NGHIÊN cứu hệ THỐNG điều KHIỂN QUẠT ID TRONG dây TRUYỀN sản XUẤT XI MĂNG VCM (SÔNG GIANH) sử DỤNG bộ BIẾN tần TRUNG THẾ

LỜI CAM ĐOANEm xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển quạt ID trong dây truyền sản xuất xi măng VCM Sông Gianh sử dụng bộ biến tần trung thế” do em tự thiết k

Lớp : KTĐK & TĐH 4 – K58

Giáo viên duyệt :

Hà Nội, 6-2018

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển quạt ID trong dây truyền sản xuất xi măng VCM (Sông Gianh) sử dụng bộ biến tần trung thế” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS Nguyễn Mạnh

Tiến

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danhmục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếuphát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Trần Trung Phúc

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày càngphát triển mạnh mẽ Ở nước ta, lĩnh vực tự động hóa được Đảng và nhà nước quantâm và đầu tư rất lớn, cùng với các lĩnh vực công nghiệp chuyển dịch nên kinh tếtheo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Cùng với các ngành như nhiệt điện, thủy điện, dầu khí … , ngành công nghiệp ximăng cũng có mức độ tự động hóa ngày càng cao Các nhà máy xi măng ở nước ta hiệnnay đều là những nhà máy có quy mô lớn với những động cơ công suất cao để phục vụcác công đoạn trong quá trình sản xuất xi măng Một trong những động cơ điện không

thể thiếu trong nhà máy xi măng đó là quạt ID Vì vậy em đã chọn đề tài Nghiên cứu hệ thống điều khiển quạt ID trong dây truyền sản xuất xi măng VCM (Sông Gianh)

sử dụng bộ biến tần trung thế Nội dung đồ án gồm 4 chương:

Chương 1: Tìm hiểu công nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

Chương 2: Phân tích bộ biến tần trung thế Perfect Harmony của Siemens.Chương 3: Tính toán hệ thống điều khiển vector và hệ thống điều khiển lưulượng

Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng và mô phỏng hệ thống

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến đã tận tình

hướng dẫn, góp ý hoàn thành cuốn đồ án này Do thời gian hoàn thành đồ án và tầmhiểu biết có hạn nên trong quá trình thực hiện chắc chắn không thể tránh khỏi nhữngthiếu sót, em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy giáo để đề tài được hoànthiện hơn nữa

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Trần Trung Phúc

Chương 1 TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ

QUẠT ID

1.1 Tìm hiều về công nghệ sản xuất xi măng

Lưu đồ sản xuất xi măng như hình 1.1

Hình 1 1 Sơ đồ công đoạn sản xuất xi măng

Theo sơ đồ thì dây chuyền sản xuất xi măng có 7 công đoạn:

Công đoạn 1: Chuẩn bị nguyên liệu

Công đoạn 2: Nghiền nguyên liệu

Công đoạn 3: Nghiền than

Công đoạn 4: Nung luyện Cliker

Công đoạn 5: Nghiền xi măng

Công đoạn 6: Nghiền phụ gia

Công đoạn 7: Đóng bao

1.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu

- Đá vôi:

+ Đá vôi khai thác trực tiếp từ những núi đá vôi theo phương pháp nổ mìn cắt tầngđược xúc và vận chuyển bằng ôt ô tải đổ vào két

+ Năng suất đập đá vôi đạt 750 tấn/h, cỡ hạt nhỏ và chuyển về kho bằng băng tải cao

su qua máy rải thành các đống khối lượng khoảng 3200 tấn

- Đất sét:

+ Đất sét được khai thác tại mỏ sét núi sau đó vận chuyển về cảng nhập của nhà máy.+ Kích thước đất sét khoảng nhỉnh hơn 60mm2 và chuyển về kho thông qua băng tảicao su

- Quặng sắt và silicat:

+ Tương tự như đất sét, các nguyên liệu silicat, quặng sắt được đưa về nhà máy Qua

hệ thống cán sơ bộ cấp 2, qua hệ thống băng tải và máy rải động tạo thành đống cùngvới đất sét Khối lượng các đống silicat khoảng 1x4200 tấn, quặng sắt 1x2400 tấn Các loại nguyên liệu được chuyển qua hệ thống băng tải về két chứa Ở đáy có gắncác loadcell để đo khối lượng, vận tốc của nguyên liệu đưa về để điều khiển xem cócấp tiếp hay không

1.1.2 Nghiền nguyên liệu

- Từ các két chứa nguyên liệu được tháo qua hệ thống cân bằng định lượng với tỉ lệđặt trước:

+ Các nguyên liệu được trộn với nhau rồi đưa vào máy nghiền.

+ Trước khi được nghiền, hỗn hợp được tách vụn sắt bằng các băng tải chạy ngang vàlọc bụi tay áo, hệ thống đối trọng để giữ cân bằng

1.1.3 Nghiền Than

Than được nhập về, qua cấp liệu rung và được băng tải vận chuyển về kho đồngnhất sơ bộ Qua máy rải kiểu Tripper than được rải thành hai đống hình chữ V Qua hệthống máy cào cào lên băng tải cao su và đưa tới máy nghiền

1.1.4 Nung luyện Clinker

Các thiết bị chính bao gồm:

- Một tháp trao đổi nhiệt 5 tầng cylon cao (tháp sấy 5 tầng)

- Lò nung

Để quay lò người ta sử dụng hai động cơ chính và phụ:

+ Động cơ chính là động cơ một chiều

+ Động cơ phụ là động cơ roto lồng sóc dùng khi lò quay chậm

Hệ thống làm mát clinker:

+ Hệ thống làm mát bằng bơm nước khi nhiệt độ cao nhờ các cảm biến đo nhiệt độ lò Máy đập clinker kiểu dập búa

Quạt ID (quạt hút tạo áp suất âm cho lò)

Hệ thống nhiên liệu của lò: gồm 2 đầu phun:

+ Một đầu phun than

+ Một đầu phun dầu dùng khi sấy lò

Clicker thu được quá trình nung luyện được đưa vào hệ thống làm nguội 6 quạt thổi

và hệ thống phun nước làm mát đảm bảo nhiệt độ làm nguội ở 650C Hệ thống dàn ghivận chuyển clinker tới silo có sức chứa 30.000 tấn bằng các băng tấm khi chúng đạt

tiêu chuẩn còn nếu chúng ≥ 30 mm sẽ bị hệ thống băng xích gạt vào máy dập búa Khí

dư từ hệ thống làm nguội clinker được tách bụi ở bằng hệ thống lọc tĩnh điện trước khitận dụng để cấp cho hệ thống sấy máy nghiền than Một phần tận dụng cấp nhiệt chotháp trao đổi nhiệt 5 tầng

1.1.5 Công đoạn nghiền xi măng

- Clinker sau quá trình đồng nhất sẽ đưa vào hệ thống nghiền để tạo ra xi măng Hệ

thống nghiền xi măng bao gồm 2 máy nghiền:

+ Máy nghiền đứng CKD (nghiền sơ bộ): dùng để nghiền thô clinker

+ Máy nghiền nằm (nghiền bi): dùng để nghiền tinh cliker với phụ gia

+ Động cơ khởi động qua biến trở dung dịch Na2CO3

Động cơ máy nghiền bi là động cơ roto dây quấn

Khi clinker được nghiền trực tiếp qua máy nghiền bi thì năng suất của nó chỉ đạt 120 ÷

150 tấn/h

Nguyên lí hoạt động:

Clinker từ silo chứa được tháo xuống qua hệ thống cân băng định lượng vào máynghiền CKP Sau khi được nghiền sơ bộ cliker qua sàng rung đổ xuống băng tải cao su,rồi đưa vào máy nghiền bi cùng với thạch cao và phụ gia Tỉ lệ các thành phần clinker,thạch cao, phụ gia được điều chỉnh sẵn để có được loại xi măng theo yêu cầu Xi măngsau máy nghiền được đổ xuống máng khí động, qua hệ thống gàu đưa vào hệ thốngphân ly Tại đây những hạt xi măng quá to sẽ được hồi lưu trở lại máy nghiền Nhữnghạt nhỏ được thu hồi bởi hệ thống lọc bụi Những hạt đạt tiêu chuẩn được các vít tảivận chuyển đến hệ thống gàu đổ vào silo chứa xi măng

- Có hai silo chứa:

+ Silo nhỏ hay còn gọi là silo đơn để chứa xi măng mac PC30

+ Silo to hay còn gọi là silo hai lõi: Lõi trong là xi măng nguyên chất

1.1.6 Công đoạn nghiền phụ gia

Phụ gia từ két chứa qua hệ thống ống sấy được sấy kho qua hệ thống băng phụ giađược cấp vào máy nghiền Sản phẩm ra khỏi máy nghiền qua hệ thống gầu nông đưasang phân ly Sản phẩm mịn được tách riêng đưa vào silo phần hạt thô quay lại đầu

máy nghiền nhờ hệ thống hồi lưu Khí bụi sau máy nghiền và sấy được sử lý trong hệthống lọc bụi tĩnh điện.

1.1.7 Công đoạn đóng bao

Xi măng và phụ gia sau khi nghiền xong đạt độ mịn theo quy định đổ vào silo Qua

hệ thống van xi măng được đổ vào máng khí động, gàu vận chuyển đổ vào sàn rung rồiđưa vào két chứa của cân PFISTER Từ két chứa xi măng được tháo xuống bao quacác van mở Các van mở này có gắn các cảm biến mức để nhận biết khối lượng baođang đóng Có ba mức là: thấp, bình thường, cao Khi mà khối lượng bao chưa đủ thìvan vẫn được mở để xi măng đổ tiếp đến khi đủ thì đóng van Hệ thống đóng bao gồm:

4 máy đóng bao loại quay 8 vòi theo thiết kế của hãng Ventomatic (trong đó có haimáy tự động)

Năng suất 1 máy 100 tấn/h Bao sau khi được đóng qua hệ thống làm sạch baobằng khí nén qua hệ thống băng tải cao su đưa xuống các máng xuất ôtô và tàu (haimáng xuất ô tô, hai máng xuất xuống tàu) Trên băng tải có gắn các sensor đếm sảnphẩm

1.2 Chi tiết về công đoạn nung và trao đổi nhiệt

Hình 1 2 Tháp trao đổi nhiệt lò quay

Sau khi nguyên liệu được nghiền và vận chuyển tới silo đồng nhất, chúng sẽ được

hệ thống gầu múc đưa lên đỉnh của tháp trao đổi nhiệt Tại đây nguyên liệu sẽ đượccấp vào ống nỗi giữa cyclone 1 và cyclone 2, sau đó đi vào cyclone 1 cùng với dòngkhí nóng và được gia nhiệt, lắng xuống Nguyên liệu được gia nhiệt rồi trút vào ốngnối giữa cyclone 2 và cyclone 3 sau đó đi vào cyclone 2 cùng với dòng khí nóng vàsau đó lại tách ra từ dòng khí này và lắng xuống, các tầng cyclone khác cũng tương

tự Bằng cách này nguyên liệu được chuyển dần từng bước qua các cyclone đồng thờitrao đổi nhiệt với khí nóng

Sau khi chuyển tới cyclone 4, chúng sẽ được tách ra một phần đi trực tiếp vào lò,một phần sẽ đi tới buồng phân hủy Nguyên liệu được gia nhiệt ở buồng phân hủy bởidòng khí nóng có tốc độ cao và lơ lửng trong buồng phân hủy

Trong quá trình sản xuất 25% đến 40% bột liệu được chuyển tới nhánh của lò và60% đến 75% được chuyển tới nhánh của buồng phân hủy Trước khi rời khỏi tầng đáynguyên liệu phải có mức canxi hóa khoảng 90% đến 95%

Sau đó nguyên liệu được chuyển qua lò bằng cách kết hợp giữa độ nghiêng của lò

và chuyển động quay Khi nguyên liệu đến gần ngọn lửa, nhiệt độ tăng và quá trìnhClinker hoá xảy ra Khi rời khỏi lò liệu được đưa vào máy làm nguội kiểu ghi, tại đó

nó được làm mát đột ngột bằng cách trao đổi nhiệt với gió 2, sau đó được chuyển tớithiết bị vận chuyển Clinker qua máy đập Clinker

Tốc độ quay của lò được người vận hành điều chỉnh đảm bảo đủ thời gian cho quátrình Clinker hoá thích hợp xảy ra

Hình 1 3 Sơ đồ tháp trao đổi nhiệt trong nhà máy xi măng Long Sơn

- Gió được đưa vào hệ thống lò bao gồm hai nhiệm vụ chính:

+ Nhiệm vụ thứ nhất là: Cung cấp một lượng oxy cần thiết để nhiên liệu cháy hoàntoàn Nếu gió không đủ lượng oxy cần thiết, nhiên liệu được cung cấp sẽ không cháyhết Mặt khác nếu lượng gió cung cấp là quá nhiều thì nhiên liệu cháy quá nhanh vàgây tốn kém nguyên liệu Gió đưa vào sẽ tác động làm thay đổi áp suất khí trong lò,

ảnh hưởng tới nhiệt độ trong lò và chất lượng clinker.

+ Nhiệm vụ thứ hai là: Cung cấp lượng nhiệt để sấy nhiên liệu đến một nhiệt độ xácđịnh, đảm bảo liệu đạt được hiệu suất cao nhất Tạo ra áp suất cần thiết để đẩy nhiênliệu vào bên trong lò Lượng gió này vào lò thông qua hệ thống vòi đốt và tỷ lệ vớilượng nhiên liệu cấp vào lò

Lượng gió đi qua lò có thể được phân làm 3 đường gió chính như sau:

+ Đường gió 1 là: đường khí tươi lấy trực tiếp từ môi trường mục đích để phun nhiênliệu vào trong lò

+ Đường gió 2: là đường gió cung cấp cho vòi đốt lò nung sau khi đã trao đổi nhiệt vớiclinke nóng Gió 2 được quạt ID cuống vào lò, lưu lượng gió được điều chỉnh bởi hệthống van và tốc độ quạt ID để đảm bảo lượng oxy đủ để nhiên liệu cháy hết Điềuchỉnh gió 2 tốt sẽ điều khiển được ngọn lửa và nhiệt độ zôn nung

+ Đường gió 3: là đường gió cung cấp cho vòi đốt canxiner, giống như gió 2, gió 3cũng được lấy từ hệ thống làm nguội sau khi đã trao đổi nhiệt với clinker nóng Nhiệt

độ gió 3 phụ thuộc vào hiệu quả làm nguội của hệ thống làm mát Lưu lượng gió 3được điều chỉnh bằng quạt ID và van điều chỉnh lưu lượng gió từ buồng phân hủy đảmbảo nhiên liệu đưa vào buồng phân hủy cháy hết

Nhiệt độ trung bình trong buồng phân huỷ và tầng Cyclone thấp nhất của nhánhbuồng phân huỷ vào khoảng 8700C-9000C Tại nhiệt độ này quá trình Canxi hoá bộtliệu xảy ra nhanh và mức Canxi hoá của liệu vào lò khoảng 90-95% Nhiệt độ trongbuồng phân huỷ được kiểm soát bằng cách điều chỉnh lượng nhiên liệu trong buồngphân hủy Người ta thường muốn giữ nhiệt độ của buồng phân huỷ không đổi để đảmbảo mức Canxi hoá của liệu đưa vào lò là không đổi Điều này thường được thực hiệnbằng chu trình điều khiển tự động để điều chỉnh tốc độ cấp nhiên liệu cho buồng phânhuỷ

1.3 Chức năng của quạt ID và yêu cầu điều khiển

1.3.1 Chức năng của quạt ID

Hình 1 4 Vị trí quạt ID trong sơ đồ sản xuất xi măng Trong nhà máy xi măng có rất nhiều loại quạt gió, khi nhắc tới chúng ta không thểkhông nhắc tới quạt ID Quạt ID có vai trò rất quan trọng trong trong nhà máy xi măng

và được coi như lá phổi của toàn bộ hệ thống Quạt ID là quạt có công suất lớn nhấtcùng với quạt của máy nghiền Nó thường đặt sau bộ sấy và có nhiệm vụ hút gió 1, gió

2 và gió 3, tạo quá trình cháy trong lò canxiner, tạo áp suất âm ở đỉnh tháp năm tầng.Khí sau khi đi ra khỏi cyclone 1 ở đỉnh tháp năm tầng được quạt ID hút, một phần sẽđược dẫn tới máy nghiền để sấy nguyên liệu trước khi nghiền Một phần sẽ được đưatới hệ thống lọc bụi tĩnh điện và đưa ra ống khói Nếu không có quạt ID, tháp năm tầng

sẽ không có dòng khí lưu thông, quá trình đốt cháy nhiên liệu trong lò canxiner sẽkhông thể diễn ra Dòng khí từ quá trình đốt cháy nhiên liệu sẽ không được lấy ra khỏi

hệ thống, sự trao đổi nhiệt lạnh giữa bột liệu lạnh và dòng khí nóng sẽ không đượcxảy ra Vì thế nó có vai trò rất quan trọng và không thể thiếu trong nhà máy xi măng

1.3.2 Yêu cầu điều khiển của quạt ID

Điều khiển quạt ID để duy trì lượng oxy trong trong lò theo một mức đã đặt trướcđảm bảo quá trình nhiên liệu trong lò được cháy hết Hay yêu cầu điều khiển quạt ID

là điều chỉnh lưu lượng gió theo yêu cầu cháy trong lò canxiner Tỷ lệ gió có thể thayđổi trong một dải sai số điều khiển Nếu một hệ thống với việc điều chỉnh gió quá thấp

so với yêu cầu sẽ gây thiếu gió để đốt cháy nhiên liệu, nếu lượng gió quá lớn sẽ làmquá trình cháy xảy ra với tốc độ nhanh và nhiên liệu gây lãng phí, ảnh hưởng tới quátrình nhiệt trong lò Hệ thống phân tích thành phần Oxy trong khí thải lò được sử dụngtrong chiến lược điều khiển tỷ lệ gió để duy trì một lượng khí thừa nhất định đảm bảoquá trình nhiên liệu trong lò được cháy hết Khi nồng độ Oxy trong khí thải của lò nhỏhơn nồng độ Oxy cần thiết, tín hiệu điều khiển đưa về bộ tính toán sẽ giảm đi Bộ tínhtoán sẽ tính toán giá trị đặt cho van gió 3, làm giảm lưu lượng gió qua van gió 3 Do

đó lưu lượng gió 2 vào lò sẽ tăng lên, lượng Oxy cung cấp cho lò tăng lên Để duy trìlượng gió 2 theo yêu cầu, ta sử dụng bộ điều khiển PID để điều khiển van gió 3.Lượng gió đi vào canxiner gồm có gió 1 đi vào buồng phân hủy từ ống phun nhiênliệu, gió 3 vào canxiner được trích từ gió làm nguội clinker ở đầu ra của lò nung Mụcđích của gió 3 là tận dụng nhiệt từ gió làm mát clinker để sấy nguyên liệu trongcanxiner và trong nhánh tháp trao đổi nhiệt, đồng thời cũng cung cấp Oxy cho quátrình cháy trong buồng phân hủy Khi nồng độ Oxy trong nhánh tháp trao đổi nhiệtthấp, tức là lượng Oxy cung cấp cho buồng phân hủy không đủ để cho than cháy hếthoàn toàn thì ta phải điều chỉnh lưu lượng gió qua hệ thống lò nhờ quạt ID đặt phía saucủa nhánh tháp trao đổi nhiệt

1.4 Cấu tạo và đặc tính điều chỉnh lưu lượng của quạt công suất lớn, quạt li tâm

Trong nhà máy xi măng có nhiều loại quạt công suất phân bố ở các công đoạn khácnhau như:

+ Công đoạn nghiền: Quạt nghiền hút liệu từ máy nghiền liệu Quạt lọc bụi có tácdụng hút bụi dư ở bộ lọc tĩnh điện hay bộ lọc túi

+ Công đoạn lò: Quạt sơ cấp (gió 1) tạo áp lực đẩy than, đốt than Quạt làm mát clinke

từ 1400 về khoảng 100 Quạt ID tạo ra nguồn gió ngược để sấy dần nhiên liệu trước

khi vào lò.

1.4.1 Cấu tạo của quạt li tâm

Quạt gió đóng một vai trò quan trọng trong nhà máy xi măng Đặc biệt những quạt

có công suất lớn như quạt ID, quạt hút liệu Hầu hết quạt công suất lớn được thiết kếtheo kiểu li tâm có số lượng cánh cắt không khí lớn Các cánh rotor của quạt li tâmđược giữ ở mặt đỡ và vòng giữ đỡ Rotor nằm trong vỏ quạt với chu vi theo dạng xoắnốc

Bánh công tác có cánh dẫn cong về phía trước sẽ có áp lực cao hơn bánh công tác

có cánh thẳng hoặc cong về phía sau khi có cùng số vòng quay Trong quạt thườngdùng bánh công tác có cánh cong về phía trước hoặc thẳng

Cuối ống dẫn ra thường dùng đoạn ống chuyển tiếp có dạng loa để tiếp tục tăng ápkhí sau khi ra khỏi vỏ

Hình 1 5 Sơ đồ kết cấu của quạt ly tâm

1 – Trục; 2 – Đĩa chính; 3 – Cánh dẫn; 4 – Đĩa phụ; 5 – Mạng cánh; 6 – Vành truyềnđộng; 7 – Vỏ quạt; 8 – Bệ quạt; 9 – Ổ đỡ; 10 ,11 – Ống ra ống vào

Bánh công tác của quạt được tạo bởi trục 1, được gắn chặt với đĩa chính 2 Cáccánh dẫn làm việc 3 được gắn chặt với đĩa chính 2 và đĩa phụ 4 Đĩa này đảm bảo độcứng cần thiết của mạng cánh 5 6 là thanh truyền động của quạt Vỏ quạt 7 được gắnvới bệ 8 trên đó có ổ đỡ 9 mang trục quạt, có bánh công tác 10 và 11 là nắp kẹp củaống vào và ống ra

Nguyên lý:

Khi làm việc rotor hút không khí dọc theo trục, nhờ lực ly tâm đưa ra quanh vỏ quạt

và đẩy gió ra hướng thẳng góc với trục quạt Quạt ly tâm có ưu điểm là nâng được ápsuất không khí cao, ít ồn hơn quạt hướng trục Để tiện khi lắp đặt theo yêu cầu người

sử dụng, người ta sản xuất quạt ly tâm có hai chiều quay với các giá đỡ khác nhau.Nếu rotor của quạt quay theo chiều kim đồng hồ chúng ta có quạt phải và ngược lại làquạt quay trái Quạt ly tâm có thể gắn trực tiếp với động cơ điện hoặc nối gián tiếp vớitrục động cơ điện qua hệ thống bánh đai

1.4.2 Đường đặc tính của quạt ly tâm

Đặc tính của quạt ly tâm thường thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng gió Q và ápsuất P tác dụng lên đường ống là độ mở van và là tốc độ của quạt Quạt làm việc tạiđiểm A là giao giữa đường đặc tính của đường ống ứng với độ mở van và đường đặctính quạt Tại điểm A ứng với lưu lượng gió và áp suất

Hình 1 6 Đường đặc tính của quạt ly tâm

1.4.3 Các phương pháp điều chỉnh lưu lượng gió

Để điều chỉnh lưu lượng gió, có 2 phương pháp sau:

+ Điều chỉnh bằng van tiết lưu:

Hình 1 7 Điều chỉnh bằng van tiết lưu Điều chỉnh bằng van tiết lưu làm góc mở van thay đổi, dẫn đến lưu lượng thay đổi.Tốc độ của quạt được đặt bằng hằng số thường là định mức.

+ Khi góc mở van là ta có điểm làm việc là A với lưu lượng và áp suất

+ Khi thay đổi góc mở van là < ta có điểm làm việc mới là B với lưu lượng và ápsuất Trong đó < và >

- Điều chỉnh bằng thay đổi tốc độ quạt:

Phương pháp này là thay đổi đường đặc tính riêng của quạt bằng cách thay đổi tốc

độ của quạt và giữ nguyên góc mở van tiết lưu Thay đổi tốc độ của quạt và đặt góc

mở van tiết lưu là 100%, từ đó làm thay đổi đặc tính của quạt và làm thay đổi được lưulượng

+ Khi tốc độ quạt là và góc mở van tiết lưu là 100% ta có điểm làm việc A với lưulượng và áp suất

+ Khi thay đổi tốc độ quạt là và giữ nguyên góc mở van là 100% ta có điểm làm việcmới là B với lưu lượng và áp suất Trong đó < và <

Hình 1 8 Điều chỉnh bằng thay đổi tốc độ động cơ

Ưu điểm của phương pháp điều khiển lưu lượng bằng tốc độ:

+ Giả sử quạt đang làm việc tại điểm A với lưu lượng là và góc mở van là 100% ta cầnđiều chỉnh để đạt được lưu lượng Ta có hai cách để thực hiện, đó là điều chỉnh bằngthay đổi tốc độ và điều chỉnh bằng van tiết lưu

Hình 1 9 Ưu điểm của phương pháp điều khiển bằng tốc độ

Ta có công suất động cơ là P = Mmà p M và Q nên ta có P Pq

Khi điều chỉnh lưu lượng bằng thay đổi góc mở van tiết lưu ta có:

==

Khi điều chỉnh lưu lượng bằng thay đổi tốc độ quạt ta có:

==

Vì > nên P= – =

Như vậy ta thấy khi thay đổi lưu lượng bằng cách thay đổi tốc độ quạt sẽ tốn ítcông suất hơn là dùng phương pháp thay đổi van tiết lưu Tuy nhiên nó chỉ hiệu quả ởvùng < Như vậy cách điều chỉnh lưu lượng bằng thay đổi tốc độ quạt sẽ hiệu quả vềmặt kinh tế hơn là thay đổi góc mở van tiết lưu

Chương 2 PHÂN TÍCH BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ PERFECT

HARMONY CỦA SIEMENS

2.1 Đặc điểm của bộ biến tần Perfect Harmony

Thay đổi tốc độ động cơ bằng điều khiển điện áp và tần số Không gây biến dạngsóng trong hệ thống phân phối nhà máy, không cần bộ lọc điện như các dòng khác.Giúp cho hệ thống có hệ số công suất cao, cụ thể là 95% hoặc cao hơn trong phạm vitốc độ dưới định mức Không cần hiệu chỉnh hệ số công suất

Động cơ không cần giảm tải do sự ảnh hưởng của sóng hài đầu ra, không làm động

cơ nóng nên khi sử dụng biến tần Sẽ là hoàn hảo khi thiết lập đúng cách, không tạo ranhịp xung mômen xoắn, có thể kích thích cộng hưởng cơ học Làm giảm tiếng ồn âmthanh phát ra từ động cơ, so với hoạt động trực tiếp không sử dụng biến tần

Cho phép sử dụng không hạn chế mômen xoắn của đông cơ trong phạm vi tốc độdưới định mức, chỉ phụ thuộc vào các giới hạn nhiệt của động cơ Hoàn toàn được xâydựng theo modul, do đó nếu cần thiết, một modul khiếm khuyết có thể được thay thếtrong vài phút, chuẩn đoán tinh vi dựa trên bộ xử lý thông minh xác định vị trí của bất

kì lỗi nào

Đã đạt được hiệu năng không bị hạn chế này bằng cách sử dụng công nghệ đã được

sử dụng công nghệ tiên tiến nhất trong cấu hình của sản phẩm mới Các mức điện áptrung bình thu được bằng cách cộng các đầu ra của nhiều điện áp thấp Các thành phầncủa điện áp thấp là các biến thể đơn giản hóa của các động cơ motor PWM tiêu chuẩnphục vụ cho điện áp thấp

2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ biến tần trung thế

Bộ biến tần trung thế được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp: Bơm công suất lớntrong công nghiệp dầu khí, quạt công suất trong công nghiệp xi măng, tàu điện tronggiao thông, máy cán thép trong công nghiệp cán thép 85% các hệ truyền động điệncông suất lớn không yêu cầu chất lượng cao

Bộ biến tần trung thế khác với các loại biến tần thông thường là nó có điện áp cao,công suất lớn nên dùng nghịch lưu một pha ghép nối với nhau để tạo ra nhiều mứcđiện áp thích hợp Hệ truyền động điện trung áp chiếm đến 97% trong truyền độngcông nghiệp với các loại hoạt động khác nhau.

Hình 2 1 Cấu trúc từng phần của bộ biến tần+ Nguồn : Là nguồn xoay chiều ba pha với các cấp điện áp tùy chọn

+ Bộ lọc phía lưới: Có tác dụng làm giảm thành phần sóng hài của lưới điện Khối nàygồm có tụ điện C và điện cảm L Trong đó tụ C và điện cảm L giữ cho dòng điện ổnđịnh Đảm bảo nguồn điện cung cấp cho các khối sau không bị ảnh hưởng bởi biếnđộng của điện áp lưới

+ Máy biến áp: Tạo ra điện áp phù hợp với mục đích và thông số của bán dẫn Làmgiảm tốc độ tăng vòng giữa các van và cách ly mạch động lực với lưới điện Đối vớichỉnh lưu 6 xung thông thường thì chỉ có tác dụng tạo ra điện áp cần thiết cấp cho bộchỉnh lưu còn với 12, 18, 24 xung thì máy biến áp tạo ra các góc lệnh pha cân bằnglàm tăng mức công suất cho toàn bộ hệ thống

+ Chỉnh lưu: Có tác dụng biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp một chiều,

có thể dùng chỉnh lưu không điều khiển hoặc chỉnh lưu có điều khiển

+ Bộ lọc một chiều: Gồm có điện cảm L và tụ điện C Tụ C để chứa năng lượng điệnmột chiều và giữ cho điện áp không đổi

+ Nghịch lưu: Có tác dụng biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều 3 phacung cấp cho động cơ Thường sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp nhiều mức Quá trìnhchuyển mạch của bộ nghịch lưu nguồn áp thường là quá trình chuyển đổi cưỡng bức.+ Bộ lọc bên phía động cơ: Có tác dụng giữ ổn định điện áp và dòng điện cấp cho

động cơ sau khối nghịch lưu.

2.3 Mạch chỉnh lưu trong biến tần trung thế

Bộ chỉnh lưu trong biến tần trung thế thường dùng là bộ chỉnh lưu nhiều xung(Multipulse diode rectifier) Nó là các bộ chỉnh lưu 12 xung, 18 xung, 24 xung tạo bởimáy biến áp có nhiều cuộn thứ cấp với điện áp các pha lệch nhau Mỗi cuộn thứ cấpcấp cho một chỉnh lưu 6 xung Các bộ chỉnh lưu nhiều xung có thể làm giảm tối đatổng sóng hài ở dòng điện lưới điện, do đó không cần sử dụng các bộ lọc LC, bộ lọchình sin Các bộ chỉnh lưu 30 xung trở lên hiếm khi được sử dụng trong thực tế do chiphí biến áp và hiệu suất cải tiến bị hạn chế

Các bộ chỉnh lưu nhiều xung có thể phân làm hai loại:

+ Các bộ chỉnh lưu nối tiếp: Điện áp ra gồm các điện áp chỉnh lưu 6 xung nối nối tiếp,dùng cho các bộ nghịch lưu có điốt kẹp và sơ đồ tụ bay

+ Các bộ chỉnh lưu riêng biệt: Tạo ra một số nguồn một chiều 6 xung riêng biệt Dùngcung cấp cho nghịch lưu cầu H

Đánh giá tổng thành phần sóng hài bằng công thức:

TDH%=

Trong đó:

là giá trị hiệu dụng của dòng điện lưới

là giá trị hiệu dụng thành phần bậc 1 của dòng điện lưới

Bảng 2-1 Các chỉnh lưu nối tiếp sử dụng trong biến tần trung thế

Chỉnh lưu 12 xung Máy biến áp có 2 cuộn

thứ cấp Một cuộn đấu hìnhsao và một cuộn đấu tamgiác dịch pha nhau góc 30 Tổng sóng hài THD củadòng điện dây phía sơ cấp ()

là 8,38%

Chỉnh lưu 18 xung Sơ đồ có 3 cuộn dây thứ

cấp có điện áp dịch pha sovới nhau Cuộn đấu Z(20),cuộn đấu sao (0) và Z(-20) Tổng sóng hài THD củadòng điện sơ cấp chỉ có

3,06%

Chỉnh lưu 24 xung Sơ đồ có 4 cuộn dây phía

thứ cấp dịch pha nhau 15.Cuộn đấu Z (-15), cuộn đấusao (0 cuộn đấu Z( 15, cuộnđấu tam giác (30)

Tổng sóng hài THD củadòng điện sơ cấp chỉ có

1,49%

Sau đây là hình ảnh so sánh độ méo sóng hài dòng điện THD của lưới điện khi sửdụng những bộ biến tần 6 xung, 12 xung và biến tần Perfect Harmony:

T3

T2

Hình 2 2 So sánh độ méo sóng hài của 3 loại biến tần

Cụ thể là độ méo sóng hài dòng điện THD của bộ biến tần 6 xung là 25%, 12 xung là8.8%, và của bộ Perfect Harmony là 0.8%

2.4 Mạch Nghịch lưu

Trong biến tần trung thế có các loại mạch nghịch lưu như

Biến tần đa mức điot kẹp

Biến tần đa mức tụ kẹp

Biến tần đa mức cầu H nối tầng

Biến tần PERFECT HARMONY sử dụng mạch nghịch lưu nối tầng 5 mức Trongmục này chỉ phân tích về biến tần đa mức cầu H nối tầng

2.4.1 Mạch nghịch lưu đa mức cầu H nối tầng

a) Mạch nghịch lưu cơ bản (cell)

Bộ biến tần trung thế khác với các loại biến tần thông thường là nó có điện áp cao,công suất lớn nên dùng nghịch lưu một pha ghép nối tiếp nhau để tạo ra nhiều mứcđiện áp thích hợp Mạch nghịch lưu của biến tần trung thế chính là mạch nghịch lưucầu H nối tầng

Sơ đồ nguyên lý cơ bản mạch nghịch lưu một pha cầu H trình bày như hình vẽ:

Hình 2 3 Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu cầu H cơ bản

tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớn nội trở của nguồncàng nhỏ và điện áp đầu vào được san phẳng)

- Nguyên lý làm việc:

Hình 2 4 Đồ thị các thông số của mạch nghịch lưu cầu 1 pha nguồn áp cơ bản

Ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 ÷ θ2), cặp van T1, T4 dẫn điện, phụ tải được đấu vàonguồn, do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải Ut = E

Tại thời điểm θ = θ2, T1 và T4 bị khóa, đồng thời T2 và T3 mở ra Tải sẽ được đấuvào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp trên tải sẽ đổi chiều và Ut = -E tạithời điểm θ2 Do tải mang tính trở cảm nên dòng vẫn giữ nguyên hướng cũ T1, T4 bịkhóa nên dòng khép mạch qua điốt D2, D3 Suất điện động cảm ứng trên tải sẽ trởthành nguồn trả năng lượng thông qua D2, D3 về tụ C.

Tương tự như vậy khi khóa cặp T2, T3 dòng tải sẽ khép mạch qua D1, D4 Đồ thịđiện áp tải Ut, dòng điện qua các van, dòng điện được trình bày trên hình 2.4

Nguyên lý tạo xung PWM cho nghịch lưu cầu một pha:

Xung điều khiển van T1, T2 được tạo ra bằng cách so sánh tín hiệu sin chuẩn UđkA

với tín hiệu răng cưa tần số cao Urc, có độ rộng tương ứng với thời điểm UđkA = Urc.Còn xung điều khiển van T4, T3 có độ rộng tương ứng với thời điểm UđkB = -Urc

Khi UđkA > Urc thì T1 có xung điều khiển, T1 mở UAN = +Vdc

Hình 2 5 Điện áp trên tải UAB gồm 3 mức điện áp: -Vdc, 0, +Vdc.

b) Nguyên lý điều khiển mạch nghịch lưu nối tầng cầu H

Mạch nghịch lưu của BBT trung thế Perfect Hamony cấp điện cho quạt ID là sơ đồnghịch lưu cầu H nối tầng, mỗi pha gồm 5 cell nghịch lưu cơ bản như hình 2.6

Hình 2 6 Sơ đồ nghịch lưu trung thế 11 mức

Bộ nghịch lưu này được cấu thành từ nhiều cầu H một pha mắc nối tiếp, mỗi cầu Hgồm 4 khóa bán dẫn mắc theo sơ đồ cầu, được cung cấp bởi nguồn một chiều Hoạtđộng của 5 bộ nghịch lưu áp trên một nhánh pha tải sẽ tạo nên 5 mức điện áp theochiều âm, 5 mức điện áp theo chiều dương và mức điện áp 0.

Xét 1 cell nghịch lưu: mỗi một cell nghịch lưu được cấp từ một nguồn một chiềuđộc lập như hình 2.7

Hình 2 7 Sơ đồ một cell nghịch lưu

Sơ đồ một cell nghịch lưu chính là sơ đồ nghịch lưu cầu H 1 pha đã phân tích ởtrên Điện áp ra của 1 cell gồm 3 mức điện áp: +Vdc, 0, -Vdc Có được 3 mức điện áp đó

là do sự kết hợp trạng thái các van của cầu H:

Đối với bộ biến tần trung thế Perfect Harmony mỗi một nhánh pha tải gồm 5 cellnên số mức điện áp của mỗi pha sẽ là m = 11 mức

Ưu điểm của sơ đồ nghịch lưu cầu H:

+ Tạo ra được nhiều mức điện áp mong muốn

+ Cấu trúc bộ nghịch lưu của biến tần chế tạo có dạng mô-đun sử dụng vanIGBT trung thế cố độ linh động và độ tin cậy cao giúp cho bảo trì dễ dàng, lắp ráp vàhiệu chỉnh đơn giản

Nhược điểm:

+ Mỗi cầu H cần một nguồn một chiều riêng biệt,cấu tạo mạch lực phức tạp

2.4.2 Nguyên lý điều khiển mạch nghịch lưu

Xét cell 1 trong pha A, nguyên lý tạo xung như sau:

+ RA là điện áp điều khiển pha A tần số 50Hz

+ Urc1 là điện áp răng cưa

+ Xung L1 là xung điều khiển đóng mở van S1, S2 được tạo ra bởi so sánh hai điện áp

Urc1 và điện áp điều khiển RA:

RA > Urc1 thì L1 = “1” xung điều khiển S1 dẫn

RA < Urc1 thì L1 = “0” xung điều khiển S2 dẫn

+ Xung R1 là xung điều khiển đóng mở van S3, S4 được tạo ra bởi so sánh hai điện áp

Urc1 và điện áp điều khiển RA:

RA > -Urc1 thì R1 = “0” xung điều khiển S4 dẫn

RA < -Urc1 thì R1= “1” xung điều khiển S3 dẫn

Điện áp ra cầu nghịch lưu của pha A như hình 2.8.

Hình 2 8 Nguyên lý tạo xung điều khiển của 1 cell của pha A

Hình 2 9 Điện áp các cell của pha A và điện áp pha A động cơ