0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 14:05:34 14:06:43 14:07:52 14:09:01 14:10:11 14:11:20 14:12:29
Công suất tiêu thụ tác dụng (kW)
.000 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 14:05:34 14:06:43 14:07:52 14:09:01 14:10:11 14:11:20 14:12:29
Hình 2.15 Hệ số tiêu thụ công suất của tời SJ-1600 khi kéo tải
Sau khi kéo goong tải lên, tời tiếp tục thả goongtừ mặt bằng +17 xuống mức -80. Tương tự, tác giả cũng đo đạt thực nghiệm cho lần hạ tải, đồ thị biểu diễn sự tiêu thụ công suất của tời SJ-1600 khi thực hiện chức năng thả tải như trên hình 2.16 và 2.17 và đồ thị hệ số cơng suất tiêu thụ cho trên hình 2.18.
Từ quá trình khảo sát và đo kiểm nhận thấy trong quá trình thả tải tời làm việc ở chế độ hãm. Thời gian thực tế tiến hành quá trì thả tải là 4 phút 20 giây. Các thơng số đo đạt thực tế thả tải thứ nhất được cho trong Phụ lục 4. Quá trình hạ tải đo đạt được:
Ptb = 2.86 kW, Qtb=4.5 kVAr, Stb = 5.34 kVA, costb = 0,54
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 14:05:34 14:06:43 14:07:52 14:09:01 14:10:11 14:11:20 14:12:29
Hình 2.16 Cơng suất tác dụng tiêu thụ của tời SJ-1600 khi thả tải
Hình 2.17 Cơng suất phản kháng tiêu thụ của tời SJ-1600 khi thả tải
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 14:39:33 14:40:42 14:41:51 14:43:00 14:44:10
Công suất tác dụng tiêu thụ (kW)
.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 14:39:33 14:40:42 14:41:51 14:43:00 14:44:10
Hình 2. 18 Hệ số cơng suất tiêu thụ của tời SJ-1600
Tiến hành đo đạt cho các lần khác, các kết quả đo đạt thực nghiệm được cho trên bảng
Bảng 2.3 Kết quả đo thực nghiệm sau 3 chu kỳ đo liên tiếp
TT Quá trình Ptb(kW) Qtb(kVAr) costb Thời gian ĐNTT (kWh)
Lần 1 Kéo tải 147.20 141.88 0.72 6’40’’ 16.36 Thả tải 2.86 4.49 0.54 4’20’’ 0.21 Lần 2 Kéo tải 168.30 90.84 0.88 7’20’’ 20.57 Thả tải 3.01 5.08 0.51 4’10’’ 0.21 Lần 3 Kéo tải 156.60 105.24 0.83 6’30 16.97 Thả tải 3.80 6.95 0.48 7’05’’ 0.45
Tổng điện năng tiêu thụ 54.75
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 14:39:33 14:40:42 14:41:51 14:43:00 14:44:10
Bảng 2.4Kết quả đo kiểm trên giàn điện trở xả khi tời thả tải
TT Kết quả đo trên giàn điện trở xả
Pmin (kW) Pmax (kW) Ptb (kW)
Lần 1 0 10.11 4.5
Lần 2 0 9.95 5.02
Lần 3 0 12.35 6.31
Qua 3 chu kỳ kéo và thả tải của hệ thống tời SJ-1600 này, ta thấy tổng điện năng tiêu thụ là: 54.75 kWh. Trong đó, tổng điện năng tiêu thụ trong quá trình thả tải là: 0.21 + 0.21 + 0.45 = 0.87 kWh chiếm 1.6 %. Trong khi đó tổng điện năng tiêu thụ trong quá trình kéo tải của 3 chu kỳ nói trên chiếm đến 98.4%. Điều đó chứng tỏ rằng q trì thả tải điện năng tiêu thụ là khơng đáng kể. Cả q trình thả tải động cơ làm việc chủ yế ở chế độ hãm, động cơ làm việc như là máy phát điện.
2.3 Nhận xét
Tời được sử dụng trong Công ty than Mạo Khê-TKV phục vụ hỗ trợ người đi bộ, vận tải người và hàng hóa. Các loại tời này hoạt động ở các vị trí khác nhau như trong lị, ngồi mặt bằng, trong các khu vực giếng được đầu tư khá lâu, có kết cấu tương đồng cả về mặt cơ khí lẫn điều khiển.
Nhằm phục vụ tốt cho vận hành, một số tời đã được trang bị camera giám sát tại đầu và chân trục, hình ảnh được đưa lên màn hình theo dõi tại phòng điều khiển; các bộ phận phát tín hiệu như chng hoặc bộ đàm để liên lạc trong quá trình vận hành. Trên bàn điều khiển có đồng hồ hiển thị các thơng số như điện áp, dịng điện, tốc độ …
Kết quả phân tích số liệu hoạt động đối với các loại tời có thể rút ra một số nhận xét như sau:
và đoạn cuối của trục tải, đoạn giữa phụ thuộc hoàn toàn vào người điều khiển. Tuy nhiên, với điều kiện cụ thể của mỗi trục tải thì biểu đồ tốc độ ở nhiều đoạn hành trình cũng khác nhau và thấp hơn tốc độ theo quy định. Vì vậy, để đảm bảo an tồn thì tốc độ hệ thống điều khiển cần phải được khống chế tự động theo điều kiện cụ thể của từng trục tải, hạn chế lỗi quá tốc độ do phụ thuộc hoàn toàn vào người vận hành.
- Đối với hệ thống tời thủy lực, là loại tời phịng nổ do đó có thể hoạt động ở ngồi mặt bằng cũng như trong lị. Đặc điểm của tời loại này là trong q trình thả tải, do khơng có liên kết cơ đối với tang tời, vì vậy khi thả tải động cơ vẫn tiêu thụ công suất lớn, đồng thời hệ số công suất khơng cao. Vì vậy, chỉ nên dùng tời thủy lực ở những vị trí thực sự cần thiết.
- Đối với động cơ roto dây quấn, điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto còn tồn tại nhiều nhược điểm, nên cần thay thế bằng các động cơ lồng sóc điều khiển bằng biến tần.
Nhược điểm khi dùng động cơ dây quấn:
- Phạm vi điều chỉnh hẹp, phụ thuộc vào số cấp điện trở.
- Hệ số công suất thấp, độ bền giảm.
- Tiêu thụ điện năng lớn cả hai chế độ kéo và thả tải.
Điều khiển động cơ roto lồng sóc bằng biến tần có ưu điểm:
- Phạm vi điều chỉnh rộng, tốc độ có thể thay đổi linh hoạt
- Thiết bị khởi động êm, khơng có hiện tượng sốc cơ khí, từ đó nâng cao tuổi thọ.
- Tiết kiệm năng lượng, vận hành đơn giản, giảm thời gian và chi phí bảo dưỡng.
- Hệ số công suất cao.
- Tiêu thụ điện rất nhỏ ở chế độ thả tải, đồng thời ở chế độ này điện năng đốt trên giàn điện trở xả tương đối lớn. Do đó, cần tận dụng nguồn năng lượng này nghịch lưu trả điện về lưới
Chương 3
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TỜI TRỤC MỎ
3.1 Nghiên cứu một số phương pháp điều khiển tời trục hiện nay
Hệ thống tời trục mỏ hiện nay đang sử dụng hệ truyền động dùng động cơ không đồng bộ roto dây quấn và roto lồng sóc. Ưu điểm của hai loại động cơ này là đơn giản, chắc chắn, rẻ và làm việc được ở nhiều môi trường khác nhau.
Trước những năm 90 thế kỷ trước, đối với tời trục mỏ tỷ lệ sử dụng động cơ khơng đồng bộ roto lồng sóc là rất nhỏ do việc điều khiển tốc độ gặp nhiều khó khăn. Do đó, các hệ thống tời phần lớn là dùng động cơ không đồng bộ roto dây quấn, điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto. Đây là phương pháp điều khiển kinh điển và được áp dụng rộng rãi trong ngành than cũng như các hệ truyền động có cấu tạo tương tự. Tuy nhiên, phương pháp này có nhiều nhược điểm như phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp, thay đổi tốc độ theo cấp vì vậy có hiện tượng giật cục khơng trơn, độ trễ cao, tiêu thụ điện năng lớn…
Hiện nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cho phép giải quyết các thuật tốn phức tạp điều khiển động cơ khơng đồng bộ. Với sự hồn thiện của thiết bị điện tử cơng suất như sự ra đời của Tiristor (1960), Tiristor khoá bằng cực điều khiển GTO (1970), Tranzitor MOS công suất (1980), Tranzitor lưỡng cực IGBT (1990) với các ưu điểm chuyển mạch nhanh, chắc chắn, hiệu suất cao, độ tin cậy cao, nên ngày nay các bộ biến đổi điện tử công suất như khởi động mềm, biến tần được sử dụng ngày càng phổ biến.
3.1.1 Phương pháp điều khiển động cơ roto dây quấn
Đối với động cơ khơng đồng bộ roto dây quấn thì việc khởi động động cơ khơng thể đóng điện trực tiếp vào nguồn điện được vì dịng q lớn sẽ làm hỏng động cơ. Vì vậy khi khởi động động cơ, phải tìm cách để giảm dịng điện khởi động.
Giải pháp được coi là kinh điển và vẫn còn áp dụng trong sản xuất hiện nay là mắc thêm điện trở phụ vào mạch rôto trong q trình khởi động,sau đó loại từng cấp điện trở ra để động cơ chạy ổn định trên đường đặc tính tự nhiên.Sơ đồ nguyên lý và họ đặc tính khi khởi động như hình 3.1.
Hình 3.1Sơ đồ ngun lý và đặc tính khởi độngđộng cơ rơto dây quấn
Q trình khởi động của động cơ không đồng bộ rôto dây quấn như sau:
Khi bắt đầu khởi động, đầu tiên ta đóng điện cho động cơ, đồng thời các tiếp điểm của các công tắc tơ 1G, 2G, 3G, 4G phải mở, lúc đó động cơ khởi động với tồn bộ điện trở phụ trong mạch rơto:
Động cơ bắt đầu khởi động tại điểm 1,tốc độ động cơ tăng lên đến điểm 2, ta cắt cấp điện trở khởi động đầu tiên (đóng 1G) và theo quán tính động cơ chuyển sang làm việc tại điểm 3,điện trở còn lại là:
Động cơ tiếp tục tăng tốc đến điểm 4, ta cắt cấp điện trở tiếp theo (đóng 2G) động cơ chuyển sang làm việc tại điểm 5,điện trở còn lại là:
Động cơ tiếp tục tăng tốc đến điểm 6, ta cắt cấp điện trở tiếp theo (đóng 3G) động cơ chuyển sang làm việc tại điểm 7,điện trở còn lại là:
Động cơ tăng tốc lên làm việc tại điểm 8. Tại đây ta cắt cấp điện trở khởi động cuối cùng ra khỏi mạch rơto (đóng 4G),loại tồn bộ 4 cấp điện trở khởi động ra khỏi mach roto,động cơ chuyển sang làm việc tại điểm 9 trên đường đặc tính tự nhiên và tiếp tục tăng tốc, cuối cùng làm việc ổn định tại điểm A trên đường đặc tính tự nhiên.Q trình khởi động kết thúc, động cơ nâng tải chuyển động đều lên trên.Tương tự như vậy, khi tời hạ tải các điện trở phụ được đưa vào mạch roto để để làm giảm tốc độ và dừng hẳn bằng phanh cơ khí.
Phương pháp này thay đổi tốc độ động cơ theo yêu cầu, tuy nhiên tại các thời điểm đưa điện trở phụ vào, thiết bị có mức tiêu thụ điện năng nhiều hơn (hình 3.2). Ngồi ra hệ thống cịn một số nhược điểm khác như:
+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp do phụ thuộc vào số cấp điện trở phụ. + Điều chỉnh tốc độ không êm và số cấp tốc độ bị hạn chế.
+ Gây tổn thất năng lượng lớn (do đấu thêm điện trở phụ). + Phạm vi điều chỉnh hẹp, phụ thuộc vào số cấp điện trở. + Hệ số công suất thấp, độ bền giảm.
+ Chi phí sửa chữa, bảo dưỡng tốn kém do thường xuyên thay thế chổi than, đồng thời một số thiết bị sửa chữa, thay thế khó khăn do khơng cịn sản xuất (các bộ khuyếch đại từ và rơle từ).
3.1.2 Phương pháp điều khiển động cơ roto lồng sóc
Hiện nay, để điều khiển cho động cơ tời tại mỏ than Mạo Khê đang sử dụng biến tần gián tiếp dùng chỉnh lưu điều khiển.
Về cơ bản cấu trúc chung của hệ biến tần có ba khâu chính: Chỉnh lưu, lọc và nghịch lưu như hình 3.2.
Hình 3.2Sơ đồ cấu trúc cơ bản của hệ biến tần
- Chỉnh lưu:Điện áp xoay chiều lưới điện (U1, f1) được biến đổi thành điện áp một chiều có điều chỉnh nhờ chỉnh lưu điều khiển Thyristor,
- Lọc: Có thể là bộ lọc điện dung hoặc điện cảm phụ thuộc vào
dạng nghịch lưu yêu cầu.
- Nghịch lưu: khối nghịch lưu có thể sử dụng các Thyristor hoặc
transistor để nghịch lưu điện áp một chiều, thành điện áp xoay chiều (U2, f2) có điện áp và tần số biến đổi.
Nguyên lý làm việc:
Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều được chỉnh lưu và lọc thành nguồn một chiều bằng phẳng,công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Do đó, hệ số cơng suất cosφ của hệ biến tần có giá trị khơng
phụ thuộc vào tải, điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng, được thực hiện thông qua hệ IGBT.
Cơ sở lý thuyết điều khiển biến tần dựa vào biểu thức:
trong đó:s- Hệ số trượt; f1- Tần số của lưới điện;ω- Tốc độ góc của động cơ; ω0- Tốc độ góc của từ trường quay; P- Số đơi cực từ
Từ biểu thức tính tốc độ góc của động cơ nhận thấy, khi thay đổi tần số của điện áp cấp vào sẽ thay đổi tốc độ động cơ.
Xét ảnh hưởngcủa tần số đến đặc tínhcơ của động cơ không đồng bộ, nếu bỏ qua tổn hao điện áp (ΔU1=0) thì lúc đó: U1≈E1≈k.Ф.f1. Do đó khi thay đổi tần số f1 mà vẫn giữ nguyên giá trị điện áp U1 thì từ thơng Ф của động cơ sẽ thay đổi:
- Nếu f1 giảm so với định mức thì từ thơng Ф phải tăng lên, dẫn tới mạch từ bị bão hòa, các chỉ tiêu năng lượng của động cơ bị xấu đi và động cơ có thể nóng quá mức.
- Nếu f1 tăng hơn so với định mức thì từ thơng Ф sẽ bị giảm xuống, lúc đó mạch từ khơng bão hịa, dịng I2 có thể tăng lên nếu moomen của động cơ không đổi, do vậy 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.
Như vậy, để động cơ hoạt động 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 luật điều khiển.
Luật điều khiển biến thiên của U1 theo tần số thường được dựa trên điều kiện đảm bảo khả năng quá tải của động cơ không đồng bộ không thay đổi:
Khi bỏ qua tổn hao điện áp thì:
trong đó:
U1- Điện áp đặt trên Stato Xnm- Điện kháng ngắn mạch Mặt khác lại có:
Thay vào cơng thức tính Mthta có:
Với:
Từ đó nhận thấy, nếu bỏ qua ΔU1 thì mơ men tới hạn tỷ lệ thuận với bình phương điện áp U1 và tỷ lệ nghịch với bình phương tần số dịng stato f1. Ứng với tần số f1i, động cơ sẽ quay với tốc độ ωi tương ứng với hệ số quá tải là: trong đó:
U1i-Điện áp pha ứng với tần số f1i Mc(ωi)-Mơ men cản ứng với tốc độ ωi
Ứng với trạng thái định mức f1=f1đm thì hệ số quá tải:
Để giữ hệ số quá tải của động cơ khơng đổi khi thay đổi f1 thì: Hay:
Từ đây tìm được quy luật biến đổi của điện áp theo tần số:
√
trong đó:
U1,Mc-Giá trị điện áp và mơ men ứng với tần số f1 đã được điều chỉnh. U1đm, Mcđm- Giá trị điện áp và mô men ứng với tần số fđm của lưới điện và động cơ.
Do đó, tìm được luật điều khiển biến tần cho các động cơ khơng đồng bộ roto lồng sóc, việc điều khiển tốc độ động cơ rất dễ dàng.
3.2. Đề xuất một số giải pháp tiết kiệm năng lượng cho tời trục 3.2.1.Giải pháp lắp thiết bị nghịch lưu trả điện về lưới 3.2.1.Giải pháp lắp thiết bị nghịch lưu trả điện về lưới
Theo phân tích trong chương 2, trong quá trình thả tải, năng lượng phát ra được đốt trên giàn trở xả. Phụ thuộc vào mức chênh cao, năng lượng tiêu thụ trên giàn điện trở xả là khác nhau.
Kết quả đo năng lượng tiêu thụ trên giàn điện trở xả đối với hệ thống tời SJ - 1600 và hệ thống tời JK2.5x2.0P mặt bằng +17 Công ty than Mạo Khê- TKV:
* Hệ thống tời JK2.5x2.0P
Kết quả đo kiểm trên giàn điện trở phụ:Công suất tiêu thụ khi tời thả tải (một goong chứa vì chống gỗ) từ mặt bằng +17 xuống mức -150 dao động trong khoảng P=0÷ 21,81 kW; Cơng suất trung bình Ptb= 10,03 kW, trong thời gian thả tải t = 5 phút, tương ứng mức tiêu thụ điện năng trên giàn trở xả là A=0,84kWh. Tương tự như vậy, đối với quá trình thả tải khác kết quả đo kiểm được tổng hợp trong bảng 3.1.