ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ***** T T Ó Ó M M T T Ắ Ắ T T L L U U Ậ Ậ N N V V Ă Ă N N T T H H Ạ Ạ C C S S Ỹ Ỹ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRONG TÒA NHÀ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN HỌC VIÊN :ĐINH NGUYÊN Thái Nguyên, năm 2013 1 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Cán bộ HDKH : PGS.TS. Bùi Quốc Khánh Chủ tịch : PGS.TS. Nguyễn Như Hiển Phản biện 1 : PGS.TS. Võ Quang Lạp Phản biện 2 :TS. Nguyễn Quân Nhu Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Vào 10 giờ 30 phút ngày 28 tháng 07 năm 2013. Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bùi Quốc khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghị(2002),Tự động điều chỉnh truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật , Hà Nội. 2. Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn(2007), Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 3. Nguyễn Phùng Quang(1969), Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, Nhà xuất bản Giáo dục,Hà Nội. 4. Vũ Gia Hanh, Phan Tử Thụ(1992-Biên dịch), Máy điện, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 5. Trần Thọ, Võ Quang Lạp, (2001) Điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 6. Trần Khánh Hà ( 1997), Máy điện tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật,Hà Nội. Tiếng Anh. 1. P. Barrass, M. Cade (1999), PWM rectifier using indirect voltage sensing, Proc.IEE-Elect. Power Applicat, vol. 146, no 5 , pp 539-544. 2. Plexim GmbH, PLECS – Piece-wise Linear Electrical Circuit Simulation for Simulink, User Mamual, ver 1.2. 17 KT LUN Sau mt thi gian nghiờn cu ti Nghiờn cu gii phỏp iu khin tit kim nng lng in trong tũa nh tụi ó tớnh toỏn v a ra cỏc gii phỏp tit kim nng lng in trong iu khin thang mỏy l: + Chn ng c ng b nam chõm vnh cu. + S dng hóm tỏi sinh thay cho hóm in tr. + S dng b iu khin DC bus chung kt hp vi chnh lu tớch cc. Lun vn ó c hon thnh vi s hng dn tn tỡnh ca PGS TS Bựi Quc Khỏnh. Tụi xin chõn thnh cỏm n sõu sc n cỏc thy cụ giỏo v cỏc bn ng nghip ó ng viờn giỳp tụi trong sut quỏ trỡnh nghiờn cu. Nhiu yờu cu t ra m trong lun vn cha cp ht c, vi tinh thn khụng ngng hc hi, tụi rt mong cỏc thy cụ giỏo v cỏc bn ng nghip úng gúp ý kin lun vn ny c hon thin hn. Tụi xin chõn thnh cm n ! H ni, ngy 08 thỏng 08 nm 2013. Tỏc gi inh Nguyờn 2 M U Ngy nay cựng vi s nghip cụng nghip húa, hin i húa xó hi ngy cng phỏt trin, cỏc tũa nh cng ngy cng cao hn v hin i hn.Mt yu t khụng th thiu v nhu cu th hin s b th sang trng ca tũa nh l nhng thang mỏy c lp t bờn trong.Thang mỏy l thit b vn chuyn ngi v hng hoỏ theo phng thng ng trong cỏc nh cao tng. Trong nhng cụng trỡnh cao tng thang mỏy l thit b khụng th thiu. Thang mỏy giỳp cho vic i li trong cỏc nh cao tng d dng hn. Chớnh vỡ vy t khi xut hin ti nay thang mỏy luụn c nghiờn cu, ci tin, hin i hoỏ ỏp ng nhu cu ngy cng cao ca khỏch hng. Nhng nm cui th k XX u th k XXI. Nh ng dng nhng thnh qu k thut in t, vi x lý vo lnh vc t ng hoỏ ó mang li nhng thnh tu to ln. Nú thay i hon ton b mt ca nn sn xut cụng nghip truyn thng. To ra mt th h mỏy múc thụng minh, linh hot. Cựng vi s phỏt trin ca khoa hc. Thang mỏy ngy cng c hon thin hn cú tc cao, dng ờm, tiờu tn ớt nng lng v m bo an ton. Trong giai on hin nay nn kinh t nc ta ang cú bc phỏt trin mnh thỡ nhu cu s dng thang mỏy trong mi lnh vc cng tng lờn.Cỏc khu chung c cao tng ,h thng cỏc khu cụng nghip, ch v siờu th cao tng c xõy dng rt nhiu dn n nhu cu s dng thang mỏy tng lờn kộo theo ú l lng in nng tiờu th cng tng lờn ỏng k. T thc t trờn yờu cu t ra l phi tỡm ra mt gii phỏp no ú tit kim nng lng in trong quỏ trỡnh s dng thang mỏy. Xut phỏt t nhu cu trờn tụi quyt nh chn đề tài Nghiên cứu giải pháp điều khiển để tiết kiệm năng l9ợng điện trong tòa nhà 3 Đề tài đã được hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS-TS Bùi Quốc Khánh, người đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình hoàn thành luận văn. Mặc dù đã hết sức cố gắng song luận văn chưa thể đi sâu vào nghiên cứu nhiều khía cạnh kỹ thuật khác, tôi rất mong được sự đóng góp và giúp đỡ hơn nữa của các thầy, cô giáo và đồng nghiệp để luận văn có hướng phát triển hơn nữa trong tương lai. Ngày 08 tháng 08 năm 2013. Tác giả luận văn Đinh Nguyên 16 4.2 Giải pháp 2: Thay hãm điện trở bằng phương pháp hãm tái sinh. Sử dụng hãm điện trở , năng lượng dư thừa bị diệt trên điện trở, nên năng lượng trả về lưới bằng không. → Vậy khi dùng hãm tái sinh thay cho hãm điện trở thì năng lượng điện tiết kiệm được 4.3 Giải pháp 3:Sử dụng bộ điều khiển DC bus chung kết hợp với chỉnh lưu tích cực. Kết luận: + Công suất lắp đặt P PWM = 50% P ∑ do vậy nếu dùng chỉnh lưu PWM sẽ giảm được công suất đặt. + Tổn thất bộ biến đổi n(bộ) x P i : Nếu dùng đơn lẻ ta có: ΔP CL = (1- η). η bbđ .P i. Nếu dùng bộ chung thì : ΔP CL = (1- η).∑P vh. 15 CHƯƠNG 4 CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 4.1 Giải pháp 1:Chọn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. - So sánh động cơ KĐB với động cơ ĐB nam châm vĩnh cửu: + Động cơ ĐB nam châm vĩnh cửu công suất 5kW có η=0.9 , Momen mở máy M ĐBNCVC = 4M đm . + Động cơ KĐB công suất 7,5kW có η=0.8, momen mở máy M KĐB = 2,5M đm → Do vậy khi chọn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có Momen mở máy cao nên giảm được công suất đặt từ 7,5kW về 5kW. + Hiệu suất động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu η ĐB =0.9 > η KDB =0.8 nên ta có: Tổn thất motor cho 1 lần chạy của động cơ ĐB nam châm vĩnh cửu là: ΔP = 0,1.5 = 0,5kW Tổn thất motor cho 1 lần chạy của động cơ KĐB là: ΔP = 0,2.7,5 = 1,5kW → Vậy chọn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ta giảm tổn thất motor được 3 lần. - Biết hiệu suất chung η=(0,8.0,8)P đm = 0,64P đm +Tổn thất công suất của động cơ KĐB( P đm =7,5kW ) là: ΔP = 0,36.7,5 = 2,7kW. - Khi nâng 10% hiệu suất η=(0,9.0,8)P đm = 0,72P đm +Tổn thất công suất của động cơ ĐB nam châm vĩnh cửu( P đm =5kW) là: ΔP = 0,28.5 = 1,4kW. 4 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ THANG MÁY 1.1 Giới thiệu chung về thang máy Giới thiệu về lịch sử ra đời thang máy, tầm quan trọng của thang máy trong sinh hoạt và trong sản xuất. Tình hình sử dụng thang máy ở Việt Nam. 1.2 Cấu tạo chung của thang máy Trình bày sơ đồ cấu tạo của thang máy, kết cấu các bộ phận chính trong thang máy. 1.3 Phân loại thang máy Tác giả đã chỉ ra các cách phân loại thang máy khác nhau và ưu nhược điểm của mỗi cách . 1.4 Yêu cầu công nghệ và truyền động Phần này nêu khái quát các yêu cầu về quá trình dừng chính xác buồng thang và quá trình hãm buồng thang. Trình bày cấu tạo và nguyên lý của bộ cảm biến dừng tầng. Phân tích ảnh hưởng của các tham số gia tốc , vận tốc, độ giật đến quá trình làm việc của thang máy. 5 Khi tốc độ cabin đạt giá trị từ (0,75 ÷ 3,5) [m/s], gia tốc tối ưu a ≤ 2 [m/s 2 ], giá trị này của gia tốc nhằm đảm bảo năng suất cao, không gây ra cảm giác khó chịu cho hành khách. Một đại lượng nữa cũng ảnh hưởng đến sự di chuyển êm của cabin, đó là độ giật (đạo hàm bậc nhất của gia tốc dt da =ρ hoặc đạo hàm bậc hai của tốc độ 2 2 dt vd dt da ==ρ ). Khi giá trị của gia tốc đạt tối ưu a ≤ 2 [m/s 2 ] thì độ giật ρ ≤ 20 [m/s 3 ]. 1.5 Tính toán chọn công suất động cơ Xác định đồ thị phụ tải tĩnh và sơ bộ chọn công suất động cơ. M ở máy Ch ế đ ộ ổn định Hã m xuốn g Đ ến t ầng a t ρ ρ ρ ρ ρ ρ a s ν a 0 ρ, a, M ν , S, ν a, f 14 3.2 Tính năng lượng trung bình thang máy vận hành trong 1 ngày. Biểu đồ năng lượng tiêu thụ trung bình của thang máy trong một ngày vận hành H×nh 3.3 : BiÓu ®å n¨ng l îng tiêu thụ trung bình của thang máy trong một ngày vận hành. kWh W I W IV W II W III 13 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ TRONG QUÁ TRÌNH NÂNG VÀ HẠ THANG MÁY 3.1 Xây dựng biểu đồ năng lượng khi nâng và hạ thang máy: 3.1.1. Quá trình nâng thang: H×nh 3.1 : BiÓu ®å n¨ng l îng khi n©ng thang m¸y. 3.1.2 Quá trình hạ thang máy : H×nh 3.2 : BiÓu ®å n¨ng l îng khi h¹ thang m¸y. kWh 3 5 7 9 11 1 1 17 18 Sè 100%G K h«ng t¶i 50%G kWh 1 2 4 6 8 1 1 1 1 1 Sè 100% Kh«ng t¶i 50%G 6 Kết hợp các điều kiện sơ bộ về momen và công suất, ta chọn động cơ không đồng bộ(KĐB) roto lồng sóc, với các thông số như sau: - Công suất định mức: 7,5 kW - Điện áp dây định mức: < 400V - Số đôi cực: p=6/2=3 - Tốc độ định mức: n đm = 970(vòng/phút) - Hiệu suất: η=86% - Hệ số công suất: cosφ = 0,77 - Dòng stator định mức: I 1đm = 12A - Dòng khởi động: I s = 5×12 = 60A - Momen định mức: M đm = 54Nm - Momen khởi động định mức(s=1): M s = 1,9×54 = 102,6Nm - Momen tới hạn: M th = 2,8×54 = 151,2 Nm - Momen quán tính: J=0,03673 kgm 2 - Khối lượng: m=21 Kg - Cấp cách điện: F - Kiểu gá lắp: lắp mặt đế - Cấp bảo vệ: IP55 - Hệ số tính đổi điện trở: K r = K e 2 = 1,79×10 4 - Stator: r s = 1,41Ω; X s = 1,29Ω - Roto: r’ r = 2,0Ω; X’ r = 1,74Ω 1.6 Chọn động cơ Giới thiệu về động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Động cơ đồng bộ có ưu điểm là có thể điều chỉnh được hệ số công suất cuả nó bằng các phương pháp kích từ, có thể làm cho hệ số công suất cao hơn 1 (cosϕ ≥ 1) tuy nhiên quá trình khởi động phức tạp, tải trọng lớn dễ gây mất đồng bộ; 7 động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kết cấu đơn giản, vững chắc, giá thành rẻ, có thể làm việc trong mọi môi trường phức tạp nên được sử dụng rộng rãi trong truyền động cho thang máy có thể thay đổi khả năng khởi động và hãm nhằm giảm độ giật cho cabin, điều chỉnh tốc độ trơn hoàn toàn, chất lượng điều chỉnh cao, dễ dàng vận hành do đó được lựa chọn. 1.7 Kiểm nghiệm động cơ Sau khi chọn động cơ, kiểm tra động cơ theo moomen khởi động và điều kiện phát nóng của động cơ ta thấy chúng đều nằm trong giới hạn cho phép. 12 Hình 2.16: Hệ nhiều động cơ thang máy. Hệ nhiều thang máy là hệ gồm một bộ chỉnh lưu tích cực ghép nối với các biến tần động cơ theo một đương bus chung. Trong đó ta dùng phương pháp VOC để điều khiển bộ chỉnh lưu PWM và dùng phương pháp DTC để điều khiển các mạch nghịch lưu riêng biệt. hệ nhiều thang máy có thể trao đổi công suất qua lại giữa các thang máy riêng biệt với nhau cũng như giữa các động cơ thang máy với lưới nhờ bộ chỉnh lưu tích cực 11 c im ca bin tn ngun ỏp l in ỏp mt chiu luụn luụn gi du khụng i, khi dũng I d cng khụng i du.Do vy khụng thc hin trao i nng lng t ti v li.Trong trng hp ny ph bin l dựng hóm dp ng nng bng in tr hóm mch mt chiu.Loi bin tn ny ph bin rng rói nht trong cụng nghip. 2.6.3.Ch hóm tỏi sinh trong bin tn ngun ỏp chnh lu tiristo: 2.6.4.Bin tn ngun ỏp lm vic bn gúc phn t: Bin tn lm vic vi bn gúc phn t m bo trao i cụng sut gia ti v li ng thi dũng u vo cú dng hỡnh sin, nờn cú th iu chnh cos = 1. Da vo nhng yờu cu cụng ngh ca nhng loi bin tn trờn v yờu cu iu khin ca thang mỏy, vi yờu cu tr nng lng t ti v li tn dng ti u cụng sut thỡ ta chn bin tn ngun ỏp lm vic bn gúc phn t. 2.7.Chnh lu PWM. 2.7.1.Nguyờn lý lm vic. Chnh lu lm vic trao i cụng sut hai chiu gia li v ti,dũng in chnh lu phi thay i c du.ta gi cú du + khi nú cú chiu hng v ti v ngc li cú du - khi cú chiu hng v li. Vỡ du in ỏp mt chiu l c nh nờn cụng sut thay i hai chiu t li v ti = . > 0 v t ti v li = . < 0. 2.7.2.Tng quan v iu khin chnh lu PWM. 2.7.3.Cu trỳc iu khin chnh lu PWM theo nh hng vector in ỏp da vo dũng iờn (VOC). 2.8. H nhiu thang mỏy. 8 CHNG 2 CC H TRUYN NG DNG TRONG IU KHIN THANG MY 2.1 H truyn ng ng c xoay chiu Lun vn cp v phõn tớch nhng u im v hn ch ca cỏc h truyn ng dựng ng c ng b vi cỏc h truyn ng dựng ng c khụng ng b. 2.2 H truyn ng ng c mt chiu Về ph ơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ một chiều có nhiều u việt hơn các động cơ khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt đ ợc chất l ợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng. Trong thực tế có hai ph ơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: - Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ. - Điều chỉnh điện áp cấp mạch kích từ. 2.3 Gii thiu v iu khin ng c khụng ng b theo tn s Phng phỏp iu chnh tn s ngun cung cp c s dng cho ng c khụng ng b cho n nay vn l phng phỏp tt nht, vỡ nú iu chnh trc tip cụng sut in u vo ng c, c tớnh c cú cng khụng thay i trong di iu chnh rng. 9 2.4 Các phương pháp điều khiển tần số Có nhiều phương pháp điều khiển tần số, phổ biến trong công nghiệp là điều khiển theo luật = const, điều khiển tựa từ thông roto (FOC), điều khiển trực tiếp momen (DTC). 2.5.Lý thuyết về DTC. 2.5.1 Nguyên lý chung. 2.5.2.Cách thực hiện. Hình 2.6: Sơ đồ cấu trúc điều khiển bằng phương pháp DTC. 10 2.6.Chế độ hãm trong hệ truyền động biến tần- động cơ không đồng bộ. 2.6.1.Chế độ hãm tái sinh trong hệ truyền động, biến tần nguồn dòng: Hinh 2.7: Sơ đồ biến tần nguồn dòng động cơ KĐB Đối với biến tần có khâu trung gian một chiều trung gian, I d không đổi chiều. Do điện áp đầu ra, đầu vào của chỉnh lưu và ngịch lưu của biến tần thay đổi được dấu nên biến tần nguồn dòng dễ làm việc trong chế độ hãm tái sinh 2.6.2.Chế độ hãm trong hệ biến tần nguồn áp chỉnh lưu điốt: Hình 2.8: Mạch hãm trong hệ biến tần – động cơ KĐB,chỉnh lưu điốt. . tit kim nng lng in trong quỏ trỡnh s dng thang mỏy. Xut phỏt t nhu cu trờn tụi quyt nh chn đề tài Nghiên cứu giải pháp điều khiển để tiết kiệm năng l9ợng điện trong tòa nhà 3 Đề tài đã. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỂ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TRONG TÒA NHÀ LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN HỌC VIÊN :ĐINH NGUYÊN . hãm điện trở , năng lượng dư thừa bị diệt trên điện trở, nên năng lượng trả về lưới bằng không. → Vậy khi dùng hãm tái sinh thay cho hãm điện trở thì năng lượng điện tiết kiệm được 4.3 Giải