Luận văn thạc sĩ nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bù cosφ tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG DU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN THIẾT BỊ BÙ COSφ TĨNH SỬ DỤNG BỘ
BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

THÁI NGUYÊN - 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRƯỜNG DU

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ BÙ COSφ TĨNH SỬ DỤNG BỘ BIẾN ĐỔI
BÁN DẪN CÔNG SUẤT
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 8 52 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN XUÂN MINH

THÁI NGUYÊN - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Nguyễn Trường Du
Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Đại học Thái Nguyên.
Nơi công tác: Điện lực Ngân Sơn - Công ty Điện lực Bắc Kạn.
Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển
thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn công suất”.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này
là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.
Trần Xuân Minh và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ
thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Mọi thơng tin trích dẫn trong luận
văn này đã được ghi rõ nguồn gốc.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này.

Thái Nguyên, ngày 15 tháng 4 năm 2019
Học viên thực hiện

Nguyễn Trường Du

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận
được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của PGS.TS. Trần Xuân Minh, người trực
tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu
sắc tới thầy.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo,cán bộ, kỹ thuật viên
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện
giúp đỡ tốt nhất để tơi có thể hồn thành đề tài nghiên cứu này. Tơi cũng xin
chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cung lớp động viên
và giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân thành cảm ơn
đến các cơ quan, xí nghiệp, Công ty Điện lực Bắc Kạn đã giúp tôi khảo sát
tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn.
Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới gia đình,
đồng nghiệp và bạn bè đã ln động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tơi
trong suốt q trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 15tháng 4 năm 2019
Học viên

Nguyễn Trường Du

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




MỤC LỤC

Lời cam đoan......................................................................................................................................... i
Lời cảm ơn............................................................................................................................................ ii
Mục lục.................................................................................................................................................. iii
Danh mục viết tắt............................................................................................................................... v
Danh mục các bảng.......................................................................................................................... vi
Danh mục các hình......................................................................................................................... vii
MỞ ĐẦU....................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ CƠNG SUẤT COS............3
1.1. Công suất & hệ số công suất cos.......................................................3
1.1.1. Các loại công suất trong hệ thống điện.............................................3
1.1.2. Hệ số công suất cosφ........................................................................ 4
1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất cosφ........................................................4
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất........................................... 5
1.4. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ.................................7
1.4.1. Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện.....................7
1.4.2. Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện......................7
1.4.3. Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp.................8
1.5. Kết luận chương 1................................................................................8
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT PHẢN
KHÁNG ĐỂ NÂNG CAOHỆ SỐ CÔNG SUẤT................................... 9
2.1. Các phương pháp bù công suất phản khángđể nâng cao hệ số công suất
truyền thống................................................................................................9
2.1.1. Phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên......................................9
2.1.2.Phương pháp nâng cao hệ số cos nhân tạo....................................12
2.1.3. Vị trí đặt thiết bị bù.........................................................................20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

2.1.4. Xác định dung lượng bù................................................................. 20
2.2.Đề xuất phương pháp bù CSPK nâng cao hệ số công suất.................23
2.3. Kết luận chương 2..............................................................................25
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG KIỂU
BÙ TỤ ĐIỆN TĨNH................................................................................ 26
3.1. Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc FC-TCR........................ 26
3.2. Bù công suất phản kháng sử dụng cấu trúc đề xuất DSVC...............28
3.2.1. Phương pháp bù CSPK sử dụng các chuyển mạch cơ khí (DVC) .. 28
3.2.2. Phương pháp bù CSPK sử dụng Thyristors (SVC).........................30
3.2.3. Phương pháp bù lai DSVC............................................................. 30
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
BÙ COS TĨNH......................................................................................33
4.1. Thiết kế hệ thống điều khiển bù công suất phản kháng kiểu tĩnh FCTCR...........................................................................................................33
4.1.1.Mơ hình hóa hệ thống bù cơng suất phản kháng FC-TCR..............33
4.1.2. Tính tốn giá trị tụ bù cố định FC...................................................34
4.1.3. Tính tốn giá trị điện cảm (L) tại nhánh TCR................................ 35
4.1.4 Mối liên hệ giữa điện cảm (L) ở nhánh TCR, góc kích mở thyristor
(α), và việc bù CSPK................................................................................ 36
4.1.5. Thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols.....37
4.2.Kết quả mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink...........40
4.2.1. Sơ đồ mô phỏng..............................................................................40
4.2.2. Kết quả mô phỏng...........................................................................44
4.3. Kết luận chương 4..............................................................................47
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.....................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................48

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

DANH MỤC VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
CSPK
CSTD
DSVC
FACTS
FC
FC-TCR

PF
SSSC
SVC
STATCOM
TCR
TCSC
TSC
VAr


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất.......38
Bảng 4.2: Các tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichols thứ 2...........39

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Tam giác cơng 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 tĩnhtrong thực tế 1...................................................... 15
Hình 2.3. Hệ thống tủ tụ bù tĩnh thực tế 2................................................15
Hình 2.4. Cấu trúc SSSC.......................................................................... 16
Hình 2.5. Cấu trúc TCSC..........................................................................17
Hình 2.6. Cấu trúc STATCOM................................................................. 18
Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của STATCOM............................. 19
Hình 2.8. Sơ đồ mạng lưới bù cơng suất phản kháng...............................20
Hình 2.9. Dung lượng bù CSPK...............................................................21
Hình 2.10. Sơ đồ bù CSPK.......................................................................22
Hình 2.11. Đặc tính V-I của SVC............................................................. 24
Hình 3.1. Cấu trúc FC-TCR......................................................................27
Hình 3.2. Cấu trúc bù CSPK sử dụng các chuyển mạch cơ khí...............28
Hình 3.3. Ngun lý hoạt động của bù CSPK sử dụng thiết bị chuyển mạch
cơ khí...................................................................................... 29
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc bù lai DSV........................................................ 31
Hình 4.1. Mơ hình hóa của hệ thống bù CSPK FC-TCR.........................33
Hình 4.2. Sơ đồ mạch FC-TCR................................................................ 34
Hình 4.3.Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S..............................................38
Hình 4.4. Xác định hằng số khuếch đại tới hạn........................................38

Hình 4.5. Đáp ứng nấc của hệ kín khi k = kth..........................................39
Hình 4.6. Cấu trúc điều khiển hệ thống bù CSPK FC-TCR.....................40
Hình 4.7. Khối nguồn một pha cung cấp cho phụ tải............................... 41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Hình 4.8. Khối Thyristor và thơng số.......................................................41
Hình 4.9. Khối mơ hình đối tượng điều khiển..........................................42
Hình 4.10. Khối phát sung điều khiển...................................................... 42
Hình 1.11. Khối tính tốn cơng suất tác dụng, phản kháng P, Q..............43
Hình 4.12. Sơ đồ mơ phỏng tồn hệ thống...............................................43
Hình 4.13. Đáp ứng cos của hệ thống.................................................... 44
Hình 4.14. Đáp ứng điện áp điều khiển.................................................... 45
Hình 4.15. Đáp ứng cos của hệ thống (khi tải thay đổi).........................45
Hình 4.16. Xung kích mở thyristors và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh
TCR.........................................................................................46
Hình 4.17. Xung kích mở thyristors và điện áp trên điện cảm L thuộc nhánh
TCR(Khi thay đổi tải).............................................................46

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




MỞ ĐẦU
Hiện nay, với sự phát triển ngày càng nhanh về cơng nghiệp và đời sống
dân sinh thì nhu cầu năng lượng điện để phục vụ sản xuất và đời sống càng
tăng, nên vấn đề nâng cao chất lượng điện năng là yêu cầu cấp thiết. Trong

các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng điện năng, thì cos là một trong những
yếu tố quan trọng nhất có ảnh hưởng lớn đến tổn hao công suất và tổn thất
điện áp khi truyền tải điện năng.
Hệ số công suất coslà tỉ số giữa cơng suất tác dụng và cơng suất tồn phần
(hay cịn được gọi là cơng suất biểu kiến) trong q trình truyền tải điện năng.
Cơng suất tác dụng đặc trưng cho khả năng sinh ra cơng hữu ích của thiết bị, đơn
vị W hoặc kW. Cơng suất tồn phần là tích số của điện áp và dịng điện trên
đường dây truyền tải điện năng và bằng căn bậc 2 của công suất tác dụng và
công suất phản kháng. Công suất phản kháng khơng sinh ra cơng hữu ích nhưng
nó lại cần thiết cho quá trình biển đổi năng lượng, đơn vị VAR hoặc
kVAR.Thơng thường cos nhỏ hơn 1, do có sự xuất hiện của thành phần công
suất phản kháng. Về lý thuyết cos phi bằng 1 là tốt nhất, khi đó, cơng suất tác
dụng sẽ bằng với cơng suất tồn phần. Khi thành phần công suất phản kháng
xuất hiện, sẽ làm cho cơng suất tồn phần tăng dẫn đến hệ số công suất
cosgiảm khi cùng truyền 1 công suất tác dụng từ nguồn đến tải thì dịng điện
trên đường dây tăng. Khi dòng điện trên đường dây tăng sẽ làm cho cơng suất
tồn phần tăng, mà cơng suất tác dụng khơng đổi, có nghĩa cơng suất phản kháng
tăng làm tăng tổn hao công suất trên điện trở đường dây và sụt điện áp trên tổng
trở đường dây, giảm chất lượng điện năng. Để giảm tổn hao công suất và tổn thất
điện áp trong quá trình truyền tải điện năng thì việc nâng cao hệ số công suất
costrở nên cấp thiết. Để nâng cao hệ số cơng suất cos, thì phải giảm công suất
phản kháng bằng cách đưa thêm vào hệ thống điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




một lượng công suất phản kháng ngược với lượng công suất phản kháng mà tải
tiêu thụ. Phương pháp nàygọi là bù hệ số công suất (bù công suất phản kháng)

Trong thực tế, có nhiều phương pháp bù cơng suất phản kháng đã và
đang được áp dụng. Trong đó, phương phápsử dụng các bộ biến đổi bằng
thyristor có nhiều ưu thế vượt trội: thiết bị bù tĩnh có khả năng điều chỉnh trơn
dung lượng bù, thời gian đáp ứng nhanh. Tuy nhiên, việc điều khiển thiết bị
bù bằng sử dụng thyristors là tương đối phức tạp và chất lượng 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 cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn cơng
suất.
Với những phân tích đã nêu, tơi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, thiết
kế hệ thống điều khiển thiết bị bù cos tĩnh sử dụng bộ biến đổi bán dẫn
công suất”

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ SỐ CÔNG SUẤT COS
1.1. Công suất & hệ số công suất cos
1.1.1. Các loại công suất trong hệ thống điện
Công suất tác dụng P
Đây là đại lượng đặc trưng cho khả năng biến đổi năng lượng điện
thành các dạng năng lượng khác, còn gọi là cơng hữu ích của thiết bị. Cơng
suất tác dụng P là phần thực của công suất biểu kiến S, có đơn vị là W hoặc
kW và xét trong hệ thống điện 1 pha được xác định theo biểu thức (1.1):
P = R.I2 = U.I.cos = S.cos
Đây là đại lượng đặc trưng cho sự trao đổi năng lượng trong hệ thống
cung cấp điện và thiết bị điện. Mặc dù không sinh ra cơng hữu ích (cơng suất vơ
cơng), nhưng là thành phần cần thiết cho quá trình biến đổi năng lượng. Cơng
suất phản kháng Q sinh ra do sự tích lũy năng lượng trong các thành phần cảm

kháng và dung kháng, có đơn vị: VAR hoặc kVAR. Xét trong hệ thống điện 1
pha công suất phản kháng Q là phần ảo của công suất biểu kiến S và

được xác định theo biểu thức (1.2):
Q = X.I2 = U.I.sin = S.sin
Còn gọi là cơng suất tồn phần, là cơng suất truyền tải trên đường dây
điện đến thiết bị sử dụng và bằng tích số của giá trị hiệu dụng của điện áp và
dịng điện. Cơng 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 và xét trong hệ thống điện 1 pha được xác định theo biểu thức (1.3):
S=U.I=

P2+Q2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

(1.3)



Ba loại cơng suất được trình bày ở trên có mối quan hệ mật thiết với
nhau thông qua mối quan hệ trong tam giác vuông gọi là tam giác công suất
như hình 1.1:

Hình 1.1. Tam giác cơng suất
P = S.cosφ
Q = S.sinφ
S2=P2+Q2
1.1.2. Hệ số công suất cosφ
Hệ số công suất cosφ hay còn gọi là cosφ (PF), là hàm số lượng giác

cos của góc lệch pha giữa điện áp và dịng điện trong mạch. Hoặc hệ số cơng
suất cosφ là tỷ số giữa công suất tác dụng P (W)và công suất biểu kiến S
(VA).
PF = cosφ =

1.2. Ý nghĩa của hệ số công suất cosφ
Nếu xét trên phương diện nguồn cung cấp (máy phát điện hoặc máy biến
áp). Rõ ràng cùng một dung lượng máy biến áp hoặc công suất của máy phát
điện (tính bằng KVA). Hệ số cơng suất càng cao thì thành phần cơng suất tác
dụng P càng cao và máy sẽ sinh ra được 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 cơng suất có giá trị bằng bao nhiêu phụ thuộc vào tải (thiết bị sử
dụng điện). Nhu cầu của tải về công suất tác dụng và cơng suất phản kháng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




cần phản đáp ứng đủ thì tải mới hoạt động tốt. Giải pháp trung hòa hơn là nguồn
sẽ chỉ cung cấp cho tải 1 phần công suất phản kháng, phần còn thiếu khi sử dụng,
khách hàng tự trang bị thêm bằng cách gắn thêm thiết bị bù công suất phản
kháng (thơng thường tải có tính chất cảm nên thường sử dụng tụ bù).

Nếu xét ở phương diện đường dây truyền tải, ta lại phải quan tâm đến
dòng điện truyền tải trên đường dây.Dịng điện này sẽ làm tổn hao cơng suất
tác dụng trên đường dây (nóng dây) và tạo ra một lượng sụt áp trên đường dây
truyền tải.
Nếu xét trong hệ thống 1 pha, cơng suất biểu kiến được tính bằng công
thức: S= U.I
điện dây.

Nếu xét trong hệ thống 3 pha, cơng suất biểu kiến được tính bằng cơng thức: S = √3.

. , với U là điện áp dây, I là dòng

Cả trong hệ thống lưới 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 nhận xét:

Nếu như cùng 1 tải, ta trang bị tụ bù để phát công suất phản kháng ngay
tại tải, đường dây chỉ truyền tải dòng điện của cơng suất tác dụng thì chắc
chắn sẽ giảm được tổn thất công suất trên đường dây (đường dây sẽ mát hơn).
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số công suất
Theo biểu thức (1.6) và (1.7), ta có thể thấy hệ số công suất cosφ chịu
sự ảnh hưởng bởi cả ba loại cơng suất. Trong đó:
Cơng suất biểu kiến S cịn gọi cơng suất tồn phần, được các nhà máy
điện sản xuất và cấp phát, là đại lượng phụ thuộc vào nơi cấp và nguồn cấp
phát.
Công suất tác dụng P cịn gọi là cơng suất tác dụng là cơng suất thực
phụ tải sử dụng và thay đổi theo yêu cầu của phụ tải.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Cơng suất phản kháng Q cịn được gọi là cơng suất vơ ích (vơ cơng)
gây ra do các thành phần có tính cảm và dung của các loại phụ tải trong mạng
điện như: 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 cơng suất tồn

phần tăng, dẫn đến dịng điện trên đường dây truyền tải tăng, làm tăng tổn hao
năng lượng trên đường dây.Mặc dù thành phần công suất vô công gây ra tổn
thất điện năng khơng đáng có thành nhiệt trên dây dẫn và phụ tải trong truyền
tải và tiêu thụ, nhưng nó là thành phần cần thiết trong q trình biến đổi điện
năng thành các dạng năng lượng 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 vơ cơng 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 dịng điện vơ cơng
mang tính cảm làm cho dòng điện chậm pha so với điện áp (góc φ dương).
Ngược lại thành phần cơng suất vơ cơng mang tính dung tạo dịng điện vơ
cơng mang tính dung làm cho dịng điện vượt pha so vói điện áp (góc φ âm).
Trong mạng điện, cơng suất phản kháng bằng trị số của cơng 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 thường u cầu các thành phần vơ
cơng mang tính cảm (các động cơ điện, các cuộn dây, ... trong mạng điện cơng
nghiệp và sinh hoạt), do đó dịng điện trên đường dây truyền tải điện năng
thường chậm pha so với điện áp. Nếu sử dụng nhiều thiết bị yêu cầu công suất
phản kháng lớn thì góc lệch pha giữa dịng 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




giảm tổn hao điện năng khi truyền tải, phân phối và tiêu thụ thì buộc phải

giảm cơng suất phản kháng truyền từ nguồn đến tải để tăng hệ số công suất
cosφ từ đó tăng được hiệu suất sử dụng năng lượng.
1.4. Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số công suất cosφ
Hầu hết các thiết bị sử dụng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng (P) và
công suất phản kháng (Q). Sự tiêu thụ công suất phản kháng này sẽ được truyền
tải trên lưới điện về phía nguồn cung cấp công suất phản kháng, sự truyền tải
trên lưới điện về phía nguồn cung cấp cơng suất phản kháng, sự truyền tải công
suất này trên đường dây sẽ làm tổn hao một lượng công suất và làm cho hao tổn
điện áp tăng lên, đồng thời cũng làm cho lượng công suất biểu kiến (S) tăng, dẫn
đến chi phí để xây dựng đường dây tăng lên. Vì vậy việc bù cơng suất phản
kháng cho lưới điện sẽ có những ý nghĩa quan trọng sau:

-

Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện.

-

Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện.

-

Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp.

1.4.1. Giảm tổn thất công suất trong hệ thống cung cấp điện
Ta có tổn thất cơng suất trên đường dây được xác định theo công thức:



P2

U2

Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần
P(Q)do Q gây ra.
1.4.2. Giảm tổn thất điện áp trên đường dây truyền tải điện
Tổn thất điện áp được xác định theo biểu thức (1.9):

U 
Khi ta giảm Q trên đường dây, ta giảm được thành phần U(Q) do Q
gây ra. Từ đó nâng cao chất lượng điện áp cho lưới điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




1.4.3. Tăng năng lực truyền tải của đường dây và máy biến áp
Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính như sau:
(1.10)
Từ cơng thức (1.10) cho thấy với cùng một tình trạng phát nóng nhất
định của đường dây và máy biến áp (tức I = const) chúng ta có thể tăng khả
năng truyền tải cơng suất tác dụng (P) của chúng bằng cách giảm công suất
phản kháng(Q) phải tải đi. Vì thế khi vẫn giữ nguyên đường dây và máy biến
áp, nếu lượng công suất phản kháng(Q) phải truyền tải giảm thì khả năng
truyền tải cơng suất tác dụng(P) sẽ tăng lên, góp phần làm ổn định điện áp,
tăng khả năng phát điện của máy phát điện...
Việc bù cơng suất phản kháng (Q) ngồi việc nâng cao được hệ số cơng
suất cosφ cịn đưa đến hiệu quả là giảm được chi phí kim loại màu sử dụng
làm dây dẫn,tiết kiệm được chi phải đầu tư xây dựng, lắp đặt lưới điện.
1.5. Kết luận chương 1
Chương 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. Luận văn cũng nêu ảnh hưởng của hệ số công suất
cos đến chất lượng 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 năng lực truyền tải của đường dây và máy biến
áp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP BÙ CÔNG SUẤT
PHẢN KHÁNG ĐỂ NÂNG CAOHỆ SỐ CƠNG SUẤT
Việc nâng cao hệ số cơng suất coslà nhằm giảm lượng công suất phản
kháng phải truyền tải trên đường dây của hệ thống cung cấp điện đến tải.Để
làm được điều này, trong thực tế có 2 biện pháp:
-

Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên(biện pháp tự nhiên): Đây là thực chất là

nhóm các phương pháp bằng cách vận hành hợp lý các thiết bị dùng điện để tự

bù công suất phản kháng cho nhau nhằm giảm lượng Q địi hỏi từ nguồn.
-

Nâng cao hệ số cơng suất bằng cách đặt thiết bị bù: Không yêu cầu

giảm lượng Q đòi hỏi từ thiết bị dùng điện mà thực hiện việc bù công suất Q

ngay tại đầu nguồn cung cấp cho các phụ tải nhằm giảm lượng Q phải truyền
tải trên đường dây. Phương pháp này được thực hiện sau khi đã thực hiện biện
pháp thứ nhất mà chưa đạt được kết quả thì mới thực hiện việc bù.
2.1. Các phương pháp bù công suất phản khángđể nâng cao hệ số công
suất truyền thống
2.1.1. Phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên
Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để phụ tải tiêu
thụ điện giảm bớt được lượng công suất phản kháng mà chúng cần có ở nguồn
cung cấp. Các phương pháp nâng cao hệ số cos tự nhiên:
- Thay những động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng những
động cơ có cơng suất nhỏ hơn: Khi làm việc bình thường động cơ tiêu thụ
công suất phản kháng:
=

Với công suất phản kháng khi khơng tải (chiểm tỷ lệ 60 ÷ 70 % so với
Qđm) và có thể xác định theobiểu thức:

≈ √3

đ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN


–làdịng điện khơng tải của động cơ.

–làhệ số mang tải của động cơ.
∆

=

đ

.

- làlượng gia tăng công suất phản kháng khi động cơ mang tải định mức so với khi khơng tải, được xác định theo biểu thức (2.3):

đ

∆

=

đ

trong đó

đ

đ

- hiệu suất của động cơ khi mang tải định mức.

Từ đây ta có hệ số cơng suất được xác định theo biểu thức (2.4):

cos =

Do đó ta thấy rằng

giảm → cosφcũng

đ

giảm.

Ví dụ: Một động cơcosφ = 0.85khi = 1; cosφ = 0,6 khi = 0.6; cosφ = 0,5
khi = 0.3
Khi có động cơ khơng đồng bộ làm việc ở trạng thái non tải, ta cần phải
dựa vào mức độ tải để quyết định việc thay thế. Kinh nghiệm vận hành cho
thấy rằng:
<0.45 việc thay thế động cơ có cơng suất nhỏ hơn bao giờ cũng có lợi.

>0.7việc thay thế động cơ có cơng suất nhỏ hơn sẽ khơng có lợi.

0.45 < < 0.7việc có tiến hành thay thế động cơ có cơng suất nhỏ hơn phải dựa trên việc so sánh kinh tế.

-

Giảm điện áp đặt vào động cơ thường xuyên làm việc non tải: Thực

hiện giảm áp khi không có điều kiện thay thế động cơ cơng suất nhỏ hơn. Khi
đó cơng suất phản kháng cho động cơ khơng đồng bộ được xác định theo biểu
thức:

=

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN


Trong đó:

k - hằng số;
U - điện áp đặt vào động cơ;
μ - hệ số dẫn từ của mạch từ;
f - tần số dịng điện;
V - thể tích mạch từ.
Các phương pháp giảm điện áp đặt vào động cơ không đồng bộ 3
phatrong thực tế:
-

Đổi nối dây quấn stato từ đấu ∆ → Y.

-

Thay đổi cách phân nhóm dây quấn 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< 0,3÷ 0,4 kV. Bên cạnh đó khi đổi nối ∆ → Y, điện áp giảm 3 lần, dịng
điện tăng 3 lần nhưng mơmen sẽ giảm đi 3 lần, do đó phải kiểm tra điều kiện
quá tải và khởi động sau đó.

Các động cơ không đồng bộ chạy không tải hoặc non tải trong thực tế
có thể gặp như các động cơ của máy cơng cụ khi làm việc có thời gian chạy
khơng tải xen lẫn thời gian mang tải (chiếm tới 50 - 60 %). Do vậy, nếu giảm
thời gian chạy không tải hoặc non tải sẽ tránh được tổn thất công suất (nâng
cao hệ số cos).Q trình đóng cắt động cơ cũng sinh ra tổn hao mở
máy.Thực tế vận hành cho thấy nếu t0 (thời gian chạy không tải) của động cơ

lớn hơn 10 giây thì việc cắt động cơ ra khỏi nguồn điện là có lợi.Vì vậy trong
thực tế người ta có thể sử dụng các biện pháp sau để giảm tổn thất công suất
(nâng cao hệ số cos): 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 khơng đồng bộ: Đối
với máy
có cơng suất lớn, không yêu cầu điều chỉnh tốc độ. Hệ số cơng suất cao, có thể
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




làm việc ở chế độ quá kích từ → máy bù cơng suất phản kháng, góp phần sự
ổn định của hệ thống.Mômen quay tỷ lệ với bậc nhất của điện áp, dẫn tới ít
ảnh hưởng 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.Tuy nhiên thực tế có
nhược điểm là cấu tạo phức tạp, giá thành cao, số lượng mới chỉ chiếm 20%
tổng số động cơ.
2.1.2.Phương pháp nâng cao hệ số cos nhân tạo
Bù công suất phản kháng Q chỉ được tiến hành sau khi thực hiện các
biện pháp tự nhiên không đạt được yêu cầu.Thiết bị bù sử dụng hai loại thiết
bị bù chính là tụ điện tĩnh (vì trong thực tế hầu hết tổng các phụ tải tiêu thụ
điện đều có tính chất cảm kháng) và máy bù đồng bộ.Hai loại thiết bị này có
những ưu nhược điểm gần như trái ngược nhau. Tùy theo yêu cầu của phụ tải
và mạng điện cung cấp có thể lựa chọn thiết bị bù phù hợp. Phương pháp này
được thực hiện bằng cách đặt các thiết bị bù công suất phản kháng ởcác hộ
tiêu thụ điện. Các thiết bị bù công suất phản kháng bao gồm:
-

Máy bù đồng bộ.

-

Tụ bù tĩnh.

2.1.2.1. Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ chính là động cơ đồng bộ làm việc trong chế độ khơng
tải, hoặc non tải.
-

Có khả năng phát và tiêu thụ được công suất phản kháng.

chủ

Công suất phản kháng phát ra không phụ thuộc vào điện áp đặt,

yếu là phụ thuộc vào dịng kích từ (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 cơng suất tác dụng khá lớn khoảng

0,015÷0,02 kW/kVAr.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




Giá tiền đơn vị CSPK thay đổi theo dung lượng. Nếu dung

lượng nhỏ
thì sẽ đắt. Vì vậy chỉ được sản xuất ra với dung lượng 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 dưỡng và
vận hành phức tạp. Máy bù đồng bộ thường để bù tập trung với dung lượng lớn.

2.1.2.2.Tụ bù tĩnh
Giá tiền cho một đơn vị công suất phản kháng phát ra hầu như không
thay đổi theo dung lượng, do đó thuận tiện cho chia nhỏ ra nhiều nhóm nhỏ
đặt sâu về phía phụ tải. Tiêu thụ rất ít cơng 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 khơng có khả năng điều chỉnh.Mạng điện 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.
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


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN