Nâng cao hiệu suất động cơ mang lại nhiều lợi ích như hạn chế hiệu ứng nhà kính, bảo vệ tài nguyên môi trường, giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe con người và cụ thể là giảm nhỏ tiêu hao điện năng.
Năng lượng tiết kiệm trong vòng đời của động cơ hiệu suất cao được xác định [67]:
W = Pđm.h.(1/η1 – 1/η2), kWh trong đó: + Pđm: công suất định mức của động cơ;
+ h: số giờ vận hành tương ứng với tuổi thọ của động cơ; + η1: hiệu suất của động cơ bình thường;
+ η2: hiệu suất của động cơ hiệu suất cao.
Hiện nay giá tiền của 1 kWh trong kinh doanh là 1725 đồng [15] thì số tiền tiết kiệm được của động cơ hiệu suất cao:
W)
T = (1725. , đồng
Khi đạt đến mức hiệu suất η2 chi phí do tăng vật liệu ứng với mỗi kg thép kỹ thuật điện khoảng 20000 đồng, của đồng khoảng 200000 đồng và nhôm khoảng 50000 đồng. Ngoài ra, theo kinh nghiệm ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam thì chi phí vật liệu trên một sản phẩm chiếm 70% còn các chi phí khác chiếm 30 %.
Các động cơ thông thường sản xuất tại Việt am có tuổi thọ khoảng N 60.000 giờ vận hành [14], ta có số tiền tiết kiệm được của các phương án nâng cao hiệu suất động cơ 3 kW (các thiết kế ở bảng 5.3, 5.4, 5.5 mang lại qua ) bảng tính toán 5.8.
Bảng 5.8: Bảng tính toán lợi ích kinh tế của động cơ hiệu suất cao (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/Kg)
Thông số
Phương án
ηηηηη
(%)
Điện tiết kiệm (kWh)
Chi phí do tăng thêm vật liệu so với động cơ
thông thường
(đồng)
Chi phí khác (đồng)
Số tiền tiết kiệm 103(đồng) 1 86 10210 205200 87900 17319 2 86,1 10452 82200 35 002 17914 5 86,3 10937 98000 42000 18 678 6 86,1 10452 61000 26000 17945 7 86,3 10937 96600 41400 18729 8 86,4 11179 173400 74310 19036 9 8,61 10452 217200 93000 17721
Trên đây chỉ là lợi ích mang lại của một động cơ theo các phương án khác nhau, trong thực tế số lượng động cơ được sử dụng hàng ngày khá nhiều (riêng CTAMAD hàng năm sản xuất khoảng 35.000.000 sản phẩm) nên lợi ích mang lại cho việc nâng cao hiệu suất động cơ là rất lớn. Với số lượng động cơ sử dụng trong công nghiệp và xây dựng tiêu thụ khoảng 50% lượng điện của quốc gia nên số tiền tiết kiệm mà các động cơ mang lại có thể hàng ngàn tỷ đồng. Ngoài lợi ích về kinh tế được tính như bảng 5.7 nó còn mang lại nhiều lợi ích về xã hội và môi trường.
Kết luận chương 5
Kết quả của chương này đạt được là:
- Đã xây dựng phương pháp thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao tương đối hoàn chỉnh bao gồm xác định nhóm thông số kích thước cơ bản theo hiệu suất, thiết kế mạch điện và mạch từ tối ưu và cuối cùng là chương trình tính toán thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao (chương trình được đặt tên là TKHSCLA).
- Đã thực hiện thiết kế nâng hiệu suất động cơ 3kW số cực 2p = 4 với các phương án khác nhau có hiệu suất thỏa mãn tiêu chuẩn động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao (TCVN 7540- 1:2005) mà không phải tăng nhiều vật liệu. Quá trình thiết kế có xét các yếu tố công nghệ, vật liệu chủ yếu liên quan đến chiều dài khe hở không khí, độ dài lõi sắt qua hệ số λ, hệ số ép chặt kc và các loại thép đang được dung phổ biến ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam.
- Đã thực hiện và đưa ra giải pháp về vật liệu, công nghệ có thể nâng hiệu suất động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc đạt với tiêu chuẩn Châu Âu mức Eff1.
- Lợi ích của việc sử dụng động cơ hiệu suất cao là rất lớn, do vậy cần sớm đưa động cơ hiệu suất cao vào thiết kế, chế tạo ở Việt Nam.
KẾT LUẬN CHUNG
Động cơ KĐB ba pha mà chủ yếu là loại rôto lồng sóc được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và tiêu thụ một lượng điện năng lớn. Do vậy, nghiên cứu thiết kế, chế tạo động cơ hiệu suất cao là rất cần thiết, hiệu suất nâng cao chẳn những mang lại lợi ích về kinh tế mà c n bảo vệ môi trường g ò đồng thời giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Những đóng góp của luận án:
Đề tài “Phương pháp thiết kế nâng cao hiệu suất động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc trong thiết kế” đã hoàn thành nghiên cứu với các nội dung:
- Đã tổng hợp, phân tích có hệ thống các nghiên cứu về thiết kế và thiết kế tối ưu động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc trong và ngoài nước. Nêu ra các giải pháp nâng cao hiệu suất động cơ.
- Đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của các thông số thiết kế bao gồm: , nhóm thông số kích thước cơ bản, nhóm thông số thiết kế mạch điện, nhóm thông số thiết kế mạch từ đến tổn hao đồng và sắt của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc. Đây là hai thành phần tổn hao chiếm tỷ lệ lớn trong tổn hao của động cơ.
- Đã xây dựng phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ cho phép chọn tiết diện rãnh stato tối ưu với hệ số lấp đầy cực đại, các chiều cao rãnh stato và rôto tối ưu để tổng tổn hao đồng và sắt nhỏ nhất đồng thời thỏa mãn các ràng buộc khác.
- Để tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác của thiết kế, trong luận án đã xây dựng biểu thức toán học thể hiện quan hệ giữa hiệu suất với nhóm thông số kích thước cơ bản cho các động cơ trong dãy công suất từ 0,75 đến 7,5 kW với số cực 2, 4 và 6. Từ các biểu thức này có thể xác định nhóm
thông số kích thước cơ bản thỏa mãn yêu cầu về hiệu suất và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác ngay tại giai đoạn đầu của quá trình thiết kế. Sai số hiệu suất được tính theo (ηˆ) và hiệu suất thực nghiệm (η) là tương đối nhỏ.
- Đã xây dựng phương pháp thiết kế tối ưu tương đối hoàn chỉnh kết hợp xác định nhóm thông số kích thước cơ bản theo hiệu suất với thiết kế mạch điện và mạch từ tối ưu. Xây dựng phần mềm có hai chức năng là tính kiểm tra
và tính toán thiết kế. Có thể sử dụng chương trình tính kiểm tra để kiểm nghiệm các động cơ đã được thiết kế và chế tạo.
- Thực hiện ính toán thiết kế nâng hiệu suất động cơ 3 kW số cực 2p t =4 lên 2,05% mà không phải tăng thêm vật liệu tác dụng. Đã thực hiện thiết kế nâng hiệu suất động cơ 3 kW số cực 2p = 4 lên đạt tiêu chuẩn động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao TCVN 7540 - 1:2005 với chi phí đầu tư tương đối ít. Kết quả thiết kế được tính kiểm nghiệm tại Công ty Chế tạo máy điện Việt Nam - Hungari, sai số về các chỉ tiêu kỹ thuật giữa thiết kế và tính kiểm tra là tương đối nhỏ.
- Đã thực hiện và đưa ra giải pháp về vật liệu, công nghệ có thể nâng hiệu suất động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc bằng với tiêu chuẩn Châu Âu mức Eff1.
Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp phần đáng kể trong việc nâng cao hiệu suất động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc trong thiết kế.
Kiến nghị và hướng nghiên cứu mở rộng:
- Lợi ích của việc sử dụng động cơ điện KĐB ba pha rôto lồng sóc có hiệu suất cao là rất lớn. o vậy cần sớm đưa động cơ D này vào thiết kế, chế tạo và sử dụng ở Việt Nam.
- Cần tiếp tục nghiên cứu xây dựng mô hình η = f(kD, λ, Bδ) cho các động cơ có công suất lớn hơn.
- Cần sử dụng vật liệu thép tốt hơn và đầu tư công nghệ để giảm trọng lượng và kích thước đồng thời nâng cao hiệu suất của động cơ.
- Cần nghiên cứu xây dựng mô hình máy điện hiện đại có thể nghiên cứu sâu hơn về các phương pháp thiết kế nhằm không chỉ giảm tổn hao chính mà còn giảm tổn hao phụ, tổn hao cơ để hiệu suất động cơ được cao hơn.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
1. Đoàn Đức Tùng, Nguyễn Hồng Thanh, Đặng Văn Đào (2007), Ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến tổn hao và hiệu suất động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, số 61, tr 57-62.
2. Đoàn Đức Tùng, Nguyễn Hồng Thanh (2008), Sự tác động của các thông số thiết kế đến tổn hao đồng và sắt trong động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Tập 46 số 2, tr 115-123.
3. Đoàn Đức Tùng, Nguyễn Hồng Thanh (2008), Phương pháp thiết kế dây quấn và mạch từ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc có hiệu suất cao, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, số 64, tr 14-18.
4. Đoàn Đức Tùng, Nguyễn Hồng Thanh (2008), Thiết kế nâng cao hiệu suất động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, số 65, tr 26-30.
5. Đoàn Đức Tùng, Nguyễn Hồng Thanh (2009), Biểu thức mô tả quan hệ giữa hiệu suất với kích thước chủ yếu và mật độ từ thông khe hở không khí trong động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc, Tạp chí Khoa học và Công nghệ các trường Đại học Kỹ thuật, số 70, tr 18 22- .
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Đặng văn Đào, Lê Văn Doanh (2001), Các phương pháp hiện đại trong nghiên cứu tính toán thiết kế kỹ thuật điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
2. Trần Khánh Hà (1993), Động cơ không đồng bộ một pha và ba pha công suất nhỏ, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà nội.
3. Trần Khánh Hà, Nguyễn Hồng Thanh (2006), Thiết kế máy điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
4. Vũ Gia Hanh Trần Khánh Hà Phan Tử Thụ Nguyễn Văn Sáu (2001), , , , Máy điện tập 1,2, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
5. IVANOV SMOLENSKI A. V. (1992), Máy điện tập 1,2,3, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
6. Phạm Hữu Khang (2004), Tham khảo nhanh Visual Basic 6.0, Nhà xuất bản thống kê, TP. Hồ Chí Minh.
7. Nguyễn Thị Ngọc Mai (2002), Lập trình cơ sở dữ liệu Visual Basic 6.0, Nhà xuất bản lao động - xã hội, TP. Hồ Chí Minh.
8. Nguyễn Đình Tê (2001), Lập trình cơ sở dữ liệu với Visual Basic 6.0, Nhà xuất bản giáo dục, TP. Hồ Chí Minh.
9. …(3 - 2008), Công nghệ thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao, Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp Bộ, mã số B2006 01 - - 64.
10. Ông Văn Thông (2001), Quản trị cơ sở dữ liệu với Visual Basic 6.0, Nhà xuất bản thống kê, TP. Hồ Chí Minh.
11. Nguyễn Đình Thúc, Hoàng Đức Hải (2000), Mạng Nơron - phương pháp và ứng dụng, Nhà xuất bản giáo dục năm, Hà Nội.
12. Bùi Minh Trí (2005), Xác xuất thống kê và quy hoạch thực nghiệm, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
13. Nguyễn Minh Tuyển (2005), Quy hoạch thực nghiệm, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà nội.
14. Công ty chế tạo động cơ Hà Nội, (12 - 2006); Xây dựng phần mềm thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng có công suất đến 100kW. Ứng dụng vào thiết kế và chế tạo cho dãy động cơ 3kW; Báo cáo tổng kết đề tài khoa học cấp bộ 2005.
15. Bộ Công Thương, số 05/2009/TT-BTC (2 2009), Thông tư quy định về - giá bán điện năm 2009 và hướng dẫn thực hiện, Hà Nội.
16. Tập Đoàn Điện Lực Việt Nam (1 - 2009), Báo cáo tổng kết thực hiện nhiệm vụ năm 2008 và triển khai kết hoạch năm 2009, Hà Nội.
17. Tổng cục tiêu chuẩn đo luờng chất lượng (1994), TCVN 1987- 1994 động cơ điện KĐB ba pha rôto lồng sóc có công suất từ 0,55 đến 90 kW, Hà nội. 18. Tổng cục tiêu chuẩn đo luờng chất lượng (2005), TCVN 7540 - 1:2005
động cơ điện KĐB ba pha rôto lồng hiệu suất cao, Hà nội. Tiếng Anh
19. ALI EMADI (2005); Energy - efficient electric motors; MARCEL DEKKER, New York.
20. Banerjee B., Sundaram A. (January 2003), Power Quality Guidelines for
Energy - Efficient Device Application, Electric Power Research Institute, California.
21. Cathey Jimmie J. (2001), Electric Machines: Analysis and Design Applying Matlab, MCGRAW HILL.
22. Chapman Stephen J. (2004), Electric Machinery Fundamentals, MCGRAW HILL, Inc.
23. Chandler Paul L., Patterson Dean J. (2001), “Counting the losses in very high efficiency machine design”, Renewable energy, 22, pp. 143 - 150. 24. Chapman Stephen J. (2004); Electric Machinery Fundamentals;
MCGRAW - HILL Book Company, New York.
25. Chari M.V.k, Slivester P. (1971), “Finite Element analysis of magnetically saturated D - C Machines , IEEE New York, January 31-” February 5. 26. Daidone A., Parasiliti F., Villani M. (Septemper 1998), “A new method
for the design optimization of three phase induction motors”, IEEE Transactions on Magnetic, 34(5), pp.2932 - 2935.
27. De ALMEIDA Edmar Luiz F. (June 1999), Evolutionary Pattern of Innovation and Product Life Cycle:Empirical Evidences form the Electric Motors Technology, European Meeting on Applied Evolutionary Economics, France.
28. Diamant P. (1981), The high efficiency induction machine of “ 1980’s.Part2”, IEEE Trans on Power apparatus and systems, 100(12), pp.4969 - 4973.
29. Dong - yeok Cho, Hyun - Kyo Jung, Cheol G H - yun (2001), Induction “ motor design for electric vehicle using a niching genetic algorithm”, IEEE Transactions on Industry Applications, 37(4), pp.994 - 999. 30. Fitzgerald A. E., Charles Kingsley, Stephen D. (2003), Electric
Machinery, MCGRAW - HILL Book Company, New York.
31. Francesco Parasiliti Prof., Marco Villani Dr. (December 2003), “Design of high efficiency industrial induction motors by innovative technologies and new materials”, Department of Electrical Engineering, University of L’Aquila, pp.1- 4.
32. Fuchs E. F., Huang H. (December 1989), “Comparison of two optimization techniques as applied to three phase induction motor design”, IEEE Transactions on Energy Conversion, 14(4),pp.651- 660.
33. Hataja J. and Pyrhonen J. (April 1998), “Improving three phase induction - motor efficiency in Europe”, Power Engineering Journal, pp.81- 86. 34. Hitoshi Yoshino and Yuji Kurata (June 2000), “Energy Saving Induction -
Motors”, Mitsubishi Electric Advance, pp. 14 16.-
35. Idir K. and Chang L. (1998), “Improved neural network model for induction motor design”, IEEE Transactions on magnetic, 34(5), pp.2948 - 2951. 36. Ion Boldea and Syed Nasar (2002); The Induction Machine Handbook;
CRC Press Boca Raton London New York Washington, D.C.
37. Jawad Faiz, Sharifian M.B.B. (1995), Optimization design of a three “ phase squirrel-cage induction motor based on efficiency maximization”, International Journal of Computer and Electrical Engineering, 21(5), pp.367 - 374.
38. Jawad Faiz, Sharifian M.B.B. (2001), Optimization design of three “ phase induction motors and their comparison with a typical industrial motor”, International Journal of Computer and Electrical Engineering, 27, pp.133 - 144.
39. Jeong - Tea park, Cheol - Gyun Lee (1997), “Application of fuzzy decision to optimization of induction motor design”, IEEE Transactions on Industry Applications, 33(4), pp.1939 - 1942.
40. Jürgen Steimle (2008), Algorithmic mechanism design, Springer Berlin Heidelberg, New York.
41. Kalankesh H.Vahed, Sharifian M.B.B, Feyzi M.R. (May 2001), “Optimization of induction motor design by using the finite element method , IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer ” Engineering, Toronto, pp.845 - 850.
42. Kalankesh H.Vahed, Sharifian M.B.B, Feyzi M.R. (2003), “Multi - objective optimization of induction motor slot design using finite element mothod”, Electronic, Circuits and Systems, ICECS.IEEE Iternational Conference on 3, pp.1308 - 1311.
43. Keulenaner Hans De, David Chapman (April 2004), Energy Efficient “ Motor Driven Systems can save Europe 200 billion kWh of electricity consumption and 100 million tone of greenhouse gas emissions a year”, European Copper Institute, 1- 25.
44. Kushare Prof.B.E, Kulkarni Mr.S.Y. (2003), The Complete guide to Energy Efficient Motors, International Copper Promotion Counci , Indial . 45. Masato Enokizono, Hiroyasu Shimoji and Toyomi Horibe (May 2003),
“Effect of Stator Construction of Three - Phase Induction Motors on Core Loss”, IEEE Transactions on magnetic, 39(3), pp.1484 1487. - 46. Masayoshi Ishida, Nobuo Shiga, Kenichi Sadahiro (March 2003),