Phân tích các thông số tải và tụ bù trên mô hình tụ bù Mikro PFR96 trong giảng dạy

TÓM TẮT:

Mục tiêu bài viết nhằm phân tích các thông số bù công suất phản kháng trên mô hình tụ bù Mikro PFR96 nhằm phục vụ giảng dạy, học tập và nghiên cứu cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật điện - Điện tử. Phương pháp phân tích dựa trên các thông tải thực tế trên mô hình, thông số tụ bù kết hợp tính toán lý thuyết để từ đó thí nghiệm trên mô hình thực. Mô tả các nhận xét trong tính toán lý thuyết về những hiện tượng xảy ra khi thực hiện bài toán bù công suất phản kháng trên lưới điện. Tác giả thí nghiệm giá trị thực trên mô hình và tính toán lý thuyết để minh chứng cho cơ sở lý thuyết là đúng, chính xác. Kết quả phân tích thông số đo trên mô hình thông qua đồng hồ MFM384 và màn hình rơ le điều khiển Mikro PFR96 so với tính toán lý thuyết đạt giá trị chính xác từ 96% đến 100%.

Từ khóa: bù công suất phản kháng, ứng dụng rơ le  điều khiển Mikro PFR96, giảng dạy, học tập và nghiên cứu, đạt giá trị chính xác trong thí nghiệm.

1. Đặt vấn đề

Mô hình điều khiển tụ bù sử dụng bộ điều khiển Mikro PFR96 tại phòng thực hành của Bộ môn Điện - Điện tử, Trường Đại học Trà Vinh được dùng trong giảng dạy các bài thực hành liên quan đến bài toán bù công suất phản kháng trên lưới điện. Mô hình thí nghiệm được các bài toán tính toán thông số tải trở, tải kháng, bù tĩnh và bù ứng động trong mạng điện hạ áp thông qua rơ le điều khiển Mikro PRF96 [1-2].

Trong nghiên cứu này, tác giả thực hiện thí nghiệm liên quan đến các thông số tải trở, tải kháng và kết hợp tải trở và tải kháng để xác định giá trị chính xác của phụ tải điện so với cơ sở tính toán lý thuyết. Thí nghiệm các bài toán liên quan đến bù công suất phản kháng như bù tĩnh. Nội dung chính và nổi trội của phương pháp nghiên cứu này là tính toán lý thuyết và thực hiện các thí nghiệm liên quan bài toán bù công suất phản kháng để nhận xét các hiện tượng xảy ra khi thực hiện bài toán bù công suất phản kháng trên các loại phụ tải điện khác nhau [2]. Nhận xét giá trị chính xác giữa các thiết bị đo từ đồng đồ đa năng MFM384 và màn hình điều khiển của rơ le Mikro PFR96 trên mô hình tụ bù [1, 3].

2. Tổng quan nghiên cứu

Những năm gần đây có rất nhiều công trình nghiên cứu về bù công suất trong mạng điện hạ áp đến mạng điện điện cao áp. Các nghiên cứu này rất cần thiết được ứng dụng trong giảng dạy tại các trường đại học và cũng đã có các công trình nghiên cứu việc thiết kế, chế tạo mô hình dạy học phục vụ trong giảng dạy và nghiên cứu cho sinh viên ngành điện [4, 6]. Công trình nghiên cứu bù công suất phản kháng đã nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của các thiết bị điện mục tiêu cải thiện dòng điện phụ tải, giảm tổn thất điện năng cho phụ tải điện xí nghiệp [5].

Theo Yuriy Sayenko, Tatiana Baranenko đã áp dụng bù công suất phản kháng trong hệ thống cung cấp điện của các xí nghiệp công nghiệp lớn coi như một bài toán tối ưu hóa về mặt kinh tế, giảm lượng chi phí cho việc tiêu thụ công suất phản kháng do thiết bị điện của doanh nghiệp tạo ra [7].

Một nghiên cứu của Zhou Jianguo, Sun Qiuye việc ứng dụng bài toán bù ứng động để tối ưu hóa lượng công suất cần bù, nâng cao hệ số công suất trên lưới điện là cần thiết để nâng cao chất lượng điện trong sản xuất tại nhà máy [8].  Từ những yêu cầu thực tiễn cho thấy hầu hết các thiết bị tiêu thụ điện đều có ảnh hưởng đến hệ số công suất, cũng là nguyên nhân làm tổn thất điện năng, ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện và chi phí vận hành hàng năm.

Để đáp ứng được mục tiêu trong giảng dạy, học tập và nghiên cứu cho sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật điện, điện tử tại Bộ môn Điện - Điện tử thuộc Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh tiếp cận kiến thức liên quan bài toán tính toán bù công suất phản kháng lưới điện. Tác giả thực hiện bài viết phân tích các thông số tải và tụ bù trên mô hình tụ bù sử dụng rơ le điều khiển Mikro PFR96 và đồng hồ đo đa năng MFM384 kết hợp với mô hình tải trở và tải kháng để tính toán, cùng thí nghiệm các dạng tiêu biểu trong giảng dạy, nhằm giúp sinh viên hiểu chi tiết hơn khi thực hiện việc bù công suất phản kháng trên lưới điện.

3. Nội dung nghiên cứu

3.1. Xác định phạm vi nghiên cứu

Trên cơ sở mô hình tụ bù Mikro PFR96 cùng mô hình phụ tải điện và các thiết bị bảo vệ, đo lường và điều khiển từ mô hình, tác giả tính toán các loại thông số tải trở và tải kháng, tính toán công suất tụ điện, tính toán các dạng bài toán bù tĩnh và bù ứng động điển hình để tiến hành thí nghiệm đưa ra các nhận xét cụ thể. Từ những bài toán cụ thể dựa trên cơ sở lý thuyết và tiến hành thí nghiệm để nhận định các giá trị đo chính xác được hiển thị trên đồng hồ đo đa năng MFM384 và màn hình rơ le điều khiển tụ bù Mikro PFR96.

3.2. Mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm thứ nhất trong nghiên cứu này của chúng tôi là xác định giá trị giữa tính toán lý thuyết so với giá trị đo thông số tải tại đồng đồ MFM384 và rơ le Mikro PFR96. Điện áp ba pha 400V, tần số làm việc 50Hz, khi thực hiện thí nghiệm mô hình tải trở và tải kháng [1].

Thí nghiệm tải thuần trở ba pha đấu sao có điện trở R₁ = R₄ = R₇ = 720 (Ω)

Thí nghiệm tải thuần kháng ba pha đấu sao có hệ số tự cảm L₁ = L₄ = L₇ (H); điện kháng X₁ = X₄ = X₇ = 722,2 (Ω).

Thí nghiệm tải trở kết hợp tải kháng ba pha đấu sao có R₁ = R₄ = R₇ = 720 (Ω); hệ số tự cảm L₁ = L₄ = L₇ (H); điện kháng X₁ = X₄ = X₇ = 722,2 (Ω).

Mẫu thí nghiệm thứ hai trong nghiên cứu này của chúng tôi xác định giá trị giữa tính toán lý thuyết so với giá trị đo thông số tụ tại đồng đồ MFM384 và rơ le Mikro PFR96. Điện áp ba pha 400V, tần số làm việc 50Hz, khi thực hiện thí nghiệm trên mô hình các tụ bù [1].

Thí nghiệm tụ bù:

C_1-3pha = C_2-3pha = 2 (μF); C_3-3pha = 3 (μF); C_4-3pha = 4 (μF).

3.3. Quy trình thí nghiệm

Chúng tôi thực hiện tính toán lý thuyết, lập bảng thống kê số liệu và tiến hành đấu nối các phần tử trên mô hình tụ bù Mikro PFR96. Thí nghiệm để ghi nhận thông số hiển thị trên các thiết bị đo. Nhận xét và so sánh kết quả.

4. Kết quả thảo luận

4.1. Mô hình tụ bù Mikro PFR96 [1]

Mô hình tụ bù sử dụng bộ điều khiển Mikro PFR96 thiết kế với kích thước tổng thể là: 800mm x 980mm x 200mm (HxWxD). Hình ảnh 3D minh họa được trình bày ở Hình 1.

Hình 1: Kích thước tổng thể mô hình

Mô hình tụ bù Mikro PFR96 thực tế được mô tả Hình 2.

Hình 2: Mô hình tụ bù Mikro PFR96

4.2. Mẫu thí nghiệm thứ nhất trên mô hình thí nghiệm tải trở và tải kháng [1]

Thí nghiệm đấu nối tải thuần trở trên mô hình đấu sao có R₁ = R₄ = R₇ = 720 (Ω).

Hình 3: Sơ đồ nối dây thí nghiệm mô hình tải thuần trở

Tính dòng điện dây, công suất tải:

 

Tính toán công suất biểu kiến và hệ số công suất:

 

Nhận xét: Dựa trên kết quả tính toán và kết quả đo tại đồng hồ MFM384 và rơ le Mikro PFR96, ta thấy kết quả trên mô hình đạt giá trị chính xác cao từ 97% đến 100%.

Bảng 1. Tính toán lý thuyết, thí nghiệm tại thiết bị đo MFM384 và Mikro PFR96

Thí nghiệm tải thuần kháng ba pha đấu sao có hệ số tự cảm L₁ = L₄ = L₇ (H); điện kháng X₁ = X₄ = X₇ = 722,2 (Ω).

Hình 4: Sơ đồ nối dây thí nghiệm mô hình tải thuần kháng

Tính điện kháng: X₁ = X₄ = X₇ = L.ω (Ω)

Tính dòng điện dây, công suất tải:

 

Tính toán công suất biểu kiến và hệ số công suất:

 

Nhận xét: Tải thuần kháng có giá trị hệ số công suất bằng 0, tuy nhiên khi thí nghiệm đo giá trị thực tế trên đồng hồ MFM384 và rơ le Mikro PFR96 có giá trị khác 0 do ảnh hưởng một phần điện trở (không hoàn toàn thuần kháng), do sai số tải kháng kết hợp với sai số phép đo trên thiết bị đo. Dựa trên kết quả tính toán và kết quả đo tại đồng hồ MFM384 và rơ le Mikro PFR96, ta thấy kết quả trên mô hình đạt giá trị chính xác cao từ 95% đến 97%.

Bảng 2. Tính toán lý thuyết, thí nghiệm tại thiết bị đo MFM384 và rơ le Mikro PFR96

Thí nghiệm tải trở kết hợp tải kháng ba pha đấu sao có R₁ = R₄ = R₇ = 720 (Ω); hệ số tự cảm L₁ = L₄ = L₇ = 2,3(H); điện kháng X₁ = X₄ = X₇ = 722,2 (Ω).

Hình 5: Sơ đồ nối dây thí nghiệm mô hình tải thuần trở và tải thuần kháng

Tính công suất tác dụng:

 

Tính công suất phản kháng:

 

Tính toán công suất biểu kiến:

 

Tính hệ số công suất: cosφ = P/S

Tính dòng điện dây:

 

Nhận xét: Dựa trên kết quả tính toán và kết quả đo tại đồng hồ MFM384 và rơ le Mikro PFR96, ta thấy kết quả đạt giá trị chính xác từ 95% đến 98%.

Bảng 3. Tính toán lý thuyết, thí nghiệm tại thiết bị đo MFM384 và rơ le Mikro PFR96

4.3. Mẫu thí nghiệm thứ hai trên mô hình, thực hiện thí nghiệm các tụ bù [1]

Thí nghiệm trên mô hình tụ bù,

Hình 6: Sơ đồ nối dây thí nghiệm bộ tụ bù

Tính công suất phản kháng tụ bù một pha:

 

Công suất phản kháng tụ bù ba pha:

Q_C-3pha = 3.Q_C-1pha (Var)     

Dòng điện dung:

 

Nhận xét: Thí nghiệm ghi nhận giá trị tại đồng hồ MFM384 ta thấy công suất bộ tụ có dấu âm “-” hoặc “CAP”, do đây là công suất bù ngược lên lưới điện (bù dư). Dựa trên kết quả tính toán và kết quả thí nghiệm cho thấy kết quả tính toán và kết quả tại đồng hồ MFM384 và kết quả tại rơ le Mikro PFR96 có giá trị chính xác đạt từ 93% đến 98%.

Bảng 4. Thông số điện dung tụ điện 3 pha

Bảng 5. Thông số tính toán cho tụ bù trên mô hình

Bảng 6. Thông số đo tại đồng hồ MFM384

Bảng 7. Thông số đo tại rơ le Mikro PFR96

5. Kết luận

Bài báo đã trình bày những nội dung liên quan đến phân tích các thông số tải và tụ bù trên mô hình tụ bù Mikro PFR96. Thí nghiệm lại các thông số tải, thông số tụ bù, bù tĩnh sử dụng rơ le điều khiển Mikro PFR96. Điểm nổi bật của phương pháp nghiên cứu này là tính toán lý thuyết và thực hiện các thí nghiệm liên quan bài toán bù công suất phản kháng để nhận xét các hiện tượng xảy ra khi thực hiện bài toán bù công suất phản kháng trên các loại phụ tải điện khác nhau. Nhận xét những bài toán cụ thể dựa trên cơ sở lý thuyết và thí nghiệm là chính xác đạt kết quả từ 93% đến 100% (tùy thuộc vào từng dạng bài toán khác nhau). Mục tiêu giúp sinh viên hiểu chi tiết hơn khi thực hiện bài toán bù công suất phản kháng trên lưới điện và hiểu rõ hơn các biểu thức toán liên quan.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Nguyễn Văn Luân, Lê Văn Dương Khang (2023). Cải tiến mô hình thí nghiệm bù công suất phản kháng sử dụng rơ le điều khiển Mikro PFR96. Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh.
2. Nguyễn Anh Quốc, Nguyễn Quang Huy (2022). Nghiên cứu tài liệu giảng dạy thực hành vận hành hệ thống điện. Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh.
3. Nguyễn Thanh Hiền (2021). Tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình tụ bù Mikro 12 cấp và thực hiện các bài thí nghiệm bù công suất phản kháng. Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh.
4. Lê Hoàng Qui, Thạch Bình Qui (2019). Thực hiện mô hình tụ bù Mikro 12 cấp. Đồ án tốt nghiệp, Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh.
5. Nguyễn Anh Vũ (2015). Thiết kế mô hình điều khiển bù công suất phản kháng. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Thủ Dầu Một.
6. A. N. Skamyin and M. S. Kovalchuk (2018). Energy efficiency improving of reactive power compensation devices. 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), January 29 - February 01 (pp. 780-783). Moscow and St. Petersburg, Russia.
7. Yuriy Sayenko, Tatiana Baranenko (2015). Compensation of reactive power in electrical supply systems of large industrial enterprises. [Online] Availabile at http://pe.org.pl/articles/2015/11/22.pdf
8. Zhou Jianguo, Sun Qiuye (2012). Load balancing and reactive power compensation based on capacitor banks shunt compensation in low voltage distribution networks. Proceedings of the 31st Chinese Control Conference, 24 December (pp. 6681-6686). Hefei, China.

ANALYZING REACTIVE POWER

COMPENSATION PARAMETERS ON MIKRO PFR96

CAPACITOR MODEL IN TEACHING ACTIVITIES

• Master. NGUYEN THANH HIEN

Department of Electrical and Electronics Engineering,

Faculty of Engineering and Technology, Tra Vinh University

ABSTRACT:

This study analyzed reactive power compensation parameters on the Mikro PFR96 capacitor model to serve training activities for students majoring in Electrical and Electronics Engineering Technology. The study’s experiment was based on the actual load information of the studied model and capacitor parameters combined with theoretical calculations. The study also presented comments in theoretical calculations about the phenomena that occur when performing the problem of reactive power compensation on the power grid. Real values were tested to prove that the theoretical basis is correct and accurate. The study’s results show that parameters measured on the model through the MFM384 meter and Mikro PFR96 control relay screen compared to theoretical calculations reached an accurate value of 96% to 100%.

Keywords: reactive power compensation, Mikro PFR96 control relay application, teaching, learning and research, achieve accurate values in testing.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 23 tháng 10 năm 2023]