Các giải pháp tiết kiệm năng lượng đối với động cơ không đồng bộ

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG . MỞ ĐẦU Năng lượng là một nhu cầu cấp thiết nhất cho cuộc sống con người, nhất là trong cuộc sống hiện nay. Loài người chúng ta sống không thể thiếu năng lượng, nhưng liệu chúng ta có mấy ai quan tâm về hiệu quả sử dụng năng lượng?. Chúng ta chỉ quý các tiện ích mà năng lượng mang lại như ánh sáng, sưởi ấm, làm mát, phục vụ công nghiệp… Vấn đề đặt ra là với ít năng lượng hơn, chúng ta có thể có được những dịch vụ như vậy hay không. Điều này chúng ta hoàn toàn thực hiện được, thậm chí còn tốt hơn, vậy làm thế nào để sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả nhất? Điều này không có nghĩa là chúng ta không sử dụng năng lượng, mà là nhận diện cách sử dụng năng lượng lãng phí và quyết định giảm lãng phí năng lượng tới mức thấp nhất, thậm chí loại bỏ hoàn toàn sự lãng phí. . CHIẾN LƯỢC PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG QUỐC GIA CỦA VN . Mục tiêu chiến lược Bảo đảm cung cấp đủ năng lượng cho nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội. Năng lượng sơ cấp năm 2010 có từ 47,5-49,5 triệu TOE, đến năm 2020 đạt khoảng từ 100-110 triệu TOE; đến năm 2050 đạt khoảng từ 310-320 triệu TOE. . Mục tiêu cụ thể Phát triển các nhà máy lọc dầu, đưa tổng công suất các nhà máy lọc dầu lên khoảng 25-30 triệu tấn dầu thô vào năm 2020. Bảo đảm mức dự trữ chiến lược xăng dầu quốc gia đạt 45 ngày tiêu thụ bình quân vào năm 2010, đạt 60 ngày vào năm 2020 và đạt 90 ngày vào năm 2025. Hoàn thành chương trình năng lượng nông thôn, miền núi. Chuyển mạnh các ngành điện, than, dầu khí sang hoạt động theo cơ chế thị trường cạnh tranh có sự điều tiết của Nhà nước. Hình thành thị trường bán lẻ điện cạnh tranh giai đoạn sau 2022, thị trường kinh doanh than, dầu khí từ nay đến năm 2015. Tích cực chuẩn bị để đưa tổ máy điện hạt nhân đầu tiên vận hành vào năm 2020, đến năm 2050 năng lượng điện hạt nhân chiếm khoảng 15-20% tổng tiêu thụ năng lượng thương mại toàn quốc. Phấn đấu tăng tỉ lệ năng lượng tái tạo lên khoảng 3% tổng năng lượng thương mại sơ cấp vào năm 2010, khoảng 5% vào năm 2020 và khoảng 11% vào năm 2050. Phấn đấu thực hiện liên kết lưới điện khu vực bằng cấp điện áp đến 500kV từ năm 2010-2015. Thực chất của các chiến lược này là đáp ứng một cách đầy đủ các yêu cầu của hộ tiêu thụ trên cơ sở hợp lý nhất. Các nội dung chủ yếu của chiến lược này là sử dụng các thiết bị điện có hiệu suất cao và giảm thiểu sự tiêu phí năng lượng một cách vô ích. Chiến lược này làm giảm điện năng tiêu thụ, nhờ đó có thể giảm vốn đầu tư phát triển nguồn và lưới điện đồng thời khách hàng sẽ phải trả ít tiền điện hơn. Ngành điện có điều kiện nâng cấp thiết bị, chủ động trong việc đáp ứng nhu cầu của phụ tải điện, giảm thiểu tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng. . TIỀM NĂNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG CÁC NGÀNH SẢN XUẤT, KINH DOANH Ở NƯỚC TA Kết quả khảo sát của các cơ quan nghiên cứu và tư vấn vào năm 2000 cho thấy, tiềm năng tiết kiệm năng lượng ở nước ta còn rất lớn: Công nghiệp xi măng (tiềm năng tiết kiệm đến) ………50% Công nghiệp gốm …………………………………. 35% Phát điện than …………………….…………… 25% Ngành dệt /may mặc …………………………………. 30% Công nghiệp thép …………………………………. 20% Chế biến thực phẩm ………………………….……… 20% Nông nghiệp ………………….……………… 50% Sử dụng nước …………………….…………… 15% Các tòa nhà thương mại …………………………… 25% Bên cạnh đó theo thống kê sơ bộ của dự án nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam (dự án Precsme), tiềm năng tiết kiệm năng lượng ở các doanh nghiệp vừa và nhỏ ở Việt Nam như sau: Động cơ điện và thiết bị truyền động ………………………20%. Chiếu sáng ……………………….30%. Thông gió, điều hòa nhiệt độ ……………………….40%. Bơm, quạt ..……………………..20%. Hệ thống khí nén .……………………...20%. Hệ số công suất hệ thống ..…………………….. 10%. Quản lí phụ tải .……………………..10%. . CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG 1.4.1. Tiết kiệm năng lượng đối với động cơ điện Mục tiêu: Nghiên cứu các vấn đề về quản lý hệ thống cấp điện. Xác định các nguyên nhân gây tổn thất điện năng và làm giảm chất lượng điện năng. Đề xuất và thực hiện các giải pháp sử dụng năng lượng điện hiệu quả và tiết kiệm điện trong ĐCĐ. Tính toán hiệu quả làm việc của các động cơ điện đảm bảo TKNL. Tính toán các hệ thống và vị trí bù . 1.4.2. Tiết kiệm năng lượng đối với hệ thống chiếu sáng Mục tiêu: Nghiên cứu các hệ thống chiếu sáng hiệu quả. Xác định các nguyên nhân của một hệ thống chiếu sáng không hiệu quả. Đề xuất, thực hiện các giải pháp nâng cao hiệu quả chiếu sáng và tiết kiệm. 1.4.3. Tiết kiệm năng lượng đối với hệ thống bơm quạt Mục tiêu: Xác định các loại bơm, quạt. Xác định các thông số cơ bản của bơm, quạt. Xác định đặc tính cơ bản của bơm, quạt. Xác định các vấn đề và giải pháp TKNL cho hệ thống bơm, quạt. 1.4.4. Tiết kiệm năng lượng đối với hệ thống khí nén Mục tiêu: Xác định máy nén khí thông dụng, ưu nhược điểm. Xác định các thông số cơ bản của máy nén khí. Xác định các vấn đề và giải pháp TKNL đối với hệ thống khí nén. 1.4.5. Tiết kiệm năng lượng đối với hệ thống hơi Mục tiêu: Xác định được các dạng tổn thất nhiệt và giải pháp TKNL trong lò hơi. Xác định các vấn đề và giải pháp trong hệ thống phân phối hơi. Xác định các vấn đề và giải pháp TKNL trong sử dụng hơi. Nhận diện các cơ hội tận dụng nhiệt thải. 1.4.6. Tiết kiệm năng lượng đối với hệ thống điều hòa không khí Mục tiêu Lựa chọn ĐHKK phù hợp và hiệu quả về mặt năng lượng. Giải thích nguyên lý hoạt động của ĐHKK. Xác định các giải pháp giúp giảm phụ tải lạnh. Lưu ý khi lắp đặt ĐHKK và bảo trì để tiết kiệm điện. Xác định một số biện pháp thay thế ĐHKK. . KẾT LUẬN 1.5.1. Lợi ích khi tiết kiệm năng lượng một cách hợp lý sẽ mang lại cho chúng ta Giảm chi phí sản xuất vận hành, tăng lợi nhuận, tăng tính cạnh tranh trên thị trường, kinh doanh phát triển. Cải thiện chất lượng sản phẩm, mức tiện nghi nhờ cải tiến quá trình công nghệ. Thu được lợi ích dài hạn và mức rủi ro thấp. Có thể tạo được hình ảnh thân thiện trong môi trường công nghiệp. 1.5.2. Một số rào cản vấp phải khi thực hiện Thiếu nhận thức, kiến thức về lợi ích của tiết kiệm năng lượng. Chưa có nhiều các thiết bị sử dụng tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam. Chưa tin tưởng vào các khái niệm tiết kiệm năng lượng hiện có. Thiếu vốn cho đầu tư ban đầu. 1.5.3. Biện pháp khắc phục Phát triển năng lực tại chỗ để thiết kế, triển khai và giám sát các dự án tiết kiệm năng lượng hiện có. Sử dụng dịch vụ của nhà cung cấp thiết bị sau khi hoàn thành thiết kế ban đầu. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu các phương pháp tiết kiệm năng lượng cho động cơ không đồng bộ. Chương 2 NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 2.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) có cấu tạo đơn giản, vận hành chắc chắn nên được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Từ các loại thiết bị điện gia dụng như quạt điện, máy điều hòa nhiệt độ… đến các động cơ truyền động máy công cụ, máy nâng chuyển, dây chuyền sản xuất đâu đâu cũng có mặt ĐCKĐB. Chúng có công suất từ vài W đến vài nghìn kW. Trên 50% điện năng sản xuất của thế giới do ĐCKĐB tiêu thụ. Động cơ không đồng bộ gồm hai phần chính: Phần tĩnh và phần quay. 2.1.1. Phần tĩnh Gồm lõi thép , dây quấn và vỏ máy. 2.1.1.1. Lõi thép stato Do nhiều lá thép kỹ thuật điện đã dập sẵn, ghép cách điện với nhau chiều dày các lá thép thường từ 0.35mm đến 0.5mm, phía trong có các rãnh đặt dây quấn. Mỗi lá thép kỹ thuật được sơn cách điện với nhau để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây lên. Nếu lá thép ngắn thì có thể ghép lại thành một khối. Nếu lá thép quá dài thì ghép lại thành các thếp, mỗi thếp dài từ 6 cm đến 8 cm, cách nhau 1 cm để thông gió. 2.1.1.2. Dây quấn Được đặt trong lõi các rãnh của lõi thép, xung quanh dây quấn có bọc lớp cách điện để cách điện với lõi thép. Với động cơ không đồng bộ ba pha các pha dây quấn đặt cách nhau điện. 2.1.1.3. Vỏ máy Để bảo vệ và giữ chặt lõi thép stato và không dùng để dẫn từ. Vỏ máy làm bằng nhôm (máy nhỏ) hoặc bằng gang , thép đối với (máy lớn). Vỏ máy có chân đế cố định máy trên bệ, hai đầu có nắp máy để đỡ trục rôto và bảo vệ dây quấn. 2.1.2. Phần quay Gồm lõi thép , trục, và dây quấn. . Lõi thép roto Cũng gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại giống ở stato. Lõi thép được ép trực tiếp lên trục, bên ngoài có sẻ rãnh để đặt dây quấn. . Trục máy Được làm bằng thép, có gắn lõi thép rôto. Trục được đỡ trên nắp máy nhờ ổ lăn hay ổ trượt. . Dây quấn Tuỳ theo động cơ không đồng bộ mà ta chia ra rôto dây quấn hay rôto lồng sóc. Rôto kiểu dây quấn Rôto dây quấn có kiểu giống như dây quấn stato và có số cực bằng số cực ở stato. Trong động cơ trung bình và lớn dây quấn được quấn theo kiểu sóng hai lớp để bớt được các đầu nối, kết cấu dây quấn chặt chẽ. Trong động cơ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của động cơ thường đấu hình sao, ba đầu ra của nó nối với ba vòng trượt bằng đồng thau gắn trên trục của rôto. Ba vòng trượt này cách điện với nhau và với trục, tỳ trên ba vòng trượt là ba chổi than. Thông qua chổi than có thể đưa điện trở phụ vào mạch rôto, có tác dụng cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ, hệ số công suất được thay đổi . Rôto lồng sóc Kết cấu rất khác với dây quấn stato các dây quấn là các thanh đồng hay thanh nhôm đặt trên các rãnh lõi thép rôto. Hai đầu các thanh dẫn nối với các vòng đồng hay nhôm gọi là vòng ngắn mạch. Như vậy dây quấn rôto hình thành một cái lồng quen gọi là lồng sóc. Ngoài ra dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi thép rãnh rôto có thể làm thành dạng rãnh sâu hoặc thành hai rãnh gọi là lồng sóc kép dùng cho máy có công suất lớn để cải thiện tính năng mở máy. Với động cơ công suất nhỏ rãnh rôto thường đi chéo một góc so với tâm trục. 2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ không đồng bộ Như đã biết trong vật lý, khi cho dòng điện ba pha vào ba cuộn dây đặt lệch nhau trong không gian thì từ trường tổng mà ba cuộn dây tạo ra là một từ trường quay. Nếu trong từ trường quay này có đặt các thanh dẫn điện thì từ trường quay sẽ quét qua các thanh dẫn điện và làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng trong các thanh dẫn. Nối các thanh dẫn với nhau và làm một trục quay thì trong các thanh dẫn sẽ có dòng điện (ngắn mạch) có chiều xác định theo quy tắc ban tay phải. Từ trường quay lại tác dụng vào chính dòng điện cảm ứng này một lực từ có chiều xác định theo quy tắc ban tay trái và tạo ra momen làm quay roto theo chiều quay của từ trường quay. Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường quay. Nếu roto quay với tốc độ bằng tốc độ của từ trường quay thì từ trường sẽ quét qua các dây quấn phần cảm nữa nên suất điện động cảm ứng và dòng điện cảm ứng sẽ không còn, momen quay cũng không còn. Do momen cản roto sẽ quay chậm lại sau từ trường và các dây dẫn roto lại bị từ trường quét qua, dòng điện cảm ứng lại xuất hiện và do đó lại có momen quay làm roto tiếp tục quay theo từ trường nhưng với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường. Động cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ (KĐB) hay động cơ xoay chiều. 2.3. Phương trình đặc tính cơ của động cơ  Nếu gọi tốc độ từ trường quay là (rad/s) hay (vòng/phút) thì tốc độ quay của roto là ω (hay n) luôn nhỏ hơn (ω < ; n < ). Sai lệch tương tối giữa hai tốc độ gọi là độ trượt : (2-1) Từ đó ta có (2-2) Hay ta có (2-3) Với (2-4) Xem xét trong giới hạn 0<s<1 và momen của phụ tải không đổi thì ta có mối quan hệ: Hình 2.1. Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KĐB là một đường cong phức tạp có hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng.Trên đoạn này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định. Dòng điện của động cơ tuân theo quy luật: Hình 2.2. Đặc tính dòng điện của động cơ không đồng bộ Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là bapha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không đổi, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng, thì sơ đồ thay thế một pha của động cơ như hình vẽ : Hình 2.3. Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ Trong đó: : Trị số hiệu dụng của điện áp pha stato (V). , , : Dòng điện từ hóa, dòng điện stato và dòng điện roto đã quy đổi về stato (A). , , : điện kháng mạch từ hóa, điện kháng stato và điện kháng roto đã quy đổi về stato (Ω). Rμ, , : điện trở tác dụng mạch từ hóa, điện trở mạch stato và điện trở mạch roto đã quy đổi về stato (Ω). Khi cuộn dây stato được cấp điện bởi một điện áp định mức mà giữ yên roto không quay thì mỗi pha của cuộn dây roto sẽ xuất hiện một suất điện động theo nguyên lí của máy biến áp thì hệ số quy đổi là : (2-5) Hệ số quy đổi của dòng điện là: (2-6) Hệ số quy đổi trở kháng là : (2-7) Vậy các đại lượng mạch roto có thể chuyển về mạch stato như sau : Dòng điện  : (2-8) Điện kháng  : (2-9) Điện trở : (2-10) Dòng điện roto được quy về stato tính như sau : (2-10) Khi động cơ hoạt động công suất điện từ từ stato chuyển sang roto thành công suất cơ đưa ra trục của động cơ và công suất nhiệt đốt nóng cuộn dây: (2-12) Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi momen điện từ của động cơ bằng momen cơ : (2-13) Từ đó: (2-14) Suy ra: (2-15) Công suất nhiệt trong cuộn dây ba pha là : (2-16) Thay vào phương trình momen ta có : (2-17) Với là điện kháng ngắn mạch. Phương trình trên biểu thị mối quan hệ gọi là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha. Với những giá trị khác nhau của hệ số trượt s(0<s<1) phương trình đặc tính cơ cho ta những giá trị khác nhau của M. đường biểu diễn trên hệ trục tọa độ SOM đó là đặc tính cơ của động cơ không động bộ 3pha. Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó giải phương trình ta có : (2-18) Và momen tới hạn là: (2-19) Trong biểu thức trên dấu + ứng với trạng thái động cơ, dấu - ứng với trạng thái máy phát nếu ta biểu diễn phương trình (2.17) dưới dạng , thì ta được phương trình sau: Trong đó Khi ta xem ta có Khi ta thay vào phương trình (2.21) các giá trị , thì ta có biểu thức của độ trượt tới hạn là : Qua việc tìm hiểu về đường đặc tính của động cơ không đồng bộ ta có thể biết được các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ là : Điện áp nguồn . Tần số lưới điện cấp cho động cơ . Điện trở mạch rôto. ảnh hưởng P. ảnh hưởng của ,. 2.3.1. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp Điện áp đặt vào động cơ chỉ có thể thay đổi về phía giảm.Khi giảm rất nhanh thì momen tới hạn cũng giảm rất nhanh theo bình phương của , còn tốc độ đồng bộ: (2-23) Và độ trượt tới hạn cũng không thay đổi. 1 A B M k 0 0 Hình 2.4. Họ đặc tính khi thay đổi điện áp Nhận xét: Qua đồ thị ta thấy với một momen cản xác định điện áp lưới càng giảm thì tốc độ xác lập càng nhỏ. Mặt khác vì momen khởi động và momen tới hạn đều giảm theo điện áp nên khả năng quá tải và khởi động bị giảm dần. Do đó nếu điện áp quá nhỏ thì hệ truyền động có thể không khởi động hoặc không làm việc được. Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho giảm nhanh. Tuy nhiên không đổi vì vậy phương án giảm điện áp thường thích hợp cho dạng phụ tải không đổi : quạt gió, máy bơm ly tâm. Không thích hợp với phụ tải thay đổi. 2.3.2. Điều chỉnh tốc độ bằng cách Thay đổi điện trở Trường hợp này chỉ đối với động cơ roto dây quấn vì mạch roto có thể nối qua vòng trượt ngoài chổi than. Động cơ roto lồng sóc không thể thay đổi được điện trở mạch roto. Việc thay đổi được điện trở chỉ có thể thực hiện về việc tăng điển trở mạch roto . Khi tăng . Thì độ trượt tới hạn cũng tăng lên. Còn tốc độ đồng bộ và momen tới hạn giữ nguyên không đổi. M Các đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở của mạch roto được biểu diễn như hình vẽ. Điện trở mạch roto càng lớn thì đặc tính càng dốc. Hình 2.5. Họ đặc tính của động cơ không đồng bộ khi thay đổi Nhận xét: Mặc dù có các ưu điểm như trên nhưng vẫn còn có các nhược điểm sau: Tốc độ ổn định kém. Tổn thất năng lượng lớn. 2.3.3. Điều chỉnh tốc độ bằng cách Thay đổi điện trở ,điện kháng ở mạch stato Trường hợp này cũng chỉ thay đổi về phía tăng hoặc . Khi nối thêm vào mạch stato hoặc thì ta thấy tốc độ đồng bộ không đổi. Còn độ trượt tới hạn và momen tới hạn đều giảm. Hình vẽ biểu thị các đặc tính cơ nhân tạo. Hình 2.6. Họ đặc tính cơ nhân tạo của ĐCKĐB khi thay đổi hoặc Nhận xét: Mặc dù có các ưu điểm như trên nhưng vẫn còn có các nhược điểm sau: Tốc độ ổn định kém. Tổn thất năng lượng lớn. 2.3.4. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi số đôi cực từ Khi số đôi cực thay đổi thì tốc độ đồng bộ bị thay đổi. Thông thường động cơ loại này được chế tạo với cuộn cảm stator có nhiều đầu dây ra để có thể đổi cách đấu dây tương ứng với số đôi cực nào đó.Tùy theo khả năng đổi nối mà động cơ KĐB được gọi là động cơ có 2,3,4…cấp tốc độ. Do số đôi cực thay đổi nhờ đổi nối cuộn cảm stator nên các thông số đặt vào cuộn pha,trở kháng và cảm kháng có thể bị thay đổi từ đó ,độ trược tới hạn và moment tới hạn có thể khác đi. Nhận xét: Khi thay đổi số đôi cực ta chú ý rằng số đôi cực ở Stato và Roto là như nhau. Nghĩa là khi thay đổi số đôi cực ở Stato thì ở Roto cũng phải thay đổi theo. Do đó khó thực hiện cho động cơ Roto dây quấn, nên phương pháp này chủ yếu dùng cho động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc và loại động cơ này có khả năng tự biến đổi số đôi cực ở Roto để phù hợp với số đôi cực ở Stato. Đối với động cơ có nhiều cấp tốc độ, mỗi pha Stato phải có ít nhất là hai nhóm bối dây trở lên hoàn toàn giống nhau. Do đó càng nhiều cấp tốc độ thì kích thước, trọng lượng và giá thành càng cao vì vậy trong thực tế thường dùng tối đa là bốn cấp tốc độ. 2.3.5. Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số của nguồn điện áp cấp Khi thay đổi thì tốc độ đồng bộ sẽ thay đổi vì: đồng thời cũng bị thay đổi (vì X = 2), kéo theo sự thay đổi cả độ trượt tới hạn và momen tới hạn . Hình vẽ 2.7 biểu thị các đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi tần số. Quan hệ độ trượt tới hạn theo tần số (2-24) Momen tới hạn theo tần số (2-25) Và (2-26) Trong đó A là hằng số.Ta thấy và phụ thuộc tỉ lệ với tần số nên có thể từ các biểu thức của và rút ra : Hình 2.7. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số lưới điện cấp cho động cơ Khi > ta có : (2-27) = ; = Mômen tới hạn sẽ giảm theo quy luật : (2-28) Thực tế khi tăng để đảm bảo đủ cho động cơ và tốc độ làm việc của động cơ không vượt quá giá trị cực đại cho phép bị hạn chế bởi độ bền cơ khí của động cơ. Khi < tức là khi giảm ® giảm ® Sth tăng ® tăng. Khi tần số nguồn giảm , độ trượt tới hạn và momen tới hạn đều tăng lên nhưng tăng nhanh hơn. Do vậy độ cứng của đặc tính cơ tăng lên. Chú ý khi giảm tần số xuống dưới tần số định mức thì tổng trở của các cuộn dây giảm nên nếu giữ nguyên điện áp cấp cho động cơ sẽ dẫn đến dòng điện động cơ tăng mạnh.vì thế khi giảm tần số nguồn xuống dưới trị số định mức cần phải đồng thời giảm điện áp cấp cho động cơ theo quan hệ : 2.4. Đánh giá động cơ điện . Hiệu suất của động cơ điện Động cơ chuyển đổi điện năng thành cơ năng để phục vụ tải nhất định. Trong quy trình này, năng lượng mất đi được minh hoạ trong hình 2.8. Power input motor Power output load Hình 2.8. Tổn thất động cơ Hiệu suất của động cơ được xác định bởi tổn thất bên trong chỉ có thể giảm bằng cách thay đổi thiết kế động cơ và điều kiện vận hành. Tổn thất có thể thay đổi từ 2%-20%. Bảng 2.1 cho thấy các loại tổn thất ở một động cơ cảm ứng. Bảng 2.1. Các loại tổn thất ở động cơ không đồng bộ : Loại tổn thất Phần trăm tổn thất toàn phần (100%) Tổn thất cố định hoặc tổn thất do lõi thép 25 Tổn thất biến đổi: tổn thất stato .R 34 Tổn thất biến đổi: tổn thất rôto .R 21 Tổn thất do ma sát và quấn lại 15 Tổn thất cơ khí của động cơ 5 Đối với động cơ không đồng bộ, công suất ra chính là công suất cơ hay công suất ở trục rôto, còn công suất vào là công suất mà lưới điện cung cấp cho động cơ: Trong đó: là công suất đầu trục động cơ Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ bao gồm: Lão hóa : động cơ mới hoạt động hiệu quả hơn. Công suất : Với phần lớn các thiết bị, hiệu suất của động cơ tăng khi làm việc ở công suất định mức. Tốc độ : Các động cơ tốc độ cao hơn thường hiệu quả hơn. Nhiệt độ : Động cơ có quạt làm mát hiệu quả hơn so với động cơ có lớp bảo vệ (SPDP). Quấn lại động cơ có thể làm giảm hiệu suất. Tải động cơ, được mô tả dưới đây. Giữa hiệu suất và tải của động cơ có mối liên hệ rõ ràng với nhau. Các nhà sản xuất thiết kế động cơ vận hành ở mức tải 50-100% và hiệu quả nhất ở mức tải 75%. Nhưng khi tải giảm xuống dưới mức 50%, hiệu suất sẽ giảm rất nhanh, như đã cho trong hình (2.9). Vận hành động cơ dưới 50% mức tải cũng có tác động tương tự, nhưng nhẹ hơn đối với hệ số công suất. Hiệu suất của động cơ cao và hệ số công suất gần bằng 1 là mức vận hành hiệu quả mong muốn và giúp giảm chi phí của toàn bộ dây chuyền chứ không chỉ riêng với động cơ. Vì lý do trên, khi đánh giá kết quả hoạt động của một động cơ, cần xác định cả tải và hiệu suất. Ở hầu hết các nước, các nhà sản xuất phải ghi rõ hiệu suất đầy tải trên phần ghi các thông số (nhãn) của động cơ. Tuy nhiên, với một động cơ vận hành trong một thời gian dài, thường rất khó xác định hiệu suất vì phần nhãn máy của động cơ bị mất đi hoặc bị sơn đè lên trên. Hình 2.9. Hiệu suất tải bộ phận của động cơ (hàm số của % hiệu suất đầy tải) Để đo hiệu suất của động cơ, cần ngắt tải và đem động cơ đến bộ phận kiểm tra để thực hiện một số kiểm tra. Kết quả của những lần kiểm tra được so sánh với thông số hoạt động chuẩn của động cơ do nhà sản xuất cung cấp. Trong trường hợp không thể ngắt động cơ khỏi tải, có thể lấy giá trị tương đối về hiệu suất trong bảng cung cấp các giá trị tương đối của hiệu suất động cơ. Tài liệu USDOE cung cấp các bảng giá trị hiệu suất điển hình của các động cơ chuẩn bạn có thể sử dụng nếu nhà sản xuất không thể cung cấp cho bạn những thông số đó. Những giá trị hiệu suất được cung cấp cho: Động cơ hiệu suất tiêu chuẩn 900, 1200, 1800 và 3600 vòng/phút. Kích thước động cơ trong khoảng từ 10 đến 300 HP. Hai loại động cơ: động cơ chống ẩm kiểu hở (ODP) và động cơ đóng kín làm mát bằng quạt (TEFC). Mức tải 25%, 50%, 75% và 100%. Tài liệu trên cũng đưa ra ba phương pháp tiên tiến để đánh giá hiệu suất của động cơ: các thiết bị đặc biệt, phương pháp phần mềm và phương pháp phân tích.Có thể sử dụng một cách thay thế khác, thực hiện một cuộc khảo sát động cơ để xác định tải, cách này cũng thu được chỉ số hoạt động của động cơ. Phần tiếp theo sẽ giải thích thêm về cách này. 2.4.2. Tải của động cơ 2.4.2.1. Tại sao cần đánh giá tải của động cơ Bởi vì rất khó đánh giá hiệu suất của động cơ trong điều kiện vận hành bình thường, có thể đo tải của động cơ như là một chỉ số đánh giá hiệu suất của động cơ. Khi tải tăng, hệ số công suất và hiệu suất của động cơ tăng lên tới giá trị tối ưu ở quanh mức đầy tải. 2.4.2.2. Cách đánh giá tải của động cơ Phương trình dưới đây được sử dụng để xác định tải: (2-30) Trong đó : h:Hiệu suất vận hành của động cơ tính bằng%. HP: Mã lực ghi trên nhãn động cơ. Mức tải: Công suất ra chiếm bao nhiêu % công suất thiết kế. :Công suất ba pha tính bằng kW mà lưới điện cung cấp cho động cơ. Chương III CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ( ĐCKĐB ) Theo thống kê của Hiệp hội năng lượng Hoa Kỳ thì năng lượng tiêu hao vô ích và tổn thất cho động cơ điện xoay chiều khoảng 30% – 40% và lượng điện năng tiêu thụ cho động cơ điện xoay chiều chiếm 60% tổng lượng điện năng tiêu thụ cho toàn cầu. Như vậy động cơ điện xoay chiều là tải tiêu thụ điện nhiều nhất. Vì vậy tiết kiệm năng lượng cho động cơ là rất cần thiết. . Thay thế động cơ tiêu chuẩn bằng động cơ có hiệu suất cao HEMs (High Efficiency Motor) . Ưu điểm Động cơ hiệu suất cao được thiết kế chuyên dụng để tăng hiệu suất hoạt động so với động cơ tiêu chuẩn. Các cải tiến thiết kế tập trung vào việc làm giảm tổn thất bên trong động cơ, bao gồm việc sử dụng thép silic có tổn thất sắt từ thấp hơn, lõi dài hơn (để tăng chất kích hoạt), dây dày hơn (để giảm trở kháng), lá thép mỏng hơn, khoảng trống không khí giữa stato và rôto nhỏ hơn, sử dụng đồng thay cho các thanh nhôm trong rôto, các vòng đệm tốt hơn và quạt nhỏ hơn.. v..v.... Động cơ hiệu suất cao có dải công suất thiết kế và mức đầy tải rộng. Hiệu suất cao hơn động cơ tiêu chuẩn từ 3% tới 7% như cho trong hình 3.1. Tiếng ồn giảm thiểu: Quạt làm mát có thể chế tạo bé hơn. Do vậy tổn thất thấp hơn nên sự phát ra tiếng ồn cũng nhỏ hơn. Tuổi thọ động cơ HEMs cao hơn: dầu mỡ bôi trơn có tác dụng lâu hơn vì sự tăng nhiệt ở các ổ trục ít hơn, dẫn đến kết quả là chu kỳ duy tu bảo dưỡng ít hơn. Kết quả tổng hợp đưa đến tuổi thọ của HEMs cao hơn. Kích thước đặt cùng cỡ với động cơ thông dụng, song khả năng công suất của động cơ HEMs có thể cao hơn. Do việc thay thế động cơ có yêu cầu công suất lớn hơn song kích thước bị hạn chế có thể dễ dàng thực hiện khi thay động cơ thông dụng bằng động cơ HEMs. Hình 3.1. So sánh động cơ công suất cao và động cơ chuẩn . Nhược điểm Kinh tế: Giá mua thông thường sẽ đắt hơn loại động cơ thông dụng song sự chênh lệch giá sẽ được thu hồi thông qua một thời gian ngắn do vì giá chi phí trong tiền điện thấp hơn nhiều. . Điện năng tiết kiệm của việc sử dụng động cơ HEMs Khi sử dụng động cơ HEMs sẽ tiết kiệm được năng lượng đáng kể, sự khác biệt do hiệu suất mang lại công suất tiết kiệm : (3-1) Ở đây : Hiệu suất của động cơ chuẩn : Hiệu suất của động cơ HEMs : Công suất định mức của động cơ : Công suất tiết kiệm được khi thay thế động cơ tải : Phần trăm động cơ mang tải Điện năng tiết kiệm hằng năm của động cơ HEMs với T là số thời gian vận hành động cơ: (3-2) Tiền điện tiết kiệm được trong năm (C) sẽ là: (3-3) . Bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất . Lý do nâng cao hệ số công suất Nâng cao hệ số công suất là một biện pháp quan trọng để tiết kiệm điện năng phần lớn các thiết bị dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Động cơ không đồng bộ tiêu thụ khoảng 60-65% tổng công suất phản kháng của mạng điện. Như ta đã biết, động cơ không đồng bộ có đặc tính là hệ số công suất nhỏ hơn 1, dẫn tới hiệu suất toàn phần thấp hơn (và chi phí vận hành tổng cao hơn) của hệ thống điện nhà máy. Những tụ bù này hoạt động như là máy phát công suất phản kháng và nhờ vậy giảm được lượng công suất phản kháng, và công suất toàn phần được tạo ra bởi phía cung cấp điện. Gọi hệ số công suất trước khi bù là: Gọi hệ số công suất sau khi bù: Sau khi bù thì > Phương pháp bù : Tụ bù đấu song song với động cơ được sử dụng để nâng cao hệ số công suất. Tụ bù không giúp tăng hệ số công suất của bản thân động cơ mà giúp tăng hệ số công suất của hệ thống phát dẫn điện. Có hai phương pháp bù: Phương pháp tính đơn giản. Để chọn tụ bù cho một động cơ nào đó thì ta cần biết công suất (P) của động cơ đó và hệ số công suất () của động cơ đó. - Hệ số công suất của tải là Cos () → tg(), (trước khi bù) - Hệ số công suất sau khi bù là Cos() → tg() - Công suất phản kháng cần bù là = P.[tg() – tg()] Từ công suất cần bù ta chọn tụ bù cho phù hợp trong bảng catalog của nhà cung cấp tụ bù. Phương pháp bù tối ưu dựa vào điều kiện không đóng tiền phạt. Xét hoá đơn tiền điện liên quan đến dung lượng kVArh đã tiêu thụ và ghi nhận số kVArh phải trả tiền sau đó, chọn hoá đơn tiền giá kVArh cao nhất phải trả. Giá trị công suất cần bù. Trong đó : : Công suất cần bù kVAr : Số kVAr phải trả tiền T : Số giờ hoạt động của động cơ Kích cỡ của tụ bù phụ thuộc vào công suất phản kháng không tải (kVAr) ở động cơ. Kích thước của tụ bù không nên vượt quá 90% công suất phản kháng không tải kVAr của động cơ vì những tụ bù lớn hơn sẽ dẫn đến điện áp cao làm cháy động cơ. Chỉ có thể xác định được kVAr của động cơ nhờ kiểm tra không tải của động cơ. Một cách khác là sử dụng hệ số công suất điển hình ở các động cơ tiêu chuẩn để xác định kích cỡ của tụ bù. . Lợi ích khi lắp tụ bù Giả thiết trước khi lắp thiết bị bù, lượng công suất phản kháng truyền tải từ nguồn đến động cơ là Q thì tổn thất công suất là : Sau khi lắp thiết bị bù với dung lượng là thì tổn thất giảm xuống chỉ còn: Vì vậy giảm tổn thất công suất và điện năng. Điện năng tiết kiệm được của động cơ không đồng bộ khi bù là: Với T là thời gian hoạt động của động cơ. Tiền tiết kiệm được là: . Lắp biến tần VSD (Variable Speed Drive) cho động cơ KĐB . Đặc điểm của biến tần VSD Bộ điều khiển tốc độ vô cấp (VSD) còn gọi là bộ biến tần (inverter) có khả năng thay đổi tốc độ động cơ. Các thiết bị này sẵn có trong dải từ vài kW đến 750 kW. Chúng được thiết kế để điều khiển động cơ không đồng bộ tiêu chuẩn và có thể dễ dàng lắp đặt cho động cơ. Bộ biến tần làm việc theo nguyên tắc biển đổi tần số cùng với việc thay đổi điện áp nên luôn luôn đảm bảo momen khởi động. Đồng thời dòng điện đưa vào động cơ không tăng, do sự phối hợp giữ tần số và điện áp để giữ cho từ thông đủ sinh ra momen.Dòng khởi động lớn nhất của hệ truyền động của biến tần chỉ bằng dòng điện định mức chính vì vậy mà không làm cho lưới bị sụt áp khi khởi động,đảm bảo các ứng dụng khác không bị ảnh hưởng . Hình 3.2. Cấu tạo và nguyên lí của biến tần Sự khác biệt của phương pháp điều khiển động cơ thông thường và điều khiển bằng bộ điều tốc VSD: 1) Sơ đồ khối 3 3 1phase or 3phase VSD 3 3 1phase or 3phase 2)Đặc tính điện áp: 100% 3 U U 100% Điện áp khi khởi động tăng vọt nhanh và ổn định khi momen của động cơ thắng momen tải. Điệp áp tăng dần dần và ổn định khi momen của động cơ thắng momen tải. 3) Đặc tính dòng điện (I=f(n)): 0.25 1 0.755 0.5 6 5 4 3 2 0 1 0.25 1 0.755 0.5 5 4 3 2 1 6 Dòng điện khởi động và đều khi động cơ đạt tốc độ. Dòng điện khởi động và giảm dần khi động cơ đạt tốc độ định mức. 4) Đặc tính momen: 3 2 1 0.25 1 0.755 0.5 0 3 2 1 0.25 1 0.755 0.5 Momen khởi động và giảm dần khi động cơ đạt tốc độ định mức. Momen khởi động và giảm dần khi động cơ đạt tốc độ định mức. . Ưu điểm Tiết kiệm được điện năng trong việc sử dụng đúng và phù hợp với phụ tải. Có khả năng sử dụng cho động cơ không đồng bộ xoay chiều trong quá trình sản xuất cần điều chỉnh tốc độ. Dùng VSD cho động cơ không đồng bộ xoay chiều là loại có giá thành rẻ hơn nhiều và dễ dàng vận hành, bảo dưỡng hơn các loại động cơ khác. Tăng được tính linh hoạt và quy mô sản xuất. Tăng an toàn và độ tin cậy cao. Giá thành sản phẩm rẻ hơn do tiết kiệm được chi phí tiền điện. Không cần thay thế động cơ mới khi phụ tải tăng lên so với động cơ cũ (sau khi tính toán và tăng cường áp dụng VSD đối với động cơ cũ). Không cần tháo dỡ VSD khi tháo dỡ động cơ (thông qua tính toán thấy phù hợp). Nhiều động cơ có thể kết cấu vào một bộ VSD. Dùng VSD có thể giảm công suất của nguồn và không cần trang bị máy phát điện dự phòng. Dùng VSD có thể vận hành động cơ điện với tốc độ từ vài % đến vài trăm % so với tốc độ ghi trên nhãn động cơ. Giảm được tiếng ồn, tăng tuổi thọ cho động cơ. . Nhược điểm Tốc độ cực thấp thì có thể làm cho trục của động cơ không quay tròn đều. . Phạm vi ứng dụng của bộ điều tốc VSD Việc sử dụng bộ điều tốc VSD sẽ thuận lợi nhất nếu : Trong quá trình sản xuất, phụ tải đầu vào luôn thay đổi. Các thay đổi xảy ra trong quá trình xử lý. Đầu ra cũng biến đổi. . Khả năng tiết kiệm điện của động cơ không đồng bộ khi lắp bộ điều tốc VSD Việc sử dụng VSD làm cân bằng giữa công suất điện đầu vào và phụ tải nên đêm lại lợi ích đáng kể cho người sử dụng, đem lại chi phí vận hành thấp, đặc biệt đối với phụ tải là động cơ bơm, động cơ quạt li tâm … Động cơ bơm, quạt li tâm...là những thiết bị mà phụ tải luôn thay đổi,dùng những phương án điều chỉnh cổ điển như: mở van...Sẽ gây ra tiếng ồn đối với động cơ mang tải nặng, gây ra tổn thất, chắc chắn là gây ra tổn hao công suất, mà phụ tải là động cơ bơm, quạt là chủ yếu. Khi phụ tải là những thiết bị động cơ bơm, động cơ quạt li tâm...thì luôn có thông số: cột áp, lưu lượng, công suất điện, dựa vào luật đồng dạng: P : Công suất của động cơ N : Tốc của động cơ Q : Lưu lượng nước K : Hằng số H : Áp lực : Hiệu suất của động cơ Các quan hệ về bơm như sau : Ta thấy lưu lượng tỉ lệ bậc nhất với tốc độ, cột áp tỉ lệ bậc hai với tốc độ, công suất điện tỉ lệ bậc ba với tốc độ. Từ luật đồng dạng của động cơ ta thấy khi động cơ hoạt động sai lệch so với tải nếu điều chỉnh bằng phương án mở van thì không ưu việt hơn so phương án điều chỉnh tốc độ. B H 0 4 A 2 Q 3 1 C Hình 3.3. Đường đặc tính của động cơ thay đổi khi lắp bộ điều tốc VSD (1) Miêu tả khi N=const . (2) Miêu tả lưu lượng nước ra tại điểm định mức (van mở 100%). Tại điểm định mức A: Khi giảm lưu lượng từ tới ta cần giảm độ mở van (2) – (3) và hệ thống hoạt động ở điểm B: Nếu ta thay đổi tốc độ của động cơ từ thì đường cong là đường cong 4 tại vì tốc độ giảm thì lưu lượng giảm (theo công thức 2) nhưng lưu lượng lúc này vẫn là nhưng cột áp giảm đi nhiều, so với phương pháp mở van. Vì vậy tại đây ta có : Và năng lượng tiết kiệm được lúc này là : Vì vậy khi giảm Q thì P nhất định sẽ giảm để làm được điều đó ta dùng VSD. Qua phân tích trên khi sử dụng bộ điều tốc VSD cho động cơ thì sẽ nhanh thu hồi vốn nhờ lợi nhuận về điện năng mà VSD mang lại. Nhờ khả năng điều chỉnh tốc độ: Nếu ta gọi : : Là tốc độ định mức của động cơ : Là tốc độ của động cơ sau khi lắp VSD và điều chỉnh cho phù hợp với phụ tải : Là công suất của động cơ Thì phần trăm tốc độ của động cơ là : Điện năng của động cơ tiêu tốn trong khoảng thời gian T khi chưa lắp bộ VSD là: Điện năng của động cơ tiêu tốn trong khoảng thời gian T khi lắp VSD là: Điện năng tiết kiệm được trong khoảng thời gian T Khoảng tiền tiết kiệm được : Thời gian hoàn vốn: Với K là chi phi đầu tư mua VSD. . Thay thế động cơ KĐB làm việc non tải bằng động cơ có công suất nhỏ phù hợp với phụ tải . Mục đích Như vậy động cơ non tải (%tải <45%) thì sẽ làm tăng tăng tổn thất,giảm hiệu suất. Lượng công suất phản kháng (CSPK) do động cơ không đồng bộ tiêu thụ phụ thuộc vào hệ số tải và hệ số công suất định mức của động cơ. Khi tải định mức, điện áp định mức thì động cơ không đồng bộ tiêu thụ một lượng công suất phản kháng bằng: Trong đó: là hiệu suất của động cơ lúc đầy tải. Lượng công suất phản kháng do ĐCKĐB tiêu thụ lúc không tải là: Trong đó: là dòng không tải của động cơ. Lượng công suất phản kháng của ĐCKĐB tiêu thụ tăng lên so với lúc không tải là: Khi tải của ĐCKĐB nhỏ hơn định , CSPK tiêu thụ so với khi không tải tăng thêm một lượng tỉ lệ với bình phương hệ số tải của động cơ. Trong đó: : Là hệ số phụ tải của động cơ Kết hợp và ta có CSPK của động cơ tiêu thụ ở tải bất kì : Hệ số công suất của động cơ lúc mang tải là: Ta thấy động cơ làm việc non tải thì hệ số sẽ thấp ( giảm). Khi thay động cơ có công suất bé hơn so với công suất thực tế của máy công tác. Đặc biệt là phụ tải như máy nghiền, máy xoay...Khi công suất của phụ tải tăng lên thì đông cơ chạy ở mức đầy tải . Nếu ta dùng động cơ có công suất nhỏ hơn và phù hợp với công suất của tải yêu cầu thì: Gọi: : Là công suất định mức của động cơ lúc non tải có nghĩa. : Là công suất của động cơ phù hợp với công suất tải có nghĩa. Tiêu chí chọn công suất( ) cho động cơ đảm bảo: Động cơ mà ta chọn phải thoải mãn về , đêm lại hiệu suất cao, vốn đầu tư bé nhất. Động cơ chọn phải có tốc độ đảm bảo yều cầu của phụ tải. Dải điều chỉnh tốc độ của động cơ là lớn. Động cơ được chọn phải thoãi mãn điều kiện phát nóng cho phép. Đa số tải luôn thay đổi theo thời gian, với : Trong đó: : Là momen của tải ứng với thời điểm . : Là thời gian làm việc trong một chu kì. : Là momen cản trung bình. : Công suất của tải luôn đổi. Để đảm bảo điều kiện không quá tải của động cơ cũng như để động cơ khởi động được thì: Hình 3.4. Phụ tải của động cơ biến đổi theo thời gian . Lợi ích Khi chọn lại động cơ thì hệ số quá tải của động cơ làm cho lượng công suất phản kháng mà động cơ tiêu thụ lại giảm thì tiết kiệm được lượng công suất phản kháng trên đường dây cấp cho động cơ, dẫn đến tiết kiệm điện năng. Khi chưa thay thế động cơ thì lượng công suất phản kháng từ nguồn đưa đến cho động cơ và tổn thất công suất được xác định, ứng với . Trong đó : là lượng công suất phản kháng mà động cơ nhận được từ lưới điện. Khi thay động cơ tương ứng với) thì công suất phản kháng lúc này là với thì tổn thất công suất cũng giảm hơn: là lượng công suất mà động cơ nhận được từ lưới điện. Điện năng tiết kiệm được là: T là thời gian vận hành của động cơ. Tiền điện tiết kiệm được trong thời gian T. Khi thay thế động cơ phù hợp với tải với . Tăng cường bảo trì động cơ Phần lớn các lõi của động cơ được làm bằng thép silic hoặc thép cán nguội cacbon thấp, các đặc tính về điện không thay đổi đáng kể theo thời gian. Tuy nhiên, bảo trì kém có thể làm giảm hiệu suất động cơ theo thời gian và dẫn đến hoạt động không tin cậy của động cơ. Như bôi trơn không thích hợp sẽ làm tăng ma sát ở cả động cơ và thiết bị truyền động. Ma sat tăng làm tăng nhiệt độ động cơ, dẫn đến tổn thất làm tăng trở kháng trong động cơ. Điều kiện môi trường xung quanh cũng có ảnh hưởng tới hiệu suất của động cơ. Như nhiệt độ quá cao, quá nhiều bụi, môi trường ăn mòn và độ ẩm có thể làm hỏng lớp cách điện, ứng suất cơ học do tải biến đổi theo chu kỳ có thể gây lệch trục. Thường xuyên kiểm tra hao mòn ở các ổ trục và vỏ động cơ (để giảm tổn thất do ma sát) và kiểm tra bụi, chất bẩn ở các đường thông gió của động cơ (để đảm bảo sự thoát nhiệt) . Kiểm tra điều kiện tải để đảm bảo động cơ không bị quá tải hoặc non tải. Thay đổi ở tải động cơ đo được là dấu hiệu về sự thay đổi của tải, cần tìm hiểu nguyên nhân của thay đổi này. Bôi trơn thích hợp. Các nhà sản xuất thường đề xuất cách thức và thời điểm cần bôi trơn động cơ. Bôi trơn không chuẩn sẽ gây ra những trục trặc đã nêu ở trên. Bôi trơn quá mức cần thiết cũng sẽ gây ra những trục trặc, ví dụ như dầu hoặc mỡ dư thừa ở các ổ trục của động cơ sẽ chảy vào động cơ và thấm vào cách điện, làm hỏng hoặc gây nguy cơ cháy động cơ. Định kỳ kiểm tra độ đồng trục của động cơ và phần được truyền động lắp với trục động cơ. Lệch trục sẽ nhanh chóng làm hỏng trục và ổ trục, làm hỏng động cơ và phần dẫn động. Chắc chắn rằng dây dẫn và tủ điện có công suất và được lắp đặt thích hợp. Thường xuyên kiểm tra các tiếp xúc trên động cơ và thiết bị khởi động để đảm bảo chúng sạch và chặt. Đảm bảo thông gió thích hợp và giữ sạch đường làm mát để thoát nhiệt, giảm tổn thất. Tuổi thọ của cách điện trong động cơ cũng có thể kéo dài: cứ mỗi mức tăng C vượt quá nhiệt độ vận hành cho phép của động cơ, thời gian tới khi động cơ phải quấn lại giảm đi một nửa. Chương 4 TIẾN HÀNH ĐO ĐẠC THỰC TẾ VÀ TRIỂN KHAI GIẢI PHÁP Tiến hành kiểm tra mối quan hệ khi thay đổi điện áp và tần số của quạt gió tại Phòng Thí Nghiệm Đại Học Bách Khoa Tiến hành đo thực tế tại trung tâm thí nghiệm Khoa Điện. Điều chỉnh F Quạt gió Hình 4.1.Lắp biến tần cho quạt gió Khi thay đổi tần số thì kết quả đạt được: Bảng 4.1. Thông số của quạt gió Tham số Ý nghĩa Đơn vị f=15Hz f=20Hz f=25Hz f=30Hz f=40Hz f=50Hz frequency ref tần số tham chiếu Hz 15 20 25 30 40 50 Output frequence tần số đầu ra Hz 15 20 25 30 40 50 Motor current dòng điện ĐC A 0.2 0.3 0.35 0.4 0.5 0.7 Motor speed tốc độ ĐC rpm 450 602 750 902 1202 1500 Motor voltage điện áp ĐC V 73 95 118 142 214 340 Motor torque mômen ĐC % 5.8 9 12.8 17.5 29 52 Main voltage điện áp đầu vào biến tần V 377 393 388 393 419 432 Mối quan hệ giữa tần số và điện áp và dòng điện điện được thể hiện Hình 4.2. Đặc tính đòng điện theo U và f Nhận xét: Khi ta thay đổi tần số cấp vào cho động cơ,vì công suất của quạt tăng lên nên đòng điện qua động cơ cũng tăng lên.làm cho công suất động cơ tăng dần và mômen tăng lên theo bảng (4.1). Mối quan hệ giữa tốc độ của động cơ theo tấn số f: Trong đó với i=15,20,25,30,40,50 Hình 4.3. Đặc tính tốc độ động cơ theo tần số Nhận xét: Khi tần số càng lớn thì tốc độ của động cơ càng tăng.Làm cho công suất của quạt càng lớn.Khi đó điện năng tiêu thụ càng nhiều. Khi thay đổi tần số, tốc độ quay của quạt gió thì điện năng tiêu thụ cũng thay đổi thể hiện bảng (4.2). Bảng 4.2. Chỉ số điện năng tiêu thụ của quạt gió khi thay đổi từng cấp tần số trong 1h Tốc độ động cơ rpm 602 750 902 1202 1500 Tần số đầu vào Hz 20 25 30 40 50 Lượng điện năng tiêu thụ trong 1h Wh 23,68 46,25 79,9 189,44 370 Nhận xét: Khi thay đổi tần số (tốc độ) của biến tần với những giá trị của tần số khác nhau trong 1h như bảng (4.2) thì lượng điện năng cũng thay đổi theo cụ thể: Vào thời điểm động cơ chạy tốc độ định mức =1500(vòng/phút), =50hz thì lượng điện năng tiêu thụ là: =370 Wh. Khi động cơ chạy ở tốc độ là =1202 (vòng/phút),=40Hz thì lượng điện năng tiêu thụ là =189,44 Wh. Từ lượng điện năng tiêu thụ của quạt gió ta thấy điện năng tiêu thụ của quạt luôn tỉ lệ bậc ba với tốc độ theo mối quan hệ sau: =.=370.=189,44 Wh Tương tự tính điện năng tiêu thụ theo mối quan hệ trên cũng đúng tại f=30,25,20 Hz Từ kết quả trên ta khẳng định khi thay đổi tần số (tốc độ) của động cơ thay đổi thì điện năng tiêu thụ của động cơ cũng thay đổi theo mối quan hệ: Hơn nữa đối với những thiết bị như:Bơm, quạt... phụ tải yêu cầu luôn luôn thay đổi cho nên dùng biến tần để điều khiển động cơ là hợp lí. Từ mức tiêu thụ điện năng của quạt gió thì biến tần đem lại lợi ích về điện năng khá lớn.Vì vốn đầu tư mua biến tần là khá lớn,sau một khoảng thời gian thì thu hồi lại vốn nhờ tiết kiệm được chi phi về tiền điện mà doanh nghiệp phải trả. Kiểm tra thực tế tại công ty Cổ phần Gốm Sứ Cosani Công ty chuyên sản xuất các mặt hàng gốm sứ . Địa chỉ : Đường số 7 Khu công nghiệp Liên chiểu. Giám đốc: Trần Nguyễn Phúc Sinh Hình 4.4. Công ty cổ phần gốm sứ COSANI Cùng tiến hành đo đạc, giám sát mức tiết kiệm điện sau khi lắp đặt thiết bị VSD tại máy nén khí trục vít 110kW của Công ty như sau. Hình 4.5. Lắp VSD cho máy nén khí trục vít Thông số đo đạc trước và sau khi lắp đặt biến tần Hình 4.6. Trước khi lắp đặt biến tần Hình 4.7. Sau khi lắp đặt biến tần Bảng 4.3. Bảng theo dõi mức tiêu thụ điện năng của máy nén khí trục vít Máy nén khí 110kW CS trung bình P (kw/h) Điện áp U (V) Dòng điện I (A) Cos j Thời gian đo Trước khi lắp đặt biến tần 43 400 170 0.63 24 giờ Sau khi lắp đặt biến tần 24.7 400 40 0.92 Lượng điện năng tiết kiệm thực tế : (43 – 24.7) / 43 * 100% = 42% Tính toán mức tiết kiệm và thời gian thu hồi vốn thực tế. Chi phí đầu tư K = 120.000.000 VNĐ Lượng điện năng tiết kiệm trong 1 giờ: D = (43 * 42%) = 18.06 kWh Số giờ hoạt động của máy nén với công suất hiện tại trong một năm là 4.800 giờ.Vậy tổng lượng điện tiết kiệm trong 1 năm là: E = 18.06 * 4.800 = 86.688 kWh/năm Vậy lượng tiền tiết kiệm trong 1 năm là: = 86.688 * 1.080 » 93.623.040 VNĐ/năm (Giá điện trung bình của kể cả cao điểm và thấp điểm qua theo dõi của Công ty là 1.080 đồng/kWh) Thời gian hoàn vốn: T = K/ * 12 = 120.000.000 / 93.623.040 * 12 » 15 tháng Nhận xét: Qua việc kiểm tra khả năng tiết kiệm điện của bộ VSD ta thấy:Ngoài khoản tiết kiệm tính bằng tiền nêu trên công ty còn lợi trong các khoản như công suất phản kháng (tăng Cosφ), tăng tuổi thọ động cơ, ổ bi do tốc độ chạy chậm và không tăng tải đột ngột, giảm tải và chi phí khi chạy máy phát điện …Vì vậy không những công ty Cosani mà tất cả các doanh nghiệp khác nên lắp VSD. Kiểm tra tại xí nghiệp nghiệp nhựa Vũ Bình Minh Công ty chuyên sản xuất các mặt hàng nhựa Địa chỉ : Số 10 Ngô Chấn Lưu-Hòa Mỹ-Hòa Minh Giám đốc: Đỗ Văn Vũ Hình 4.8. Xí nghiệp nhựa Vũ Bình Minh Cùng tiến hành đo đạc giữa hai máy đùn nhựa công suất giống nhau nhưng tải lại khác nhau,sản phẩm của hai máy là đều là ống nhựa,công suất của hai động cơ là 7,5KW. Hình 4.9. Máy đùn nhựa tại xí nghiệp Vũ Bình Minh Hình 4.10. Động cơ chạy non tải Hình 4.11. Động cơ chạy gần đầy tải Bảng 4.4. Bảng theo dõi mức tiêu thụ điện năng của máy đùn nhựa Máy đùn nhựa Công suất định mức 7,5KW CS thực tế (kw/h) Điện áp U (V) Dòng điện I (A) Cos j Thời gian đo Động cơ chạy gần đầy tải 3,49 400 9,8 0.89 180 giây Động cơ non tải 2,64 400 12,2 0.54 Nhận xét: Từ công suất tiêu thụ điện ta thấy động cơ máy đùn chạy non tải thì hệ số công suất của động cơ rất thấp, dòng điện lớn hơn nhiều so với động cơ máy đùn lúc gần đầy tải. Như vậy dòng điện lớn gây nên xác suất tổn hao trong động cơ là lớn, gây ra tiếng ồn, tuổi thọ của động cơ giảm đi nhiều Động cơ máy đùn chạy gần đầy tải thì dòng điện nhỏ hơn, xác suất tổn hao là ít hơn, giảm tiếng ồn cho động cơ, tuổi thọ của động cơ tăng hơn nhiều so với động cơ lúc non tải. Hệ số công suất tăng lên. Giải pháp. Nên thay thế động cơ có công suất nhỏ hơn 7,5 KW Ta thấy công suất tải chỉ bằng 2,64KW để đảm bảo động cơ đạt mức tải trên 75% thì chọn động cơ sao cho vì vậy , tương úng với hệ số dự trữ bằng k=1,3. Đồng thời lắp biến tần có dải công suất 3,7KW để tiết kiệm tiền điện cho doanh nghiệp KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài này nhằm nghiên cứu đề xuất các giải pháp và đánh giá hiếu quả tiết kiệm năng lượng. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng áp dụng các biện pháp tiết kiệm điện cho các cơ sở sản xuất không chỉ mang lại lợi ích cho bản thân doanh nghiệp mà còn được nhiều lợi ích to lớn trong việc giảm nhu cầu công suất và điện năng, từ đó tiết kiệm năng lượng và cải thiện môi trường. Kết quả nghiên cứu cụ thể cho thấy việc đầu tư cũng như áp dụng các biện pháp rất khả thi, đem lại hiệu quả kinh tế to lớn, tiêu thụ điện năng it hơn vá khoản tiền tiết kiệm được sau khi bù đắp chi phí mang lại rất lớn. Với kết quả nghiên cứu và đo đạt tại Phòng Thí Nghiệm Khoa Điện Đại Học Bách Khoa, công ty cổ phần gốm sứ COSANI và xí nghiệp nhựa VŨ BÌNH MINH chúng tôi đã có một số kết luận sau: 1. Lợi ích về kinh tế: Tại Phòng Thí Nghiệm Khoa Điện Đại Học Bách Khoa,khi khảo sát biến tần lắp cho quạt gió thì tại những thời điểm ứng với tần số khác nhau thì mức tiêu tốn điện năng cũng khác nhau,vì vậy nếu tại Công Ty lớn chúng ta lắp biến tần để điều khiển động cơ thì vào những giờ thấp điểm thì điều khiển tốc độ của động cơ,sẽ làm giảm khả năng tiêu tốn điện năng của động cơ. Đối với công ty cổ phần gốm sứ COSANI khi thực hiện lắp biến tần công ty đã tiết kiệm được 93.623.040 VNĐ/năm, vốn đầu tư ban đầu 120.000.000 VNĐ, tương đương năng lượng tiết kiệm được 86.688 kWh/năm. Đối với xí nghiệp nhựa VŨ BÌNH MINH chúng tôi đã tiến hành thay động cơ có công suất lớn thường xuyên chạy non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn phù hợp với tải, tiết kiệm được khoảng tiền chênh lêch lớn khi thay động cơ nhỏ hơn. 2. Lợi ích về mặt xã hội: Qua kết quả đo đạt và nghiên cứu, đề tài có thể là một cơ sở để nhân rộng cho các cơ sở sản xuất công nghiệp, từ đó nâng cao công tác kiểm toán năng lượng. Nếu mỗi doanh nghiệp, mỗi cơ quan đoàn thể đều tiến hành kiểm toán năng lượng để tìm ra giải pháp tối ưu cho việc sử dụng năng lượng thì vấn đề an ninh năng lượng quốc gia sẽ được đảm bảo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Đình tiếu (2004), Giáo trình truyền động điện – NXB giáo dục. [2] Bùi Tấn lợi (2004), Máy điện – NXB Khoa học và kỹ thuật, Đà Nẵng. [3] Nguyễn Kim Sơn – Luận văn thạc sĩ (2008), Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho công ty đường Quảng Ngãi, Trường đại học Bách khoa Đà Nẵng. [4] Nguyễn Xuân Phú (2002), Sử dụng hợp lý và hiệu quả điện năng trong sản xuất và sinh hoạt – NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [5] Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Thế Bảo (2006), Bảo toàn năng lượng và sử dụng hợp lý, tiết kiệm và hiệu quả trong công nghiệp – NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [6] Schneider Electric (2003), soft starters and variable speed drives. [7] Trần Đình Long (1999), Quy hoạch phát triển năng lượng và điện lực – NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. [8] Trần Vinh Tịnh (2007), Quy hoạch mạng điện phân phối – NXB Khoa học và kỹ thuật, Đà Nẵng. MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU Chương 1 - 51