Chương 3. Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng của Công ty Cổ phần than Cọc Sáu - TKV
3.4. Ứng dụng hệ truyền động điện tử cộng suất
Các hệ truyền động của máy xúc, máy khoan, băng tải, bơm nước.v.v..
là thiết bị sử dụng điện năng rất lớn, thường xuyên khởi động và hãm. Nhằm mục đích giảm thiểu điện năng, nâng cao chất lượng điều khiển cần hoàn thiện các hệ điều khiển truyền động điện.
Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử công suất đã cho phép ứng dụng các hệ truyền động động cơ điện xoay chiều với các tính năng điều chỉnh cao, đó là các bộ khởi động mềm (tổn hao năng lượng thấp) áp dụng cho động cơ băng tải, máy nén khí và đặc biệt là các bộ điều chỉnh công suất (bộ biến tần) sử dụng cho máy khoan, máy xúc, băng tải.
So với phương pháp truyền thống điều khiển công suất máy điện quay dùng cuộn kháng hay điện trở thì các bộ biến đổi van bán dẫn trên thực tế gây tổn hao điện năng nhỏ hơn rất nhiều, với chất lượng điều chỉnh cao hơn và chi phí sử dụng thấp hơn.
Tại Ba Lan các mỏ từ đầu những năm 1990 đã bắt đầu sử dụng các hệ truyền động - điều khiển động cơ bằng điện tử công suất cho các băng tải, máy nén khí, máy xúc ví dụ như các hệ dòng APSF, áp dụng cho dải công suất rộng với các thông số nêu trong bảng dưới đây:
Bảng 3.5 Thông số biến tần APSF sử dụng ở các mỏ của Ba Lan
Loại bộ Công
suất, kW
Điện áp, kV
Điện áp ra, kV
Tần số ra, Hz
Hiệu suất,
%
APSF-50(0,5) 50 0,5 0,1 0,6 6 60 85
APSF-100(0,5) 100 0,5 0,1 0,6 6 60 85
APSF-250(0,5) 250 0,5 0,1 0,6 6 60 85
APSF-500(1) 500 0,5 0,2 1,2 6 60 90
Tại Liên Xô, Anh, Ucraina từ những năm 1980 đã sản xuất hàng loạt các bộ biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ cho những ứng dụng khác nhau.
Từ những nghiên cứu về tình hình tiến bộ kỹ thuật trên thế giới, trong luận văn này sẽ đánh giá một số khâu ứng dụng biến tần để tiết giảm năng lượng.
3.4.1. 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 ( 2
0 1 0
s P
f
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 không đồng bộ (ĐCKĐB), nếu bỏ qua tổn hao điện áp U1 = 0 thì lúc đó:
U1 E1=k f1
Từ đó có thể nhân thấy rằng, nếu thay đổi tần số f1 mà vẫn giữ nguyên điện áp U1 thì từ thông của động cơ thay đổi:
+ Nếu giảm f1 so với định mức thì từ thông phải tăng lên, mạch từ bị bão hoà, dòng 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 không bão hoà, còn dòng I2 có thể tăng lên nếu mômen của động cơ không đổi, do vậy trong trường hợp này cuộn dây bị nóng, còn 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:
const M
M
c th
Khi bỏ qua tổn hao điện áp thì:
nm
th x
M U
0 2 1
2 3
trong đó:
U1 - điện áp pha đặt trên stato;
xnm - điện kháng ngắn mạch.
Mặt khác lại có:
P f1
0
2
nm
nm f L
x 2 1
Từ đó có:
2 1
2 1
f Mth CU
trong đó:
Lnm
C 2P 8
3
Từ đó nhận nếu bỏ qua U1 thì mômen 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:
) ( )
( 12
2 1
i c i
i i
c thi
i f M
C U M
M
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:
) ( )
( 12
2 1
dm c dm
dm dm
c th
dm f M
C U M
M
Để giữ hệ số quá tải của động cơ không đổi khi thay đổi f1 thì:
) ( )
( 12
2 1 2
1 2 1
dm c dm
dm i
c i
i dm
i f M
U M
f U
Hay:
) (
) (
2 1
2 1 2
1 2 1
dm c
i c dm
i dm
i
M M f
f U
U
Từ đây sẽ tìm được luật biến đổi của điện áp theo tần số:
cdm c dm
dm M
M f
f U
U ( )
1 1 1
1
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:
*
* 1
*
1 f Mc
U
Mômen cản của máy sản xuất được biểu diễn bởi công thức thực nghiệm:
a
dm co dm co
c M M M
M ( )
trong đó: a – hệ số đặc trưng cho phụ tải.
Trong hệ tương đối:
* 1
*
*
* M (1 M )f
Mc co co
Thay vào trên ta có:
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.
R RI SI Z
KI K
BT
FT §C
Hình 3.7 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 truyền động nhiều động cơ.
- Biến tần có nghịch lưu độc lập nguồn dòng: Thích hợp cho truyền động đảo chiều, công suất lớn.
Yêu cầu chung của hệ điều chỉnh tần số là giữ cho khả năng quá tải và độ cứng cơ không đổi suốt trong toàn 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 không đổi theo tốc độ) sẽ tìm một luật điều khiển tối ưu cho động cơ cần điều khiển.
3.4.2 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 – mômen do động cơ sinh ra;
- tốc độ của động cơ.
Mc – mômen cản.
M
B A
C B 0
f®m
f1
Mc1
Mc2
C
Hình 3.8 Đặc cơ của ĐCKĐB ba pha khi điều khiển bằng biến tần khi mômen cản không thay đổi theo tốc độ
Nếu không sử dụng biến tần để điều khiển tốc độ của động cơ thì công 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 công suất cơ trên trục không những thay đổi theo mômen cản mà còn 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:
BT BT
BT
BT P P
P P
2 2 2
2
Nếu giả thiết hiệu suất của động cơ ( = BT) là không thay đổi khi có sử dụng hoặc không sử dụng biến tần thì động cơ tiêu thụ một công suất từ lưới điện trong hai trường hợp là (P1 P1 ):
BT
BT P
P1 1
Như vậy nếu sử dụng biến tần điều khiển tốc độ động cơ (dưới tốc độ) thì sẽ giảm được công suất tiêu thụ từ lưới điện so với khi không sử dụng biến tần theo tỷ số BT .
3.4.3 Đánh giá hiệu quả kinh tế khi sử dụng biến tần ở tuyến băng tải và sàng tuyển.
Hiện nay, để điều khiển tốc độ động cơ bằng biến tần thì loại biến tần phù hợp nhất là dùng 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 pháp điều chế độ rộng xung PWM.
Sơ đồ cấu trúc của biến tần trung gian:
Hình 3.9 Sơ đồ điều khiển biến tần trung gian
Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc biến tần trung gian
Hiện nay, mỏ Cọc Sáu có số lượng sử dụng nhiều theo bảng thống kê sau.
Bảng 3.6. Các phân xưởng sử dụng biến tần ở mỏ Cọc Sáu
TT Loại biến tần và công suất tối đa được điều khiển
Hãng sản xuất
Đơn vị
Số lượn
g
Phụ tải
Phân xưởng vận tải 1
Biến tần MCD3450-3pha 380V-450kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 2 Tuyến băng tải than nguyên khai (P=450kW) 2 Biến tần MCD3132-3 pha
380V-132kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 5 Tuyến băng tải than thành phẩm (P=132kW) 3 Biến tần MCD3055-3 pha
380V-55kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 2 Tuyến băng tải than thành phẩm (P=55kW) Phân xưởng cảng Cầu 20
1 Biến tần MCD3132-3 pha 380V-132kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 2 Tuyến băng tải than thành phẩm (P=132kW) 2 Biến tần MCD3055-3 pha
380V-55kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 1 Băng cào thành phẩm (P=55kW) 3 Biến tần MCD3015-3 pha
380V-15kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 1 Băng cào thành phẩm (P=11kW) Phân xưởng sàng I
1 Biến tần MCD3015-3 pha 380V-15kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 1 Tuyến băng tải than nguyên khai (P=55kW) 2 Biến tần MCD3015-3 pha
380V-15kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 2 Tuyến băng tải than nguyên khai (P=45kW) 3 Biến tần MCD3015-3 pha
380V-15kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 2 Băng cào thành phẩm (P=37kW) Phân xưởng sàng II
1 Biến tần MCD3045-3 pha 380V-45kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 4 Máy sàng phân loại đá (P=45kW)
2 Biến tần MCD3037-3 pha 380V-37kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 5 Máy sàng phân loại than cục (P=37kW) 3 Biến tần MCD3022-3 pha
380V-22kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 4 Máy cấp liệu (P=22kW) Phân xưởng tuyển 10-10
1 Biến tần 3 pha 380V-22kW Simen 2 Máy tuyển huyền phù (P=22kW) 2 Biến tần MCD3007-3 pha
380V-7,5kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 2 Máy khuấy (P=7,5kW) 3 Biến tần MCD3015-3 pha
380V-15kW
Danfoss
Đan Mạch Cái 1 Máy lắng (P=11kW) Ví dụ về mô hình điều khiển hệ thống băng tải đi ga B được thể hiện ở hình 3.11.
MCL-1 MCL-2 MCL-3
BCL-1 BCL-2 BCL-3
Sàng-1 Sàng-2 Sàng-3
B.Cám-1 B.Cám-2
B.Cám-3
B.Cám-4
B.Cám-5 B.Cám-6
B.Cám-7
B.Cám-8
B.Bã-1 B.Bã-2
B.Nhặt-1 B.Nhặt-2
B.Côc-1 B.Côc-2
M M
M
M
M
M
M
M
M
M M M M
M M
M
M
M M
M
M M
M
M Động cơ
Chòi số 1Chòi số 2Chòi số 3
Hình 3.11 Sơ đồ hệ thống sàng và tuyến băng tải đi ga B
Hiện tại mỏ Cọc Sáu sử dụng chủ yếu loại biến tần Danfoss của Đan Mạch có dãy công suất đến 500 kW và có các tính chất rất phù hợp với cộng nghiệp mỏ:
- Cấp bảo vệ IP20 và IP54 (rất phù hợp với điều kiện vận hành trong các môi trường công nghiệp nặng).
- Tất cả đều được thiết kế có bộ lộc nhiễu tần số Radio RFI;
- Dễ dàng lắp đặt, cài đặt và quản lý vận;
- Mômen khởi động lớn, chế dộ Sleep cho phép tiết kiệm năng lượng;
- Các chân vào/ra số, vào/ra tương tự có chức năng lập trình;
- Giao thức truyền thông nối tiếp RS485, cho phép truyền thông với PLC hoặc với máy tính.v.v..
Hình 3.12. Cấu trúc sơ đồ điều khiển hệ thống sàng và tuyến băng tải đi ga B
MCL-1 MCL-2 MCL-3
BCL-3 BCL-2
BCL-1
Sàng-1 Sàng-2 Sàng-3 B.Bã-2 B.Bã-1
B.Nhặt-1 B.Nhặt-2
B.Côc-1 B.Côc-2
B.Cám-1 B.Cám-2 Thiết bị biÕn tÊn
Thiết bị
§iÒu khiÓn Tủ 1
Bàn Điều khiển
Tủ 2 Thiết bị
§iÒu khiÓn Thiết bị
biÕn tÊn
Thiết bị biÕn tÊn
Thiết bị
§iÒu khiÓn Tủ 3
B.Cám-3 B.Cám-4
B.Cám-5 B.Cám-8
B.Cám-7 B.Cám-6
Chòi số 2 Chòi số 3
Chòi số 1
Giả thiết khi động cơ làm việc non tải thì qua khảo sát thực tế với tốc độ cài đặt phù kết quả được thống kê trong bảng 3.7
Bảng 3.7. Quan hệ phụ thuộc công suất theo hệ số tải và tốc độ động cơ
Tên phân Xưởng
Công suất cơ khi không sử dụng biến tần, (kW)
Công suất cơ khi sử dụng biến tần, (kW)
Hệ số mang tải/tốc độ động cơ Hệ số mang tải/tốc độ động cơ
1 0,6 0,2 1 0,6 0,2
đm đm đm đm 0,8 đm 0,5 đm
PX vận tải 1670 1002 334 1670 801,6 167
PX cảng cầu 20 330 198 66 330 158,4 33
PX sàng I 219 131,4 44 219 105 22
PX sàng II 453 272 91 453 217,5 45
IPX tuyển 10-10 70 42 14 70 33,6 7
Tổng 2742 1645 548,5 2742 1316,2 274,2
Chênh lệch công
suất: P= P-PBT 0 329 274,2
Nếu giả thiết trong một ngày vào những giờ ca 3 và vào 2 ngày nghỉ cuối tuần, tốc độ động cơ được điều chỉnh giảm 20% so với định mức, điện năng tiết kiệm được là:
A= P20%.224h/tháng.12tháng=884460 (kWh)
Với đơn giá tiền điện như hiện nay C0=2.000đ/kW thì sau một năm Mỏ Cọc Sáu tiết kiệm được số tiền:
Y= A.C0=884460.2000=1,77.109 (đồng)
Theo số liệu thống kê số lượng và chủng loại biến tần sử dụng và theo đơn giá thị trường thì giá một số loại biến tần Danfoss như sau:
Bảng 3.8. Đơn giá một số loại biến tần Danfoss
TT Mô tả Xuất xứ Đơn vị
Số lượng
Đơn giá Thành tiền (USD) (USD) 1 Biến tần 450 kW Dafoss Bộ 2 26647,34 53294,68 2 Biến tần 132 kW Dafoss Bộ 4 10.061,69 40246,76 3 Biến tần 55 kW Dafoss Bộ 6 6.838,02 41028,12 4 Biến tần 45 kW Dafoss Bộ 4 5.783,40 23133,6 5 Biến tần 37 kW Dafoss Bộ 5 4.724,53 23622,65 6 Biến tần 22 kW Dafoss Bộ 6 3.159,61 18957,66 7 Biến tần 15 kW Dafoss Bộ 7 1.952,00 13664 8 Biến tần 7.5 kW Dafoss Bộ 2 1.441,60 2883,2
Tổng 36 60.608,190 216830,67
Để đầu tư mua tổng số biến tần trên mỏ Cọc Sáu phải chi khoản tiền là 216830(USD).21000=4.553.106 đồng như vậy sau khi lắp đặt và sử dụng chỉ cần 2,5 năm là hoàn vốn
Ngoài ra khi sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ còn có những lợi thế như sau:
a. Hạn chế dòng khởi động nên tiết kiệm được điện năng, làm giảm xung giật cơ học nâng cao tuổi thọ.
b. Với những thiết bị có đặc tính tải thay đổi thường non tải như băng tải, khi ứng dụng biến tần sẽ nâng cao được hệ số công suất cos , do điện áp đặt vào cực của động cơ giảm làm giảm tổn thất điện năng trong lõi sắt từ, tăng hiệu suất sử dụng điện, giảm tổn thất cho lưới khi truyền tải điện.
c. Với những thiết bị như bơm nước, máy nén khí…, biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ cho phù hợp với yêu cầu tải thực tế, giảm được công suất tiêu thụ.
d. Nâng cao khả năng tự động hoá quá trình điều khiển và giám sát.
d. Ngoài ra khi sử dụng biến tần thiết bị còn được bảo vệ thông qua các tổ hợp như sau: Quá tải, ngắn mạch, chạm đất, mất pha.
Với bước đầu áp dụng thành công biến tần vào một số phân xưởng của mỏ Cọc Sáu đã chứng tỏ rằng với sự phát triển nhanh của công nghệ bán dẫn sẽ làm giảm thiểu đáng kể chi phí điện năng. Trong ngành than Việt Nam, có thể có một số các giải pháp cụ thể trước mắt như sau:
- Thay thế ngay các bộ khởi động động cơ đang là cuộn kháng hay điện trở bằng các bộ khởi động mềm có suất tổn hao không lớn.
- Hợp tác với các cơ quan nghiên cứu ứng dụng thay thế dần các hệ truyền động dùng máy điện quay trong các máy xúc bằng các bộ biến đổi bán dẫn công suất và các bộ đóng cắt không tiếp điểm.
Hình3.13. Sơ đồ mô phỏng so sánh khởi dộng bằng biến trở và bằng biến tần
Hình 3.14. Mô hình biến trở khởi động
Hình 3.15. Dòng điện stato khi khởi động bằng biến trở
Hình 3.16. Dòng điện stato khi khởi động bằng biến tần
3.4.3 Sử dụng khởi động mềm và bộ nối tầng van cho các động cơ bơm nước.
3.4.3.1. Sử dụng khởi động mềm
Các động cơ của bơm nước đều có công suất lớn do vậy các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, nguồn cung cấp đều lớn để bảm bảo điều kiện khởi động nặng nề của bơm. Từ đó dẫn đến việc đầu tư lớn về nguồn và hệ thống cung cấp, điều khiển, bảo vệ, nhất là các nguồn phát dự phòng. Do vậy, việc sử dụng bộ khởi động mềm(tăng dần điện áp trong quá trình khởi động để giảm dòng khởi động ban đầu) luôn mang lại hiệu quả cao. Trước hết là làm giảm công suất đặt tối thiểu cho nguồn cung cấp, vốn đầu tư cho nguồn dự phòng, giảm chi phí sử dụng thiết bị đóng cắt, bảo vệ và khởi động
Trước đây, để giảm dòng khởi động thường sử dụng các biện pháp như:
chuyển mạnh đấu Y/ , đóng điện qua cuộn kháng nhiều nấc hay biến áp tự ngẫu, đóng điện qua điện trở…. Các biện pháp này tuy giảm được dòng khởi động nhưng hiệu quả không cao và tồn hao năng lượng vô ích. Ngày nay có thể sử dụng các bộ khởi động mềm điện tử có ưu thế hơn hẳn các biện pháp khởi động nêu trên:
- Cho phép đặt gia tốc khởi động, momen khởi động theo yêu cầu công nghệ một cách chính xác.
- Không có xung, giật trong quá trình khởi động.
- Tiêu hao điện năng ít trong quá trình khởi động.
- Hoạt động tin cậy, kích thước nhỏ gọn.
Các bộ khởi động mềm hiện nay đang áp dụng cho các bơm nước có cấp điện áp 6kV ( 5 bơm có công suất mỗi bơm 710kW)
Sơ đồ nguyên lý bộ khởi động mềm đóng cắt trên cả ba pha được biểu diễn trên hình 3.13
Đóng điện bằng khởi động từ K1 điện áp 3 pha đặt vào các Tiritor công suất Ty1 đến Ty6 và các biến áp đồng bộ Ba1 đến Ba3. Các máy biến áp này đồng thời cũng là biến áp cấp nguồn cho ba mạch tao xung điều khiển cho các cặp Tiritor trên các pha. Điện áo ra mức khởi đầu được xác định bằng góc mở