Bảng 3.5. Tổng hợp kết quả bù kinh tế công suất phản kháng
Dây chuyền ∆P tiết kiệm (kW)
Chi phí tiết kiệm trong 5 năm
(tr.đồng)
Chi phí tiết kiệm từng năm (tr.đồng) Cụm sàng khô 10,63 181294,65 36258,93 Nhà điều khiển trung tâm 11,32 193062,6 38612,52 Băng tải B800x380M 9,36 159634,8 31926,96 Tổng 31,31 533.992,05 106.798,41 Nhận xét:
- Sau khi lắp đặt các bộ tụ bù, theo tính tốn của phần mềm PSS/ADEPT, tổng tổn thất công suất tiết kiệm được là 31,31 (kW), chi phí tiết kiệm được do giảm tổn thất điện năng trong 5 năm (tuổi thọ bộ tụ) là: 533.992,05 đồng.
3.3. Sử dụng biến tần điều chỉnh tốc độ cho các băng tải
Trong các giải pháp trên thì việc đầu tư ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật đặc biệt là sử dụng các biến tần vào công nghệ sản xuất có ý nghĩa vơ cùng to lớn, vì dây chuyền sàng tuyển than Cơng ty than Quang Hanh - TKV hiện nay sử dụng đa dạng các thiết bị điện như các tuyến băng, sàng, …
Trong đó, các thiết bị điện có cơng suất lớn, quyết định chủ yếu đến điện năng tiêu thụ của các dây chuyền sàng tuyển đó là: các hệ truyền động cho băng tải;
Do đó việc sử dụng biến tần cho các hệ truyền động của các thiết bị này có tác dụng đáng kể nhằm giảm chi phí đầu tư vào giá thành tấn than. Sau đây tác giả chỉ đề cập đến việc ứng dụng biến tần vào việc giảm thiểu chi phí điện năng của các hệ truyền động cho máy nghiền, băng tải.
3.3.1. Tổng quan chung về điều khiển động cơ bằng biến tần
Biến tần là bộ biến đổi tần số của điện áp xoay chiều nhằm mục đích điều khiển tốc độ động cơ thông qua thay đổi tần số.
Cơ sở lý thuyết của sự thay đổi tần số vào trong điều khiển động cơ điện dựa vào biểu thức:
1 0 2 f p = (1-s) trong đó: s - hệ số trượt;
f1 - tần số của nguồn điện cấp vào stato; - tốc độ góc của động cơ;
0 - tốc độ góc của từ trường quay ; p - số đôi cực của động cơ.
Từ đó nhận thấy khi thay đổi tần số của điện áp cấp vào stato sẽ làm cho tốc độ 0 và thay đổi.
Xét ảnh hưởng của tần số đến đặc tính cơ của động cơ khơng đồng bộ (ĐCKĐB), nếu bỏ qua tổn hao điện áp U1 0 thì lúc đó:
U1 E1=kf1
Từ đó có thể nhận thấy rằng, nếu thay đổi tần số f1 mà vẫn giữ nguyên điện áp U1 thì từ thơng của động cơ thay đổi:
+ Nếu giảm f1 so với định mức thì từ thơng phải tăng lên, mạch từ bị bão hồ, dịng I0 quá lớn, các chỉ tiêu năng lượng của động cơ bị xấu đi và nhiều khi động cơ sẽ bị nóng quá mức.
+ Nếu tăng tần số f1 thì từ thông sẽ giảm xuống, lúc đó mạch từ khơng bão hồ, cịn dịng I2 có thể tăng lên nếu mômen của động cơ không đổi, do vậy trong trường hợp này cuộn dây bị nóng, cịn lõi thép bị non tải
làm cho khả năng quá tải của động cơ bị giảm xuống.
Để tận dụng động cơ một cách tốt nhất khi thay đổi tần số f1 phải làm
cho từ thông của động cơ không thay đổi và bằng từ thông định mức của động cơ. Muốn đạt được điều đó, khi điều chỉnh f1 cần phải thay đổi cả U1 theo các luật điều khiển.
Luật biến thiên của U1 theo tần số thường được dựa trên điều kiện đảm bảo khả năng quá tải của ĐCKĐB không thay đổi:
Khi bỏ qua tổn hao điện áp thì:
Trong đó:
U1 - điện áp pha đặt trên stato; xnm - điện kháng ngắn mạch. Mặt khác lại có: 1 0 2 f p 1 2 nm nm x f L Từ đó có: trong đó: 32 8 nm p C L
Từ đó nhận thấy nếu bỏ qua U1 thì mơmen tới hạn tỷ lệ thuận với bình phương điện áp U1 và tỷ lệ nghịch với bình phương với tần số dòng stato f1. Ứng với tần số f1i, động cơ sẽ quay với tốc độ i tương ứng với hệ số quá tải là:
2 1 2 1 thi i ci i ci M U C i M f M const M M c th nm th x U M 0 2 1 2 3 2 1 2 1 f CU Mth
trong đó: U1i - điện áp pha ứng với tần số f1i; Mc(i) - mômen cản ứng với tốc độ i. Ứng với trạng thái định mức f1=f1đm thì hệ số quá tải:
2 1 2 1 th dm dm c dm cdm M U C M f M
Để giữ hệ số quá tải của động cơ không đổi khi thay đổi f1 thì:
2 2 1 1 2 2 1 1 i dm i dm i ci dm cdm U U f M f M Hay: 2 2 1 1 2 2 1 1 i i ci dm dm cdm U f M U f M
Từ đây sẽ tìm được luật biến đổi của điện áp theo tần số: 1 1 1 1 c dm dm cdm M U f U f M trong đó:
U1, Mc - giá trị điện áp và mômen ứng với tần số f1 đã được điều chỉnh; U1dm, Mcdm - giá trị điện áp và mômen ứng với tần số fdm của lưới điện đấu vào động cơ.
Trong hệ tương đối:
Mômen cản của máy sản xuất được biểu diễn bởi cơng thức thực nghiệm:
trong đó: a - hệ số đặc trưng cho phụ tải. Trong hệ tương đối:
Thay vào trên ta có:
* * 1 * 1 f Mc U a dm co dm co c M M M M ) ( * 1 * * * ) 1 ( M f M Mc co co a co co M f M f U1* 1* * (1 * ) 1*
Cấu trúc kinh điển của một hệ truyền động điện dùng biến tần điều khiển động cơ.
Hình 3.17. Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bằng biến tần
trong đó: Z - tiến hiệu đặt;
R - bộ điều chỉnh tốc độ; RI - bộ điều chỉnh dòng điện; BT - biến tần.
Có thể phân ra 3 loại biến tần:
- Biến tần trực tiếp: là biến tần có tần số đầu ra luôn nhỏ hơn tần số f1
của lưới thường dùng cho hệ truyền động công suất lớn.
- Biến tần gián tiếp (trung gian): thường dùng cho hệ điều khiển nhiều
động cơ.
- Biến tần có nghịch lưu độc lập nguồn dịng: thích hợp cho điều khiển
có đảo chiều, cơng suất lớn.
Hiện nay ở các công ty than để điều khiển tốc độ cho động cơ bằng biến tần thì loại biến tần phù hợp nhất là biến tần trung gian với nguyên lý làm việc chung khá đơn giản: nguồn điện xoay chiều 3 pha được chỉnh lưu thành nguồn điện một chiều, sau đó điện áp một chiều này được biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng thông qua hệ IGBT bằng phương
R RI SI Z KI K BT FT §C
pháp điều chế độ rộng xung PWM.
Sơ đồ cấu trúc của biến tần trung gian được thể hiện ở hình 3.19.
Hình 3.18. Sơ đồ cấu trúc biến tần trung gian
Hình 3.19. Sơ đồ điều khiển biến tần trung gian
Yêu cầu chung của hệ điều chỉnh tần số là giữ cho khả năng quá tải và độ cứng cơ khơng đổi suốt trong tồn bộ giải điều chỉnh tốc độ. Để đảm bảo
điều kiện động cơ không bị quá tải về mạch điện cũng như mạch từ thì khi điều chỉnh tần số phải tuân theo một số luật nhất định và thường có có 3 luật chính để điều chỉnh tần số của động cơ như sau:
- Luật điều chỉnh tần số - điện áp theo khả năng quá tải; - Luật điều chỉnh từ thông không đổi;
- Luật điều chỉnh tần số nguồn dòng.
Khi sử dụng biến tần vào trong mỏ để điều chỉnh tốc độ của động cơ, tuỳ thuộc vào tính chất của mômen cản (mômen cản thay đổi theo tốc độ hoặc khơng đổi theo tốc độ) sẽ tìm một luật điều khiển tối ưu cho động cơ cần điều khiển.
3.3.2 Nguyên lý tiết kiệm điện năng khi sử dụng biến tần
Công suất đầu ra trên trục động cơ: P2 = M. Hệ làm việc ổn định khi:
M = Mc P2 = Mc. trong đó: M - mơmen do động cơ sinh ra;
- tốc độ của động cơ. Mc - mômen cản.
Hình 3.20. Đặc tính cơ của ĐCKĐB ba pha điều khiển bằng biến tần khi mômen cản không thay đổi theo tốc độ
M A B C B 0 f®m 1 f Mc1 Mc2 C
Nếu khơng sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ của động cơ thì cơng suất cơ trên trục của động cơ tỷ lệ với mômen cản (P2 = Mc. ).
Khi sử dụng biến tần vào điều chỉnh tốc độ động cơ thì cơng suất cơ trên trục không những thay đổi theo mơmen cản mà cịn thay đổi theo tốc độ được điều chỉnh:
P2BT = Mc. BT
trong đó: BT - tốc độ thay đổi khi sử dụng biến tần Tỷ số công suất cơ trên trục động cơ:
Nếu giả thiết hiệu suất của động cơ (=BT) là khơng thay đổi khi có sử dụng hoặc khơng sử dụng biến tần thì động cơ tiêu thụ một cơng suất từ lưới điện trong hai trường hợp là ( ):
Như vậy nếu sử dụng biến tần điều khiển tốc độ động cơ (dưới tốc độ) thì sẽ giảm được cơng suất tiêu thụ từ lưới điện so với khi không sử dụng biến tần theo tỷ số .
3.3.2. Ứng dụng thiết bị điều khiển mới cho hệ truyền động băng tải
3.3.2.1. Đặc điểm của băng tải
Băng tải cũng là những thiết bị có cơng suất và số lượng lớn trong dây chuyền sàng tuyển than Công ty than Quang Hanh - TKV. Qua việc khảo sát cho thấy băng tải sử dụng cấp điện áp 380 V đều được truyền động bằng động cơ xoay chiều rơ to lồng sóc, và được khởi động trực tiếp qua các khởi động từ. Các băng tải ở dây chuyền sàng tuyển than Công ty than Quang Hanh - TKV thường chạy non tải và gián đoạn hoặc đơi khi có thể chạy khơng tải, do đặc điểm công nghệ tuyển than một số băng tải vận hành trong chế độ ngắt
BT BT BT BT P P P P 2 2 2 2 1 1 P P BT BT P P1 1 BT
quãng, thường xuyên phải khởi động và hãm.
3.3.2.2. Ứng dụng bộ biến tần để điều khiển cho băng tải
Biện pháp để tiết kiệm điện năng (giảm tổn thất điện năng) được áp dụng cho băng tải là cung cấp cho động cơ qua bộ biến đổi điện áp và tần số. Việc sử dụng thiết bị tự động ghi nhận tải của động cơ để tự động điều chỉnh điện áp và tần số dòng điện cung cấp cho động cơ sẽ luôn luôn tạo ra được chế độ làm việc định mức có hiệu suất định mức (đm) và hệ số công suất định mức (cosđm) tương ứng với công suất tải (Pt). Như vậy với giải pháp này việc tiết kiệm điện năng là do giảm được đồng thời tổn thất công suất tác dụng trong động cơ và giảm được tổn thất công suất tác dụng trong lưới điện.
Tổn thất công suất tác dụng do động cơ mang tải Pt< Pđm được xác định Pt = (1- t).Pt + kkt.Pt.tgt
trong đó:
t - hiệu suất của động cơ ứng với tải Pt;
tgt được xác định từ hệ số công suất cost ứng với tải Pt của động cơ; kkt - đương lượng kinh tế của hệ thống điện.
Tổn thất công suất tác dụng khi động cơ được cung cấp qua bộ biến tần:
Pđm = (1- đm).Pt + kkt.Pt.tgđm
Vì đm>t, tgt> tgđm (do cost< cosđm) nên ứng với một giá trị tải Pt, lượng tổn thất công suất tác dụng tiết kiệm được:
P = Pt - Pđm = Pt.[(đm - t + kkt (tgt - tgđm)]
Theo sự thay đổi hiệu suất và hệ số công suất cos theo hệ số mang tải động cơ dm t t P P k của các động cơ.
Xét một động cơ dẫn động cho băng tải cụm sàng số1 ở Công ty than Quang Hanh - TKV:
* Động cơ Băng tải có Pđm = 30kW, cosφdm = 0,89, hiệu suất ηdm =86%, làm việc với kt = 0,7.
Lượng giảm tổn thất công suất tác dụng khi sử dụng biến tần để điều khiển động cơ và khi không sử dụng biến tần được xác định như sau:
Thay: cosφtt = 0,75 → tagφtt= 0,88; cosφdm = 0,89 →tagφdm = 0,51, kkt = 0,12 vào cơng thức trên có:
= 0,7.30.[0,89-0,8+0,12(0,88-0,51)]= 2,82kW
Nếu động cơ làm việc 5.000 giờ/năm thì lượng điện năng tiết kiệm được là W = P.T = 2,82.5000 = 14100 (kWh)
Với đơn giá điện năng hiện nay là: Co = 2000 (đồng/kWh) thì lượng tiền tiết kiệm hàng năm:
C = Co. W = 2000 x 14100 = 28,2(tr.đồng)
Hiện nay các mỏ than trong khu vực đang sử dụng chủ yếu loại biến tần SIEMENS để điều chỉnh tốc độ cho hệ thống tời trục và băng tải chính, vì vậy cũng áp dụng hệ thống biến tần của hãng này cho Công ty than Quang Hanh - TKV.
Bộ biến tần loại hãng SIEMENS tuổi thọ 5 năm để điều khiển băng tải có giá: 65.000.000 đồng.
Như vậy giá mua thiết bị (chi phí đầu tư): V = 65.000.000, đồng Thời gian thu hồi vốn:
năm
Chi phí tiết kiệm được hằng năm:
C= (∆C.Ttc – V))/Ttc= (28,2.5-65)/5= 15,2 (tr.đồng)
Khấu hao của biến tần tính 5 năm do vậy việc đầu tư là có hiệu quả. Tính tốn áp dụng cho các dây chuyền khác trong Công ty than Quang Hanh - TKV sẽ được giá trị kinh tế lớn. Thống kê băng tải dây chuyền tuyển
dm t kt t dm t dm t P P k tg tg P P
than trong Công ty than Quang Hanh - TKV được biểu diễn trong bảng 3.5.
3.3.2.3. Đặc điểm máy nghiền
Máy nghiền là thiết bị có cơng suất lớn nhất trong dây chuyền sàng tuyển than Công ty than Quang Hanh - TKV. Qua việc khảo sát cho thấy máy nghiền bi sử dụng cấp điện áp 380 V đều được truyền động bằng động cơ xoay chiều rơ to lồng sóc, và được khởi động trực tiếp qua các khởi động từ.
Nguyên lý cấu tạo và hoạt động:
+ Máy nghiền bi được cấu tạo bao gồm thùng quay trong có chứa bi thép có kích thước khác nhau, hoạt động quay trịn thơng qua truyền tải bánh răng ngoài. Các vật liệu nghiền được đưa vào thùng nghiền hình trụ, thùng quay với tốc độ 4-20 vòng/phút, tốc độ quay nhanh chậm tùy thuộc vào đường kính thùng nghiền, với thùng nghiền có đường kính lớn sẽ cho tốc độ chậm hơn so với thùng có đường kính nhỏ. Khi thùng quay, lực ly tâm được tạo ra, vật liệu nghiền và bi trong thùng được đưa lên độ nhất định, dưới tác động của trọng lực sẽ rơi xuống tự do, các bi rơi tự do va đập vào vật liệu nghiền làm chúng bị vỡ vụn.
+ Kết quả của quá trình xảy ra liên tục là thanh được được nghiền các kích cỡ khác nhau. Nếu thùng nghiền có tốc độ quay quá lớn, lực ly tâm lớn được tạo ra và các bi nghiền cùng than bị văng cuốn theo thành thùng mà khơng bị rơi xuống do đó khơng xảy ra q trình va đập, tốc độ xẩy ra quá trình như vậy gọi là “tốc độ tới hạn”. Để đảm bảo hiệu quả và tốc độ nghiền, tốc độ quay của máy nghiền bi thường vào khoảng 65-75% tốc độ tới hạn.