CLĐN và tổn thất

   Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, bài toán về chất lượng điện năng ngày càng trở nên quan trọng với mọi quốc gia trên thế giới. Việc giải quyết tốt bài toán này sẽ giúp cho quốc gia sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng, tăng cường độ tin cậy và an toàn cung cấp điện (qua đó đảm bảo về an ninh năng lượng), tăng tuổi thọ và khả năng làm việc của các thiết bị sản xuất, truyền tải, phân phối và đặc biệt là đảm bảo an toàn, sức khỏe cho những khách hàng sử dụng điện. Giải quyết những vấn đề như nhấp nháy điện áp có thể ảnh hưởng tới sức khỏe của người lao động.

   Chất lượng của điện năng được cung cấp có thể tác động trực tiếp đến nhiều khách hàng công nghiệp. Ngày nay, các dây chuyền sản xuất công nghiệp đều được trang bị các thiết bị hiện đại với trình độ tự động hóa cao, những thiết bị và dây chuyền này thường nhạy cảm hơn với các thông số của điện năng so với thế hệ các thiết bị điện - cơ trước đây. Quy mô sản xuất càng lớn, thiết bị sử dụng càng hiện đại thì hậu quả của chất lượng điện năng xấu (sụt áp, tần số không ổn định, xuất hiện hài bậc cao, gián đoạn cung cấp điện,…) càng trở nên nghiêm trọng. Chất lượng điện năng kém có thể làm giảm hiệu suất của các thiết bị điện, gây thêm tổn thất công suất tác dụng và điện năng, gây ra các hiện tượng phát nóng, làm giảm tuổi thọ thiết bị, gây ra các vấn đề về sức khỏe người lao động,…

  Một trong những phụ tải tiêu biểu và phổ biến nhất trong các hệ thống phân phối điện chính là các động cơ không đồng bộ (chiếm tới 45-50% công suất của các loại phụ tải). Các động cơ này có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, dễ điều chỉnh tốc độ và công suất nên được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, do đặc tính hoạt động của thiết bị, các động cơ này gây ra nhiều vấn đề về chất lượng điện năng, tổn thất công suất tác dụng, đặc biệt là trong quá trình khởi động. Khi khởi động, rotor bị ngắn mạch, do đó dòng điện tăng rất cao và kéo theo đó là dao động điện áp. Khi rotor tăng tốc, dòng điện này sẽ giảm dần. Trong quá trình khởi động, điều chỉnh tốc độ, động cơ không đồng bộ tiêu thụ rất nhiều năng lượng. Không chỉ gây ra các vấn đề về chất lượng điện năng, bản thân các động cơ này cũng rất nhạy cảm với chính những thay đổi này, cụ thể như sau:

          - Ảnh hưởng của việc sụt điện áp: điện áp của lưới điện xuống thấp sẽ khiến cho hiệu suất của động cơ giảm đáng kể. Nếu điện áp giảm 5% so với điện áp định mức thì hiệu suất động cơ giảm khoảng 1%, nếu điện áp tại động cơ giảm 10%, hiệu suất giảm 2%. Lượng công suất này sẽ biến thành nhiệt làm cho động cơ nóng lên.

          - Ảnh hưởng của hệ số công suất: hệ số công suất cosφ là tỷ số giữa công suất tác dụng P và công suất toàn phần S. Với các động cơ không đồng bộ thường cosφ thấp (dưới 0,85) do lượng công suất phản kháng lớn. Lượng công suất phản kháng này sẽ gây ra tổn thất rất lớn dưới dạng nhiệt trên các đường dây cáp và các máy biến áp (tổng tổn thất tại các nhà máy có thể lên tới 8-10%, tổn thất trong máy biến áp trung áp là khoảng 2,5%, máy biến áp 110kV khoảng 1,5%, phần tổn thất trên các đường dây cáp có thể từ 4 đến 6% hoặc hơn nữa). Hệ số cosφ thấp cũng làm cho điện áp tại các động cơ giảm thấp kéo theo giảm tổn thất trong các động cơ tăng lên.

          - Ảnh hưởng của độ không đối xứng của điện áp ba pha tới hiệu suất của động cơ: thông thường, các động cơ công suất lớn thường là động cơ 3 pha. Nếu điện áp tại 3 pha có độ chênh lệch sẽ khiến động cơ bị rung, lắc và tăng tổn thất. Thông thường khi điện áp 3 pha lệch khoảng 2% thì tổn thất trong động cơ sẽ tăng 8%, lệch 3,5% tổn thất tăng 25% và lệch 5% thì tổn thất tăng 50%. Vì vậy, cần phải giữ cho điện áp ba pha xấp xỉ bằng nhau, độ lệch dưới 2%.

          - Ảnh hưởng của sóng hài tới động cơ: sóng hài là hiện tượng méo dạng điện áp do các thiết bị điện tử, hồ quang gây ra. Nếu sóng hài nhỏ dưới 5% thì tổn thất của động cơ tăng khoảng 4,26%. Tuy nhiên, đối với những sóng hài lớn (vài chục %) thì tổn thất có thể tăng thêm từ 30-35%.

Có thể thấy ảnh hưởng chính của chất lượng điện năng tới hiệu suất của các động cơ không đồng bộ là vấn đề chất lượng điện áp, bao gồm: điện áp sụt thấp, hệ số công suất thấp, vấn đề không đối xứng điện áp và sóng hài. Việc nâng cao hiệu suất của các động cơ có thể thực hiện bằng cách đặt thêm các thiết bị điều chỉnh điện áp, bù công suất phản kháng và lọc sóng hài. Các thiết bị bù trơn công suất phản kháng, tốc độ cao sẽ làm tăng đáng kể hiệu suất của nhà máy cũng như giảm tổn thất, nâng cao tuổi thọ của thiết bị.