Nghiên cứu thiết kế chế tạo tủ bù hệ số công suất (có phi) cho phụ tải điện năng, công suất đến 500 k VAR

BỘ CÔNG THƯƠNG
CÔNG TY CỔ PHẦN CHẾ TẠO BIẾN THẾ VÀ VẬT LIỆU ĐIỆN HÀ NỘI

BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHCN
Đề tài nghiên cứu KHCN cấp Bộ

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TỦ BÙ HỆ SỐ
CÔNG SUẤT (COS ϕ) CHO PHỤ TẢI ĐIỆN NĂNG,
CÔNG SUẤT ĐẾN 500 KVAR
Chủ nhiệm đề tài: TÔN LONG NGÀ

7658
03/02/2010

HÀ NỘI 1 - 2010


Mục lục
Các quyết định của Bộ công thơng về đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ
năm 2009
Phần thứ nhất
1. Nghiên cứu về mục đích và giải pháp nâng cao hệ số công suất
phụ tải điện
1. Những kiến thức cơ bản về mạch điện hình sin và hệ số công
suất trong mạch điện xoay chiều
2. Hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều
3. Mục đích và các giải pháp nâng cao hệ số công suất

Trang 2
Trang 5

Trang 7

B) TÝnh to¸n thiÕt kÕ hƯ thèng bï hƯ số công suất
1. Khảo sát tình hình nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống bù hệ số
công suất ..
2. Tiêu chuẩn hoá dung lợng Tủ bù cos

Trang 9
Trang 10

C) Nghiên cứu thiết kế các tính năng của Tủ bù
1. Nguyên lí làm việc của Tủ bù cos .
2. Các tính năng kỹ thuật của Tủ bù

Trang 12
Trang 13

1.
suất
2.
3.

Phần thứ hai
Yêu cầu chung về đặc tính; cấu tạo của Bộ điều khiển hệ số công
Trang 14
..
Trang 15
Tính toán thiết kế phần cứng của bộ điều khiển ..
Trang 21
Thiết kế phần mềm cho bộ điều khiển ..

Phần thứ ba
1. Chế tạo bộ điều khiển Chế tạo tủ bù cos - Thử nghiệm và
đánh giá .
Phần phụ lục: Các văn bản đánh giá nghiệm thu đề tài

1

Trang 47


Phần thứ nhất
Tình hình nghiên cứu và tính toán thiết kế
hệ thống bù Hệ số công suất
A) Nghiên cứu về mục đích và giải pháp nâng cao Hệ số công
suất của phụ tải điện năng.
1. Những kiến thức cơ bản về mạch điện hình sin và hệ số công
suất trong mạch điện xoay chiều.
Theo nh lý thuyết, đặc điểm khác nhau cơ bản về quá trình năng lợng xảy
ra trong mạch điện hình sin so với mạch điện không đổi là : ở mạch điện hình sin,
từ trờng và điện trờng luôn luôn biến thiên theo dạng hình sin và theo thời gian.
Vì vậy khi mạch điện xoay chiều hình sin đợc thiết lập, thì ngoài hiện tợng tiêu
tán năng lợng vẫn có hiện tợng tích phóng năng lợng của từ trờng và điện
trờng. Do đó trên phần tử điện cảm ta có điện áp Ul = L x di / dt , và qua điện
dung có Ic = C x d uc / dt . Từ đây ta sẽ tìm hiểu mối quan hệ về trị số hiệu dụng
và các pha giữa hai đại lợng Dòng điện và Điện áp trên các phần tử phụ tải đợc
coi nh chỉ có hiện tợng tiêu tán năng lợng hoặc chỉ có hiện tợng tích phóng
năng lợng và trên phần tử đồng thời có cả hai quá trình tiêu tán và tích phóng
năng lợng.
Trong mạch điện xoay chiều hình sin, khi đấu với phụ tải, đồng thời xảy ra

nhiều quá trình năng lợng khác nhau, và mỗi quá trình năng lợng sẽ có một công
suất đặc trng cho đại lợng cờng độ dòng điện và đại lợng điện áp. Do các tính
chất và tính tác dụng của từng loại công suất khác nhau mà từ đó trong lý luận điện
công học ngời ta đà đa ra các khái niệm : Công suất tác dụng ( công suất hữu
công ) - đặc trng cho cờng độ tiêu tán năng lợng trung bình ; Công suất phản
kháng ( công suất vô công ) là đặc trng cho cờng độ tích phóng năng lợng.
1.1 Khảo sát mạch điện hình sin với phụ tải thuần điện trở.
Ur ; Ir

Ir
Ur

Trong đoạn mạch này khi đa điện áp Ur vào hai đầu điện trở R, theo định luật
Ôm, sẽ có dòng điện Ir chạy qua điện trở ngay lập tức. Giá trị dòng điện Ir = Ur / R
2


Từ đó rút ra kết luận : Trong mạch điện thuần trở, dòng điện và điện áp trùng
pha với nhau còn giá trị hiệu dụng thì U lớn hơn I là R lần.
Về công suất tức thời P = Ur x Ir nó luôn biến thiên theo thời gian. Trong 1
chu kỳ biến thiên, dòng điện và điện áp luôn cùng chiều nên công suất luôn dơng.
Công suất tức thời không có ý nghĩa trong tính toán. Trong thực tế, ngời ta đa ra
khái niệm Công suất tác dụng P, nó là trị số trung bình của công suất trong 1 chu
kỳ.
1.2 Khảo sát mạch điện hình sin với phụ tải thuần tuý điện cảm.
Ul

900

Ul ; I l

00000

Il

Trong sơ đồ này, khi dòng điện Il chạy qua đoạn mạch có bối dây L thì sẽ
xuất hiện sức điện động tự cảm El. Nếu giả thiết chiều dơng của vecto El trùng
với Il thì điện áp rơi trên cuộn dây Ul = jxl . Il . Trong ®ã ωL = Xl gọi là điện
kháng điện cảm. Công thức trên chính là biểu thức của định luật ôm. Từ đó rút ra
kết luận : Điện áp trong mạch điện thuần kháng ( điện cảm ) luôn luôn vợt trớc
dòng điện 1 / 4 chu kỳ tức là vợt trớc dòng điện 900 . Giá trị hiệu dụng U lớn
hơn I là xl lần.
Về công suất, trong mạch thuần tuý điện cảm không có hiện tợng tiêu tán
năng lợng, mà chỉ có hiện tợng tích phóng năng lợng theo chu kỳ. Nh vậy coi
nh không có tiêu thụ công suất tác dụng. Quá trình tích phóng năng lợng trong
đoạn mạch này gọi là Công suất phản kháng điện cảm Ql ( phản tác dụng ).
1.3 Khảo sát dòng điện hình sin trong đoạn mạch thuần điện dung.
Uc Ic
Ic

Uc
3


Khi điện áp Uc đặt lên hai cực của tụ điện C là hình sin thì qua tụ sẽ có dòng
điện Ic chạy qua. Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp là : Ic = Uc / Xc ( mà
Xc = 1/ C ). Từ công thức biểu thị theo định luật Ôm, ta có kết luận :
Điện áp trên đoạn mạch thuần tuý điện dung sẽ chậm sau dòng điện 1 / 4
chu kỳ.
Khi vẽ đồ thị biến thiên theo thời gian của điện áp và dòng điện, ta thấy ở
1/4 chu kỳ đầu của dòng điện, khi điện áp tăng, thì vecto U; I cùng chiều, nh vậy

tụ điện sẽ nạp và công suất Pc = Uc . Ic > O , nh vậy năng lợng từ nguồn đa
vào sẽ tích luỹ vào tụ. ở 1/4 chu kỳ tiếp theo, điện áp bắt đầu giảm, dòng điện vẫn
còn tăng, nh vậy chiều của U; I sẽ ngợc nhau, tụ bắt đầu phóng điện và công
suất Pc = Uc . Ic < O , tøc lµ năng lợng đợc tích luỹ trong tụ điện sẽ phóng ra
mạch. Quả trình này cứ tiếp diễn cho tất cả các chu kỳ. Vì vậy, trong đoạn mạch
thuần tuý điện dung không có hiện tợng tiêu tán năng lợng, mà chỉ có tích phóng
năng lợng mà thôi.
Quá trình tích phóng năng lợng trong mạch này gọi là Công suất phản
kháng điện dung Qc
1.4

Khảo sát dòng điện hình sin trong mạch gồm: điện trở , điện cảm và
điện dung ( mạch R L C ).
UL

Ur

UC

U

R
L

UL
f

UC

Ur

C

Trong sơ đồ trên, dòng điện sẽ chạy qua các phần tử R-L-C , điện áp giáng
trên đó theo định luật Kiêc Khốp, ta có :
U = Ur + Ul + Uc
Đồ thị biểu diễn cộng vecto điện áp nh hình trên. Trong mạch này có Điện
trở thuần R và Điện kháng X = Xl + Xc . Nh− vËy tæng trë Z = R + X
4

I


Nhìn vào đồ thị trên, ta rút ra kết luận : Trong mạch nhánh gồm các phần
tử R-L-C , vectơ Điện áp và vectơ Dòng điện lệch nhau một góc . Nếu mạch có
tính điện cảm ( X > O , > O ) thì dòng điện sẽ chậm sau điện áp một góc ;
ngợc lại nếu mạch có tính chất điện dung(( X < O , < O ) thì dòng điện sẽ
vợt trớc điện áp một góc .
Từ đồ thị này, Tổng trở Z không phải là phép cộng của hai thành phần điện trở
và điện kháng, mà là phép cộng vectơ. Tức là nó bằng cạnh huyền của Tam giác
tổng trở.

2. Hệ số công suất trong mạch điện xoay chiều hình sin.
Khi có dòng điện hình sin chạy qua một mạch điện phức hợp thì trong mạch
điện ấy xảy ra đồng thời hai quá trình năng lợng khác nhau về mặt bản chất đó là
quá trình tiêu tán và tích phóng năng lợng. Cờng độ của hai quá trình này đợc
đặc trng bởi Công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q
Công suất tác dụng P.
Nó đặc trng cho cờng độ tiêu tán năng lợng để biến đổi từ điện năng thành
cơ năng ; nhiệt năng hoặc quang năng C«ng thøc c«ng suÊt nh− sau :

P = U . I . cos ( W )
Trong đó cos gọi là Hệ số công suất
Trờng hợp nếu mạch thuần điện trở, vectơ Dòng và áp cùng chiều và trùng
pha nên không cã gãc lƯch, ϕ = O , v× vËy cosϕ = 1 , và công suất P = UI. Ngợc
lại, trong mạch thuần điện cảm chỉ có hiện tợng tích phóng năng lợng, vectơ U
vợt trớc I một góc 90 0 , nªn cosϕ = O , nh− vËy P cũng = O.
Công suất phản kháng Q.
Nó đặc trng cho cờng độ tích phóng năng lợng của điện từ trờng trong
mạch. Công suất Q càng lớn thì cờng độ tích và phóng năng lợng sẽ càng lớn.
Ta có :
Q = U . I . sin ( Var )
Trờng hợp mạch thuần tiêu tán, góc = O , nên sin = O nh vậy Q = O ;
nếu
mạch thuần tích phóng thì góc = 90 0 , nên sin = 1 , nh− vËy Q = U.I

5


Trong kỹ thuật điện, ngời ta thờng nói phụ tải tiêu thụ một công suất phản
kháng Q, nh vậy phải hiểu rằng năng lợng ấy không phải do phụ tải lấy đi để
biến điện năng thành các dạng năng lợng khác.
Công suất biểu kiến S.
Ngoài hai công suất tác dụng P và phản tác dụng Q là đặc trng cho cờng độ
của hai hiện tợng năng lợng xảy ra trong mạch điện, để tiện cho tính toán sau
này, ngời ta đa thêm ra khái niệm về Công suất biểu kiến S :
S=U.I
( V.A )
Mỗi một nguồn phát điện đều có mang giá trị nhất định của hai đại lợng điện
áp và dòng điện do Nhà sản xuất qui định., gọi là giá trị định mức. Nếu là nguồn
điện 1 chiều thì nó luôn luôn có khả năng phát hết toàn bộ công suất cực đại theo

định mức : Pđm = Uđm . Iđm . Nhng với nguồn xoay chiều, công suất tác dụng
phát ra sẽ nhỏ hơn 1 vì còn có công suất phản tác dụng. Tuỳ mức độ tích phóng
năng lợng của phụ tải mạnh hay yếu mà Hệ số công suất lớn hay nhỏ. Do đó trên
nhÃn các máy phát điện xoay chiều đều ghi công suất biểu kiến định mức của máy:
Sdm = Uđm . Iđm
Công suất này chính là công suất tác dụng cực đại mà máy có khả năng phát
ra khi hệ số công suất cos của phụ tải bằng 1.
Tam giác công suất.
Từ các công thức tính toán các thông số S,Q,P ta rút ra :
S = √ P2 + Q2
Nh− vËy C«ng suÊt biểu kiến S sẽ bằng tổng bình phơng của công suất tác
dụng và công suất phản tác dụng. Đây chính là Tam giác công suất

S

Q


P
Trong tam giác công suất này, khi biết hai trong ba thành phần của Công
suất, ta dễ dàng tính ra thành phần thứ ba và Hệ sè c«ng st
HƯ sè c«ng st cos ϕ = P / S = P / √ P2 + Q2

6


Trong các hộ tiêu thụ điện năng công nghiệp, ngời ta thờng lắp hai loại
công tơ đo điện năng tiêu thụ hữu công và vô công, từ đó ta tính ra hệ số công suất
của phụ tải.

3. Mục đích và các giải pháp nâng cao hệ số công suất của phụ tải
Mục đích và ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất.
ã Việc nâng cao hệ số công suất cos của phụ tải nó mang lại lợi ích kinh tế
vô cùng to lớn.
Theo nh phần lý thuyết nêu trên, trong tam giác công suất, nếu ta nâng cao
hệ số công suất cos tiến dần về 1 tức là góc càng về không, nh vậy công suất
phản tác dụng Q càng nhỏ, lúc đó công suất tác dụng P gần bằng công suất biểu
kiến S . Tóm lại khi ta nâng cao hệ số công suất của phụ tải, ta sẽ nâng cao hệ số
sử dụng nguồn điện , tức là ta sẽ tận dụng hết công suất của nguồn điện để phục vụ
sản xuất hoặc ta sẽ tiết kiệm đợc chi phí cho vịêc trang bị nguồn ®iƯn ( m¸y ph¸t;
m¸y biÕn ¸p cÊp ngn ) qu¸ lín so víi thùc tÕ sư dơng. VÝ dơ :
Toµn bộ phụ tải thiết kế của 1 công ty có c«ng st P = 500 kW ; víi hƯ sè
cos = 0,75 , thì ta phải chọn Trạm biến ¸p cung cÊp ngn cã c«ng st biĨu
kiÕn S:
S = P : cos ϕ ⇒ S = 500 : 0,75 = 666,7 kVA
Nhng nếu khi thiết kế, ta đa thêm các thiết bị để nâng cao hệ số cos = 0,95
Thì lúc này Máy biến áp cấp nguồn chỉ cÇn :
S = 500 : 0,95 = 526,3 kVA
Nh− vËy kinh phí mua sắm thiết bị ban đầu sẽ đợc tiết kiệm đi rất nhiều.
ã Mặt khác với điện áp và công suất truyền tải nhất định trên đờng dây, thì
dòng điện và tổn hao đờng dây sẽ tỉ lệ nghịch với hệ số cos .
Đúng vậy, dòng điện chạy trên đờng dây là: I = P : U . cos , tổn thất công
suất trên điện trở dây dẫn là :
P = R dây . I2 = R dây P2 / U2 . cos2 .
Từ đây ta thấy rằng, nếu năng cao hệ số công suất của phụ tải, dòng điện và
tổn thất đờng dây sẽ giảm đi rất nhiều, và nh vậy có thể chọn dây dÉn cã tiÕt
diƯn nhá h¬n, tiÕt kiƯm chi phÝ h¬n.

7

Giải pháp nâng cao hệ số công suất của phụ tải.
Hiện nay, tát cả các phụ tải của các hộ tiêu thụ điện dân dụng hoặc hộ công
nghiệp đều có cả 3 tính chất : tính điện trở, tinh cảm kháng và tính điện dung ( nhỏ
hơn so với tính cảm kháng ). Muốn nâng cao hệ số công suất của phụ tải, ta phải
đấu các Tụ điện song song với nó. Theo lý thuyết, ta khảo sát mạch điện sau đây:
U
IC

Itd
I
I

f

Ipt

f'

Z

Ipt

C

IC
IC

Trong sơ đồ đấu dây trên, ta đấu song song các tụ điện với phụ tải, dòng điện
chạy qua phụ tải vẫn không đổi về trị số và góc pha. Nhng dòng điện chạy trên

đờng dây lúc này sẽ bằng tổng của dòng điện qua phụ tảI và dòng điện chạy qua
Tụ điện :
I = Ipt + Ic
Nhìn vào đồ thị vectơ trên, ta thấy dòng điện trên dây dẫn sau khi đợc bù I sẽ
nhỏ hơn dòng điện phụ tải Ipt ( là dòng điện chạy trên đờng dây trớc khi bù ).
Căn cứ vào đồ thị trên, ta có thể tính đợc trị số điện dung cần bù để nâng từ cos
lên cos . Công thức tÝnh trÞ sè nh− sau :
Ic = Ipkpt -- Ipk = I td ( tgϕ - tgϕ’ ) = P/U ( tg - tg )
Mặt khác : Ic = U / Xc = Uω C . Do ®ã rót ra :
C = P / U2ω (tgϕ - tgϕ’ )

KÕt luËn : Để nâng cao hệ số công suất của phụ tải phơng pháp tốt nhất
là ta cần phải đấu thêm Tụ điện song song với phụ tải, gọi là phơng pháp bù
bằng tụ điện tĩnh

8


B ) TÝnh to¸n thiÕt kÕ hƯ thèng bï hƯ số công suất.
1. Khảo sát tình hình thiết kế chế tạo các thiết bị điện phục vụ cho

việc nâng cao hệ số công suất của các phụ tải công nghiệp ở nớc
ngoài.
- Ngày nay, tất cả các quốc gia trên thế giới đều đà đa ra Chính sách tiết
kiệm năng lợng cho riêng đất nớc mình. Điện năng là dạng năng lợng không
thể tái tạo đợc. Với tốc độ phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp, trong
tơng lai gần, các quốc gia phát triển và đang phát triển sẽ thiếu điện một cách
nghiêm trọng. Vì vậy các quốc gia trên thế giới bên cạnh việc xây dựng thêm các
nhà máy phát điện mới, họ đà đa ra các chính sách cụ thể nhằm mục đích nâng
cao chất lợng phát dẫn điện và sử dụng điện một cách có hiệu quả.

- Một trong nhiều biện pháp tiết kiệm điện năng là nâng cao chất lợng của
phụ tải công nghiệp là đấu bù thêm các tụ điện xoay chiều để làm giảm tối thiểu
góc , nâng cao hệ số công suất.
- Với phơng pháp bù bằng tụ điện này, ngời ta phân ra làm 2 kiểu : Bù
trực tiếp cho phụ tải của từng hộ công nghiệp riêng rẻ và bù tập trung cho một
cụm công nghiệp và dân sinh.
- Bù trực tiếp ở các hộ công nghiệp, ngời ta thờng bï ë phÝa h¹ thÕ. HƯ
thèng bï cos ϕ phÝa hạ thế sở dĩ đợc áp dụng nhiều bởi vì : các linh kiện và thiết
bị nh Tụ điện xoay chiều; thiết bị đóng cắt; bộ điều khiển trung tâm đợc chế
tạo đại trà, có giá thành rẻ, dễ thiết kế chế tạo và lắp đặt.
- Bù bên phía cao thế ở các Trạm phân phối điện trung gian có phức tạp
hơn, chi phí rất cao vì tất cả các thiết bị và linh kiện đều phải là thiết bị trung thế.
Vả lại việc điều khiển đóng cắt các tụ điện cao thế cũng phức tạp và tính an toàn,
độ tin cậy yêu cầu phải rất cao.
- Tại các nớc có nền công nghiệp phát triển, có rất nhiều công ty chuyên sản
xuất các loại tụ điện cao và hạ thế phụ vụ cho việc bù hệ số công suất. Trớc đây,
việc thực hiện đóng cắt các tụ điện thờng đợc thực hiện bằng tay. Ngày nay
ngành tự động hoá rất phát triển nên các thiết bị điều khiển đóng cắt hoạt động
theo chế độ hoàn toàn tự động.
2. Tình hình nghiên cứu thiết kế chế tạo và sử dơng hƯ thèng bï

cosϕ ë trong n−íc.

- Theo c¸c quy định của ngành điện lực, các hộ sử dụng điện cho sản xuất
công nghiệp đều phải lắp đồng thời hai công tơ đo đếm điện năng là: Công tơ hữu
công và Công tơ vô công. Nếu cos nhỏ hơn 0,85 theo quy định của Ngành thì bắt
buộc các cơ sở sản xuất phảI mua lợng công suất phản kháng ( vô công ).. Vì vậy
hiện nay, tất cả các nhà máy xí nghiệp ở Việt nam đều phải lắp đặt hai loại công tơ
9

đo đếm điện năng là; công tơ hữu công và công tơ vô công. Hộ tiêu thụ nào không
cải thiện hệ số công suất của phụ tải, công suất phản kháng cao sẽ bị tính tiền. Do
đó việc lắp đặt thêm hệ thống bù tụ điện để nâng cao hệ số công suất là yêu cầu
cấp bách, nó mang lại nguồn lợi kinh tế rất lớn. Mỗi trạm biến áp yêu cầu cần phải
lắp đặt một tủ bù cos, vì vậy số lợng nhu cầu tủ bù là rất lớn.
- Thông qua tìm hiểu thị trờng trong cả nớc, hầu nh cha có đơn vị nào
sản xuất các thiết bị, linh kiƯn phơ vơ cho viƯc chÕ t¹o tđ bï nh : Tụ điện xoay
chiều dung lợng lớn ; Đặc biệt là bộ tự động điều khiển bù cos.
- Thông thờng các Nhà sản xuất đà mua các linh kiện thiết bị nhập ngoại để
lắp ráp và bán cho các hộ tiêu dùng điện. Nhiều năm nay, một số hÃng lớn của
nớc ngoài đà cung cấp các thiết bị linh kiƯn cho thÞ tr−êng ViƯt nam : Simen ;
Toshiba ; Hàn quốc ; Singapo ; Trung quốc
3. Tiêu chuẩn hoá dung lợng tủ bù cos.
Để thuận tiện trong việc sản xuất loạt lớn các loại Tủ bù, ngời ta đà đa ra dÃy
công suất cho phù hợp theo dÃy của tiêu chuẩn Máy biến áp điện lực.
3.1 Khảo sát tính chất phụ tải của các hộ tiêu thụ điện năng
- Khi tính toán công suất tiêu thụ điện của một nhà máy xí nghiệp nào đó, ta
phải thống kê toàn bộ các phụ tải theo nhóm tính chất : thuần trở ; cảm kháng và
thuần dung. Đồng thời ta cũng phải thống kê tất cả các hệ số công suất của từng
thiết bị đợc Nhà sản xuất công bố trên nhÃn máy để từ đó có thể tính ra hệ số
công suất tức thời trung bình của phụ tải.
- Thông thờng các loại phụ tải có trong các nhà máy xí nghiệp ở nớc ta
hiện nay nh sau :
ã Phụ tải thuần trở ấýCc loại đèn sợi đốt ; bếp điện, lò sấy, lò nhiệt luyện
cos = 1
ã Phụ tải cảm kháng : + Động cơ không đồng bộ : cos = 0,8 0,85
+ Động cơ ®ång bé: cosϕ = 0,95 - 1
+ M¸y biÕn ¸p ®iƯn lùc: cosϕ = 0,8 – 0,85
+ M¸y biÕn ¸p lò, hàn, mạ, cuộn kháng, khuếch đại

điện từ cos = 0,55 0,75
- Phụ tải luôn luôn thay đổi theo thời gian vì chế độ làm việc của các thiết bị
điện diễn ra không đồng thời, vì vậy hệ số công suất cũng luôn biến đổi.
- Qua khảo sát thực tế các nhà máy xí nghiệp công nghiệp ở nớc ta và tài
liệu của nớc ngoài, hệ số công suất cos trung bình nằm trong khoảng từ 0,8 đến
0,85 .
- Dựa vào tam giác công suất ở phần trên ta nhËn thÊy, mn cosϕ tiÕn tíi gÇn
b»ng 1 tøc là công suất tác dụng gần bằng công suất biểu kiến thì phải làm nhỏ
công suất phản kháng. Vì vậy để làm nhỏ công suất Q, ta phải đấu thêm Tụ điện C
song song với phụ tải. Công suất bù thêm này phải bằng 15 20 % công suất biểu
kiến S. Theo dÃy công suất Máy biến áp điện lực do tiêu chuẩn quy định và số
10


phần trăm công suất bù, ta đa ra dÃy dung lợng của Tủ hệ số công suất nhằm
tiêu chuẩn hoá phụ vụ cho việc sản xuất hàng loạt.
Tiêu chuẩn xí nghiƯp cđa Tđ bï cosϕ h¹ thÕ 400 V.
HiƯn nay ở nớc ta cha có TCVN nên Công ty sẽ ra tiêu chuẩn xí nghiệp để
áp dụng trong thời gian tới nhằm đáp ứng yêu cầu của Khách hàng.
Kiểu
TB 15 - 400
TB – 20 - 400
TB – 40 - 400
TB – 45 - 400
TB – 55 - 400
TB – 65 - 400
TB – 75 - 400
TB – 100 - 400
TB – 110 - 400
TB – 120 - 400

TB – 140 - 400
TB – 150 - 400
TB – 180 - 400
TB – 200 - 400
TB – 220 - 400
TB – 250 - 400
TB – 320 - 400
TB – 360 - 400

Dung lợng máy
biến áp ( kVA )
75
100
160
180
250
320
400
500
560
630
750
800
1000
1250
1600
1800
2000
2500

Dung lợng tủ bù
( kVAR )
15
20
40
45
55
65
75
100
110
120
140
150
180
200
220
250
320
360

Sè cÊp bï
6
6
6
6
6
6
6
6

6
6
6
6
12
12
12
12
12
12

Ghi chó : Dung l−ỵng cđa tđ bù có thể xê dịch so với bảng trên để dễ dàng
chọn trị số điện dung của tụ là một sè ch½n.

11


C ) Nghiên cứu thiết kế các tính năng của Tủ bù cos hạ thế.
1. Nguyên lí làm việc của Tủ bù hệ số công suất.
Nh ta đà biết ở phần trên, tất cả các phụ tải sinh hoạt và công nghiệp đều có
tính điện cảm, chúng luôn luôn thay đổi theo thời gian nên hệ số công suất của phụ
tải cũng luôn biến động theo thời gian. Vì vậy ta phải đấu thêm tụ bù để nâng cao
cos của phụ tải. Do hệ số công suất biến thiên theo thời gian nên dung lợng của
các tụ bù cũng thay đổi theo thời gian.
Trớc đây ngời ta thờng dùng cách bù cố định, tức là luôn luôn đấu song
song với một số lợng tụ điện nhất định trong suốt thời gian sử dụng điện. Cách
làm này có nhợc điểm lớn là: khi cos cao, các tụ điện vẫn làm việc, gây lÃng
phí, tuổi thọ của tụ suy giảm nhanh; khi cos xuống thấp quá, lợng tụ điện không
đủ bù nên hệ số công suất quá thấp sẽ phải bị tính tiền mua Công suất phản kháng.
Ngày nay do công nghiệp điện tử ngày càng phát triển, các bộ điều khiển tự

động đợc sản xuất đủ các tính năng để đóng cắt các tụ bù theo chu trình cài đặt
sẵn. Ta hÃy xem sơ đồ nguyên lí làm việc của Tủ bù sau đây ( sơ đồ 1 dây )
Ap.



K1
Z

K2

C1

Điều.khiển

C2


Tụ bù
Trong sơ đồ này: Z : Tổng phụ tải
Ap : Aptomat tổng
C : các tụ điện bù
K : các khởi động từ để đóng cắt các tụ điện
Bộ điều khiển trung tâm
Nguyên lí làm việc của tủ bù nh sau : Khi cos của phụ tải Z thay đổi tăng
hoặc giảm, Bộ điều khiển ghi giá trị cos thực của phụ tải, sau đó so sánh với giá
trị cos mong muốn ( đà đợc cài đặt trong Bộ vi xử lý), rồi điều khiển các rơle để
đóng hoặc cắt các tụ điện theo 1 tuần tự đà đợc mặc định s½n.

12

Nh− vËy ®èi víi tđ bï, bé phËn cùc kú quan trọng có ảnh hởng rất lớn tới
chất lợng làm việc của toàn bộ hệ thống bù hệ số công suất đó là Bộ điều khiển
trung tâm
2. Cấu tạo của Tủ bù hệ số công suất.
Cáu tạo của Tủ bù cos bao gồm phần sau đây:
ã Vỏ tủ: Vỏ tủ đợc làm bằng tôn 1,5 mm. Kết cấu tủ phù hợp với vị trí lắp
đặt: trong nhà hoặc ngoài trời. Toàn bộ vỏ đợc sơn tĩnh điện tránh gỉ sét.
ã Thiết bị đóng cắt nguồn: Sử dụng áptômát có sẵn trên thị trờng.
ã Các tụ bù: Hiện nay trong nớc cha có nơi nào sản xuất tụ bù hạ thế. Tơ bó
chđ u nhËp tõ Hµn qc; Singapo; NhËt vµ các nớc Châu âu. Có hai
loại phổ biến: Tụ đầu và Tụ khô. Cấp điện áp tới 450 VAC
ã Các khởi động từ dùng đẻ đóng cắt các tụ bù: Sản phẩm nhập ngoại. Laọi
khởi động từ có tự dập hồ quang, báo đảm số lẩn đóng cắt cao, không bị h
hỏng tiếp điểm
ã Trong một số trờng hợp Khách hàng có yêu cầu lắp thêm cuônk kháng
nhằm mục đích bảo vệ quá dòng khi các tụ bị sự cố ngắn mạch hoặc Tủ bù
bị sự cố ngắn mạch
ã Phần quan trọng nhất của Tủ bù và là quả tim điều khiển mọi hoạt động của
Tủ là Bộ điều khiển hệ số công suất. Phần này đợc tính toán thiết kế trong
phần dới đây.
3. Các tính năng kỹ thuật của Tủ bù cos
Các tính năng kỹ thuật cơ bản của Tủ bù phụ thuộc rất lớn vào các tính năng
của Bộ điều khiển do các Nhà sản xuất chế tạo. Thông qua tìm hiểu các loại điều
khiển bù hệ số công suất của nớc ngoài có bán trên thị trờng Việt nam, khi thiết
kế Tủ bù phải có các tính năng kỹ thuật cơ bản của Tủ bù nh sau :
ã Tủ phải có chức năng đóng cắt các tụ bù bằng tay hoặc hoàn toàn tự
động
ã Tủ phải đợc thiết kế với 6 hoặc 12 cấp bù cos

ã Tủ phải có chức năng tự động ghi lại giá trị cos thực tế, so sánh với
giá trị cos cài đặt lớn hơn hay nhỏ hơn bao nhiêu và từ đó tự động
đóng hoặc cắt các tụ điện theo một chu trình đợc lập trình sẵn.
ã Phải có chức năng luôn luôn hiển thị giá trị cos đà đợc bù
ã Hiển thị trạng thái đóng cắt của từng Tụ điện
ã Hiển thị tính chất của phụ tải: tính điện cảm; tính điện dung
ã Hiển thị các kí hiệu mặc định của các tính năng khi cài đặt bộ điều
khiển.
13


ã Hiển thị báo lỗi khi quá dòng hoặc quá áp và đấu sai mạch làm việc ở
trong tủ
ã Cuối cùng Tủ phải có kết cấu phù hợp cho việc lắp đặt ở trong nhà
hoặc ngoài trời; phải bảo đảm độ cách điện, an toàn cao theo đúng các
tiêu chuẩn, quy định hiện hành

14


Phần thứ hai
Thiết kế bộ điều khiển tự động hệ số công suất PFC-09
1. Yêu cầu chung về đặc tính, cấu tạo của bộ điều khiển hệ số
công suất PFC-09
Đặc tÝnh kü tht cđa bé PFC-09 :
Bé ®iỊu khiĨn PFC-09 là bộ điều hành vi xử lí, nó đợc thiết kế đáp ứng các
đặc tính và yêu cầu kỹ thuật của Tủ bù hệ số công suất nh đà nêu ở phần trên. Vì
vậy các đặc tính của bộ điều khiển PFC-09 nh sau :
ã Điện áp làm việc 220 V.AC hoặc 380 V.AC
ã Tần số làm việc 50 hoặc 60 Hz

ã Hệ số công suất mục tiêu có thể thiết lập trong 1 dải rộng từ giá trị chậm
0,80 đến giá trị vợt trớc 0,90
ã Các bớc điều chỉnh đợc thiết kế là 6 bớc ( cấp ) hoặc 12 cấp
ã Thời gian đóng trễ của tụ điện là 45 giây; 3 phút và 9 phút
ã Hệ số công suất mục tiêu cần phải đạt đợc nhanh khi thay ®ỉi thêi gian
®ãng mµ nã phơ thc vµo c−êng ®é của công suấtphản kháng
ã Chuỗi đóng- cắt tụ điện có thể lựa chọn theo các kiểu tăng-giảm hoặc kiểu
mạch vòng tròn
ã Hệ số công suất mục tiêu đợc cài đặt bằng 3 cấp : 0,85 ; 0,9 và 0,95
ã Phần hiển thị phải có :
+ Luôn luôn hiện số giá trị cos thực của phụ tải
+ Hiển thị trạng thái đóng của các tụ điện
+ Hiển thị tính chất của phụ tải : điện cảm; điện dung
+ Hiển thị các giá trị khi lập trình cài đặt
+ Báo lỗi : quá dòng ;quá áp; đấu ngợc cực tính máy biến dòng đầu vào
Kết cấu của bộ điều khiển hệ số công suất PFC-09 :
Là thiết bị điện dạng đồng hồ, dùng để lắp đặt trên tủ bảng điện nên kích
thớc và hình dáng phải theo các tiêu chuẩn quy định , không gian bên trong phải
đợc tận dụng tối đa để lắp đặt các linh kiện điện tử .
Cấu tạo của bộ PFC-09 đợc thiết kế chia thành 2 khối:
ã Khối đầu vào-ra và cấp nguồn : Khối này nằm toàn bộ trên 1 tấm mạch in 2
lớp, bao gồm các chi tiết, linh kiện cơ bản : Thanh đầu nèi d©y ( terminal )
15


của Đầu vào và Đầu ra ; Máy biến áp cấp nguồn nuôi1 chiều cho các IC ;
Biến dòng dùng để biến dòng điện 5A thành giá trị thấp để đa tín hiệu
dòng điện IC năng lợng và các Rơle cách ly của đầu ra.
ã Khối vi xử lí và hiển thị : Toàn bộ linh kiện đợc lắp đặt trên panen mạch in
2 lớp, bao gồm : IC năng lợng ; Bộ xử lí trung tâm ; Đèn LED hiển thị

thông số cos; điot phát quang hiển thị các trạng thái làm việc của Tụ điện
và báo các lỗi của mạch và các bàn phím lập trình.
Hai khối này đợc liên kết với nhau thông qua các jắc cắm , đợc lắp đặt toàn
bộ trong vỏ đồng hồ.
2. Thiết kế phần cứng của bộ điều khiển tự động hệ số công suất.
2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PFC-09

0
A

Phụ tải

B
C

Biến dòng/5A

Hiển thị thông số
Và các đèn báo chỉ thị

IC năng luợng
chuyên dụng
ADE7753

Nguồn cấp
220VAC/5VDC

Bộ xử lí - thu thập
dữ liệu trung tâm
ATMEGA-8515

Bàn phím lập trình

16

Đầu ra Rơle
điều khiển


2.2 Bản vẽ nguyên lí và bản vẽ mạch in của PFC-09
Bộ điều khiển có 2 mạch chính đợc thiết kế trên phần mềm chuyên dụng,
gồm:
- Mạch đo lờng và tính toán
- Mạch nguồn và mạch điều khiển các rơle
( Xem bản vẽ kèm theo trang sau đây )
Hình ảnh hai blok cđa Bé ®iỊu khiĨn PFC-09

17


18


2.3 Thiết kế phần cấp nguồn
Nh ta đà biết, để đo đợc cos của phụ tải, phải có hai đại lợng: dòng điện
và điện áp của phụ tải đợc đa cùng đồng thời vào thiết bị đo. Theo sơ đồ khối
đợc thiết kế nh trên, thì 2 đại lợng điện đợc đa vào PFC-09 nh sau:
ã Cấp nguồn điện áp: Điện áp của Tủ bù là 3 pha 380V lấy từ lới 3 pha 3
dây hoặc 3 pha 4 dây. Cho nên điện áp đầu vào của Biến áp nguồn nuôi cho
PFC-09 đợc thiết kế định mức là 220V hoặc 380V và điện áp đầu ra của

Biến áp là 5V 1 chiều. Mạch chỉnh lu này đợc thiết kế bao gồm: nắn
dòng; lọc và ổn áp nên chất lợng tín hiệu đầu ra bảo đảm tốt. Tín hiệu này
đợc đa vào IC năng lợng và IC xử lí trung tâm.
ã Cấp nguồn dòng điện: Để lấy tín hiệu dòng điện phụ tải để đa vào bộ điều
khiển, ta phải lấy dòng bên mạch thứ cấp của CT là 5A. Nhng giá trị của
đại lợng này quá lớn, bắt buộc phải biến đổi thành dòng điện nhỏ hơn thích
hợp cho mạch điện tử ( cỡ vài trăm mA )
ã Về mặt lí thuyết, giá trị điện dung C cần bù phải tỉ lệ thuận với công suất
Phụ tải Z , nhng phụ tải luôn thay đổi theo thời gian, vì vậy Bộ điều khiển
phảI điều khiển Đóng Cắt số tụ cho phù hợp. Mặt khác dung lợng của Tủ
bù cũng khác nhau, nên bộ điều khiển phải đợc cài đặt tín hiệu dòng đầu
vào khác nhau tuỳ theo tỉ số biến dòng của phụ tải. Hệ số điều chỉnh này
đợc gọi là Giá trị C/ K, và đợc tính theo c«ng suÊt sau :
C/K = C1 x 1000 / N x V x 3 ( Ampe )
Trong công thức này: C1 : giá trị điện dung của tụ điện đầu tiªn ( kVAR )
N : TØ sè biÕn cđa CT phụ tải
V : Điện áp dây ( V )
Thông thờng khi lắp đặt, ngời ta phải tính toán giá trị C/K để nạp vào con
IC năng lợng. Gần đây IC năng lợng chuyên dụng này đà đợc cải tiến nên nó
hoàn toàn làm việc tự động theo sự thay đổi giá trị C/K.
2.4 Thiết kế phần ghi các thông số đầu vào
Việc đo và ghi lại toàn bộ các thông số của các đại lợng điện của đầu vào
đợc thực hiện bởi 1 con IC gọi là IC năng lợng chuyên dụng kí hiệu ADE
7753.
2.4.1 Các tính năng của chip đo năng lợng ADE7753 của hÃng Analog
Devies:
ã Dáp ứng theo tiêu chuẩn IEC60687/ 61268
ã Sai số điện năng tác dụng nhỏ hơn 0,1%
ã Đo điện năng tác dụng; phản kháng toàn phần
19

ã
ã
ã
ã

Đo dòng điện tần số công nghiệp chính xác tới 0,5%
Đo điện áp tần số công nghiệp chính xác tới 0,5%
Xung đầu ra tần số cao
Chuẩn giao tiếp SPI

Đầu vào của IC này là Dòng điện pha và Điện áp pha của phụ tải. Nó đợc
khởi tạo điều khiển và thiết lập bởi hệ thống xử lí trung tâm. Đầu ra của nó sau khi
đà đợc xử lí là những thanh ghi dữ liệu có chứa các thông tin về mạch điện đang
hoạt động nh sau :
ã Hệ số công suất
Cất ở dạng thanh ghi
ã Tần số lới điện
Cất ở dạng thanh ghi
ã Dòng điện tiêu thụ của phụ tải
Cất ở dạng thanh ghi
ã Điện áp pha

ã Báo đặc tính tải ( điện dung hay điện cảm )

ã Báo chiều công suất
Cất ở dạng thanh ghi
2.4.2 Mô tả các thanh ghi ( Có tài liệu của Nhà sản xuất cung cấp )
Mỗi khi cần giám sát, xử lí các kết quả đo, hệ thống xử lí trung tâm chỉ cần

thiết lập giao diện truyền thông theo chuẩn SPI. Toàn bộ các dữ liệu về các thông
số của mạch điện sẽ đợc đa về bộ xử lí trung tâm để tính toán và đa ra các lệnh
điều khiển tơng ứng cho các rơle đầu ra hoạt động ( đóng hoặc cắt ).
2.5 ThiÕt kÕ phÇn vi xư lÝ – thu thËp dữ liệu trung tâm
Trong phần xử lí số liệu ta dùng con chíp ATMEGA-8515. Đây là bộ vi xử lí
8 Kbit, cã tèc ®é xư lÝ nhanh ( 8 MHz ), độ tin cậy và an toàn cao.
2.5.1 Các tính năng kỹ thuật của vi xử lí ATMEGA-8515:
ã Vi điều khiển AVR 8 bit, tốc độ nhanh, tiết kiệm năng lợng
ã Kiến trúc RISC: 130 lệnh, thực hiện trong cùng 1 chu kú m¸y; 32 x 8 thanh
ghi dïng chung; Có tới 16 đầu vào MIPS tần số 16 Hz; Bộ nhấn đeôI chu kỳ
on chip
ã Bộ nhớ chơng trình ổn định: 8K bit bộ nhớ flash với 10.000 lần đọc / xoá;
512 bit EEPROM với 10.000 lần đọc/ xoá; 512 bit SRAM nội; 65K bit
không gian nhớ ngoài có thể lựa chọn
ã Ngoại vi: Có bộ đếm thời gian; Giao tiếp USA RT lập trình đợc;Bộ so sánh
ânlog
ã Các tính năng đặc biệt: Bộ giao động nội; Nguồn ngắt nội và ngoại
ã Chân vào ra: 35 cổng vào ra lập trình đợc
ã Tần số thạch anh

20


2.6 Thiết kế phần hiển thị thông số và các đèn cảnh báo
Phần hiển thị của bộ điều khiển hệ số công suất PFC-09 đợc thiết kế và lắp
đặt các loại đèn LED sau đây:
ã LED 7 thanh, màu đỏ, kÝch th−íc to 8 x 15 mm : lu«n lu«n hiển thị hệ số
cos và hiển thị các kí hiệu khi cài đặt chơng trình
ã LED tròn, loại diot phát quang : Báo trạng thái tác động của các tụ ®iƯn (
®Ìn bËt ®á th× tơ C ®ang ®ãng ); Báo đặc tính tải : điện dung hay điện cảm ;

Báo các lỗi nh phần nêu trên.
2.7 Thiết kế phần lập trình
Để phụ vụ cho việc lập trình, ta sử dụng bàn phím, thật ra các chơng trình để
Khách hàng cài đặt rất đơn giản cho nên cấu tạo bàn phÝm kh«ng nhiỊu chØ cã 3
chiÕc nut bÊm : 01 chiếc để cài đặt lại tính năng ; 1 chiếc Tăng và 1 chiếc Giảm.
Các thông số đợc lập trình trên bàn phím gồm :
ã Cấu hình mạng điện sẽ sử dụng
ã Giá trị cos mục đích ( giá trị hệ số công suất mong muốn sau khi bù )
ã Thời gian trễ
ã Chuỗi đóng cắt
ã Chế độ cảnh báo
ã Số cấp đóng cắt của tụ điện
ã Tỉ lệ điện dung của dÃy Tụ điện
2.8 Thiết kế phần đầu ra
ã Phía đầu ra đợc thiết kế lắp đặt các rơle cách ly dùng để đóng cắt các cuộn
dây hút của khởi động từ, điều khiển các tụ làm việc theo chơng trình đÃ
cài đặt. Các rơle này có điện áp định mức 250V và dòng 5A.
ã Chuỗi đóng cắt : Các rơle sẽ đợc điều khiển đóng hoặc cắt các tụ điện theo
một dạng chuỗi làm việc nhất định khi thiết kế. Thông thờng có hai loại
chuỗi đóng cắt nh sau:
+ Kiểu Lên xuống hay còn gọi là kiểu Cuối vào Đầu ra ( Last-in-Firstout ): Một tụ điện đợc đóng cuối cùng sẽ đợc cắt trớc; và Tụ cắt sau
cùng sẽ là đợc đóng trớc.
+ Kiểu Vòng tròn hay còn gọi là kiểu Đầu vào Đầu ra ( First-in-First-out ):
Một tụ cắt trớc sẽ đợc đóng trớc.
ã Tỉ số các cấp đầu ra : Để cho việc bù cos tăng lên hoặc giảm xuống đợc
đều đặn và mịn màng, ta phải lắp đặt các tụ có tỉ điện dung sao cho thật hợp
lý để bộ điều khiển ra lệnh đóng hoặc cắt không bị dật cục làm ảnh h−ëng
21

tới Tụ điện, gây chóng hỏng. Thông thờng có 3 kiểu bố trí các tụ điện ở 6
hoặc 12 cấp theo tØ lƯ sau:
+ C¸c cÊp b»ng nhau : 1:1:1:1:1:1 tức là giá trị điện dung của các cấp bằng
nhau.
+ Kiểu đa cấp 1: 1:2:2:2:2:2 tức là trị số điện dung của các Tụ điện từ vị
trí thứ hai đến vị trí thứ sáu đều bằng nhau và gấp đôI giá trị của Tụ thứ
nhất. Ví dụ: 20kVAR; 40kVAR; 40kVAR; 40kVAR; 40kVAR; 40kVAR
+ KiĨu ®a cÊp 2 : 1:2:4:8:8:8 tøc là Tụ thứ hai gấp đôi Tụ thứ nhất; Tụ thứ
ba gấp đôi Tụ thứ hai và Tụ thứ t gấp đôi Tụ thứ ba; Cuối cùng các Tụ còn
lại gièng nh− Tô thø t−. VÝ dô : 10 kVAR; 20kVAR; 40kVAR; 80kVAR;
80kVAR; 80kVAR

22


3. Thiết kế phần mềm của Bộ điều khiểnhệ số công suất PFC-09
3.1 Lu đồ thuật toán sử dụng viết phÇn mỊm cho PFC-09

Bắt đầu
Khởi tạo
ATMEGA8515
Khởi tạo
Đọc ra các chế độ
cài đặt, điều
khiển từ
Đọc giá trị, và
tính tốn Cosphi
Xử lí đóng cắt tụ
Hiển thị Giá trị
Cosphi thực

No
Phím bấm
Ye
Xử lí phím
ấ
Cài đặt các thông
ố
Kết thúc

23


SƠ ĐỒ KHỐI XỬ LÝ ĐÓNG CẮT TỤ BÙ

Bắt đầu

No

Đếm thời gian cài
đặt đóng cắt
Ye
Reset biến đếm

Ye

Cos thực > Cos đặt

Cắt bớt tụ bù theo
chế độ cài đặt

No
Đóng thêm tụ bù
theo chế độ cài

Kết

2.Liệt kê chương trình.
This program was produced by the
CodeWizardAVR V1.24.6 Standard
Automatic Program Generator
© Copyright 1998-2005 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.

e-mail:
Project :
Version :
Date : 5/26/2009
Author : BUI NGOC THANH
Company : CTBT-VATLIEUDIEN
Comments:
24