Lợi Ích Của Tụ Bù Trong Các Bộ Đèn Cao Áp

Tụ Bù Là Gì Và Tại Sao Phải Sử Dụng Tụ Bù Trong Chiếu Sáng

Hiểu một cách đơn giản thì tụ bù là một thiết bị được dùng để nâng cao hệ số công suất cosφ, nhất là đối với các “bộ đèn cao áp” có công suất lớn. Việc sử dụng tụ bù giúp giảm được một khoản đáng kể điện năng tiêu thụ, từ đó giúp tiết kiệm được nhiều chi phí dành cho chiếu sáng.

Trong thực tế, khi lựa chọn một bộ đèn, đôi khi chúng ta mới chỉ chú ý đến các thông số quang học như quang thông và sự phân bố cường độ sáng mà chưa để ý đến một thông số điện rất quan trọng, đó là hệ số công suất hay còn gọi là hệ số cosφ (Tiếng Anh: Power Factor (PF) của chúng. Để hiểu rõ hơn về tụ bù, chúng ta sẽ tìm hiểu trước về cosφ.

Hệ Số Công Suất Là Gì?

Trong mạch điện xoay chiều,công suất thực (hay công suất có ích) của một thiết bị điện được viết bằng biểu thức:

Pt=UI cos⁡φ

Trong đó φ là góc lệch pha của điện áp và dòng điện trong mạch. Với cosφ ≤1.

Biểu thức (1) cũng có thể được viết là:

Pt=Ps⁡cos⁡φ

Trong thì Ps= UI được gọi là công suất biểu kiến của lưới điện với U là điện áp và I là cường độ dòng điện mà nhà máy truyền đi để cung cấp cho thiết bị điện. Là đơn vị dùng để tính trên hóa đơn tiền điện.

Ta hãy viết lại thành:

Ps=pt/cos⁡φ

Từ đó chúng ta có thể thấy rằng, hệ số công suất là tỷ lệ của công suất thực được hấp thụ bởi tải với công suất biểu kiến. Hệ số công suất nhỏ hơn 1, và càng gần về 1 thì sẽ làm giảm đáng kể công suất biểu kiến của lưới điện.

Tụ Bù Giúp Tiết Kiệm Điện

Ta thấy rằng, một bộ đèn có hệ số công suất càng thấp sẽ là cho công suất biểu kiến Ps càng cao, đồng nghĩa với việc hóa đơn tiền điện sẽ càng lớn hơn. Vì vậy, trong chế tạo và sử dụng các thiết bị điện, người ta thường phải cố gắng thiết kế sao cho thiết bị có hệ số công suất càng cao càng tốt. Các loại tụ điện được ra đời với mục đích đó.

Vận dụng vào thực tiển ta có thể xem xét ví dụ sau:

Một bộ đèn cao áp sodium với công suất là 400w. Khi chưa gắn tụ bù thì cosφ = 0,45. Và sau khi mắc thêm một tụ có điện dung bằng 32uF thì cosφ là 0,85.

Theo như vậy ta tính được công suất biểu kiến của lưới điện như sau:

• Khi cosφ = 0,45 thì Ps= 400/0,45 = 888 VA
• Khi cosφ = 0,85 thì Ps= 400/0,85 = 470 VA

Từ ví dụ trên, chúng ta có thể thấy rằng công suất biểu kiến của cùng một bộ đèn trước và sau khi lắp thêm tụ bù là chênh lệch một khoảng vô cùng lớn.

Lợi Ích Kinh Tế Trong Chiếu Sáng

Vẫn dùng ví dụ trên, người ta sử dụng các bộ đèn cao áp sodium có thông số 400W – 220V, điện áp khởi động Ukđ ≥ 185 V để chiếu sáng đường. Khi chưa được bù thì cosφ = 0,45 và khi được bù thì cosφ = 0,85. Cho biết cột đèn cao 10 m, khoảng cách hai cột liên tiếp là l =40 m, dây điện làm bằng đồng có điện trở suất ρ = 1,82. 10-8 Ω và tiết diện S = 5mm2. Hãy tính số đèn tối đa có thể mắc được trong hai trường hợp bù và chưa bù hệ số công suất nếu điện áp của lưới điện Ul = 220 V và từ đó tính ra kinh phí của công trình trong hai trường hợp.

Trường hợp 1. Chưa được bù, cosφ = 0,45

Từ công thức trên ta tính được:

I=Pt/(U cos⁡φ ) = 400/220×0,45 = 4,04A(4)

Tổng chiều dài dây dẫn giữa hai đèn là L = 2l = (40 +10)2 = 100 m

Điện trở của đoạn đây này là:

R=ρ l/S = 1,82.10-8 100/(5.10-6 ) = 0,324Ω

Ta tính được độ sụt áp trên dây, tức là giữa đèn thứ nhất và đèn thứ hai là:

ΔU = IR = 4,04 × 0,324 = 1,31V

Do các đèn mắc song song,dòng điện tổng bằng tổng các dòng mạch nhánh nên tiết diện dây cũng phải tăng dần. Trong trường hợp này, ta giả sử tiết diện dây đã được tăng phù hợp để độ sụt áp trên từng đoạn dây giữa hai cột liên tiếp như đã tính ở trên ta thấy rằng, nếu sụt áp trên đèn thứ hai là ΔUthì độ sụt áp trên đèn đèn thứ ba là 2ΔU, độ sụt áp trên đèn thứ tư là 3ΔU và độ sụt áp trên đèn thứ n sẽ là(n-1)ΔU

Rõ ràng rằng, muốn tìm đèn thứ n còn khởi động được ta phải giải phương trình:

(n-1)1.31≤(220-185)(8)

Giải (8) ta tính được n = 25 đèn

Trường hợp 2. Đã được bù, cosφ = 0,85

Từ công thức (1) ta tính được:

I=Pt/(U cos⁡φ ) = 400/220×0,85 = 2,1A (9)

Suy ra độ sụt áp giữa đèn thứ nhất và đèn thứ hai là:

ΔU = IR = 2,1×0,324 = 0,68V (10)

Tương tự như trường hợp 1, do các đèn mắc song song, dòng điện tổng bằng tổng các dòng mạch nhánh nên tiết diện dây cũng phải tăng dần. Trong trường hợp này, ta giả sử tiết diện dây đã được tăng phù hợp để độ sụt áp trên từng đoạn dây giữa hai cột liên tiếp như đã tính ở (10). Muốn tìm đèn thứ n còn khởi động được ta phải giải phương trình:

n-1)ΔU≤ (220 -185) tức 0,68(n-1)≤ 35 (11)

Giải (11) ta tính được n = 50 đèn.

Về số biến áp phải dùng:

Trường hợp các đèn đã được bù hệ số công suất thì sau 50 đèn ta mới phải dùng biến áp để tăng điện áp, trong khi nếu chưa được bù thì sau 25 đèn ta đã phải lắp đặt một biến áp để tăng áp cho các đèn có thể khởi động được.

• Giả sử công trình có 100 đèn (ứng với quãng đường khoảng 4 km) thì:
• Số biến áp cho trường hợp thứ nhất là 3 trạm (đặt ở các vị trí đèn thứ 26; 51; và 76)
• Số biến áp cho trường hợp thứ hai là 1 trạm (đặt ở vị trí đèn thứ 51)

Về kinh phí của hệ thống:

• Nếu hiện tại giá một biến áp vào khoảng 100.000.000đ và giá bộ đèn khoảng 3.500.000đ thì ta tính ngay được:
• Tổng kinh phí cho trường hợp thứ nhất là 650.000.000 đ (gồm 100 bộ đèn và 03 trạm biến áp)
• Tổng kinh phí cho trường hợp thứ hai là 450.000.000 đ(gồm 100 bộ đèn và 01 trạm biến áp)

Nếu tính đến các lợi ích khác như: giảm công suất biểu kiến của lưới, giảm tổn hao do hiệu ứng tỏa nhiệt Jul – Lens và chi phí do giảm kích thước dây cáp điện khi dùng các bộ đèn có hệ số công suất cao thì chúng ta sẽ thấy lợi ích vô cùng to lớn của việc dùng bộ đèn có hệ số công suất cao.

Trên thực tế, đối với các công trình chiếu sáng đường với đèn công suất lớn, các nhà sản xuất và lắp đặt thường tiến hành “bù tại chỗ” tức là mắc tụ để tăng hệ số công suất trực tiếp cho từng đèn để giàm chi phí xây lắp các trạm biến áp và sử dụng hiệu quả lưới điện.