Nghiên cứu, thiết hế hệ thống điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng thyristor

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BỐ CỤC LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên:

Trần Xuân Dũng

Đơn vị công tác:

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐHTN

Cơ sở đào tạo:

Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – ĐH Thái
Nguyên

Chuyên ngành đào tạo: Kỹ thuật Điện tử
Khóa học:

2015 - 2017

Tên đề tài:

“Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng
thyristor”.
Mã ngành:

60520203

Người hướng dẫn:

PGS.TS. Nguyễn Duy Cương

I. Lý do chọn đề tài
Công suất tác dụng đặc trƣng cho khả năng sinh ra công hữu ích của thiết
bị, đơn vị W hoặc kW. Công suất phản kháng không sinh ra công hữu ích nhƣng
nó lại cần thiết cho quá trình biến đổi năng lƣợng, đơn vị VAR hoặc kVAR.
Công suất tổng hợp cho 2 loại công suất trên đƣợc gọi là công suất biểu kiến,
đơn vị VA hoặc KVA. Tỷ lệ giữa công suất tác dụng và công suất biểu kiến gọi
là hệ số công suất cosφ. Hệ số cosφ này liên quan đến tổn hao công suất, tổn thất
điện áp trên đƣờng truyền.
Để giảm tổn thất điện năng, tăng sự ổn định và hiệu quả truyền tải điện ta
cần nâng cao hệ số công suất cosφ – vấn đề này đã và đang đƣợc nhiều nhà
nghiên cứu quan tâm. Một trong các giải pháp thƣờng đƣợc đƣa ra là nâng cao
hệ số công suất cosφ gián tiếp thông qua giá trị điện áp và dòng điện phản hồi.
Nghiên cứu này đề xuất thiết kế hệ thống điều khiển cho thiết bị bù tĩnh có phản
hồi là hệ số công suất cosφ. Bằng cách xây dựng mô hình toán cho đối tƣợng
điều khiển, dựa trên cơ sở đó ta thiết kế bộ điều khiển thay đổi góc mở.
i


thyristor, điều chỉnh dung lƣợng bù của tụ bù phù hợp với tính chất và
dung lƣợng của tải. Giải pháp đƣợc làm rõ thông qua việc mô phỏng hệ thống

trên phần mềm Matlab/ Simulink.
Với những phân tích đã nêu, em thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ
thống điều khiển thiết bị bù cosφ tĩnh sử dụng thyristor”
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
- Nguyên lý làm việc của hệ thống bù cos phi tĩnh sử dụng thyristor
- Xây dựng mô hình toán của đối tƣợng điều khiển
- Thiết kế cấu trúc hệ thống điều khiển
- Tính toán thông số bộ điều khiển PID
- Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lƣợng hệ thống
- Triển khai thử nghiệm trên mô hình thực
3. Kết quả dự kiến.
- Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lƣợng hệ thống.
- Triển khai thử nghiệm trên mô hình thực.
4. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
- Các phƣơng pháp bù cos (bù công suất phản kháng);
- Nguyên lý làm việc của hệ thống bù cos phi tĩnh sử dụng thyristor;
- Bộ biến đổi xoay chiều/Xoay chiều 03 pha tải phụ tải R – L;
- Mạch điều khiển pha xung tƣơng tự 03 pha;
- Bộ điều khiển PID tƣơng tự dùng khuếch đại thuật toán;
- Sensor cos phi.
- Mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lƣợng hệ thống trên nền
Matlab/Simulink.
5. Công cụ, thiết bị nghiên cứu.
- Xây dựng mô phỏng, hiệu chỉnh thông số, đánh giá chất lƣợng hệ thống
trên nền Matlab/Simulink.
ii


- Xây dựng hệ thống bù cosφ tĩnh sử dụng thyristor thử nghiệm.
- Sensor cosφ.

- Tải động cơ.
- Tụ điện bù.
6. Bố cục đề tài.
Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và hƣớng phát triển, Tài liệu tham
khảo, Phụ lục, luận văn bao gồm 5 chƣơng sau:
Chƣơng 1: Hệ số công suất và các yếu tố ảnh hƣởng tới hệ số công suất.
Chƣơng 2: Các phƣơng pháp bù CSPK nâng cao hệ số công suất.
Chƣơng 3: Thiết kế cấu trúc hệ thống điều khiển cho hệ thống bù công
suất phản kháng kiểu tĩnh FC-TCR và DSVC.
Chƣơng 4: Kết quả thực nghiệm.
7. Kế hoạch thực hiện
Toàn bộ nội dung của luận văn đƣợc thực hiện trong 6 tháng kể từ ngày
có quyết định. Kế hoạch thực hiện đƣợc cụ thể nhƣ sau:

STT

Nội dung nghiên cứu

Thời gian
thực hiện

1

Nghiên cứu tính chất của phụ tải đến cosφ

20 ngày

2

Nghiên cứu về các phƣơng pháp bù cosφ

20 ngày

3

4

5

Nguyên lý làm việc của hệ thống bù cosφ
tĩnh sử dụng Thyristor
Xây dựng mô hình toán của đối tƣợng điều
khiển;
Thiết kế điều khiển, mô phỏng, hiệu chỉnh
thông số, đánh giá chất lƣợng hệ thống;

Ghichú

20 ngày

1 tháng

1 tháng

iii


6
7
8

Xây dựng hệ thống thực nghiệm.
Tiến hành thực nghiệm, hiệu chỉnh, đánh giá
kết quả.
Hoàn thiện luận văn

1 tháng
20 ngày
20 ngày

Học viên

Trần Xuân Dũng

iv


LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Trần Xuân Dũng
Học viên: Lớp cao học K18, Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại
học Thái Nguyên.
Nơi công tác: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái
Nguyên.
Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển
thiết bị bù cos phi tĩnh sử dụng thyristor”.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Tôi xin cam đoan những vấn đề đƣợc trình bày trong bản luận văn này là
những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dƣới sự hƣớng dẫn của
PGS.TS. Nguyễn Duy Cƣơng và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện tử,
Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Nội dung đóng

góp chính của luận văn đƣợc trình bày trong chƣơng 3,4. Mọi thông tin trích dẫn
trong luận văn này đã đƣợc ghi rõ nguồn gốc.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 8 tháng 8 năm 2017
Học viên thực hiện

Trần Xuân Dũng

v


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận
đƣợc sự hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Nguyễn Duy Cƣơng, ngƣời
trực tiếp hƣớng dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và
sâu sắc tới thầy.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trƣờng
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ
tốt nhất để tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Tôi cũng xin chân thành
cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cung lớp động viên và giúp đỡ tôi
trong quá trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan
xí nghiệp đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận
văn.
Cuối cùng, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng
nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tôi trong
suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 8 tháng 8 năm 2017
Học viên

Trần Xuân Dũng

vi


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1: HỆ SỐ CÔNG SUẤT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI HỆ
SỐ CÔNG SUẤT .................................................................................................. 3
1.1.Công suất & hệ số công suất ........................................................................... 3
1.1.1. Giới thiệu về các loại công suất .................................................................. 3
1.1.2. Hệ số công suất ........................................................................................... 4
1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất ........................................................................... 4
1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới hệ số công suất...................................................... 5
1.4. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất .................................................... 7
1.4.1. Giảm tổn thất công suất trong mạng điện ................................................... 7
1.4.2. Giảm tổn thất điện áp trong mạng điện ....................................................... 7
1.4.3. Tăng khả năng truyền tải của đƣờng dây và máy biến áp........................... 7
Kết luận chƣơng 1 ................................................................................................. 8
CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT .................................... 9
PHẢN KHÁNG (CSPK) NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT ............................ 9
2.1. Các phƣơng pháp bù CSPK nâng cao hệ số công suất truyền thống ............. 9
2.1.1. Phƣơng pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên ................................................ 9
2.1.2. Phƣơng pháp nâng cao hệ số cos nhân tạo ............................................. 12
2.1.3. Vị trí đặt thiết bị bù ................................................................................... 19
2.1.4. Xác định dung lƣợng bù ............................................................................ 20
2.2. Phƣơng pháp bù CSPK nâng cao hệ số công suất đề xuất ........................... 24
2.2.1. Bù CSPK sử dụng cấu trúc FC-TCR......................................................... 26
2.2.2. Bù CSPK sử dụng cấu trúc đề xuất DSVC ............................................... 27
Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................... 31
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN CHO HỆ THỐNG BÙ CSPK KIỂU TĨNH FC-TCR VÀ DSVC ......... 32
3.1. Thiết kế hệ thống điều khiển bù CSPK kiểu tĩnh FC-TCR ......................... 32
3.1.1. Mô hình hóa hệ thống bù CSPK ............................................................... 32
3.1.2. Tính toán giá trị tụ bù cố định FC ............................................................. 33
vii


3.1.3. Tính toán giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR .......................................... 35
3.1.4. Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor (α), và
việc bù CSPK ...................................................................................................... 35
3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển bù lai DSVC .................................................. 36
3.2.1. Khối đo lƣờng ........................................................................................... 37
3.2.2. Khối điều khiển ......................................................................................... 39
3.3. Kết quả mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink .................... 42
3.3.1. Mô phỏng hệ thống bù công suất phản kháng FC-TCR ........................... 42
3.3.2. Mô phỏng hệ thống bù lai DSVC cho hệ thống điện một pha .................. 47
Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................... 50
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ........................................................ 51
4.1. Hệ thống bù CSPK kiểu tĩnh một pha .......................................................... 51
4.2. Kết quả thực nghiệm .................................................................................... 52
Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................... 55
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................................. 56
 Kết luận ......................................................................................................... 56
 Kiến nghị ....................................................................................................... 56
 Hƣớng nghiên cứu tiếp theo.......................................................................... 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 58

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Tam giác công suất................................................................................. 4
Hình 2.1 Bộ bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhauvà các bộ đóng
ngắt contactor, rơ le ............................................................................................. 13
Hình 2.2 Tủ tụ bù trong thực tế ........................................................................... 14
Hình 2.3 Hệ thống tủ tụ bù đƣợc lắp đặt trong thực tế ....................................... 15
Hình 2.4 Cấu trúc SSSC ...................................................................................... 16
Hình 2.5 Cấu trúc TCSC ..................................................................................... 17
Hình 2.6 Cấu trúc STATCOM ............................................................................ 17
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của STATCOM ........................................ 18
Hình 2.8 Sơ đồ mạng lƣới bù CSPK ................................................................... 20
Hình 2.9 Dung lƣợng bù CSPK .......................................................................... 21
Hình 2.10 Sơ đồ bù CSPK .................................................................................. 22
Hình 2.11 Sơ đồ bù CSPK .................................................................................. 23
Hình 2.12 Đặc tính V-I của SVC ........................................................................ 25
Hình 2.13 Cấu trúc FC-TCR ............................................................................... 26
Hình 2.14 Cấu trúc bù CSPK sử dụng các chuyển mạch cơ khí......................... 28
Hình 2.15 Nguyên lý hoạt động của bù CSPK sử dụng thiết bị chuyển mạch cơ
khí ........................................................................................................................ 29
Hình 2.16 Cấu trúc phƣơng pháp bù lai DSVC đề xuất...................................... 31
Hình 3.1 Mô hình hóa của hệ thống bù CSPK FC-TCR ..................................... 32
Hình 3.2 Sơ đồ mạch TCR .................................................................................. 33
Hình 3.3 Sơ đồ mạch đo hệ số công suất sử dụng vi điều khiển PIC ................. 38
Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc của khối điều khiển trong hệ thống bù lai DSVC ........ 39
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống bù lai DSVC ....................... 39
Hình 3.6 Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ........................................................ 40
Hình 3.7 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn ................................................... 41
Hình 3.8 Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth ...................................................... 42
Hình 3.9 Sơ đồ mô phỏng hệ thống bù CSPK FC-TCR trên phần mềm
Matlab/Simulink .................................................................................................. 43

ix


Hình 3.10 Điện áp điều khiển Udk(V), và đáp ứng cos của hệ thống ............... 45
Hình 3.11 Điện áp điều khiển Udk(V), và đáp ứng cos của hệ thống
(khi QL tăng thêm 50%) ...................................................................................... 45
Hình 3.12 Xung kích mở thyristor và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh TCR
............................................................................................................................. 46
Hình 3.13 Xung kích mở thyristor và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh TCR
(Khi QL tăng thêm 50%)...................................................................................... 46
Hình 3.14 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/simulink của hệ thống bù lai DSVC ... 47
Hình 3.15 Đáp ứng hệ số công suất, tín hiệu điều khiển và sai số cosφ ............. 48
Hình 3.16 Xung kích mở thyristor, dòng điện qua nhánh TCR, góc lệch pha giữa
điện áp và dòng điện từ 0s đến 0.2s. ................................................................... 48
Hình 3.17 Xung kích mở thyristor, dòng điện qua nhánh TCR, góc lệch pha giữa
điện áp và dòng điện từ 0.4s đến 0.6s. ................................................................ 49
Hình 3.18 Xung kích mở thyristor, dòng điện qua nhánh TCR, góc lệch pha giữa
điện áp và dòng điện từ 0.98s đến 1.18s. ............................................................ 49
Hình 4.1 Tủ điều khiển hệ thống bù CSPK FC-TCR một pha thực tế ............... 51
Hình 4.2 Tủ bù thực tế của hệ thống FC-TCR .................................................... 52
Hình 4.3 Kết quả trên máy hiện sóng xung kích mở thyristor ............................ 53
Hình 4.4 Điện áp tƣơng ứng với góc kích mở thyristor ...................................... 53
Hình 4.5 Giá trị cosφ sau khi bù hiển thị trên LCD ............................................ 54

x


DANH MỤC VIẾT TẮT

Chữ viết

tắt

Tên tiếng Anh

Tên tiếng Việt

CSPK

Công suất phản kháng

CSTD

Công suất tác dụng
Dynamic - Static Var
Compensation
Flexible alternating current
transmission systems

Bộ bù kết hợp phƣơng
pháp bù tĩnh và bù động
Các hệ thống truyền tải
dòng điện xen kẽ linh hoạt

FC

Fixed Capacitor

Tụ điện cố định

FC-TCR

Fixed Capacitor - Thyristor
controller Reactor

Tụ cố định – cảm điều
khiển đƣợc

PF

Power factor

Hệ số công suất

SSSC

Static Synchronous Series
Controllers

Bộ điều khiển bù tĩnh
đồng bộ nối tiếp
Bộ bù tĩnh đồng bộ mắc
song song

DSVC
FACTS

STATCOM Static Synchronous Compensator

Bù công suất kiểu tĩnh

SVC

Static Var Compensation

TCR

Thyristor controller Reactor

TCSC

Thyristor Controlled Series
Compensation

TSC

Thyristor Switched Capacitor

VAr

Volt-ampere reactive

VSC

Voltage Source Converter

Bộ biến đổi điện áp

EAF

Electric Arc Furnace

Lò hồ quang điện

Thyristor điều khiển công
suất phản kháng
Bộ bù bằng tụ mắc nối tiếp
điều khiển bằng thyristor
Thyristor điều khiển điện
dung cung cấp
Đơn vị công suất phản
kháng

xi


MỞ ĐẦU
Hiê ̣n nay, năng lƣơ ̣ng điê ̣n l à nguồn năng lƣợng chủ yếu phục vụ t rong sản
xuấ t và đời số ng , do đó vấ n đề nâng cao chấ t lƣơ ̣ng điê ̣n năng là yêu cầ u cấ p
thiế t. Trong các yế u tố ảnh hƣởng đế n ch ất lƣợng điện năng, cos là một yếu tố
quan tro ̣ng có ảnh hƣởng lớn đế n tổ n hao công suấ t và tổ

n thấ t điê ̣n áp khi

truyề n tải điê ̣n năng.
Hê ̣ số công suấ t cos  là tỉ số giữa công suất tác dụng và công suất toàn
phầ n (hay còn đƣơ ̣c go ̣i là công suấ t biể u kiế n ) trong quá trình truyề n tải điê ̣n
năng. Công suất tác dụng đặc trƣng cho khả năng sinh ra công hữu ích của thiết
bị, đơn vị W hoặc kW. Công suấ t toàn phầ n là tích số của điê ̣n áp và dòng điê ̣n
trên đƣờng dây truyề n tải điê ̣n năng và bằ ng

2 của tổng bình phƣơng công suấ t

tác dụng và bình phƣơng công suấ t phản kháng . Công suất phản kháng không
sinh ra công hữu ích nhƣng nó lại cần thiết cho quá trình biển đổi năng lƣợng,
đơn vị VAR hoặc kVAR. Thông thƣờng cosφ có giá trị nhỏ hơn 1, do có sƣ̣ xuấ t
hiê ̣n của thành phầ n công suấ t ph ản kháng. Về lý thuyết cosφ bằ ng 1 là tốt nhất,
khi đó , công suấ t tác du ̣ng sẽ bằ ng với công suấ t toàn phầ n

. Khi thành phầ n

công suấ t phản kháng xuấ t hiê ̣n, sẽ làm cho công suất toàn phần tăng dẫn đến hệ
số công suấ t cos phi giảm khi cùng truyền một công suấ t tác du ̣ng tƣ̀ nguồ n đế n
tải thì dòng điện trên đƣờng dây tăng. Khi dòng điê ̣n trên đƣờng dây tăng sẽ làm
cho công suấ t toàn phầ n tăng , mà công suất tác dụng không đổi , có nghĩa công
suấ t phản kháng tăng làm tăng tổn hao công suất trên điện trở đƣờng dây và sụt
điê ̣n áp trên tổ ng trở đƣờng dây , giảm chất lƣợng điện năng . Để giảm tổ n hao
công suấ t và tổ n thấ t điê ̣n áp trong quá trình truyề n tải điê ̣n năng thì viê ̣c nân

g

cao hê ̣ số công suấ t cosφ trở nên cấ p thiế t. Để nâng cao hê ̣ số công suấ t cosφ, thì
phải giảm công suất phản kháng bằng cách đƣa thêm vào hệ thống điện m

ột

lƣơ ̣ng công suấ t phản kháng ngƣơ ̣c với lƣơ ̣ng công suấ t phản kháng mà tải tiêu
thụ. Phƣơng pháp này gọi là bù hệ số công suất (bù công suất phản kháng).
1

Trong thƣ̣c tế , có nhiều phƣơng pháp bù công suất phản kháng đã và đang
đƣơ ̣c áp du ̣ng. Trong đó, phƣơng pháp sƣ̉ du ̣ng các bô ̣ biế n đổ i bằ ng thyristor có
nhiề u ƣu thế vƣơ ̣t trô ̣i : thiế t bi ̣bù tiñ h có khả năng điề u chin̉ h trơn dung lƣơ ̣ng
bù, thời gian đáp ƣ́ng nhanh. Tuy nhiên, việc điều khiển thiết bị bù bằng sử dụng
thyristor là tƣơng đối phức tạp và chất lƣợng bù phụ thuộc nhiều vào thuật toán
điều khiển. Luận văn đặt mục tiêu nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển
thiết bị bù sử dụng thyristor
Với những phân tích đã nêu, em thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ
thống điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng thyristor”

2


CHƢƠNG 1: HỆ SỐ CÔNG SUẤT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG TỚI
HỆ SỐ CÔNG SUẤT
1.1.Công suất & hệ số công suất
1.1.1. Giới thiệu về các loại công suất
Công suất tác dụng P:
Đặc trƣng cho khả năng biến đổi năng lƣợng điện thành các dạng năng
lƣợng khác, còn gọi là công hữu ích của thiết bị. Công suất tác dụng P là phần
thực của công suất biểu kiến S, có đơn vị là W hoặc kW.
Công suất phản kháng Q:
Không sinh ra công hữu ích (công suất vô công), là thành phần cần thiết
cho quá trình biến đổi năng lƣợng. Công suất phản kháng Q sinh ra do sự tích
lũy năng lƣợng trong các thành phần cảm kháng và dung kháng, có đơn vị: VAR
hoặc kVAR. Công suất phản kháng Q là phần ảo của công suất biểu kiến S.
Công suất biểu kiến S:
Còn gọi là công suất toàn phần, là công suất truyền tải trên đƣờng dây
điện đến thiết bị sử dụng và bằng tích số của giá trị hiệu dụng của điện áp và
dòng điện. Công suất biểu kiến S gồm phần thực công suất tác dụng và phần ảo

công suất phản kháng trong mạng điện xoay chiều, có đơn vị là VA hoặc kVA.
Ba loại công suất đƣợc trình bày ở trên lại có một mối quan hệ mật thiết
với nhau thông qua tam giác công suất nhƣ hình 1.1:

3


Hình 1.1 Tam giác công suất

P = S*cosφ

(1.1)

Q = S*sinφ

(1.2)

S2 = P2 + Q2

(1.3)

1.1.2. Hệ số công suất
Hệ số công suất hay còn gọi là cosφ (PF), là hàm số lƣợng giác cos của
góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện. Hay hệ số công suất cosφ là tỷ số giữa
công suất tác dụng P (kW) và công suất biểu kiến S (kVA).
PF = cosφ =

𝑃
𝑆

(1.4)

1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất
Nếu xét trên phƣơng diện nguồn cung cấp (máy phát điện hoặc máy biến
áp). Rõ ràng cùng một dung lƣợng máy biến áp hoặc công suất của máy phát
điện (tính bằng KVA). Hệ số công suất càng cao thì thành phần công suất tác
dụng P càng cao và máy sẽ sinh ra đƣợc nhiều công hữu ích. Có thể thấy rằng,
việc duy trì cosφ ~1 sẽ giúp máy phát hoặc máy biến áp hoạt động hiệu quả.
Trên thực tế, hệ số công suất bao nhiêu phụ thuộc vào tải (thiết bị sử dụng điện).
Nhu cầu của tải về công suất tác dụng và công suất phản kháng cần phải đáp ứng
đủ thì tải mới hoạt động tốt. Giải pháp trung hòa hơn là nguồn sẽ chỉ cung cấp

4


cho tải 1 phần công suất phản kháng, phần thiếu còn lại, khách hàng tự trang bị
thêm bằng cách gắn thêm tụ bù.
Nếu xét ở phƣơng diện đƣờng dây truyền tải, ta lại quan tâm đến dòng
điện truyền trên đƣờng dây. Dòng điện này sẽ làm nóng dây và tạo ra một lƣợng
sụt áp trên đƣờng dây truyền tải.
Nếu xét trong hệ thống 1 pha, công suất biểu kiến đƣợc tính bằng công
thức: S=U*I.
Nếu xét trong hệ thống 3 pha, công suất biểu kiến đƣợc tính bằng công
thức: S= 3 ∗ U ∗ I , với U là điện áp dây, I là dòng điện dây.
Cả trong hệ thống lƣới điện 1 pha và 3 pha đều cho thấy dòng điện tỉ lệ
với công suất biểu kiến S. Vấn đề là công suất biểu kiến là do 2 thành phần công
suất tác dụng và công suất phản kháng gộp lại tạo nên. Từ đó ta có 2 nhận xét:
Một là: Nếu ta trang bị tụ bù để phát công suất phản kháng ngay tại tải,
đƣờng dây chỉ chuyển tải dòng điện của công suất tác dụng thì chắc chắn đƣờng
dây sẽ mát hơn.

Hai là: Nếu chấp nhận đƣờng dây phát nhiệt ở mức hiện tại và trang bị tụ
bù phát công suất phản kháng ở tại tải, ta có thể bắt đƣờng dây tải nhiều hơn
hiện nay.
1.3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới hệ số công suất
Theo biểu thức (1.3) và (1.4), ta có thể thấy hệ số công suất cosφ chịu sự
ảnh hƣởng bởi cả ba loại công suất. Trong đó:
Công suất biểu kiến S còn gọi công suất toàn phần, đƣợc các nhà máy
điện sản xuất và cấp phát, là đại lƣợng phụ thuộc vào nơi cấp và nguồn cấp phát.
Công suất tác dụng P còn gọi là công suất tác dụng là công suất thực phụ
tải sử dụng và thay đổi theo yêu cầu của phụ tải.

5


Công suất phản kháng Q còn đƣợc gọi là công suất vô ích (vô công) gây
ra do các thành phần có tính cảm và dung của các loại phụ tải trong mạng điện
nhƣ: Động cơ điện, máy biến áp, các bộ biến đổi điện áp, cuộn dây, các bộ tụ
điện, ...Khi thành phần công suất vô công lớn làm cho công suất toàn phần tăng,
dẫn đến dòng điện trên đƣờng dây truyền tải tăng, làm tăng tổn hao năng lƣợng
trên đƣờng dây. Mặc dù thành phần công suất vô công gây ra tổn thất điện năng
không đáng có thành nhiệt trên dây dẫn và phụ tải trong truyền tải và tiêu thụ,
nhƣng nó là thành phần cần thiết trong quá trình biến đổi điện năng thành các
dạng năng lƣợng khác. Tuy nhiên, thành phần công suất vô công mà nguồn cấp
cho tải có thể điều chỉnh bằng cách thêm hoặc bớt các thành phần cảm kháng
hoặc dung kháng trong mạng điện hoặc nơi tiêu thụ.
Thành phần vô công bao gồm 2 loại: là thành phần vô công mang tính
cảm: Đối với các máy phát, thiết bị mang tính cảm (các loại động cơ điện, cuộn
dây, ...) và thành phần vô công mang tính dung: Đối với các máy phát, thiết bị
mang tính dung (các loại tụ, ...).
Thành phần công suất vô công mang tính cảm tạo ra dòng điện vô công

mang tính cảm làm cho dòng điện chậm pha so với điện áp (góc φ dƣơng).
Ngƣợc lại thành phần công suất vô công mang tính dung tạo dòng điện vô công
mang tính dung làm cho dòng điện vƣợt pha so vói điện áp (góc φ âm). Trong
mạng điện, công suất phản kháng bằng trị số của công suất phản kháng mang
tính cảm trừ đi trị số của công suất phản kháng mang tính dung.
Trên thực tế, phụ tải của mạng điện thƣờng yêu cầu các thành phần vô
công mang tính cảm (các động cơ điện, các cuộn dây, ... trong mạng điện công
nghiệp và sinh hoạt), do đó dòng điện trên đƣờng dây truyền tải điện năng
thƣờng chậm pha so với điện áp. Nếu sử dụng nhiều thiết bị yêu cầu công suất
phản kháng lớn thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp tăng (góc φ tăng),
dẫn đến giảm hệ số công suất làm tăng tổn hao khi truyền tải điện năng. Để giảm
tổn hao điện năng khi truyền tải, phân phối và tiêu thụ thì buộc phải giảm công
6


suất phản kháng truyền từ nguồn đến tải để tăng hệ số công suất cosφ từ đó tăng
đƣợc hiệu suất sử dụng năng lƣợng.
1.4. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất
Hầu hết các thiết bị sử dụng điện đều tiêu thụ CSTD (P) và CSPK (Q). Sự
tiêu thụ CSPK này sẽ đƣợc truyền tải trên lƣới điện về phía nguồn cung cấp
CSPK, sự truyền tải trên lƣới điện về phía nguồn cung cấp CSPK, sự truyền tải
công suất này trên đƣờng dây sẽ làm tổn hao một lƣợng công suất và làm cho
hao tổn điện áp tăng lên, đồng thời cũng làm cho lƣợng công suất biểu kiến (S)
tăng, dẫn đến chi phí để xây dựng đƣờng dây tăng lên. Vì vậy việc bù CSPK cho
lƣới điện sẽ có những tích cực sau:
1.4.1. Giảm tổn thất công suất trong mạng điện
Ta có tổn thất công suất trên đƣờng dây đƣợc xác định theo công thức:

P =

𝑄2 + 𝑃2
𝑈2

R=

𝑄2

𝑃2

𝑈

𝑈2

R+
2

R = P(P) + P(Q)

(1.5)

Khi giảm Q truyền tải trên đƣờng dây, ta giảm đƣợc thành phần P(Q) do
Q gây ra.
1.4.2. Giảm tổn thất điện áp trong mạng điện
Tổn thất điện áp đƣợc xác định theo công thức:

U =

𝑄𝑋+𝑃𝑅
𝑈

R=

𝑄𝑋
𝑈

+

𝑃𝑅
𝑈

= U(P) + U(Q)

(1.6)

Khi ta giảm Q trên đƣờng dây, ta giảm đƣợc thành phần U(Q) do Q gây
ra. Từ đó nâng cao chất lƣợng điện áp cho lƣới điện.
1.4.3. Tăng khả năng truyền tải của đƣờng dây và máy biến áp
Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp đƣợc tính nhƣ sau:

I=

𝑄2 + 𝑃2

(1.7)

3𝑈
7


Từ công thức (1.7) cho thấy với cùng một tình trạng phát nóng nhất định

của đƣờng dây và máy biến áp (tức I = const) chúng ta có thể tăng khả năng
truyền tải CSTD P của chúng bằng cách giảm CSPK Q phải tải đi. Vì thế khi
vẫn giữ nguyên đƣờng dây và máy biến áp, nếu lƣợng CSPK Q phải truyền tải
giảm thì khả năng truyền tải CSTD P sẽ tăng lên, góp phần làm ổn định điện áp,
tăng khả năng phát điện của máy phát điện...
Việc bù CSPK ngoài việc nâng cao đƣợc hệ số công suất cosφ còn đƣa
đến hiệu quả là giảm đƣợc chi phí kim loại màu sử dụng làm dây dẫn, tiết kiệm
đƣợc chi đầu tƣ xây dựng, lắp đặt lƣới điện.

Kết luận chƣơng 1
Chƣơng 1 của luận văn giới thiệu những khái niệm cơ bản về các loại
công suất, mối quan hệ giữa các loại công suất, khái niệm về hệ số công suất
cos trong mạch điện. Chƣơng 1 cũng nêu ảnh hƣởng của hệ số công suất cos
đến chất lƣợng điện năng mà cụ thể là tổn thất điện áp và tổn thất công suất khi
truyền tải điện năng; ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng để nâng cao hệ
số công suất khi truyền tải điện năng: Giảm tổn thất điện áp; giảm tổn thất công
suất; tăng khả năng truyền tải của đƣờng dây và máy biến áp.

8


CHƢƠNG 2: CÁC PHƢƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT
PHẢN KHÁNG (CSPK) NÂNG CAO HỆ SỐ CÔNG SUẤT
Bản chất của việc nâng cao hệ số công suất là nhằm giảm lƣợng công suất
phản kháng phải truyền tải trên đƣờng dây của mạng.Để làm điều này tồn tại 2
phƣơng pháp.Một là, nâng cao hệ số cosφ tự nhiên: (biện pháp tự nhiên) đây là
nhóm phƣơng pháp bằng cách vận hành hợp lý các thiết bị dùng điện nhằm giảm
lƣợng Q đòi hỏi từ nguồn. Hai là, nâng cao hệ số công suất bằng cách đặt thiết
bị bù: không yêu cầu giảm lƣợng Q đòi hỏi từ thiết bị dùng điện mà cung cấp Q
tại các hộ dùng điện nhằm giảm lƣợng Q phải truyền tải trên đƣờng dây).

Phƣơng pháp này chỉ thực hiện sau khi đã thực hiện biện pháp thứ nhất mà chƣa
đạt đƣợc kết quả thì mới thực hiện việc bù.
2.1. Các phƣơng pháp bù CSPK nâng cao hệ số công suất truyền thống
2.1.1. Phƣơng pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên
Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để hộ tiêu thụ điện
giảm bớt đƣợc lƣợng CSPK mà chúng cần có ở nguồn cung cấp.
Thay những động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng những động cơ
có công suất nhỏ hơn: Khi làm việc bình thƣờng động cơ tiêu thụ công suất phản
kháng:
2
𝑄 = 𝑄𝑘𝑡 + ∆𝑄đ𝑚 𝑘𝑝𝑡

(2.1)

CSPK khi không tải (chiểm tỷ lệ 60 ÷ 70 % so với Qđm) và có thể xác đinh
̣
theo công thức:
𝑄𝑘𝑡 ≈ 3𝑈đ𝑚 𝐼𝑘𝑡

(2.2)

Ikt - dòng điện không tải của động cơ.
kpt - hệ số mang tải của động cơ. 𝐾𝑝𝑡 =

𝑃
𝑃 đ𝑚

9

Qđm- lƣợng gia tăng CSPK khi động cơ mang tải đinh
̣ m ức so với khi
không tải.
∆𝑄đ𝑚 = 𝑄đ𝑚 − 𝑄𝑘𝑡 ≈

𝑃đ𝑚

đ𝑚

𝑡𝑔𝜑đ𝑚 − 3𝑈đ𝑚 𝐼𝑘𝑡

(2.3)

Với 𝜂đ𝑚 - hiệu suất của động cơ khi mang tải đinh
̣ mức.
cos 𝜑 =

𝑃
=
𝑆

𝑃
𝑃2 + 𝑄2

1

=
1+

(2.4)

2
𝑄𝑘𝑡 +∆𝑄đ𝑚 𝑘 𝑝𝑡

𝑘 𝑝𝑡 𝑃 đ𝑚

Do đó ta thấy rằng kpt giảm → cosφ cũng giảm.
Ví dụ: Một động cơ cosφ = 0.8 khi kpt = 1; cosφ = 0,65 khi kpt = 0.65;
cosφ = 0,51 khi kpt = 0.3
Khi có động cơ không đồng bộ làm việc non tải phải dựa vào mức độ tải
để quyết đinh
̣ việc thay thế. Kinh nghiệm vận hành cho thấy rằng:
kpt < 0.45 việc thay thế bao giờ cũng có lợi.
kpt > 0.7 việc thay thế sẽ không có lợi.
0.45 < kpt< 0.7 việc có tiến hành thay thế phải dựa trên việc so sánh kinh
tế.
Giảm điện áp đặt vào động cơ thƣờng xuyên làm việc non tải: Thực hiện
giảm áp khi không có điều kiện thay thế động cơ công suất nhỏ hơn. Công suất
phản kháng cho động cơ không đồng bộ:
𝑈2
𝑄=𝑘
𝑓. 𝑉
𝜇

(2.5)

Trong đó :
k - hằng số;
U - điện áp đặt vào động cơ;
μ - hệ số dẫn từ của mạch từ;

10


f - tần số dòng điện;
V - thể tích mạch từ
- Phƣơng pháp giảm điện áp trong thực tế:
+ Đổi nối dây quấn stato từ đấu ∆ → Y
+ Thay đổi cách phân nhóm dây cuốn stato.
+ Thay đổi đầu phân áp của máy biến áp hạ áp.
Chú ý: Các biện pháp này thực hiện tốt đối với các động cơ có điện áp
U < 0,4kV. Bên cạnh đó khi đổi nối ∆ → Y, điện áp giảm 3 lần, dòng điện tăng
3 lần nhƣng mômen sẽ giảm đi 3 lần, do đó phải kiểm tra điều kiện quá tải và
khởi động sau đó.
Hạn chế động cơ không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải. Các động cơ
máy công cụ khi làm việc có thời gian chạy không tải xen lẫn thời gian mang tải
(chiếm tới 50 - 60%). Do đó, việc giảm thời gian không tải sẽ tránh đƣợc tổn
thất. Quá trình đóng cắt động cơ cũng sinh ra tổn hao mở máy. Thực tế vận hành
thấy nếu t0 (thời gian chạy không tải) của động cơ lớn hơn 10 giây thì việc cắt
khỏi mạng có lợi. Biện pháp: Thao tác hợp lý, hạn chế thời gian chạy không tải
hoặc đặt bộ hạn chế chạy không tải.
Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ: Đối với máy có
công suất lớn, không yêu cầu điều chỉnh tốc độ. Hệ số công suất cao, có thể làm
việc ở chế độ quá kích từ → máy bù công suất phản kháng, góp phần sự ổn đinh
̣
của hệ thống. Mômen quay tỷ lệ với bậc nhất của điện áp, dẫn tới ít ảnh hƣởng
đến dao động điện áp. Khi tần số nguồn thay đổi, tốc độ quay không phụ thuộc
vào phụ tải nên năng suất làm việc cao.
Nhược điểm: cấu tạo phức tạp, giá thành cao, số lƣợng mới chỉ chiếm
20% tổng số động cơ.

11


2.1.2. Phƣơng pháp nâng cao hệ số cos nhân tạo
Bù công suất phản kháng Q chỉ đƣợc tiến hành sau khi thực hiện các biện
pháp tự nhiên không đạt đƣợc yêu cầu.Thiết bị bù sử dụng hai loại thiết bi ̣bù
chính là tụ điện tĩnh và máy bù đồng bộ. Hai loại thiết bi ̣này có những ƣu nhƣợc
điểm gần nhƣ trái ngƣợc nhau. Tùy theo yêu cầu của phụ tải và mạng điện cung
cấp có thể lựa chọn thiết bi ̣bù phù h ợp. Phƣơng pháp này đƣợc thực hiện bằng
cách đặt các thiết bị bù CSPK ở các hộ tiêu thụ điện. Các thiết bị bù CSPK bao
gồm:
2.1.2.1. Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ chính là động cơ đồng bộ làm việc trong chế độ không
tải, hoặc non tải.
- Có khả năng phát và tiêu thụ đƣợc công suất phản kháng.
- Công suất phản kháng phát ra không phụ thuộc vào điện áp đặt, chủ yếu
là phụ thuộc vào dòng kích từ (điều chỉnh đƣợc dễ dàng).
- Lắp đặt vận hành phức tạp, dễ gây sự cố (vì có bộ phần quay).
- Máy bù đồng bộ tiêu thụ công suất tác dụng khá lớn khoảng 0,015÷0,02
kW/kVAr.
- Giá tiền đơn vi ̣CSPK thay đổi theo dung lƣợng. Nếu dung lƣợng nhỏ thì
sẽ đắt. Vì vậy chỉ đƣợc sản xuất ra với dung lƣợng lớn 5 MVAr trở lên.
* Ưu điểm: máy bù đồng bộ vừa có khả năng sản xuất ra CSPK, đồng thời
cũng có khả năng tiêu thụ CSPK của mạng điện.
*Nhược điểm: máy bù đồng bộ có phần quay nên lắp ráp, bảo dƣỡng và
vận hành phức tạp. Máy bù đồng bộ thƣờng để bù tập trung với dung lƣợng lớn.
2.1.2.2. Tụ bù tĩnh
Giá tiền cho một đơn vi ̣công su ất phản kháng phát ra hầu nhƣ không
thay đổi theo dung lƣợng, do đó thuận tiện cho chia nhỏ ra nhiều nhóm nhỏ
12

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 giản, ít gây ra sự cố. Công suất
phản kháng phát ra phụ thuộc vào điện áp đặt vào tụ. Chỉ phát công suất phản
kháng và không có khả năng điều chỉnh. Mạng điện xí nghiệp chỉ nên sử dụng tụ
điện tĩnh, còn máy bù đồng bộ chỉ đƣợc dùng ở phía hạ áp (6–10 kV) của các
trạm trung gian.
a) Phương pháp bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhau và các bộ
đóng ngắt contactor, rơ le

Hình 2.1 Bộ bù tĩnh sử dụng các tụ điện mắc song song với nhauvà các bộ đóng
ngắt contactor, rơ le
Phân tích hệ thống:
Ta có tải thông thƣờng mang tính chất điện cảm nên:
Ztải = R + jL
Khi đó ta có: Ztổng = R + jXL – jXC = R + j(XL – XC)

(2.6)
(2.7)

Mà ta luôn mong muốn cosφ = 1 => yêu cầu Ztổng = R => XL – XC = 0.
Với hệ thống bù trên khi tải thay đổi tức L thay đổi (giả sử L tăng)
13


Công tắc tơ đóng => XC tăng => Ztổng≈ R => cosφ ≈ 1.
Thông thƣờng dùng 6 cấp tụ bù (hoặc 12 cấp) tùy theo số lƣợng tải.
Trên thực tế, điện cảm L của tải luôn thay đổi, tức là XL thay đổi. Vậy
mong muốn cosφ ≈ 1 thì đại lƣợng XC cũng cần thay đổi theo.

Ưu điểm: Gọn nhẹ, làm việc êm dịu, tiêu thụ công suất tác dụng ít, có thể
thay đổi dung lƣợng bù theo một số cấp.
Nhược điểm: Không linh hoạt; độ tin cậy thấp; không thể điều chỉnh trơn
dung lƣợng bù nên thƣờng gây ra hiện tƣợng bù thừa hoặc thiếu khi làm việc; bị
ảnh hƣởng lớn bởi sóng hài bậc cao; thƣờng xuyên phải kiểm tra chế độ làm
việc của bộ đóng cắt; tuổi thọ thiết bị không cao.
Một số hình ảnh về tủ bù cos bằng các bộ tụ điện thực tế:

Hình 2.2 Tủ tụ bù trong thực tế

14