Nghiên cứu nâng cao chất lượng truyền điện động máy bơm nước thuỷ lợi công suất bằng và lớn hơn 75 kw

Thạc sĩ, tiến sĩ, cao học, luận văn, khóa luận

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và cha hề sử dụng và bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đã đợc chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Nguyễn Trung Mời -1- Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp học Cao học cơ Điện khoá 11 chuyên ngành Điện Nồng nghiệp Trờng Đại học Nông nghiệp 1-Hà Nội. Tôi đã nhận đợc sự giúp đỡ giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô giáo trong và ngoài trờng. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới các Giaó S. Tiến Sĩ và các thầy cô giáo Khoa ếua Đại Học, Khoa Cơ Điện Trờng Đại Học Nông Nghiệp 1- Hà Nội Tôi cũng xin chân thành bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới:Trung Tâm Bơm và Máy Xây Dựng - Viện khoa học thuỷ lợi,, các Công Ty khai thác các công trình thuỷ lợi,; Sở Nông Nghiệp các Tỉnh: Vĩnh Phúc; HảI Dơng; Hà Tây; Phòng Thí Nghiệm Cơ Điện ViLas 019 Viện Cơ Điện và Công Nghệ Sau Thu Hoặch, và đặc biệt là của PGS.Tiến Sỹ. Trần Mạnh Hùng đã tận tình hớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này, Do trình độ và thời gian thực hiện đề tài,có hạn, không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong tiếp tục nhận đợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để đề tài đợc hoàn thiện hơn. Tác giả Nguyễn Trung Mời -2- Mục lục Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục. iii Mở đầu 1 Chơng 1: Tổng quan tình hình trang bị và sử dụng điện năng Trong các trạm bơm thuỷ lợi ở Việt Nam 3 1-1. Khái quát chung . 3 1-2. Đặc điểm cung cấp và sử dụng điện của các trạm bơm 4 1.3. Hệ thống truyền động điện máy bơm 7 1.4. Khởi động và dừng máy bơm . 10 Chơng 2: Phơng pháp nghiên cứu 16 2.1. Phơng pháp tiếp cận . 2.2. Đối tợng và phơng pháp điều tra khảo sát 2.3. Nghiên cứu thực nghiệm . 2.4. Danh mục trang thiết bị sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm Chơng 3. Cơ sở khoa học và thực tiễn nâng cao chất lợng Truyền Động Điện Máy Bơm Nớc Thuỷ Lợi công suất bằng và lớn hơn 75 kW 17 3.1. Mômen cản của máy bơm . 17 3.2. khởi động và dừng bơm bằng các phơng pháp thông thờng 19 3.3. Khởi động mềm bằng van bán dẫn 31 3.3.1. Nguyên lý chung . 31 3.3.2. Thiết bị khởi động, điều khiển tối u công suất và dừng mềm 34 3.4. Phơng pháp khởi động, điều khiển và dừng bơm 43 -3- 3.4.1. KháI quát chung 43 3.4. 2 Khởi động,điều khiển và dừng mềm bơm 46 3.5. Kết quả điều tra khảo sát 56 3.6. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm . 61 3.7. Giải pháp kỹ thuật nâng cao chất lợng và hiệu quả truyền động điện máy bơm 74 3.7.1. Mô hình hệ thống Truyền Động Điện Máy Bơm thuỷ lợi chất lợng cao 74 3.7.2 Giải pháp rút gọn 75 Chơng 4: Kết luận và kiến nghị 77 Tài liệu tham khảo . 79 Phụ lục và một số hình ảnh -4- Mở đầu Thuỷ lợi giữ vai trò hàng đầu trong các khâu thâm canh, canh tác lúa và cây trồng. Hiện nay, nớc ta đứng hàng thứ hai trên thế giới về xuất khẩu gạo, đạt khoảng 3,5ữ4,0 triệu tấn/năm nhờ hệ thống tới tiêu đợc cơ-điện khí hoá khá phát triển và các thành tựu trong công tác tuyển chọn, lai tạo các giống cây trồng chất lợng cao trong nhiều năm qua. Tuy nhiên, hệ thống máy bơm và các trang thiết bị điện đầu t qua nhiều giai đoạn, khá cũ kỹ cha đáp ứng đợc các yêu cầu ngày càng cao của thực tiễn sản xuất hiện nay. Nhiều trạm bơm đang sử dựng các thiết bị khởi động chất lợng thấp, thiếu đồng bộ, độ an toàn trong vận hành và thao tác thấp kém, ảnh hởng lớn đến chất lợng và hiệu quả khai thác các công trình và máy bơm thuỷ lợi, cần đợc cải tiến và nâng cấp. ở các nớc tiên tiến, ngời ta đã áp dụng rộng rãi các hệ thống thiết bị truyền động điện, trong đó có bộ bộ khởi động mềm chất lợng cao cho các trạm bơm thuỷ lợi, có tính năng kỹ thuật và trình độ tự động hoá cao, an toàn cho ngời và thiết bị, đảm bảo cho hiệu quả sản xuất kinh doanh cao. Từ những năm 1980 ở nớc ta đã có các nghiên cứu thử nghiệm ứng dụng các thiết bị khởi động bằng điện trở, cuộn kháng, biến áp tự ngẫu và bộ khởi động Thyristo trong sản xuất. Thiết bị khởi động, điều khiển và dừng mềm động cơ máy bơm công suất lớn trên 75 kW đã đợc nghiên cứu ứng dụng thử nghiệm nhằm giảm chi phí điện năng, nâng cao độ ổn định, tin cậy và an toàn bớc đầu đã cho các kết quả khả quan. Nghiên cứu ứng dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến của các nớc phát triển vào điều kiện Việt nam là việc làm thiết thực và bổ ích, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn góp phần thúc đẩy thực hiện công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nớc, tiến tới hội nhập kinh tế khu vực toàn cầu. -5- Chơng I Tổng quan tình hình trang bị và sử dụng điện năng Trong các trạm bơm thuỷ lợi ở Việt Nam 1.1. Khái quát chung Tục ngữ có câu Nhất nớc, nhì phân, tam cần, tứ giống. Nớc giữ vị trí hàng đầu trong các khâu thâm canh canh tác lúa và cây trồng. Tới tiêu là biện pháp trớc tiên để nâng cao năng suất mùa màng và hiệu quả kinh tế của diện tích canh tác, ổn định an ninh lơng thực và thực phẩm cho toàn xã hội; nhất là đối với nớc ta có địa hình phức tạp và khí hậu khắc nghiệt, mang tính mùa vụ. Nớc ta là một nớc nông nghiệp, tỉ lệ dân số sống bằng nghề nông chiếm khoảng 75% dân số cả nớc. Hiện nay nớc ta có khoảng hơn 9 triệu ha trong đó việc tới tiêu nớc cho cây trồng hầu hết phải dựa vào hệ thống mơng máng các công trình thuỷ lợi và các trạm bơm nớc. Gần 7,6 triệu ha đợc chủ động tới tiêu bởi hàng trăm các công trình thuỷ lợi lớn và hàng triệu máy bơm các loại đang hoạt động để phục vụ sản xuất nông nghiệp. Nhờ có hệ thống kênh mơng và các trạm bơm thuỷ lợi mà nớc ta đã tăng từ một vụ lên hai đến ba vụ trên năm [22]. Chỉ riêng các tỉnh đồng bằng bắc bộ và bắc khu 4 cũ ta đã xây dựng đợc gần 40 công trình thuỷ lợi lớn và gần 120 hệ thống vừa và nhỏ, với gần 5000 trạm bơm đợc lắp đặt với số lợng máy bơm khoảng hơn 13.300 máy các loại có lu lợng từ 540 m 3 /h đến 32.000 m 3 /h, hầu nh 100% các trạm bơm nớc cố định đã đợc điện khí hoá, theo số liệu điều tra của cục quản lý nớc Bộ NN & PTNT năm 2002 [18] Các máy bơm hiện đang sử dụng rất đa dạng về chủng loại, hình thức, kết cấu, công suất thiết kế (trục đứng, trục ngang, trục xiên, bơm chìm ). -6- Hầu hết những bơm lớn có cấu tạo phức tạp và có trang thiết bị kỹ thuật tơng đối hoàn chỉnh, đa số nhập từ nớc ngoài, một số lợng lớn bơm đợc sản xuất trong nớc. Điện năng tiêu thụ phục vụ cho tới, tiêu hàng năm lên tới trên 300 triệu kWh (chiếm gần 85% điện sử dụng cho nông nghiệp)., trong đó công suất thiết kế cho tới khoảng trên 230.000kW và cho tiêu nớc khoảng 300.000kW, ngoài ra còn có hàng vạn máy bơm nhỏ hoạt động ở khắp nơi Nhiều trạm bơm có tới hàng chục máy bơm công suất lớn nh: Gia Viễn Ninh Bình, Quế Hà Nam, Vân Đình Hà Tây; Thanh Điềm; Đại Định Vĩnh Phú . Thờng số lợng bơm cỡ lớn (lu lợng trên 4000m 3 /h, công suất động cơ bằng và lớn hơn 75kW) chiếm khoảng 30-40% trong tổng số đầu máy sử dụng. Các trạm bơm này luôn là những trợ thủ đắc lực phục vụ cho việc tới tiêu trong nông nghiệp [18]. Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lợng, hiệu quả của các công trình thuỷ lợi và của các trạm bơm điện đối với sản xuất nông nghiệp là vấn đề có ý nghĩa rất lớn, cần phải đợc nghiên cứu một cách đồng bộ và đầy đủ. Song song với các giải pháp về công trình, về cơ khí, các giải pháp truyền động điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng. 1.2. Đặc điểm cung cấp và sử dụng điện của các trạm bơm thuỷ lợi Hầu hết các trạm bơm thuỷ lợi hiện có đợc cung cấp điện từ lới điện trung áp 6 đến 35 kV qua trạm biến áp hạ áp đặt tại trạm bơm, tuỳ thuộc đặc điểm địa bàn cụ thể của các trạm bơm, đa số các trạm bơm đều xa hệ thống đờng dây tải điện (thờng từ 3 đến 5 km) để cấp điện cho các trạm bơm phải dùng đờng dây phân nhánh riêng, hầu hết các máy biến áp (MBA) của các trạm đều sử dụng loại máy biến áp ngoài trời. Năng lợng điện từ lới điện đợc dẫn tới máy bơm theo sơ đồ khối nh hình 1.1. Các MBA có nhiệm vụ phải cung cấp đủ điện năng và d công suất để đáp ứng điều kiện khởi động cho các máy bơm. Thờng công suất của MBA đợc lắp bằng 125% tổng công suất máy bơm. -7- 1 3 1 3 2 3 n 4 1 4 2 4 n 2 L−íi ®iÖn trung ¸p H×nh 1.1- S¬ ®å cÊu tróc n¨ng l−îng tr¹m b¬m. 1-BiÕn ¸p h¹ thÕ; 2- Tñ ph©n phèi; 3 1 ÷3 n - Tñ ®iÒu khiÓn M¸y b¬m. 4 1 ÷4 n - C¸c M¸y b¬m (n = 1, 2, 3 .) C¸c tr¹m b¬m th−êng sö dông m¹ch cung cÊp ®iÖn b»ng mét hay nhiÒu MBA ( H×nh 1.2, H×nh 1.3) H×nh 1.2- S¬ ®å cung cÊp ®iÖn b»ng 1 MBA c«ng suÊt lín cung cÊp cho tÊt c¶ c¸c m¸y b¬m cña tr¹m Phô t¶i sinh ho¹t P 2 P n P 1 35kV (10kV) MC 1 MBA 1 35/0,4kV CD AT 2 AT n AT 1 M 2 M n M 1 MC 2 MBA 2 35/0,4kV CD DCL -8- Sơ đò sử dụng một máy biến áp công suất lớn, phục vụ cho tất cả các máy bơm của trạm còn các phụ tải sinh hoạt sử dụng máy biến áp thứ hai riêng với công suất nhỏ hơn (Hình 1.2) .Đối với các trạm loại này thờng công suất của máy biến áp số 1 (MBA 1 ) đợc chọn bằng tổng công suất của các máy bơm. Các trạm đợc trang bị theo sơ đồ này vận hành khá đơn giản, máy biến áp thờng xuyên làm việc ở chế độ non tải làm hệ số cos của trạm thấp Sử dụng sơ đồ dùng nhiều MBA đợc thiết kế, lựa chọn hợp lý vận hành song song (Hình 1.3) cho phép khắc phục các nhợc điểm của sơ đồ hình 1.2, nhng công tác tổ chức vận hành song song các máy biến áp khó khăn và phức tạp, nhất là vấn đề thao tác đóng cắt phía điện áp cao. M 1 CDPĐ 2 CDPĐ 1 Phụ tải sinh hoạt P 2 P n P 1 35kV (10kV) MC 1 MBA 1 35/0,4k CD 1 AT 2 AT 3 AT 1 M 2 M 3 MC n MBA 2 35/0,4k MC 2 MBA 2 35/0,4k CD 2 AT 4 AT n M 4 M n Hình 1.3 - Sơ đồ dùng nhiều MBA vận hành song song DCL Thông thờng điện áp ra của MBA tại các trạm bơm công suất vừa và lớn cần đặt +10%U đm của động cơ điện, trong thực tế điều kiện trên ít đợc thoả mãn, khi số máy bơm làm việc ít xảy ra tình trạng động cơ làm việc ở chế độ quá điện áp [16]. -9- Các trạm bơm đang sử dụng thiết bị khởi động kiểu cũ tình trạng chỉ khởi động đợc hai phần ba số máy bơm là phổ biến, do khả năng cân bằng về năng lợng trong chế độ khởi động nên một phần ba số máy bơm còn lại của trạm khởi động rất khó khăn và thậm trí còn không khởi động đợc, làm ảnh hởng rất lớn đến tuổi thọ của các máy biến áp và chất lợng điện năng của lới điện. Đối với những trạm bơm đợc xây dựng trong những năm gần đây mặc dù các thiết bị làm việc tin cậy và an toàn. Nhng còn nhiều khía cạnh cha thoả đáng nh sơ đồ cung cấp cha phù hợp, sự đồng bộ của các thiết bị còn thiếu, hiệu quả sử dụng điện còn quá thấp do các động cơ và các Máy biến áp lực thờng xuyên vận hành ở chế độ non tải. Một số tổ máy bơm chạy động cơ điện 200kW của Liên Xô cũ, của Rumani hiện nay đang đợc sử dụng các trạm bơm nh Đan Hoài, La Khê, Hồng Vân- Hà Tây Có hệ số cos rất thấp (cos < 0,82) tiêu phí năng lợng rất lớn. Những trạm bơm đợc xây dựng từ thời kỳ đầu và sau chiến tranh, các thiết bị đã quá cũ và lạc hậu, phải sửa chữa thay thế nhiều, mang tính chắp vá đặc biệt là các thiết bị đóng cắt, các thiết bị bảo vệ thiếu hoặc thay thế rất tuỳ tiện làm cho độ tin cậy thấp, thiếu an toàn cho cả ngời và thiết bị. Hiện nay ở nớc ta lợng điện năng hàng năm do các trạm bơm tiêu thụ tới trên 300 triệu kWh. Sử dụng điện năng hiệu quả, an toàn là những vấn đề cần phải tiến hành nghiên cứu đồng bộ và đầy đủ. Các hệ thống truyền động điện máy bơm là các phụ tải tiêu thụ điện cần có những biện pháp để giảm thiểu những bất lợi cho hệ thống cung cấp điện. 1.3. Hệ thống truyền động điện máy bơm 1.3.1. Chất lợng của hệ thống truyền động điện máy bơm thuỷ lợi Để đánh giá chất lợng của hệ thống truyền động điện(TĐĐ) máy bơm có thể căn cứ vào các tiêu chí sau: -10- . điện tại các trạm bơm thuỷ lợi 2) - Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn vấn đề nâng cao chất lợng truyền động điện máy bơm. 3) - Đề suất giải pháp nâng. pháp nâng cao chất lợng truyền động điện máy bơm có công suất vừa và lớn. -18- Chơng 2 Phơng pháp nghiên cứu Để thực hiện các nội dung nghiên cứu của đề