Trường ĐHDL Văn Lang, nội san Khoa học Đào tạo, số 2, 5/ 2004 CÁC CƠ HỘI TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ RÔTO LỒNG SÓC Nguyễn Xuân Phú Động điện thiết bị tiêu thụ nhiều điện dùng phổ biến Trong số đó, tuyệt đại đa số loại động ba pha không đồng bộ, rôto lồng sóc Sở dĩ loại mang tính phổ biến hai lý sau đây: • • Cấu trúc đơn giản, bền, tuổi thọ cao Giá thành rẻ, vốn đầu tư thấp tiêu tốn cho việc bảo trì so với loại động khác Kích cỡ động từ vài oát đến trăm ngàn oát [w] Do vậy, việc tìm hội để tiết kiệm điện loại động mà đảm bảo yêu cầu khác điều cần thiết, có tác dung lớn việc hạ giá thành sản phẩm, tăng tính cạnh tranh kinh tế khối ASEAN mà có ý nghĩa lớn tình trạng thiếu nguồn cấp điện Do khuôn khổ báo, xin trình bày hai vấn đề sau đây: • Hiệu suất tổn thất động điện • Vấn đề hiệu việc sử dụng động hiệu suất lượng cao (High Efficiency Motors – HEMs) HIỆU SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN: a Hiệu suất: Đối với động điện, công suất (P2) công suất hay công suất trục rôto, công suất vào P1 công suất mà lưới điện cung cấp cho động Hiệu suất động ç động cơ: Các hiệu suất tổn thất động thông thường thể hình 1: Hình b Làm để cải thiện hiệu suất động Ta thực cải tiến trình thiết kế chế tạo: - Giảm tổn thất stato: • • Tăng kích thước rãnh stato Đường kính dây dẫn cỡ lớn - Giảm tổn thất rôto: Các hội tiết kiệm điện động điện không đồng rôto lồng sóc Nguyễn Xuân Phú Trường ĐHDL Văn Lang, nội san Khoa học Đào tạo, số 2, 5/ 2004 • • • • • • • • • Tăng kích thước dẫn rôto vòng ngắn mạch hai đầu cuối Giảm tổn thất lõi khe hở Các thép mỏng với chất lượng cao Làm dài thêm lõi để giảm mật độ từ thông yêu cầu Giảm kích thước khe hở rôto stato, yêu cầu chế tạo thật xác Giảm tổn thất gió ma sát Tăng vòng bị đỡ cải tiến thiết kế luồng không khí làm mát Giảm tổn thất tản mạn Tối ưu hóa thiết kế chế tạo c Cần lưu ý hệ số cosư hiệu suất ç động có mối liên quan Hình Chúng ta biểu thị quan hệ tổn thất này, hệ số công suất cosư hiệu suất ç đồ thị động cảm ứng ba pha Ta có nhận xét loại động cơ, sử dụng với hệ số công suất tăng hiệu suất tăng lên Đường biểu diễn ứng với động 37KW (hình 2) ĐỘNG CƠ HIỆU QUẢ HAY ĐỘNG CƠ HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG CAO (High Efficiency Motors – HEMs) Động hiệu cao hay dễ hiểu ta gọi động có hiệu suất lượng cao (Energy efficient motors EEMs) 2.1 Các tiêu tổn thất Theo định nghĩa, động có tiêu sau đây: Các hội tiết kiệm điện động điện không đồng rôto lồng sóc Nguyễn Xuân Phú Trường ĐHDL Văn Lang, nội san Khoa học Đào tạo, số 2, 5/ 2004 a Tổn thất điện trở (ΔP = I2R) giảm, vì: + Vật liệu dẫn với chất lượng cao + Dây dẫn stato dẫn rôto với tiết diện cắt lớn Nên đưa đến kết là: → Hệ số công suất cao Để tăng tính mở máy tốt nên rãnh rôto: kích thước phía bé lại, phía phình to (hình 3), có dạng cổ lọ hình thang Khi mở máy hiệu ứng mặt ngoài, nên dòng điện rôto tập trung lên mặt dẫn dẫn đến kết làm cho tính mở máy tốt hẳn, loại rãnh thông thường Hình : Rơto với rãnh su dạng cổ lọ hình thang Mặt khác, cách chế tạo rôto lồng sóc với dạng rãnh dễ rôto hai lồng sóc nên ngày phổ biến Đối với động điện không đồng công suất đến 100 KW, dây quấn rôto thường đúc nhôm có dạng rãnh hình Thông thường có kết hợp tốt nhất, tối ưu hệ số công suất mômen mở máy → Thông thường người ta sử dụng thêm thiết bị điều khiển tốc độ hỗ trợ để phát huy kết Hình 4: Rơto với rãnh su đúc nhôm b Giảm lõi thép cách tối đa Do vì: • • • Tăng tiết diện cắt lõi thép nên giảm mật độ từ thông, trọng lượng có tăng lên Các tôn kỹ thuật điện mỏng để giảm dòng điện xoáy (làm nóng, tăng tổn thất nhiệt) Sử dụng vật liệu tổn thất từ thấp, dẫn đến tổn thất từ trễ thấp (dùng thép silic chất lượng cao) c Giảm tổn thất tản mạn Khoảng không gian rôto stato tạo nên luồng khí thông mát tối ưu Kết tổng hợp: dẫn đến giảm tổn thất làm giảm yêu cầu làm mát động kích thước quạt làm mát giảm xuống Từ phân tích trên, nhận thấy kết ưu việt động hiệu cao (HEMs) Sau đây, để làm rõ ta nêu vài số liệu giá trị kinh tế kỹ thuật nó: Số liệu lấy từ tư liệu Canada sau: (bảng 1) Bảng Cỡ công suất động Hiệu - Hiệu suất KW 70 – 75% 150 KW 92% 7200 KW 95% • Loại HEMs có hiệu suất sau: - Gần – 8% cao so với loại động thông thường – kích cỡ bé, đến 15 KW - Gần – 4% cao loại động thông thường – kích cỡ lớn 20 KW • Loại HEMs – có giá đầu tư ban đầu: Các hội tiết kiệm điện động điện không đồng rôto lồng sóc Nguyễn Xuân Phú Trường ĐHDL Văn Lang, nội san Khoa học Đào tạo, số 2, 5/ 2004 - Gần từ 15 – 25% cao kích cỡ loại bé - Hơi cao đôi chút kích cỡ lớn • Loại HEMs có độ tin cậy loại động tiêu chuẩn (standard) tiêu tốn bảo trì tương tự loại động tiêu chuẩn Chúng ta dung đồ thị để thể số liệu quan trọng (hình 5) Ở đồ thị: - Cột tung độ bên trái: biểu thị hiệu suất ç% - Cột tung bên phải biểu thị giá đầu tư ban đầu động (tính triệu đồng Việt Nam đơn vị công suất KW) - Cột hoành độ: kích cỡ động Đường biểu diễn – Hiệu suất động HEMs Đường biểu diễn – Hiệu suất động tiêu chuẩn (thông thường) Đường biểu diễn – Giá đầu tư động HEMs Đường biểu diễn – Giá đầu tư ban đầu động tiêu chuẩn (thông thường) Hình 2.2 Phân tích kinh tế tổng quát: với liệu sau - Tuổi thọ động cơ: 10 năm - Giá điện: giả thiết không thay đổi trình sử dụng - Giờ hoạt động năm 2000/4000/6000 • Kết dẫn đến: a b c Trong trường hợp, giá điện trì không đổi dẫn đến tỉ suất hoàn vốn nội hay hệ số hoàn vốn nội (IRR – Internal rate of return) khoảng 10% Đối với động kích cỡ 45 KW, với giá tiền điện 6,9 “cent”/KWh hệ số hoàn vốn nội IRR gần đến 100% 4000 hoạt động năm Phân tích có giá trị tương đương trường hợp (có ý phân tích hiệu suất, tuổi thọ tồn động cơ, giá trị tận dụng nó, giá tiền lắp đặt v.v…) Sau đây, nghiên cứu IRR đầu tư phụ thêm cỡ dung lượng động loại HEMs; với thời gian hoạt động hang năm 2000 ký hiệu ô vuông đen φ, 4000 ô vuông gạch ~ 6000 ô vuông nhiều gạch ~, đồng thời với giá điện vào bình thường 895 đồng/KWh (hình 6) • Bài toán sử dụng động hiệu cao HEMs kích cỡ • Kết quả: a Cơ hội tiết kiệm điện thay động bình thường động HEMs Thật vậy, giả sử cần truyền động cho máy nén, công suất động điện 250 KW, hiệt suất 90% công suất yêu cầu 179 KW - Trong trường hợp bình thường sử dụng động thông dụng, công suất đầu vào cần: 179/ ç = 179/0,9 = 197KW - Trong trường hợp này, khuyến cáo nên dung động HEMs có hiệu suất cao với ç = 0,94 Các hội tiết kiệm điện động điện không đồng rôto lồng sóc Nguyễn Xuân Phú Trường ĐHDL Văn Lang, nội san Khoa học Đào tạo, số 2, 5/ 2004 Hình Do vậy, • • • • Công suất động cần cho máy nén là: 179/0,94 = 188 KW • • Tiền tiết kiệm là: 59.040.000 đồng Công suất định mức động chọn là: 200 KW Tiền đầu tư là: 167.200.000 đồng VN Điện tiết kiệm, sau tính toán tổn thất động thay sử dụng loại 250 KW, ta dùng loại 200KW, tiết kiệm 73.800 KWh/năm Giá điện trung bình 895 đồng/KWh Thời gian hoàn vốn: 167.2000/59.040.000 = năm tháng 10 ngày 2.3 Kích cỡ động phù hợp với phụ tải tiêu thụ tiết kiệm hóa đơn tiền điện Ví dụ: Có phụ tải tiêu thụ yêu cầu 8,2 KW sử dụng động hãng Siemens 1LA2-207-2AA, công suất định mức 37KW Thời gian hoạt động năm 6000 giờ, giá tiền điện vào bình thường 895 đồng/KWh Thông số động sử dụng ç định mức = 90,5% hệ số công suất cosưđm = 0,87 Rõ ràng kích cỡ động lớn so với phụ tải (chỉ 22% so với công suất động cơ) Hãy tính xem dùng động lọai có công suất phù hợp với phụ tải (tra cẩm nang động hãng Siemens-160 M-ILA7-168-2AA) động công suất 11 KW tiết kiệm năm tiền điện (1) Động với Pđm = 11 KW -160 M-ILA7-163-2AA có hiệu suất ç định mức = 89% hệ số cosưđm = 0,84 Bài giải: a Đối với động Pđm = 37KW = PI Công suất biểu kiến hộ tiêu thụ (chú ý hiệu sử dụng thấp nên cosư = 0,62) S1 = P/cosưI = 8,2/0,62 = 13,22 KVA - Tổn thất sắt động – PI: 37*[(1/0,905) – 1]*0,3 = 1,165 KW - Tổn thất đồng động – PI: 37 [(1/0,905) – 1]*0,7 (13,22/42,53)2 = 0,263 KW Tổng cộng: 1,165 + 0,263 = 1,428 KW b Đối với động Pđm = 11KW = PII Công suất biểu kiến tiêu thụ: (vì công suất động phù hợp với phụ tải tiêu thụ nên cosư = 0,84) SII = P/cosư2 = 8,2/0,84 = 9,76 KVA Các hội tiết kiệm điện động điện không đồng rôto lồng sóc Nguyễn Xuân Phú Trường ĐHDL Văn Lang, nội san Khoa học Đào tạo, số 2, 5/ 2004 - Tổn thất sắt động – PII: 11*[(1/0,89) – 1]*0,3 = 0,408 KW - Tổn thất đồng động – PII: 11 [(1/0,89) – 1]*0,7 (9,76/13,09)2 = 0,529 KW Tổng cộng: 0,408 + 0,529 = 0,937 KW Do sử dụng động có kích cỡ phù hợp tiết kiệm được: ΔP = ΔPI – ΔPII = 1,428 – 0,937 = 0,491 KW Tổn thất điện tiết kiệm được: ΔP.t = 0,491 x 6000 h = 2946 KWh Tiền tiết kiệm là: 2946 x 895(1) = 2.636.670 đ 2.4 Một số số liệu so sánh động loại tiêu chuẩn (bình thường) loại HEMs’ a Một số số liệu cần quan tâm: Theo thống kê, Úc, động điện tiêu thụ tỉ đôla tiền điện năm tương ứng với 70% tiền điện trả chung cho công nghiệp Úc Đối với động hiệu cao HEMs, tuổi thọ khoảng 20 năm; trung bình giá mua động khoảng 1-2% tổng chi phí tiền điện động tiêu thụ suốt trình sử dụng (20 năm) Nói cách khác, ví dụ giá mua động 11 KW, loại 160M-ILA7.163-4AB 1527 USD công ty hay xí nghiệp sử dụng phải trả 152.700 USD suốt trình sử dụng Thật vậy, ví dụ: loại động 55 KW – 250M.ILA6-253-4AB) (1), hiệu suất động 92% tải 80% định mức, giá mua động 5565USD; số vận hành 4000g/năm Chi phí vận hành hang năm là: 0,1 x 55 x 0,8 x 4000g/0,92 = 19130 USD Tỉ lệ chi phí vận hành hàng năm với giá mua là: 19130/5565 = 3,44 Tổng số tiền điện trình tuổi thọ sử dụng động cơ: 19130 x 20 = 382600 USD Vậy tỉ lệ tiền mua động so với tiền điện phải trả 20 năm: 5565/382600 = 0,0145 hay 1,45% Từ hình ta thấy động HEMs có hiệu suất cao từ – 4% so với loại động hiệu suất chuẩn động có công suất lớn Đối với động công suất 5,5KW, hiệu suất cao đạt từ – 7% Ngoài ra, động HEMs có ưu điểm so với động hiệu suất chuẩn chỗ: - độ tin cậy cao - tuổi thọ dài - vận hành êm nóng b Cách tính lượng tiết kiệm sử dụng động HEMs’ Sự khác biệt hiệu suất mang lại, đưa ta đến tính toán công suất tiết kiệm được: Ở đây: Các hội tiết kiệm điện động điện không đồng rôto lồng sóc Nguyễn Xuân Phú Trường ĐHDL Văn Lang, nội san Khoa học Đào tạo, số 2, 5/ 2004 çS – hiệu suất động hiệu suất chuẩn (standard) çHEM – hiệu suất động HEMs Ptải – công suất tải thực tế động Điện tiết kiệm hàng năm, với t – số vận hành năm là: ΔA tiết kiệm/năm = ΔP tiết kiệm x t Tiền tiết kiệm năm là: ΔA tiết kiệm/năm x giá KWh Ví dụ: Hãy tính số tiền tiết kiệm dung động HEMs thay cho động tiêu chuẩn công suất đầu 60KW Bài giải: Từ số liệu giả thiết, tra cẩm nang nhà sản xuất (ví dụ hãng Siemens – loại gần lớn 60KW 75 KW (280S – ILA6 280-4AB) (1) Do đó, ta chọn động HEMs’-công suất định mức 75KW để sử dụng Khi sử dụng động mang tải 80% định mức, điều hợp lý chấp nhận Thông số động sau: - Pđm = 75 KW - Hiệu suất loại tiêu chuẩn çS = 92,4% 80% tải định mức - Hiệu suất loại HEMs: çHEMs = 95% 80% tải định mức Số vận hành hàng năm xí nghiệp: t = 4000 Tiền điện cho 1KWh 0,1 USD/1 KWh – (tương đương thời giá 1.560 đồng Việt Nam) Công suất tiết kiệm là: ΔP tiết kiệm = 1,78 KW Điện tiết kiệm năm là: ΔAtk = ΔP tiết kiệm x t = 1,78 x 4000 = 7120 KWh Tiền tiết kiệm là: 7120 x 0,1 = 712 USD Vậy suốt thời gian phục vụ động tiết kiệm được: 712 x 20 = 14.240 USD c Thời gian hoàn vốn đơn (Simple pay back) tính động HEMs Theo định nghĩa: Ở ví dụ trước ta tính được: Tiền tiết kiệm hàng năm 712 USD Giá động cơ: - Động tiêu chuẩn 7300 USD - Động hiệu suất cao HEMs’: 8595 USD Các hội tiết kiệm điện động điện không đồng rôto lồng sóc Nguyễn Xuân Phú Trường ĐHDL Văn Lang, nội san Khoa học Đào tạo, số 2, 5/ 2004 Chênh lệch giá mua là: 8595 – 7300 = 1295 USD Thời gian hoàn vốn đơn là: 1295/712 = 1,82 năm Hệ số hoàn vốn nội IRR (hay tỉ suất hoàn vốn nội tại) Giả thiết: Tỉ suất lợi nhuận 5% Giá điện tăng hàng năm 3% Bảng Hoàn vốn động hiệu suất cao 10 năm Dòng tiền tệ giả thiết tiết kiệm tăng theo suất chiết khấu Năm Dòng tiền tệ Năm Dòng tiền tệ 10 -1295 712 712 712 712 712 712 712 712 712 712 10 -1295 712 733 755 778 801 825 850 876 902 927 Tỉ suất hoàn vốn nội 54% Tỉ suất hoàn vốn nội 57% 2.5 Động quấn lại Theo thống kê số nước, Úc động bị cháy: - Nếu 10 KW – thay động - Trên 10 KW – quấn lại lần thường nhiều lần • Hiệu suất động sửa lại: Theo lý thuyết, việc quấn lại tạo động với hiệu suất động nguyên gốc thường thực tế có tổn thất lớn so với nguyên gốc vì: - Sự tăng nhiệt làm hủy rãnh cách nhiệt rãnh không tốt nguyên thủy - Việc sử dụng dây để dễ quấn dây thường có tiết diện nhỏ Do nên động quấn lại giảm hiệu suất – 3% so với dộng Ví dụ: Động công suất định mức 110 KW, hiệu suất động gốc ç = 93% 75% tải định mức Số hoạt động hang năm: 4000 Giá điện: 0,10 USD/KWh Tổn thất công suất ΔP’ = 0,96 KW Tổn thất điện năm: 0,96 x 4000 h = 3840 KWh/năm Chi phí điện tăng thêm: 0,10 x 3840 = 384 USD/năm Các hội tiết kiệm điện động điện không đồng rôto lồng sóc Nguyễn Xuân Phú Trường ĐHDL Văn Lang, nội san Khoa học Đào tạo, số 2, 5/ 2004 2.6 Chọn công suất động Đại đa số cán có xu hướng chọn công suất động lớn yêu cầu với ý tưởng để đảm bảo “động khỏe” phụ tải kéo (!) cho phép đáp ứng phát triển tương lai (!) Họ nghĩ công suất dư thừa chênh lệch nhỏ giá mua… Chúng ta phân tích thêm ý kiến Thật động dư công suất (tức chúng làm việc thấp 50% tải định mức) không kinh tế vì: a Chi phí mua động cao b Tiền điện tăng hiệu suất động giảm Chúng ta có ví dụ thực tế cụ thể để xác định điều nêu Ở ưu điểm có tính linh hoạt cao phụ tải thay đổi Trên hai vần đề chính, nhiều vần đề khác lien quan đến tiết kiệm điện động điện, chẳng hạn việc sử dụng điều khiển tốc độ VSD Tác giả xin hẹn trình bày dịp khác Tài liệu tham khảo: Nguyễn Xuân Phú – Tô Đằng Khí cụ điện – Lý thuyết kết cấu sử dụng NXB Khoa học & Kỹ thuật 2001 Nguyễn Xuân Phú – Nguyễn Công Hiền – Nguyễn Bội Khuê Nguyễn Xuân Phú chủ biên Cung cấp điện NXB Khoa học & Kỹ thuật 2001 Muller- Hornemann & Hubocher Electrotechnik – Fachbildung Energieelektronik – Westermann 1999 Nguyễn Xuân Phú - Giảng viên chính, Thạc sĩ Trường Đại học Dân lập Văn Lang Các hội tiết kiệm điện động điện không đồng rôto lồng sóc Nguyễn Xuân Phú ... thực tế động Điện tiết kiệm hàng năm, với t – số vận hành năm là: ΔA tiết kiệm/ năm = ΔP tiết kiệm x t Tiền tiết kiệm năm là: ΔA tiết kiệm/ năm x giá KWh Ví dụ: Hãy tính số tiền tiết kiệm dung động... hành êm nóng b Cách tính lượng tiết kiệm sử dụng động HEMs’ Sự khác biệt hiệu suất mang lại, đưa ta đến tính toán công suất tiết kiệm được: Ở đây: Các hội tiết kiệm điện động điện không đồng... nghiệp: t = 4000 Tiền điện cho 1KWh 0,1 USD/1 KWh – (tương đương thời giá 1.560 đồng Việt Nam) Công suất tiết kiệm là: ΔP tiết kiệm = 1,78 KW Điện tiết kiệm năm là: ΔAtk = ΔP tiết kiệm x t = 1,78 x