1. Nguyên lý:
Trong các nhà máy xí nghiệp sản xuất, động cơ điện có vai trò rất quan trọng không thể thiếu được và là đối tượng tiêu thụ điện năng khá lớn.
Để điều khiển tốc độ của động cơ truyền động cho các thiết bị dùng trong công nghiệp, có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau và với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử, thiết bị điều khiển ngày càng đa dạng và phong phú về chủng loại.
Trước đây khá lâu, người ta còn dùng hệ khuyếch đại từ ЭMY-Đ (động cơ một chiều) do Liên xô cũ chế tạo, rất nặng nề, phạm vi điều khiển không rộng, rất hay hỏng cổ góp động cơ và công suất bị hạn chế. Sau đó với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn, hệ điều khiển dùng van bán dẫn Thyristor điều khiển điện áp cung cấp cho động cơ ra đời và phát triển. Các đặc điểm nổi trội của loại này là: cho phép điều khiển trơn, phạm vi điều khiển khá rộng (về lý thuyết có thể điều khiển từ 0-1800el), tính năng bảo vệ khá cao, điều khiển nhanh, linh hoạt... Trước đây Công ty chúng tôi cũng đã chế tạo rất nhiều bộ điều khiển dạng này để cung cấp cho khá nhiều nơi như: Điều khiển bơm, quạt gió cho Công ty Supe Phốt phát Lâm Thao, Trạm bơm Duy tiên- Nam Hà; Các bộ điều khiển động cơ nâng hạ điện cực cho các lò hồ quang điện của Nhà máy Cơ khí gang thép Thái nguyên, Bê tông Thép Ninh bình, Z27 Bộ Quốc phòng... Tuy nhiên nhược điểm của loại điều khiển này là khi điều khiển càng sâu thì dạng sóng càng không sin, méo dạng gây đốt nóng cho động cơ và các thiết bị phụ trợ và ảnh hưởng không tốt đến lưới điện... dẫn tới làm tăng tổn hao lưới điện, tăng công suất truyền tải và giảm tuổi thọ thiết bị điện.
Hiện nay phương pháp thường dùng nhất là biến đổi tần số (biến tần).
Nguyên lý của nó là biến đổi điện áp từ nguồn 50HZ tần số công nghiệp 3 pha sang điện áp một chiều. Điện áp một chiều này được biến đổi nghịch lưu thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng thông qua hệ IGBT-transistor lưỡng cực có cổng cách ly bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) có thể điều chỉnh vô cấp cả tần số và điện áp tuỳ theo yêu cầu khiển nhưng vẫn đảm bảo mômen của động cơ ở cả dải điều chỉnh tốc độ. (Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trờn lừi sắt động cơ).
Các thông số điều khiển chế độ làm việc của động cơ được đưa vào nhờ Modul cài đặt, có rất nhiều thông số có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu công nghệ và đặc điểm của tải.
Hệ số công suất cosф của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất
97
cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại. Chính vì vậy, năng lượng tiêu thụ cũng xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.
Trước đây các hãng chế tạo mới chế tạo được các biến tần có công suất nhỏ, đến nay với nền kỹ thuật tiên tiến, hiện đại đã chế tạo được các bộ biến tần công suất lớn, và ngay lập tức đã được áp dụng vào sản xuất, giải quyết được vấn đề điều chỉnh tốc độ của các động cơ ba pha xoay chiều và đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế.
Hầu hết các động cơ điện sử dụng tại Việt Nam là động cơ không đồng bộ một pha và ba pha, gồm loại tốc độ không đổi và loại tốc độ thay đổi. Tất cả các động cơ có phụ tải thay đổi đều có thể sử dụng biến tần để tiết kiệm điện.
Chẳng hạn như động cơ bơm nước lạnh của hệ thống điều hòa trung tâm;
động cơ dùng cho hệ thống băng tải, băng chuyền; trạm bơm cấp nước, bơm của hệ thống cấp đông trong các nhà máy bia; động cơ sử dụng trong thiết bị của ngành chế biến thực phẩm, dệt, và các ngành có sử dụng máy nén khí...
(Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4: Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp. Do vậy, các bộ biến tần hiện nay đang được coi là một ứng dụng chuẩn cho các hệ truyền động cho bơm và quạt).
Tuỳ thuộc vào thông số, tính chất, chế độ làm việc của tải... mà hiệu quả tiết kiệm từ việc ứng dụng biến tần để điều khiển động cơ truyền động sẽ khác nhau, có thể từ 10 đến 50% (theo đánh giá của các cơ sở đã ứng dụng).
2. Chế tạo thiết bị mẫu PS/ESC-02:
Thiết bị tiết kiệm điện năng mẫu PS/ESC-02 được chế tạo dựa trên nguyên lý dùng bộ biến đổi tần số để điều khiển tốc độ động cơ truyền động có công suất 7,5kW.
Loại biến tần chúng tôi dùng ở đây là loại SK2401 của Hãng Control Technic- Anh quốc có công suất 7,5KW; dải điện áp vào là 380-480V; dòng điện tải là 15.3A.
3. Nguyên tắc hoạt động:
Nguyên lý làm việc:
Thiết bị này được lắp trong tủ điện. Nhờ các bộ phận đóng cắt, thiết bị sẽ được đấu nối với tải. Tuỳ theo yêu cầu công nghệ của tải, nhờ modul cài đặt,
các thông số cần thiết sẽ được đặt phù hợp và tương thích với tải. Toàn bộ quá trình làm việc của động cơ sẽ được điều khiển tự động.
Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý của thiết bị:
BT
CM V
ÐC AP NGUON 380V
A DH
K
L1 L2 L3
U V W
DC1 DC2 BR N NGU? N LU? I
H? TH? NG éểNG, C? T, B? O V?
H? TH? NG ÐI? U KHI? N BI? N T? N
Ð? NG CO
T? I 3 PHA 380V, 50HZ
HTÐK
Hướng dẫn sử dụng: Xem tài liệu tham khảo.
Trước tiên, cần tiến hành cài đặt các thông số cần thiết của tải. Các thông số khác đã được Nhà máy chế tạo cài đặt sẵn (Default). Sau đó, khi nối tải vào, biến tần sẽ tự nhận dạng động cơ (nếu tải có thông số không đúng như đã cài đặt thì biến tần sẽ không làm việc). Ngoài ra chỉ cần thay đổi thêm một vài thông số theo yêu cầu cụ thể của tải như: Pr03 (phạm vi tăng tốc): 2. Pr04 (phạm vi giảm tốc): 0,2. Pr05 (dạng truyền động): AIPr... tuỳ theo yêu cầu làm việc cụ thể.
Với tải bơm, quạt gió, nên đặt phạm vi dòng điện của động cơ theo chế độ
“Norman Duty”, còn với tải như thang máy, cầu trục nên đặt ở chế độ
“Heavy Duty” nhờ đặt thông số Pr4.25 phù hợp.
4. Phạm vi ứng dụng:
Thiết bị này có thể ứng dụng được rất nhiều nơi, nhiều lĩnh vực, nhưng hiệu quả nhất là dùng với các tải bơm, quạt gió, thiết bị làm mát... là những thiết bị thường xuyên hoạt động non tải. Bởi vì trong các nhà máy, lưu lượng của các thiết bị này thường xuyên thay đổi để phù hợp với nhu cầu thực tế mà lưu lượng tỷ lệ thuận với tốc độ quay còn tốc độ quay tỉ lệ với tần số. Trước đây để điều chỉnh lưu lượng các nhà máy thường sử dụng các van lá chắn đầu vào (hay đầu ra) được điều khiển bằng 1 động cơ nhỏ hay làm một đường hồi.
Việc điều chỉnh lá chắn này tuy điều chỉnh được lưu lượng nhưng không hiệu quả về kinh tế vì động cơ vẫn làm việc gần như không đổi và tổn hao trên lá chắn vẫn lớn.
99
Với các hệ truyền động bơm và quạt, moment tải tỷ lệ với bình phương tốc độ và lưu lượng tỷ lệ thuận với tốc độ. Do đó công suất đòi hỏi của hệ thống tỷ lệ với lập phương của tốc độ và tỷ lệ với lập phương của lưu lượng (P ≈ M x n ≈ n3 ≈ F3). Do vậy giải pháp của vấn đề này là sử dụng biến tần thay thế cho van. Việc điều chỉnh lưu lượng chính là điều chỉnh tốc độ của động cơ truyền động bơm hay quạt thông qua điều chỉnh tần số, không dùng van hay van mở sẵn nên không có tổn thất trên van. Động cơ cũng không phải sinh công suất cơ để thắng sức cản của van. Nhờ đó khi lưu lượng giảm thì công suất tiêu thụ cũng giảm đi rất đáng kể.
Chúng tôi đã ứng dụng thiết bị biến tần vào khá nhiều nơi như điều khiển các động cơ nâng hạ điện cực ở các lò hồ quang ở Công ty Cơ khí Thái nguyên, Công ty Bê tông Thép Ninh Bình, Z127... và đã mang lại hiệu quả tiết kiệm điện rất khả quan, nhưng công suất chưa cao (tới 4KW). Chúng tôi cũng lắp tủ điều khiển sử dụng biến tần để điều khiển động cơ dây chuyền đúc cho Công ty Z27 Bộ Quốc phòng với công suất tới 75KW. Với mức công suất càng lớn thì hiệu quả tiết kiệm điện càng cao.
5. Đánh giá chức năng và hiệu quả:
Ưu điểm:
- Công nghệ tiên tiến, hiện đại nhất. Kích thước gọn, nhẹ.
- Phạm vi điều chỉnh vô cấp. Các thông số đặt tuỳ chọn theo yêu cầu công nghệ, linh hoạt với mọi loại tải.
- Chế độ làm việc phù hợp với tải nên tiết kiệm năng lượng tối ưu.
Nhược điểm:
- Cấu trúc phức tạp, có nhiều thông số gây lỗi.
- Độ bền không cao, chịu ảnh hưởng của độ ẩm, rung động cao.
- Giá thành vẫn còn cao.
- Tuổi thọ không cao, từ 5-10 năm.
6. Khảo nghiệm thiết bị:
Thiết bị này được khảo nghiệm với tải là động cơ bơm có công suất 7,5KW tại Nhà máy nước Nam Dư, Công ty kinh doanh nước sạch Hà nội.
Kết quả khảo nghiệm: Xem Biên bản khảo nghiệm thiết bị PS-02/ESC.
Đánh giá: Tỷ lệ tiết kiệm điện là: 19,13% với tải khảo nghiệm thực tế.
Cộng hòa x∙ hội chủ nghĩa việt nam
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ---o0o---
Hà Nội, ngày 8 tháng 10 năm 2007
biên bản
( V/v: Khảo nghiệm thiết bị tiết kiệm điện PS-02/ESC tại Nhà máy n−ớc)
1.Thời gian, địa điểm khảo sát
Ngày 08/10/2007 tại nhà máy n−ớc Nam D− - Hoàng Mai - Hà Nội 2. Thành phần
1/ Ông Phạm Văn Hậu chức vụ: cán bộ khảo nghiệm 2/ Ông: Võ Anh Quý chức vụ: cán bộ khảo nghiệm 3/ Ông: Trần Xuân Hùng chức vụ: Phó giám đốc nhà máy 4/ Ông: Lê Anh Bình chức vụ: cán bộ kỹ thuật nhà máy 3. Néi dung:
Khảo nghiệm thiết bị tiết kiệm điện PS-02/ESC lắp đặt cho bơm kỹ thuật: 7,5kW -14,1A – 380VAC và sử dụng thiết bị đo công suất kiểm tra l−ợng điện tiêu thụ của bơm kỹ thuật.
4. Ph−ơng pháp
Đo 3 lần lấy giá trị trung bình.
5. Kết quả
Kết quả đo đ−ợc trình bày trong bảng sau:
101
Bảng kết quả đo đạc khi ch−a lắp bộ PS-02/ESC và sau khi lắp bộ PS-02/ESC
Điện áp (V) Dòng điện (A) Cosϕ Công suất (kW) TT Thời gian Giải pháp
kü thuËt
Tên thiết
bị Ud1 Ud2 Ud3 Utb I1 I2 I3 Itb Định
mức
Thực tế
1 8h30 ngày 08/10/07
Ch−a lắp PS- 02/ESC
Bơm kỹ thuËt
386 390 388 388 13,4 13,3 13,2 13,3 0,84 7,5 7,507
2 8h50 ngày 08/10/07
Ch−a lắp PS- 02/ESC
Bơm kỹ thuËt
383 387 384 385 13,5 13,4 13,3 13,4 0,84 7,5 7,506
3 9h40 ngày 08/10/07
Lắp PS- 02/ESC
Bơm kỹ thuËt
384 385 384 384 11,4 11,6 11,4 11,5 0,85 7,5 6,501
4 10h00 ngày 08/10/07
Lắp PS- 02/ESC
Bơm kỹ thuËt
383 383 383 383 11,5 11,6 11,6 11,6 0,85 7,5 6,540
5 10h30 ngày 08/10/07
Lắp PS- 02/ESC
Bơm kỹ thuËt
382 383 382 382 11,5 11,6 11,7 11,6 0,85 7,5 6,523
6. Kết luận
Biên bản kiểm tra đ−ợc tổng hợp và lập vào hồi 12h ngày 08 tháng 10 năm 2007.
Biên bản này chỉ phục vụ cho công tác phục vụ khảo nghiệm thiết bị tiết kiệm điện PS-02/ESC.
Xác nhận của đơn vị khảo nghiệm cán bộ khảo nghiệm
Trần Xuân Hùng Phạm Văn Hậu
Lê Anh Bình Võ Anh Quý
103