0 0.85 Máy mài tròn 5 4,5 0,6 0,14 5,5 0.9 Quạt gió 1 pha UC0 10 2,8 0,8 0,60 5,0 1 Máy hàn 1 pha mắc vào điện áp UAB, 1 10 0,6 0,20 3,0 0.75 Thiết bị một pha mắc vào điện áp dây UAB = 220 VAC Yêu Cầu: Tính dòng điện đỉnh nhọn và cos lờn 0.95. 8. Yêu cầu thiết kế lắp đặt bộ tụ bù cho một trạm bơm thoát nước của một xí nghiệp mỏ đặt 6 máy bơm 75 kW. Khi làm việc hệ số công suất của trạm bơm có trị số là cos = 0,7; Yêu cầu đặt tụ điện để nâng hệ số công suất lên 0,95. 9. Yêu cầu lựa chọn bộ tụ bù để nâng cao cos của một phân xưởng cơ điện lên 0,95; Công suất tính toán của phân xưởng là (80 + j105) kVA. Xét khả năng giảm cỡ công suất máy biến áp khi đặt bộ tụ bù? 10. Một xí nghiệp có mặt bằng cấp điện như hình vẽ, yêu cầu thiết kế tính toán bộ tụ sao cho cos của xí nghiệp là 0,95. C¸p ®ån g (3 .10+ 1.6) 40 m C¸p ®ång (3.16+1.10) 50 m C ¸ p ® å n g (3 .2 6 + 1 .1 6 ) 1 5 m 24+J32KVA 42+J56KVA M¸y khuÊy 30+j30 kva Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Cung cấp điện phần 2 û 127