Tập bài giảng Cung cấp điện

ng được dùng ở các phân xưởng có phụ tải phân bố đều, các máy tương đối giống nhau (các phân xưởng may, dệt, sợi...) Phân bố chọn lọc: bố trí các đèn ở các nơi thích hợp để tạo ra ánh sáng phù hợp nhất cho người lao động vận hành ở các cụm máy tập trung. Cách này thường được dùng trong các phân xưởng có nhiều loại máy móc và phân bố không đồng đều trên toàn diện tích phân xưởng hoặc trong phân xưởng có các máy có kích thước lớn có khả năng gây ra bóng tối. 6.4.1.2. Chiếu sáng cục bộ: Ở những nơi cần quan sát tỉ mỉ, chính xác để phân biệt rõ các chi tiết thì cần độ rọi cao mới làm việc được. Muốn vậy phải dùng phương pháp chiếu sáng cục bộ, nghĩa là đặt đèn vào gần nơi cần quan sát. Khi bóng đèn để gần thì chỉ cần công suất nhỏ cũng tạo ra độ rọi lớn 181 6.4.1.3. Chiếu sáng hỗn hợp: Là hình thức chiếu sáng bao gồm cả chiếu sáng chung và chiếu sáng cục bộ. Chiếu sáng hỗn hợp thường được dùng ở các phân xưởng gia công nguội, các phân xưởng khuôn mẫu, đúc ... ở các nhà máy cơ khí. 6.4.2. Chiếu sáng làm việc và chiếu sáng sự cố: Ngoài hệ thống chiếu sáng làm việc phải đặt thêm hệ thống chiếu sáng sự cố, ở những nơi nếu chiếu sáng làm việc bị mất điện mà có khả năng phát sinh cháy nổ, gây nhiễm độc đe dọa đến tính mạng con người hoặc ảnh hưởng đến chính trị an ninh, kinh tế thì cần phải đặt hệ thống chiếu sáng sự cố đảm bảo cho công nhân tiếp tục làm việc trong thời gian chờ sửa chữa. Khi chiếu sáng làm việc bị mất điện, nếu cần phân tán người ra khỏi khu vực nguy hiểm tránh tai nạn thì chiếu sáng sự cố phải đặt ở những nơi máy còn quay, hố dầu, bể nước, cầu nối, lan can, cầu thang.... Nguồn điện cho hệ thống chiếu sáng sự cố phải được cấp từ nguồn dự trữ riêng hoặc ăc quy. Phải có hệ thống tự động đóng nguồn dự phòng chiếu sáng sự cố vào làm việc, các đèn chiếu sáng sự cố phải được đánh dấu riêng để tiện theo dõi, bảo dưỡng. 6.4.3. Chiếu sáng trong nhà, chiếu sáng ngoài trời: Chiếu sáng trong nhà như đã trình bày ở trên. Chiếu sáng ngoài trời như sân bãi, đường đi, nơi bốc dỡ hàng hóa vật liệu...Chiếu sáng ngoài trời chịu ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết khí hậu như mưa, nắng, sương muối, bụi, khói...vì thế khi thiết kế chiếu sáng cần phải lưu ý đến các chi tiết này. 6.5. Các phương pháp tính toán chiếu sáng 6.5.1. Phương pháp suất phụ tải chiếu sáng: Đây là phương pháp gần đúng dựa trên kinh nghiêm thết kế vận hành thực tế, người ta tổng kết lại được suất phụ tải chiếu sáng cho một số khu vực làm việc đặc thù trên một đơn vị diện tích sản xuất, nếu biết được diện tích cần tính toán chiếu sáng có thể nhanh chóng xác định được công suất cần cho chiếu sáng theo công thức sau: 0 .csP p S Trong đó: P0 : suất phụ tải chiếu sáng [W/m2] tra bảng. S [m2] : diện tích cần tính toán chiếu sáng (diện tích mặt bằng nhà xưởng). 182 Có thể tính toán p0 dựa vào một bảng tính toán sẵn với công suất 10W/m2. Khi thiết kế lấy độ rọi phù hợp với độ rọi trong bảng đã tính sẵn thì không phải hiệu chỉnh. Nếu khác nhau về độ rọi thì công suất phải hiệu chỉnh theo biểu thức )/(..10 2min0 mwE kEp  Trong đó: Emin- độ rọi tối thiểu cần có đối với nơi tính toán chiếu sáng E- độ rọi tra trong bảng tính sẵn với tiêu chuẩn 10W/m2, với các bóng đèn khác nhau k: hệ số an toàn Sau khi tính toán được p0 ta nhân với diện tích phòng cần thiết kế được công suất đặt Pđ từ đó tìm lại công suất đèn tương ứng với công suất đã dự tính khi sử dụng bảng 6.4 và tính ra số lượng đèn cần dùng Số lượng đèn: d dP Pn 1  P1d là công suất một đèn mà ta dự tính lựa chọn khi sử dụng bảng tra 6.4 Bảng tra độ rọi: Bảng 6.4 Công suất đèn (W) Độ rọi khi chưa có hệ số an toàn (lx) Điện áp định mức 127V 220V Trực xạ Khuyếch tán Phản xạ Trực xạ Khuyếch tán Phản xạ 40 60 100 150 200 300 500 750 1000 26 29 35 39,5 41,5 44 48 50 52 22,5 25 30 34 35,5 38 41 42,5 44 16,5 18,4 22 24,5 26 27,5 30 31,5 42,5 23 25 27 31 34 37 41 44,5 47 19,5 21 23 26,5 29,5 32 35 38 40 14,5 15,5 17 19,5 21,5 23,5 25,5 28 29,5 183 Ví dụ 1: Tính số đèn cần thiết đặt ở trong phòng kịch viện có diện tích 60m2. Độ rọi tối tiểu Emin = 50lx. Dùng cách phối quang phản xạ, bóng đèn 40W/127V, hệ số an toàn k = 1,3. Giải: Tra bảng 6.4 với đèn có công suất 40W điện áp 127V phối quang phản xạ được E = 16,5 lx. Công suất trên một đơn vị diện tích là: )/(5,395,16 3,1.50.10 20 mWp  Công suất đặt : Pđ = 39,5.60 = 2370(W) Số lượng đèn cần dùng là: 6040 2370 n (bóng) 6.5.2. Phương pháp hệ số sử dụng Phương pháp này dùng để tính toán chiếu sáng chung, không chú ý đến hệ số phản xạ của tường, của trần và của vật cản. Phương pháp này thường áp dụng cho các phân xưởng có diện tích rộng, không thích hợp với tính toán chiếu sáng cục bộ và chiếu sáng ngoài trời. Quang thông của mỗi đèn: sdn.k SkZEF  Trong đó: F- Quang thông của mỗi đèn (lm) E- độ rọi (lx) S- diện tích cần chiếu sáng (m2) k- hệ số dự trữ n- Số bóng đèn Z- hệ số tính toán phụ thuộc vào loại đèn và tỷ số L/H (thường lấy Z = 0,8÷1,4) Khi tra bảng để tìm hệ số sử dụng sẽ phải xác định trị số gọi là trị số của phòng: )( baH ab Trong đó: a, b- chiều dài, chiều rộng của phòng (m) H- khoảng cách từ đèn đến mặt công tác (m) 184 Như vậy, theo yêu cầu công nghệ, xác định được độ rọi tối thiểu, căn cứ công thức trên tìm được quang thông của một đèn. Căn cứ trị số quang thông để đi xác định công suất của một đèn. Khi chọn công suất đèn tiêu chuẩn, người ta có thể cho phép quang thông chênh lệch từ -10% đến +20%. 6.6. Tính toán chiếu sáng theo phương pháp điểm Trong phương pháp này như ở phần trên đã giới thiệu chúng ta chỉ quan tâm đến độ rọi chiếu trực tiếp từ các đèn tới và vì vậy sẽ tính độ rọi từ một đèn đến một diện tích ds (tại điểm A) như Hình 6.7. Xác định độ rọi của đèn tới một điểm: Hình 6.7. Độ rọi của đèn tới điểm Từ khái niệm về góc khối ta có dS=R2.d . Tuy nhiên phần diện tích trong hình vẽ của chúng ta không nằm thẳng góc với tia tới. Mà pháp tuyến của nó tạo với tia tới một góc  và vì vậy phần diện tích vuông góc với tia tới thực chất sẽ là:  cos.dRdS 2 Mặt khác lượng quang thông từ đèn gửi tới diện tích dS theo hường  có thể xác định theo biểu thức: dF = I .d Từ định nghĩa về độ rọi ta có 2A RIdSdFE  cos. Nhân xét: “Độ rọi của nguồn sáng đến một điểm tỷ lệ thuận với cường độ sáng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách”. R  d dS H I  P  - Góc tạo bởi pháp tuyến của dS với tia tới.  - Góc tạo bởi đường thẳng đứng với tia tới. R - Khoảng cách từ đèn tới điêm A. H - Độ cao treo đèn. 185 Trong thực tế thường người ta biết được độ cao treo đèn (H) nhiều hơn là khoảng cách từ đèn đến 1 điểm (R). Vì vậy chung ta sẽ chuyển công thức tính độ rọi của đèn chỉ theo H mà thôi. Hình 6.8. Độ rọi của nguồn sáng đến một điểm Xét tam giác vuông hình 6.8 Ta có cosHR  thay vào biểu thức tính EA ta có:  22 cos.cos.HIEA  Và nếu  =  thì 2 3 A H IE  cos. Vì trong thực tế cùng một kiểu đèn có nhiều loại công suất khác nhau, mặc dù chúng cùng có đường cong phân bố cường độ sáng như nhau (lượng quang thông phát ra của các đèn cũng khác nhau). Cho nên trong các tài liệu chuyên môn người ta cho biết biểu đồ phân bố cường độ sáng của một loại đèn qui ước có quang thông là 1000 lm. Vậy nếu gọi I là quang thông của đèn qui ước 1000 lm và I ' là quang thông của một đèn thực bất kỳ ta có: 1000FII d ' hay 1000FII d.'   Do đó: 2 3dA H1000 FIE  cos.. Trong thực tế độ rọi tại điểm A phải là tổng hợp độ rọi của nhiều đèn có trong phòng nào đó. Cho nên ta có: EA = E1 + E2 + E3 + . =  E i =   2 i 3id H I1000F  cos. (với giả thiết ta sử dụng cùng một loại bóng đèn vá các đèn cùng được treo ở cùng một độ cao).  R A S I  H 186 Hình 6.9. Mạng chiếu sáng Ta có thể tính được quang thông tối tiểu cần thiết của mỗi đèn là:   n 1i i dtrd E EKF . . min  Trong đó: 2 i 3ii H IE  cos. Đội rọi do đèn thứ i chiếu tới  - Hệ số kể đến độ rọi của các đèn khác ẩnh hưởng đến điểm đang xét nhưng chưa được tính trong  trên. Thông thường  = 1,1  1,2 6.7. Thiết kế chiếu sáng Các yêu cầu khi thiết kế chiếu sáng - Không bị loá mắt: vì với cường độ ánh sáng mạnh sẽ làm cho mắt có cảm giác bị lóa, thần kinh bị căng thẳng, thị giác sẽ mất chính xác. - Không bị loá do phản xạ: Ở một số vật công tác có các tia phản xạ khá mạnh và trực tiếp do đó khi bố trí đèn phải tránh hiện tượng này - Không có bóng tối: phải có ánh sáng đều trên toàn bộ diện tích bề mặt cần chiếu sáng đề có thể quan sát được toàn bộ phân xưởng. Để khử các bóng tối cục bộ người ta thường dùng bóng mờ và chao đèn. - Phải có độ rọi đồng đều để khi quan sát từ nơi này qua nơi khác mắt không phải điều tiết quá nhiều gây hiện tượng mỏi mắt - Phải tạo được ánh sáng giống ban ngày. 6.7.1. Những số liệu ban đầu Công việc thiết kế trước tiên là phải thu thập các số liệu ban đầu bao gồm: + Mặt bằng của phân xưởng, mặt bằng xí nghiệp, vị trí các máy móc trong phân xưởng. + Mặt cắt của nhà xưởng , từ đó ấn định độ cao treo đèn. + Do tính chất công việc tại điểm A. Ta tra được Emin và trong thiết kế ta vẫn nên thêm hệ số dự trữ. Nên ta có: EA = Kdtr.Emin 6 A 1 2 3 4 5 187 + Đặc điểm của qui trình công nghệ (mức chính xác của các loại hình công việc đang có trong phân xưởng, xí nghiệp. Độ lớn của vật cần quan sát, mức độ cần phân biệt mầu sắc ..v.v)  Xác định các tiêu chuẩn về độ rọi cần thiết cho các khu vực thiết kế. + Số liệu về nguồn điện, nguồn vật tư. 6.7.2. Trình tự thiết kế chiếu sáng 6.7.2.1. Bố trí đèn: Cách bố trí và lắp đặt đèn là công việc tiếp theo trong phần thiết kế chiếu sáng, nó phụ thuộc vào nhiếu yếu tố khác nhau của khu vực sản xuất, như độ cao của nhà xưởng, nhà xưởng có trần hoặc không có trần, nhà xưởng có cầu trục hay không có cầu trục..v.v Phần dưới đây chỉ đề cập đến việc bố trí đèn cho hình thức chiếu sáng chung vì hình thức này sử dụng nhiều đèn. Vấn đề là phải xác định được một cách hợp lý nhất vị trí tương đối giữa các đèn với nhau, giữa các đèn với trần nhà, giữa các dẫy đèn với tường. Vì các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến độ rọi của mặt được chiếu sáng Hình 6.10. Cách bố trí đèn Người ta đã chứng minh được rằng nếu bố trí đèn như sơ đồ a) thì hiệu quả cao nhất nếu La = Lb. b) thì L b = 3 La hiệu quả cao nhất. Trong thực tế việc bố trí đèn còn phụ thuộc vào hệ thống xà ngang của nhà xưởng nên các khoảng cách trên cố gắng tuânthủ được là tốt nhất. Khoảng cách từ cách đẫy đèn đến tường bao quanh nên được giứ trong phạm vi: l = (0,3  0,5).L Trong đó: l – khoảng cách từ dẫy đèn đến tường bao quanh. L – khoảng cách giữa các dẫy đèn. Lb La Lb La La a. Bố trí đèn theo hình chữ nhật b. Bố trí đèn theo hình thoi 188 Độ cao treo đèn: Độ cao treo đèn được được tính từ tâm của bóng đèn đến bề mặt công tác (hình 6.11). Hình 6.11. Độ cao treo đèn Trị số HL hợp lý đuợc cho trong bảng sau: Bảng 6.5 Loại đèn và nơi sử dụng L/H bố trí nhiều dãy L/H bố trí một dãy Chiều rộng giới hạn của phân xưởng khi bố trí một dãy Tốt nhất Cho phép cực đại Tốt nhất Cho phép cực đại Chiếu sáng ngoài trời dùng chao mờ hoặc sắt tráng men 2,3 3,2 1,9 2,5 1,3H Chiếu sáng phân xưởng chao đèn vạn năng 1,8 2,5 1,8 2,0 1,2H Chiếu sáng cho các cơ quan văn hóa, hành chính 1,6 1,8 1,5 1,8 1,0H 6.7.2.2. Kiểm tra độ rọi thực tế: + Không phải lúc nào cũng cần kiểm tra độ rọi thực tế, mà chỉ ở những trường hợp nơi làm việc đồi hỏi mức độ cao về CS. + Nội dung của phương pháp kiểm tra là: Bất kỳ 1 điểm nào trên diện tích được chiếu sáng cũng được chiếu sáng bởi tất cả các bóng đèn trong phòng. Vì vậy ta có thể áp dụng phương pháp xếp chồng để tính độ rọi tại từng điểm trên bề mặt sản xuất. Thông thường người ta chọn vài điểm ở vị trí bất lợi nhất về chiếu sáng. Sau đó tính hc h H hc – Khoảng cách từ trần đến đèn. h - Độ cao của mặt làm việc. H - Độ cao treo đèn. Quan hệ giữa H, L có quan hệ hợp lý. Trong các sổ tay thường cho: H L 189 đội rọi cho các điểm đó, rồi kiểm tra xem có đạt yêu cầu hay không, nếu chưa đạt thì phải tiến hành tính lại. + Trong trường hợp nơi làm việc có yêu cầu cao về chiếu sáng thì ngoài việc kiểm tra kể trên chúng ta còn cần phải kiểm tra cả độ điều hoà:   max minEE phải lớn hơn mức qui định. 6.7.2.3. Trình tự thiết kế chiếu sáng Vì là phân xưởng sản xuất, yêu cầu khá chính xác về độ rọi tại mặt bàn công tác, nên để thiết kế chiếu sáng cho khu vực này thường dùng phương pháp hệ số sử dụng. Trình tự tính toán theo phương pháp này như sau: 1.Xác định độ treo cao đèn H = h – h1 – h2 Trong đó : h – độ cao của nhà xưởng h1 – khoảng cách từ trần đến bóng đèn h2 – độ cao mặt bàn làm việc 2. Xác định khoảng cách giữa 2 đèn kề nhau (L) theo tỷ số hợp lý L/H (Tra theo bảng) 3. Căn cứ vào sự bố trí đèn trên mặt bằng, mặt cắt xác định hệ số phản xạ của tường và trần ρtg , ρtr ( % ) 4. Xác định chỉ số của phòng (có kích thước a x b) Trong đó: + a, b là chiều dài và chiều rộng của phòng (m). + H là khoảng cách từ đèn tới mặt công tác. 5. Từ trần ρtg , ρtr tra bảng tìm hệ số sử dụng Ksd 6. Xác định quang thông của đèn 7. Tra sổ tay tìm công suất bóng có F > Ftt 8. Vẽ sơ đồ cấp điện chiếu sáng trên mặt bằng 9. Vẽ sơ đồ nguyên lý cấp điện chiếu sáng 10. Lựa chọn các phần tử trên sơ đồ nguyên lý 190 Ví dụ 1: Một phòng có a = 28 m, b = 16 m, chiều cao của phòng h = 4,5m. Điện áp mạng điện cung cấp cho phòng là 220V. Xác định công suất mỗi đèn, số lượng đèn chiếu sáng cho phòng với yêu cầu độ rọi tối thiểu là Emin = 30 Lx. Để chiếu sáng người ta sử dụng đèn vạn năng có chụp che bóng, đèn được bố trí trên nhiều dãy, biết: Kđt = 1,3; hc = 0,7 m; hlv = 0,9 m; tr = 50%; tg = 30% Cách giải: Khoảng cách từ đèn đến mặt công tác: H = h - hlv - hc = 4,5 - 0,9 - 0,7 = 2,9 (m) Tra bảng với cách bố trí nhiều dãy và sử dụng đèn vạn năng ta được L/H = 1,8. Vậy L = 1,8. H = 1,8. 2,9 = 5,2 m. Chọn L = 5 m. Ta bố trí đèn như hình vẽ Vậy tổng số bóng đèn thiết kế là: n = 18 đèn. Chỉ số phòng, hệ số sử dụng tra bảng ứng với: tr = 50%; tg = 30%;  = 3,5, ta có: Ksd = 0,46 đèn treo ở vị trí có lợi nhất chọn: Z = 1,2. Quang thông của một đèn: Lm Chọn đèn có công suất 200 W có quang thông : F = 2528 Lm. Tổng công suất chiếu sáng: P = n. 200 W = 18. 200 = 3,6 kW a) TrÇn 3m 3m 1,5m 5m 5m 5m 3m 3m 1,5m b) H = 3 hc = 0,7 hlv= 0,9 h = 4,5 191 6.7.3. Giới thiệu phần mềm tính toán thiết kế chiếu sáng 6.7.3.1. Phần mềm tính toán, thiết kế chiếu sáng Visual Vấn đề thiết kế chiếu sáng không chỉ tạo ra ánh sáng để làm việc vào ban đêm khi không có mặt trời mà còn là việc sử dụng ánh sáng hợp lý nhằm đảm bảo sức khoẻ cho người lao động tạo cho con người có cảm giác an toàn, thoải mái khi làm việc, vui chơi giải trí. Do đó việc tính toán, lựa chọn thiết bị, phân bố nguồn sáng là một công việc phức tạp đòi hỏi người thiết kế phải mất nhiều thời gian và công sức trong việc tính toán thiết kế, lắp đặt và vận hành. Phần mềm thiết kế chiếu sáng Visual Basic Edition có thể giúp cho công việc tính toán thiết kế chiếu sáng một cách nhanh chóng và trình bầy ra các bản vẽ, các thông số cũng như cách tính toán, phân bố vị trí của các thiết bị chiếu sáng rất rõ ràng, chi tiết và đầy đủ. Bên cạnh đó, phần mềm cho phép hiệu chỉnh một cách dễ dàng và tự động tính toán với tất cả các thông số vừa sửa đổi. Đặc điểm của phần mềm: Bố trí đèn hoàn toàn tự động trong không gian kiến trúc dựa vào các thông số về số lượng đèn, độ rọi, khoảng cạch giữa các đèn và quang thông của mỗi đèn. Có thể tính toán, trình bầy in ấn các giá trị và vẽ biểu đồ cường độ chiếu sáng của đèn Phần mềm còn cho phép chỉnh sửa cách trình bày bố trí đèn trong bản vẽ bằng các hàm sao chép, xoá bỏ và di chuyển Các thông số của đèn có sẵn trong Catalogue hoặc trong file dữ liệu của phần mềm, chỉ cần lựa chọn cho phù hợp Đèn có thể được treo theo các hướng Nam, Bắc, Đông, Tây Hệ số phản xạ của trần, tường có thể nhập vào hoặc chọn trong danh sách có sẵn trong phần mềm Phần mềm còn trợ giúp người thiết kế chọn lọc độ rọi và hệ số tổn thất công suất ánh sáng Hạn chế của phần mềm Không gian bên trong hình chữ nhật bị hạn chế Chỉ duy nhất một loại đèn được bố trí sử dụng trong cùng một thời điểm Các loại đèn chiếu sáng phải được đặt cùng hướng Nam, Bắc, Đông hay Tây. 192 6.7.3.2. Phần mềm tính toán, thiết kế chiếu sáng Luxicon Luxicon là phần mềm tính toán chiếu sáng của hãng Cooper Lighting (Mỹ), cho phép tính toán thiết kế chiếu sáng trong nhà và chiếu sáng ngoài trời. Một trong những ưu điểm của phần mềm là đưa ra nhiều phương pháp lựa chọn bộ đèn, không chỉ các bộ đèn của hãng Cooper mà có thể nhập các bộ đèn của các hãng khác. Luxicon còn đưa ra các thông số kỹ thuật ánh sáng, giúp ta thực hiện nhanh chóng các quá trình tính toán hoặc cho phép ta sữa đổi các thông số đó. Cho phép ta nhập và xuất các file bản vẽ *.DXF hoặc *.DWG. Tính toán chiếu sáng trong những không gian đặc biệt (trần nghiêng, tường nghiêng, có đồ vật, vật dụng trong phòng) trong điều kiện có và không có ánh sáng tự nhiên. Một ưu điểm khác là Luxicon còn đưa ra một chương trình rất dễ dàng sử dụng để tính toán chiếu sáng các đối tượng như: mặt tiền, bảng hiệu, đường phố, chiếu sáng sự cố và chiếu sáng trong nhà . Luxicon còn cho phép ta lập các bảng báo cáo, tổng kết các kết quả dưới dạng số, đồ thị, hình vẽ và còn có thể chuyển các kết quả sang các phần mềm khác. Nói tóm lại, đây là một chương trình tính toán chiếu sáng tương đối hiện đại, nó giúp ta thiết kế chiếu sáng một cách nhanh chóng và đưa ra một hệ thống chiếu sáng đạt yêu cầu về số lượng cũng như chất lượng chiếu sáng. 6.7.3.3. Phần mềm tính toán, thiết kế chiếu sáng Dialux Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của ngành điện nói chung và ngành chiếu sáng nói riêng, có rất nhiều các phần mềm chiếu sáng được rất nhiều hãng phát triển,và dialux là một trong số đó. Dialux là phần mềm được sử dụng khá thông dụng, hỗ trợ người thiết kế rất thông minh, và có một thư viện database rất lớn. Ưu điểm của Dialux cho phép người dùng chèn nhiều vật dụng khác nhau vào dự án như : bàn, ghế, TV, giuờng, gác lửng, cầu thang,Bên cạnh đó là một thư viện khá nhiều vật liệu dể áp vào các vật dụng trong dự áncung nhu dễ dàng hiệu chỉnh mặt bằng theo ý muốn của mình. Vì vậy khi Render, sẽ cho ra hình dạng màu, rất trực quan sinh động. Ngoài ra, dialux còn cho phép thiết kế trên những dạng phòng phức tạp mà một số phần mềm chiếu sáng khác không đáp ứng được. 193 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 6 6.1. Giải thích các đại lượng và đơn vị đo ánh sáng. 6.2. Cấu tạo ,nguyên lý làm việc các loại đèn chiếu sáng. 6.3. Trình bày các hình thức chiếu sáng 6.4. Trình bày các phương pháp tính toán, thiết kế chiếu sáng. 6.5. Các bước tính toán, thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng có ứng dụng phần mềm Dialux. 6.6. Các bước tính toán, thiết kế hệ thống chiếu sáng nội thất có ứng dụng phần mềm Luxicon. 6.7. Các bước tính toán, thiết kế hệ thống chiếu sáng đèn giao thông có ứng dụng phần mềm Visual Basic. BÀI TẬP CHƯƠNG 6 Bài 6.1. Tính toán, thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng có ứng dụng phần mềm Dialux. Bài 6.2. Tính toán, thiết kế hệ thống chiếu sáng nội thất có ứng dụng phần mềm Luxicon. Bài 6.3. Tính toán, thiết kế hệ thống chiếu sáng đèn giao thông có ứng dụng phần mềm Visual Basic. 194 Chương 7: NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 7.1. Khái niệm chung Cùng với sự phát triển kinh tế, phát triển công nghiệp dẫn đến nhu cầu dùng điện ngày một cao, 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. 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 thể đem lại những lợi ích to lớn. Cần thấy rằng việc thực hiện tiết kiệm điện và nâng cao hệ số công suất cos không phải là những biện pháp tạm thời đối phó với tình trạng thiếu điện mà phải coi đó là chủ trương lâu dài gắn liền với mục đích phát huy hiệu quả cao nhất quá trình sản xuất, truyền tải phân phối và tiêu thụ điện năng. Ý nghĩa của việc tiết kiệm điện không chỉ ở chỗ giảm giá thành sản phẩm, có lợi cho bản thân xí nghiệp mà còn ở chỗ có thêm điện để sản xuất ngày càng nhiều hàng hóa có lợi chung cho nền kinh tế quốc dân. 7.2. Bản chất của hệ số công suất 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 quay cho các động cơ. Một phần nhỏ bù vào các tổn hao do phát nóng dây dẫn, lõi thép.ở nguồn P trực tiếp liên quan đến tiêu hao năng lượng đầu vào như Than, hơi nước, lượng nước vv 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 hoá lõi thép máy biến áp, động cơ, gây biến đổi từ thông để tạo ra suất điện động phía thứ cấp, đặc trưng cho khâu tổn thất từ tản trong mạng, ở nguồn Q liên quan đến suất điện động của máy phát (liên quan đến dòng kích từ máy phát). Như vậy để chuyển hoá được P cần phải có sự 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. 195 S P QP P  22cos Các đại lượng P, Q, S, cos liên hệ với nhau bằng tam giác công suất (hình 7.1). 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. Với từng thiết bị nếu cos càng lớn tức là đòi hỏi lượng công suất phản kháng càng ít. Đứng về phương diện truyền tải nếu lượng công suất phản kháng (đòi hỏi từ nguồn) 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 công suất phản kháng ở các hộ phụ tải. 7.3. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số cos Nâng cao hệ số công suất là một trong những biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng. Các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Các thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng gồm: - Động cơ không đồng bộ: tiêu thụ khoảng 60÷ 65% công suất phản kháng của mạng - Máy biến áp tiêu thụ khoảng 20÷ 25% - Đường dây trên không và các thiết bị khác tiêu thụ khoảng 10% Như vậy động cơ không đồng bộ và máy biến áp tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Công suất tác dụng P là công suất sinh ra công biến thành cơ năng hay nhiệt năng trong các thiết bị dùng điện còn công suất phản kháng Q là công suất từ hóa trong các máy điện xoay chiều và không sinh ra công. Quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa máy phát điện và hộ dùng điện là quá trình dao động. Mỗi chu kỳ của Q S P  S2 = P2 + Q2 P = S.Cos Q = S. sin Hình 7.1. Tam giác công suất 196 dòng điện, Q đổi chiều bốn lần, giá trị trung bình của Q trong một nửa chu kỳ của dòng điện bằng không 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 công suất phản kháng cung cấp cho hộ dùng điện không nhất thiết phải lấy từ nguồn. Vì vậy để tránh truyền tải một lượng lớn công suất phản kháng trên đường dây người ta có thể đặt các thiết bị phát công suất phản kháng tại chỗ phục vụ cho các hộ dùng điện, như vậy được gọi là bù công suất phản kháng. Khi có thiết bị bù thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp sẽ nhỏ đi, do đó hệ số công suất cos của mạng điện được nâng cao. Hệ số công suất cos được nâng lên sẽ đem lại những hiệu quả sau: * Giảm tổn thất điện áp trên lưới điện khi Q giảm thì U giảm . . dm P R Q XU U   * Giảm tổn thất công suất trên lưới điện khi Q giảm thì S giảm 2 2 22 2. . .S P QS I Z Z ZU U       * Làm giảm tổn thất điện năng trên lưới điện khi Q giảm thì A giảm 2 2 22 2. . . . .S P QA I Rt R t R tU U       * Làm tăng khả năng truyền tải của đường dây và trạm BA. 2 2 3 3 P QSI U U   Khi giảm Q thì nếu dòng điện trên dây dẫn không đổi thì đường dây và trạm sẽ truyền tải được nhiều công suất tác dụng hơn nên khả năng truyền tải được nâng cao. Còn nếu cần cùng truyền tải một công suất tác dụng nếu giảm được Q sẽ giảm dòng điện trên dây dẫn và sẽ tiết kiệm được chi phí kim loại màu. Vì các phụ tải là các đại lượng biến đổi liên tục theo thời gian nên trị số của cos cũng biến động theo thời gian nên trong tính toán thường dùng trị số trung bình của cos. Các xí nghiệp ở nước ta có cos tb còn khá thấp chỉ vào khoảng 0,5  0,6 cần phải phấn đấu để cos = 0,9. 7.4. Các biện pháp nâng cao hệ số công suất Các định nghĩa về hệ số công suất 197 - Hệ số công suất tức thời là hệ số công suất tại một thời điểm nào đó, giá trị này có được nhờ dụng cụ đo cos trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các dụng cụ đo công suất, dòng điện và điện áp. Ta có quan hệ: UI P 3cos  Do phụ tải luôn biến động nên cos tức thời cũng luôn biến đổi theo, vì thế cos tức thời không có giá trị trong tính toán. - Hệ số công suất trung bình là trị số trung bình xét trong một khoảng thời gian nào đó (1 ca làm việc, 1 ngày đêm, 1 tháng). Hệ số công suất trung bình dùng để đánh giá mức độ sử dụng điện hợp lý của xí nghiệp. - Hệ số công suất tự nhiên là hệ số công suất cos trung bình tính cho cả năm khi không có thiết bị bù. Hệ số công suất tự nhiên là căn cứ để tính toán lựa chọn dung lượng bù công suất phản kháng. Để nâng cao hệ số công suất của nhà máy xí nghiệp ta có thể sử dụng hai phương pháp sau: - Nâng cao hệ số cos tự nhiên - Nâng cao hệ số cos bằng cách đặt thiết bị bù 7.4.1. Các biện pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên Đây là nhóm phương pháp bằng cách vận hành hợp lý các thiết bị dùng điện nhằm giảm lượng công suất phản kháng đỏi hỏi từ chính các thiết bị đó. Biện pháp này có lợi vì đưa lại hiệu quả kinh tế mà không phải đặt thêm thiết bị bù. Vì vậy biện pháp này được ưu tiên sau đó mới xét tới các biện pháp nhân tạo. Thay đổi và cải tiến quy trình công nghệ để các thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất, vận hành, thao tác các thiết bị một cách hợp lý để tiết kiệm điện năng Thay thế động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn. Khi động cơ làm việc non tải thì hệ số công suất thấp. chế động cơ chạy không tải Dùng động cơ đồng bộ thay thế động cơ không đồng vì động cơ đồng bộ có hệ số công suất cao, khi cần có thể cho làm việc ở chế độ quá kích thích để máy phát ra công suất phản kháng cho mạng điện. Mômen tỷ lệ bậc nhất với điện áp nên ít phụ 198 thuộc vào sự dao động điện áp. Khi tần số nguồn không đổi tốc độ động cơ không phụ thuộc vào tải. Nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ. Do chất lượng sửa chữa động cơ không tốt nên sau khi sửa chữa chất lượng của động cơ thường kém trước làm cho tổn thất tăng lên, hệ số công suất giảm. Vì thế cần chú trọng đến khâu nâng cao chất lượng sửa chữa động cơ. Thay thế những biến áp làm việc non tải bằng những biến áp có dung lượng nhỏ hơn. Máy biến áp là một trong những thiết bị tiêu thụ nhiều công suất phản kháng. Trong thời gian có phụ tải nhỏ nên cắt bớt các MBA làm việc non tải. 7.4.2. Nâng cao hệ số công suất bằng cách đặt thiết bị bù Biện pháp này không yêu cầu giảm lượng công suất phản kháng đòi hỏi từ thiết bị dùng điện mà sử dụng tụ bù hoặc máy bù cung cấp thêm công suất phản kháng tại ngay các hộ dùng điện nhằm giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây. Phương pháp này chỉ thực hiện sau khi đã thực hiện biện pháp nâng cao hệ số công suất tự nhiên mà chưa đạt được kết quả thì mới thực hiện việc bù bằng cách đặt máy bù đồng bộ hoặc tụ bù. 7.5. Các thiết bị bù Máy bù đồng bộ: thực chất là loại động cơ đồng bộ chạy không tải có một số đặc điểm sau: Vừa có khả năng phát ra lại vừa tiêu thụ được công suất phản kháng. Công suất 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 dễ dàng). Lắp đặt vận hành phức tạp, dễ 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 cần bù với dung lượng nhỏ sẽ không kinh tế, vì vậy chỉ được sản xuất ra với dung lượng lớn 5 MVAr trở lên. Bù bằng tụ điện tĩnh: có đặc điểm như sau: 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. 199 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. Vậy ở 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 trạm trung gian (trạm khu vực). Bù bằng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa. Khi cho dòng điện một chiều vào rôto của động cơ không động bộ rôto dây quấn, động cơ sẽ làm việc như một động cơ đồng bộ với dòng điện vượt trước điện áp. Do đó có khả năng sinh công suất phản kháng cung cấp cho mạng. Nhược điểm của động cơ này là tổn thất công suất khá lớn, khả năng quá tải kém vì vậy động cơ thường chỉ làm việc với 75% công suất định mức. Chỉ dùng biện pháp bù này khi không có sẵn các thiết bị bù khác. Ngoài các thiết bị bù kể trên còn có thể dùng động cơ đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích từ hoặc dùng máy phát điện làm việc ở chế độ bù để làm máy bù. Ở các xí nghiệp có nhiều tổ máy Diezen- máy phát làm nguồn dự phòng, khi chưa dùng đến có thể lấy làm máy bù đồng bộ. 7.6. Xác định dung lượng bù Dung lượng bù được xác định theo công thức: Qbù = P(tg1 - tg2) (*) Trong đó: P: phụ tải tính toán của hộ tiêu thụ điện (kW) 1: góc ứng với hệ số công suất trung bình cos1 trước khi bù 2: góc ứng với hệ số công suất trung bình cos2 muốn đạt được sau khi bù. Hệ số công suất cos2 thường lấy bằng hệ số công suất do cơ quan quản lý hệ thống điện quy định cho mỗi hộ tiêu thụ phải đạt được (thường nằm trong khoảng từ 0,8-0,95). Đứng về mặt tổn thất công suất tác dụng của hộ dùng điện thì dung lượng bù có thể xác định theo quan điểm tối ưu sau: Ptk = kktQbù – kbùQbù = Qbù(kkt - kbù) Trong đó: kkt- đương lượng kinh tế của công suất phản kháng (kW/kVAr) kbù- suất tổn thất công suất tác dụng trong các thiết bị bù (kW/kVAr) 200 Như vậy Ptk = f(Qbù), từ đó có thể tìm được dung lượng bù tối ưu ứng với Ptk cực đại là Qbù.tối ưu bukRUQ 2 2 Do kkt = 22 UQR thay vào công thức trên ta được Qbù.tối ưu )1( kt buk kQ  (**) Qbù. tối ưu không nhất thiết trùng với Qbù tính theo công thức (*). Đứng về mặt hộ tiêu thụ mà nói thì nên bù một dung lượng bằng Qbù.tối ưu là kinh tế hơn cả. Song do lợi ích chung của toàn hệ thống điện, Nhà nước quy định hệ số công suất tiêu chuẩn mà các hộ tiêu thụ nhất thiết phải đạt được. Vì vậy trong thực tế thường người ta tính dung lượng bù theo công thức (*). Tổn thất công suất tác dụng của các loại thiết bị bù Bảng 7.1 Loại thiết bị bù kbù; kW/kVAr Tụ điện Máy bù đồng bộ S = 5000÷30000 KVA Máy bù đồng bộ < 5000KVA Động cơ dây quấn được đồng bộ 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 Ví dụ 1: Một phân xưởng được cung cấp điện từ trạm biến áp 22/0,4kV. Dung lượng 1000KVA, cos = 0,8. Hãy tính toán dung lượng bù để nâng hệ số công suất lên 0,95. Cách giải: Ta có : P = S.cos = 1000.0,8 = 800 (kW) Trước khi bù: cos1 = 0,8  tg1 = 0,75 Yêu cầu : cos2 = 0,95  tg2 = 0,33 Vậy dung lượng cần bù là: Qb = P(tg1 - tg2) = 800(0,75 - 0,33) = 336(kVAr) 201 Ví dụ 2: Mét ph©n x­ëng cã c«ng suÊt tÝnh to¸n Stt = 300 + j400 (KVA), ®iÖn ¸p ®Þnh møc Ud = 380V, Up = 220V. a. X¸c ®Þnh c«ng suÊt bé tô bï ®Ó n©ng cos lªn 0,95 b. TÝnh ®iÖn trë phãng ®iÖn. c. VÏ m¹ch ®Êu d©y tô bï vµ nèi ®iÖn trë phãng ®iÖn. Cách giải a. Tæng c«ng suÊt xÝ nghiÖp: S = 300 + j400(KVA) =>tg1 = 1,33 Cos2 = 0,95 => tg2 = 0,33 Tæng dung l­îng cÇn bï: Qb = P.(tg1 - tg2) = 300(KVAR) b. §iÖn trë phãng ®iÖn: )(242030022,0.10.15 26 fdR Chän lo¹i ®Ìn sîi ®èt 100(W)- 220(V): R® = 484() => Sè bãng ®Ìn = 5,12 bãng. Chän 6 ®Ìn nèi tam gi¸c c. S¬ ®å ®Êu d©y m¹ch ®Êu tô bï vµ nèi ®iÖn trë phãng ®iÖn Hình 7.2.Sơ đồ nối điện trở phóng điện 7.7. Xác định vị trí lắp đặt tụ bù Tụ điện có thể đặt ở mạng điện áp cao hoặc mạng điện áp thấp Tụ điện điện áp cao được đặt tập trung ở thanh cái trạm biến áp trung gian hoặc trạm phân phối. Nhờ đặt tập trung nên việc theo dõi vận hành các tụ điện dễ dàng và có khả năng thực hiện tự động hóa điều chỉnh dung lượng bù. Bù tập trung ở mạng điện áp cao còn có ưu điểm nữa là tận dụng được hết khả năng của tụ điện, nói chung các tụ điện vận hành liên tục nên chúng phát ra công suất bù tối đa. Nhược điểm của phương án này là không giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện áp thấp. 202 Tụ điện áp thấp được đặt theo ba cách: đặt tập trung tại thanh cái tủ phân phối hạ thế trạm biến áp phân xưởng, đặt thành từng nhóm ở tủ động lực và đặt phân tán ở từng thiết bị dùng điện. Trường hợp đặt tập trung ở thanh cái tủ phân phối hạ thế trạm biến áp phân xưởng thuận tiện cho việc quản lý vận hành hay tự động điều chỉnh dung lượng bù nhưng có nhược điểm là không giảm được tổn thất điện áp trong mạng điện phân xưởng. Phương án đặt tụ điện thành từng nhóm ở các tủ động lực hoặc đường dây chính trong phân xưởng có hiệu suất sử dụng cao, giảm được tổn thất cả trong mạng điện áp thấp và điện áp cao. Nhược điểm của phương án này là các nhóm tụ nằm phân tán khiến cho việc theo dõi quản lý không thuận tiện và khó thực hiện tự động hóa điều chình dung lượng bù. Đứng về mặt giảm tổn thất công suất thì phương án đặt tại các thiết bị dùng điện là có lợi nhất nhưng khi thiết bị không làm việc thì tụ cũng bị cắt khỏi mạng nên hiệu suất sử dụng không cao, chi phí quản lý lớn. Phương án này chỉ dùng với các động cơ không đồng bộ công suất lớn. Trong thực tế để bù hệ số công suất cho xí nghiệp và mạng điện xí nghiệp, người ta tiến hành bù như sau: 1. Với xưởng sản xuất hoặc xí nghiệp nhỏ nên đặt tập trung tụ bù tại thanh cái hạ áp trạm biến áp xí nghiệp. 2. Với xí nghiệp loại vừa có 1 trạm biên áp và 1 số phân xưởng với công suất khá lớn và khá xa trạm biến áp để giảm tổn thất điện năng trên các đường dây từ trạm biên áp đến các phân xưởng có thể đặt tụ bù tại các tủ phân phối phân xưởng và tại cực động cơ có công suất lớn (vài chục KW). 3. Với xí nghiệp quy mô lớn hàng vài chục phân xưởng bao gồm trạm phân phối trung tâm và nhiều trạm biến áp phân xưởng , khi đó để xác định vị trí và công suất bù thường tính theo 2 bước: B1: Xác định công suất bù tại thanh cái hạ áp tất cả các trạm biến áp phân xưởng. B2: Phân phối công suất bù của từng trạm cho các phân xưởng mà trạm biến áp đó cấp điện. 203 Hình vẽ dưới mô tả các phương án đặt tụ bù trong mạng điện xí nghiệp. Hình 7.3. Vị trí đặt tụ bù trong mạng điện xí nghiệp 7.8. Phân phối thiết bị bù trong mạng điện xí nghiệp: 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 trạm phân phối trung tâm, thanh cái hạ áp của các trạm biến phân xưởng, ở các tủ động lực hoặc ở một số động công suất lớn rồi thiết lập hàm Z(Qb1; Qb2 ; Qbn) rồi tiến hành tìm cực trị của hàm Z với ràng buộc:   bn1i 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 Đ Đ TĐL Đ Đ Đ Đ TĐL TĐL TPP 204 cho mạng cao và hạ áp. Xác định dung lượng bù hợp lý ở phía cao hạ áp của trạm biến áp phân xưởng: Xét mạng điện như hình vẽ (hình 7.4).: Hình 7.4. Tụ bù đặt phía cao áp, hạ áp Qbc ; Qbh : dung lượng bù đặt tại thanh cái cao và hạ áp của trạm BA. Rd ; RB : Điện trở tương đương mạng hạ áp và máy biến áp 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. 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). Chênh lệch vốn đầu tư khi đặt Qbh ở phía điện áp thấp so với khi đặt một dung lượng bù như vậy ở phía điện áp cao là: V = (ah – ac)Qbh (2) Trong đó ac; ah là giá thành 1KVAR tụ điện áp cao và hạ (đồng/KVAR) Số tiền tiết kiệm được mỗi năm do đặt tụ ở phía điện áp thấp là: VTK =    32 2 2 10. .... )( U takRRQQQ tdBthapbu  (®/n¨m) - RB là điện trở của máy biến áp quy đổi về phía điện áp thấp, . - K là hệ số kể đến số ca làm việc trong ngày 1 ca: k = 0,30 ; 2 ca: k = 0,55 ; 3 ca: k = 0,75. - a gi¸ tiÒn 1 kWh, VND/kWh. - t sè giê lµm viÖc trong n¨m, t = 8760 giê. (t = Tmax) ; - T là thời gian thu hồi vốn đầu tư tính bằng năm (1 năm, 2 năm và 3 năm). - U ®iÖn ¸p ®Þnh møc phÝa ®iÖn ¸p thÊp cña m¸y biÕn ¸p, kV. P +jQ N Qbh Qbc N Qbc Rd RB (Q - Qbh) 205 Gäi T lµ thêi gian thu håi vèn ®Çu t­ chªnh lÖch tÝnh b»ng n¨m. Sau thêi gian ®ã sè tiÒn tiÕt kiÖm ®­îc lµ T.V, sè tiÒn nµy kh«ng nh÷ng bï ®¾p ®­îc chªnh lÖch vèn ®Çu t­ mµ cßn lín h¬n V mét l­¬ng F, F chÝnh lµ hiÖu qu¶ cña viÖc ph©n phèi dung l­îng bï (Qbï thÊp) ë phÝa ®iÖn ¸p thÊp. F = TVtk - V (2) Thay F vµo (1) vµ (2) ta cã:   )().(..)..(10. )(. 32 22 buthapbuthapcaothaptdBbuthap QfQaatakRRU QQQTF  B»ng c¸ch lÊy ®¹o hµm, chóng ta cã thÓ dÔ dµng t×m ®­îc Qbï thÊp tèi ­u ®Ó hµm F ®¹t cùc trÞ. Gi¸ trÞ Qbï thÊp tèi ­u ®­îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: Qbï thÊp tèi ­u = )k ( ).(...2 10.).( 32 VArRRtaKT UaaQ tdB caothap   (3 ) Th«ng th­êng ch­a biÕt tô ®iÖn ®Æt trong m¹ng ®iÖn ¸p thÊp nh­ thÕ nµo, nªn ng­êi ta thiÕt kÕ kh«ng cã sè liÖu chÝnh x¸c ®Ó tÝnh Rt®. Mét c¸ch gÇn ®óng cã thÓ tÝnh Rt® qua ®iÖn trë cña m¸y biÕn ¸p b»ng biÓu thøc: Rt® = .RB - §èi víi tr¹m trong hoÆc kÒ ph©n x­ëng: M¹ng lµ d©y dÉn hoÆc d©y c¸p:  = 0,4 M¹ng lµ thanh c¸i:  = 0,6 - §èi víi tr¹m ngoµi ph©n x­ëng:  = 0,8 §Æt : MtakT Uaa caothap  ...2 10.).( 32 BiÓu thøc (3) ®­îc viÕt gän l¹i: Qbï thÊp tèi ­u = BB R.R MQ  Hay Qbï thÊp tèi ­u = VArk ,.)1(R MQ B  Do ®ã: Qbï cao tèi ­u = Qbï - Qbï thÊp tèi ­u (4) Chọn tụ bù hạ áp, chọn tụ bù cao áp (chó ý ®iÒu kiÖn chän tô). 206 Nếu đặt tụ bù hạ áp ở ngoài FX: Rt® = .RB Qbï thÊp tèi ­u = VArRR MQ tđB k ,.) Điện áp của máy biến áp quy đổi về điện áp thấp có thể lấy theo bảng sau: SB, kVA 100 180 320 560 750 1000 1800 RB () 0,034 0,018 0,0088 0,0034 0,0031 0,0021 0,00106 b. Phân phối dung lượng bù trong mạng cùng cấp điện áp: * Mạng hình tia: Xét mạng điện hình tia gồm n nhánh như hình vẽ (hình 7.5) Hình 7.5. Mạng phân phối dung lượng bù Giả sử dung lượng bù được phân phối trên các nhánh là Qb1; Qb2; ...Qbn. Phụ tải phản kháng và điện trở các nhánh lần lượt là Q1; Q2...;Qn và r1; r2...; rn. Tổn thất công suất tác dụng do công suất phản kháng gây ra được tính theo biểu thức: ),...,(.)(....)(.)( 212 2 22 22212 211 bnbbnbnnbb QQQfrU QQrU QQrU QQP  Với điều kiện ràng buộc về cân bằng công suất bù là (Qb1, Qb2, ...,Qbn) = Qb1 + Qb2 + ...+ Qbn - Qb = 0 Dùng phương pháp Lagrangiơ để tìm cực tiểu của hàm nhiều biến P = f(Qbi) Chọn nhân tử 22UL (Với L là hằng số sẽ được xác định sau) Điều kiện để có cực tiểu là các đạo hàm riêng của hàm đều triệt tiêu. F = f(Qb1, Qb2, ...Qbn) + (Qb1, Qb2, ..., Qbn) Do đó ta có hệ phương trình: 207           02.)(2 ........................ 02.)(2 02.)(2 22 222 222 212 111 U LrU QQ Q F U LrU QQ Q F U LrU QQ Q F nbnnbn b b b b Giải hệ phương trình trên ta có: 1 212121 )1...11)].(...()...[(  nbnbbn rrrQQQQQQL Đặt   QQni i1 - Tổng phụ tải phản kháng của mạng   bni bi QQ1 - Tổng dung lượng bù của mạng Điện trở tương đương của những nhánh có đặt thiết bị bù của mạng. 1 21 )1...11(  ntd rrrR - Vậy có thể viết L = (Q – Q’b).Rtd Thay L vào hệ phương trình trên ta tìm được dung lượng bù tối ưu của các nhánh:              tdn bnbn tdbb tdbb Rr QQQQ Rr QQQQ Rr QQQQ .)( .................. .)( .)( 222 111 Ví dụ 2: Hãy phân phối dung lượng bù Qb = 300 kVAr cho mạng điện hạ áp U=380V, các số liệu cho trên hình vẽ (hình 7.6). Hình 7.6. Phân phối dung lượng bù theo mạng hình tia 0,1  1 200 –Qb1 0,2  2 150 –Qb2 0,1  3 150 –Qb3 0,2  4 100 –Qb4 208 Bài giải: Điện trở tương đương của 4 nhánh: 301101201101201 1Rtd  ,,,, Q = 200 + 150 + 150 + 100 = 600 Ta có dung lượng bù tại tủ động lực 1 1 tdb11b RRQQQQ ).(   (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. Ví dụ 3: Một xí nghiệp có 02 phân xưởng được cấp điện bởi mạng hình tia, công suất tính toán các phân xưởng như sau: Phân xưởng 1: S1 = 360 + j450 (KVA). Phân xưởng 2: S2 = 240 + j350 (KVA). Yêu cầu: - Xác định dung lượng bù để nâng hệ số công suất của xí nghiệp lên 0,95. - Phân phối tối ưu dung lượng bù cho các phân xưởng. Biết điện trở đường dây đến các phân xưởng là R1 = 0,008(Ω); R2 = 0,004(Ω). Cách giải: Tổng công suất tính toán của xí nghiệp: S = S1 + S2 = 600 + j800 (KVA) Ta có: Do yêu cầu nâng hệ số công suất lên cos2 = 0,95 nên tg2 = 1,33 Tổng dung lượng cần bù là: Qb = P(tg1 - tg2) = 600(1,33 – 0,33) = 600(KVAR) Điện trở tương đương )(0027,0004,0008,0 004,0.008,0 tdR 33,1600 800 1  PQtg 209 Dung lượng cần bù tại phân xưởng 1 )(383 008,0 0027,0).600800(450 1 1 KVARQ Q b b   Dung lượng cần bù tại phân xưởng 2 )(217 004,0 0027,0).600800(350 2 2 KVARQ Q b b   * Mạng phân nhánh Một mạng phân nhánh có thể coi là nhiều mạng hình tia ghép lại. Như vậy ta có thể áp dụng công thức tính mạng hình tia cho mạng phân nhánh, tuy nhiên cách tính điện trở tương đương có khác, tuỳ thuộc vào số lượng nhánh mà ta có cách tính điện trở tương đương riêng, thông thường ta tính từ cuối nguồn về đầu nguồn. Dung lượng bù của nhánh thứ i được tính như sau: i tdbiiiibi r RQQQQ ).( )1(   Trong đó: Qi: phụ tải phản kháng của nhánh thứ i Q(i-1)i: phụ tải phản kháng chạy trên đoạn từ điểm (i-1) đến điểm i Qbi: dung lượng bù đặt tại điểm i Rtd: điện trở tương đương của mạng kể từ điểm i trở về sau. Ví dụ 4: Hãy phân phối dung lượng bù Qb = 300 kVAr cho mạng điện hạ áp như hình 7.6. với R1 = R2 = 0,04 ; R12 = 0,02 ; Q1 = 200 kVAr; Q2 = 100 kVAr; Q3 = 200 kVAr. Hình 7.6. Phân phối dung lượng bù mạng rẽ nhánh 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 . 1 2 3 N R1 R2 R3 RN1 R12 Q2 – Qb2 Q3 – Qb3 Q1 – Qb1 210 Rtd1 mạch giữa 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. 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 cũng có thể suy ra ngay Qb3 = Qb - (Qb1 + Qb2) Qb3 = 300 – (100 + 50) = 150 kVAr CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 7 7.1. Ý nghĩa việc nâng cao hệ số công suất trong mạng điện 7.2. Các biện pháp nâng cao hệ số công suất trong mạng điện 7.3. Các thiết bị bù để nâng cao hệ số công suất 7.4. Cách xác định dung lượng bù trong mạng điện 7.5. Cách xác định vị trí lắp đặt tụ bù trong mạng điện 7.6. Phân phối thiết bị bù trong mạng điện BÀI TẬP CHƯƠNG 7 Bài 7.1: Một trạm phân phối trung tâm cấp điện cho 03 trạm biến áp phân xưởng A, B và C theo sơ đồ mạng điện hình tia. Biết công suất của từng trạm biến áp phân xưởng A, B và C lần lượt là: SA=300+j400; SB=250+j350; SC=120+ j240(KVA). Chiều dài dây dẫn từ trạm phân phối trung tâm đến các trạm biến áp phân xưởng lần lượt là: lA = 150(m); lB =120(m); lC = 80(m).Toàn bộ dây dẫn dùng dây cáp có r0 = 0,92(/km). Bỏ qua điện kháng của dây dẫn. Hãy: a. Tính tổng dung lượng bù để nâng hệ số công suất cos lên 0,9. b. Tính toán phân phối tối ưu dung lượng bù cho từng trạm biến áp phân xưởng. 211 Bài 7.2: Cho mạng điện phân xưởng như hình vẽ 7.7. Tổng dung lượng bù Qb = 400(kVAR). Điện trở và phụ tải phản kháng các nhánh như sau: r1 = 0,009() r23 = 0,005() ; Q3 = 150 (kVAr) r2 = 0,006() r4 = 0,02() ; Q4 = 80 (kVAr) r3 = 0,014() Q1 = 200 (kVAr) r12 = 0,006() Q2 = 100 (kVAr) Hãy phân phối dung lượng bù tối ưu cho từng nhánh. Hình 7.7. Mạng điện phân xưởng Bài 7.3: Nhà máy gồm 3 phân xưởng có sơ đồ cấp điện như hình vẽ 7.8 PVC(3x25), 50m 400+j300 kVA 340+j420 kVA 500+j720 kVA PVC(3x16), 80m PVC(3x16), 65m 10kV 0,4kV Hình 7.8. Sơ đồ mạng phân xưởng 1. Xác định công suất phản kháng cần thiết bù cho Nhà máy để nâng hệ số công suất lên 0,95 2. Tính toán phân phối dung lượng bù đặt tại các thanh cái hạ áp của Trạm biến áp phân xưởng. Cho biết cáp PVC(3x16) có r0 = 1,15 Ω/km; cáp PVC(3x25) có r0 = 0,74 Ω/km Bài 7.4: Một nhà máy gồm 02 phân xưởng được cấp điện bởi mạng hình tia, công suất tiêu thụ các phân xưởng như sau: Phân xưởng 1: S1 = 400 + j500kVA 212 Phân xưởng 2: S2 = 200 + j300kVA 1. Hãy xác định tổng dung lượng bù để nâng hệ số công suất của nhà máy lên 0,95. 2. Phân phối tối ưu dung lượng bù cho các phân xưởng biết điện trở dây dẫn đến các phân xưởng là R1 = 0,05; R2 = 0,09 3. Sử dụng bóng đèn sợi đốt làm điện trở phóng điện cho tụ bù. Hãy tính toán số lượng bóng đèn và vẽ sơ đồ nối dây điện trở phóng điện Bài 7.5: Một xí nghiệp có công suất tính toán: Stt = 300 + j400(kVA); điện áp định mức Up = 220V; Ud = 380V. 1. Tính dung lượng để nâng hệ số công suất của xí nghiệp lên 0,95. 2. Tính điện trở phóng điện 3. Hãy vẽ sơ đồ nối dây tụ bù và điện trở phóng điện. Bài 7.6: Một xí nghiệp gồm 3 phân xưởng được cấp điện bởi mạng hình tia, công suất tiêu thụ các phân xưởng: S1 = 400 + j500(KVA); S2 = 200 + j300(KVA); S3 = 730 + j250(KVA); Điện trở dây dẫn từ trạm biến áp đến các phân xưởng R1 = 0,01(); R2 = 0,02(); R3 = 0,07(). 1. Hãy xác định tổng dung lượng bù để nâng hệ số công suất của xí nghiệp lên 0,95. 2. Phân phối tối ưu dung lượng bù cho các phân xưởng Bài 7.7: Mạng điện hình tia gồm 4 nhánh, điện áp U = 380V. Điện trở các nhánh và phụ tải các hộ cho trên hình 7.9. Tổng dung lượng bù Qb = 300 kVAr. Hãy tính dung lượng bù tối ưu cho từng nhánh. H×nh 7.9. Sơ đồ mạng điện hình tia Q4= 150 kVAr r1= 0,2  Q1= 250 kVAr r2= 0,3  Q2= 200 kVAr r3= 0,2  0,1  Q3= 200 kVAr r4= 0,3  0,2  Qb = 300kVAr 213 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Mạnh Hoạch. Hệ thống cung cấp điện cho xí nghiệp công nghiệp, đô thị và nhà cao tầng. Nhà xuất bản : Khoa học và Kỹ thuật năm 2001. [2]. Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khuê. Cung cấp điện. Nhà xuất bản: Khoa học và Kỹ thuật năm 1998. [3]. Phan Thanh Bình và các tác giả khác. Hướng dẫn thiết kế lắp điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC. Nhà xuất bản: Khoa học kỹ thuật năm 2001 [4]. Lê Văn Doanh. Cẩm nang thiết bị đóng cắt ABB. Nhà xuất bản: Khoa học kỹ thuật năm 2001. [5]. Lê văn Doanh, Đặng Văn Đào, Kỹ thuật chiếu sáng. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật năm 1996. [6]. Nguyễn Công Hiền. Cung cấp điện cho xí nghiệp công nghiệp. Nhà xuất bản: Đại học và trung học chuyên nghiệp năm 1996. [7]. Ngô Hồng Quang, Vũ Văn Tẩm. Thiết kế cấp điện - NXB : Khoa Học và Kỹ Thuật năm 2000. [8]. Ngô Hồng Quang. Sổ tay chọn và tra cứu thiết bị điện từ 0,4 KV đến 500KV. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật năm 2002. [9]. RICHARD ROEPER. Người dịch :T.S Đào Kim Hoa, Nguyễn Hồng Thái. Ngắn mạch trong hệ thống điện. [10]. Cooper Lighting and Lighting Technologies, Inc. Luxicon; Dialux (phần mềm tính toán thiết kế chiếu sáng). [11]. Schneider Electric. Ecodial; DocWin (phần mềm tính toán thiết kế cung cấp điện)