3.2.2.1. Nguyên lý làm việc Biến tần
Hiện nay trong hoạt ñộng sản xuất tại các dây chuyền của nhà máy vẫn chủ yếu sử dụng công nhân ñể ñóng, ngắt các hệ thống ñiện. ðể khởi ñộng và dừng ñộng cơ ñiện không ñồng bộ công suất vừa và lớn thông thường các nhà máy sản xuất sử dụng phương pháp khởi ñộng trực tiếp (qua cầu giao hoặc atomat) nên gây sụt áp trên ñường dây khá lớn. Các nhà máy sản xuất có ñiều kiện thì sử dụng thiết bị “ khởi ñộng sao/tam giác (U/D)...ñã hạn chế ñược dòng ñiện khi khởi ñộng nên ñộ sụt áp và tổn hao ñiện năng trên ñường dây giảm ñáng kể. Tuy nhiên với phương pháp cổ truyền không thể phù hợp với xu thế sản xuất hàng hoá chất lượng cao theo dây chuyền tiên tiến và tỷ lệ tổn thất ñiện trên toàn bộ hệ thống vẫn còn khá cao.
Gần ñây nhiều nhà máy sản xuất có công suất tiêu thụñiện lớn ñã sử dụng thiết bị “ khởi ñộng mềm”. Khởi ñộng mềm là thiết bịñiện tử chỉ thay thế cho phương pháp khởi ñộng “sao/tam giác” nhằm giảm dòng ñiện khi khởi ñộng nhưng không có khả năng ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ. Khởi ñộng mềm thường kết hợp với ñộng cơ ñiện không ñồng bộ công suất trung bình và lớn nhưng không ñòi hỏi phải thay ñổi số vòng
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 48 quay, ví dụ một số thiết bị và máy như: quạt thông gió, máy làm ñất chuyên dụng, bơm nước.... Do sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật vi ñiện tử và ñiện tử công suất nên ngày càng có nhiều loại thiết bị ñiều khiển ñộng cơñiện không ñồng bộ với các chức năng hoàn hảo (thuận lợi trong sử dụng, an toàn và có khả năng tiết kiệm ñiện tối ña) mà “biến tần AC” là một ñiển hình.
Biến tần là bộ nguồn bán dẫn ñiều khiển kết hợp với ñộng cơ không ñộng cơ xoay chiều ba pha ñể thực hiện khởi ñộng/dừng và ñiều chỉnh chính xác số vòng quay ñộng cơ theo yêu cầu công nghệ. Có nhiều loại biến tần ñược thiết kế phù hợp với những ñộng cơ công suất từ rất nhỏ vài trăm W ñến hàng trăm kW.
Nguyên lý làm việc của bộ biến tần là: ðầu tiên nguồn ñiện xoay chiều 1 pha hay 3 pha ñược chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Quá trình này ñược thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ ñiện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần ñều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0,96. ðiện áp 1 chiều này ñược biến ñổi (nghịch lưu) thành ñiện áp xoay chiều 3 pha ñối xứng. Công ñoạn này hiện nay ñược thực hiện thông qua hệ IGBT (Transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp ñiều chếñộ rộng xung. Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn công suất hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dài tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho ñộng cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt ñộng cơ. Tính năng "thông minh" này giúp thiết bị có thể giảm tiêu thụñiện thì 20% - 40%.
Hình 3.2: Nguyên lý hoạt ñộng của biến tần
Hệ thống ñiện áp xoay chiều 3 pha ởñầu ra có thể thay ñổi giá trị biên ñộ và tần số bộ cấp tùy theo bộ ñiều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và ñiện áp có một quy luật nhất ñịnh tùy theo chếñộñiều khiển. ðối với tải có mô men không ñổi, tỷ sốñiện
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 49 áp - tần số là không ñổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. ðiện áp là hàm bậc 4 của tần số. ðiều này tạo ra ñặc tính mô men là hàm bậc 2 của tốc ñộ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/ quạt do bản thân cũng là hàm bậc 2 của ñiện áp. Hiệu suất chuyển ñổi nguồn của các bộ biến tần cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất ñược chế tạo theo công nghệ hiện ñại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. Ngoài ra biến tần ngày nay ñã tích hợp rất nhiều kiểu ñiều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau.
Hiện nay trong các máy và xưởng sản xuất ở Việt Nam, nhiều doanh nghiệp ñã lựa chọn biến tần (inverter) với tính năng cải thiện khả năng ñiều khiển của hệ thống máy móc thiết bị, nâng cao tuổi thọ và ñem lại hiệu quả tiết kiệm ñiện lớn. Một số ngành thường ứng dụng ñể ñiều khiển tốc ñộ và tiết kiệm năng lượng, ñiện năng cho tất cả các máy móc trong ngành công nghiệp như: Máy nghiền, máy cán, kéo, máy tráng màng, máy tạo sợi, máy ñùn ép, băng chuyền, cần trục, nâng hạ, bơm nước, quạt gió,... với nguyên lý hoạt ñộng thông minh của biến tần, công suất ñiện tiêu thụ sẽ tỷ lệ với bậc ba của tốc ñộ.
Qua quá trình nghiên cứu tìm hiểu quy trình sản xuất, công nghệ sản xuất gạch tuynel, ñặc tính của quạt, hoạt ñộng của Biến tần và thực tiễn sản xuất tại nhà máy. Trên cơ sở khoa học và thực tiễn Luận văn ñã lựa chọn và ñưa ra giải pháp ứng dụng biến tần vào khâu ñiều khiển quạt hút khí thải lò sấy, ñây là sự lựa chọn tốt nhất cho khả năng tiết kiệm ñiện, nâng cao hiệu quả hoạt ñộng sản xuất, ñảm bảo chất lượng sản phẩm.
3.2.2.2. Tính toán phân tích kinh tế khi sử dụng bộ biến tần
Luận văn lựa chọn ñưa công nghệ, lắp máy biến tần CHV110-030G-4 có công suất là 30kW vào ñiều khiển quạt hút khí thải hệ hầm sấy. Hệ hầm sấy có nhiệm vụ sấy các sản phẩm sấy như gạch rỗng 2 lỗ; gạch rỗng 4 lỗ; gặc ñặc.... ñảm bảo ñủ chỉ tiêu theo yêu cầu:
- Sấy các sản phẩm mới tạo hình có ñộẩm khoảng 19% xuống ñộẩm nhỏ hơn 7%. - Không làm loang hay thay ñổi màu sắc sản phẩm ngói và gạch lát, ñối với sản phẩm gạch xây có trát cho phép loang màu và làm thay ñổi màu sắc ở mức ñộ nhất ñịnh.
- Lò sấy phải hoạt ñộng liên tục, sử dụng khí nóng và khí thải lò nung ñể sấy một cách hợp lý và phù hợp với từng loại sản phẩm, ñảm bảo tận dụng tối ña lượng nhiệt của khí thải trước khi thải ra môi trường.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 50 - Không làm nổ, vỡ, biến dạng sản phẩm.
Từ những nhiệm vụ trên của lò sấy ta thấy: ðối với mỗi loại sản phẩm sấy có khối xếp riêng dẫn ñến ñộ thông thoáng cũng như khối lượng sản phẩm sấy khác nhau. Vì vậy lượng khí cấp vào và hút ra khác nhau.
Hiện tại lò sấy của nhà máy sử dụng 02 quạt (quạt có công suất 22KW) ñể hút khí thải từ lò nung sang hầm sấy và từ hầm sấy ñưa vào ống khói, áp suất hầm sấy cũng bị ảnh hưởng bởi lực hút tự nhiên của ống khói và không ổn ñịnh, lực hút không thay ñổi theo thời tiết và theo mùa. ðểổn ñịnh áp suất và thay ñổi hàm lượng khí ñược thực hiện bằng các van chặn ñầu vào.
Luận văn ñưa công nghệ thiết bị biến tần vào ñiều khiển tốc ñộ quạt ñể ñiều chỉnh lưu lượng và ổn ñịnh áp suất là phương án tối ưu tiết kiệm ñiện năng, nhiệt năng và khắc phục ñược những nhược ñiểm ñã nêu ở trên.
Dưới ñây là sơñồ sử dụng hệ biến tần với mô hình truyền ñộng quạt gió hiện tại của nhà máy.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 51 Hệ thống quạt ñang sử dụng Hệ thống quạtcó biến tần 1. Aptomat 2. Công tắc tơ 3. Rơ le nhiệt 4. Quạt gió 1. Aptomat 2. Công tắc tơ 3. Biến tần 4. Quạt gió
Với quy trình công nghệ hiện tại sản xuất nhà máy vẫn sử dụng hệ thống quạt ñiều chỉnh bằng van ñiều tiết lưu ñầu vào, việc ñiều chỉnh lưu lượng gió bằng tay thông qua hệ thống van chắn, do ñó khi thay ñổi lưu lượng ñểñiều chỉnh nhiệt ñộ hoặc áp suất thì ñộng cơ của hệ thống quạt vẫn hoạt ñộng hết công suất ñịnh mức và lượng tiêu thụñiện năng vẫn như tối ña, không giảm ñáng kể mà thực tế van tiết lưu ñầu vào luôn ñược ñiều chỉnh ở mức 40-80%.
Trong trường hợp lắp ñặt biến tần vào hệ thống thì khi thay ñổi lưu lượng gió thì ta chỉ cần thay ñổi tốc ñộ truyền ñộng của quạt. Khi không phải dùng van (hoặc ñể các van sẵn có mở tối ña) sẽ không còn tổn thất trên van. ðộng cơ cũng không phải sinh công suất cơ trên trục lớn hơn nhu cầu thực ñể thắng sức cản trên các van.
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 52 Dưới ñây là hình vẽ mô tả việc sử dụng biến tần và không có biến tần tại hệ thống quạt. a. Hệ thống quạt hiện tại có sử dụng van chặn b. Hệ thống ứng dụng Biến tần không sử dụng van chặn Hình 3.3: Biểu ñồñường ñặc tính giữa hai hệ thống
Biểu ñồ trên biểu diễn ñường ñặc tính công suất tiêu thụ và lưu lượng gió của bộ biến tần so sánh với hệ thống ñiều khiển lá chắn ñầu vào, theo hai ñường ñặc tính chúng ta luôn thấy ñường công suất năng lượng cho hệ thống khi dùng biến tần ñểñiều khiển nằm thấp hơn rất nhiều so với ñặc tính van, nhất là khi lưu lượng ra ñiều chỉnh xuống giá trị phần trăm thấp. Trong trường hợp khi giảm lưu lượng ñi 20% thì năng lượng tiêu thụ sẽ giảm gần 50% so với giá trị thiết kế với phương án ñiều khiển lá chắn ñầu vào, khi sử dụng bộ biến tần thì năng lượng tiêu thụ giảm chỉ còn 2-3% và lưu lượng tiêu thụ giảm xuống còn 50% thì năng lượng tiêu thụ với bộ biến tần chỉ còn 15%. Một sốưu ñiểm khi sử dụng bộ biến tần so với hệ thống dùng là chắn ñầu vào là:
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 53 Bảng 3.1. So sánh giữa hai hệ thống HỆ THỐNG CŨ HỆ THỐNG MỚI ,CÓ BIẾN TẦN 1-Về Dòng ñiện khởi ñộng - Hệ thống quạt hiện tại có dòng ñiện khởi ñộng thường cao từ 4 ñến 6 lần dòng ñịnh mức của ñộng cơ, ñiều này gây ảnh hưởng rất nhiều ñến các thiết bị khác và hệ thống dây chuyền…
- Khởi ñộng dòng ñiện ñược tăng dần cho tới khi hết thời gian khởi ñộng, dòng ñiện không vượt quá 1,5 lần dòng ñịnh mức, giúp cho hệ thống hầu như không bị ảnh hưởng bởi quá trình khởi ñộng cơ.
2-Về Hiệu quả kinh tế
-Chưa có hiệu quả kinh tế cao, do phải chi phí một lượng tiêu hao nhiều về năng lượng - Do có khả năng áp dụng tiết kiệm ñiện trong quá trình sản xuất, ñiều tiết hợp lý, sử dụng ñiện năng có hiệu quả nên góp phần tăng hiệu quả kinh tế. Trường hợp giảm 30% - 40% lưu lượng gió thì ñiện năng tiêu thụ giảm 30%-50% 3-Khả năng khởi ñộng êm -Không có khả năng khởi ñộng êm, khả năng xung ñột cơ khí mạnh, dẫn ñến giảm tuổi thọ thiết bị. -Khởi ñộng hệ thống êm ái, tăng dần tốc ñộ từ thấp lên cao trong thời gian có thể cài ñặt lựa chọn bảo vệ tối ưu về khả năng xung ñột cơ khí, tăng tuổi thọ cho hệ thống
4-Tính năng bảo vệ
- Bảo vệ quá tải ñộng cơ bằng rơ le nhiệt Bảo vệ ñiện tử, giúp hệ thống linh hoạt hoạt ñộng ổn ñịnh. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Bảo vệ quá tải ñộng cơ chính xác bằng hệ thống ñiện tử; Bảo vệ cao, thấp áp - Bảo vệ mất pha, lệch pha, ñầu vào/ra *) Vềổn ñịnh và chất lượng của sản phẩm:
Sau khi ñược lắp biến tần ñể ñiều khiển nhiệt ñộ lò của hầm sấy, người công nhân vận hành có thểñiều chỉñảm bảo ñộổn ñịnh của nhiệt ñộ lò và áp suất một cách chính xác, nhanh nhậy, ñáp ứng yêu cầu quy trình sản xuất từ ñó ñộổn ñịnh của sản phẩm ñược nâng lên, ñặc biệt là tránh ñược hiện tượng tỷ lệ sản phẩm bị hỏng sau khi ra khỏi lò như: cong vênh, nứt, ñộñồng ñều mầu, tính chất cơ lý.v.v… .
Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……….. ……… 54 *)Về giá trị hiệu quả kinh tế:
Theo dự kiến tính toán, với 01 quạt lò hút khí nóng từ lò nung sang hầm sấy với mức tiêu thụ 22kW hoạt ñộng liên tục 24h thì nhà máy phải sử dụng lượng ñiện trung bình hàng tháng là: 22kW x 30 ngày x 24h = 15840kWh.
Khi lắp ñặt biến tần thì trung bình mức tiêu thụ còn khoảng 18kW (giảm 25%), sử dụng ñiện trung bình hàng tháng là: 18kW x 30 ngày x 24h = 12960kWh
Hàng tháng Nhà máy tiết kiệm ñược là: 15840kWh-12960kWh= 2880kWh Tương ứng với số tiền là: 2880kWh x 1330ñ = 3.830.400 ñồng/tháng.
Bằng chữ: Ba triệu tám trăm ba mươi nghìn bốn trăm ñồng./.
Như vậy, qua tìm hiểu các loại biến tần, ñề tài ñề xuất lựa chọn lắp máy biến tần CHV110-030G-4 vào ñiều khiển quạt hút khí nóng từ lò nung sang hầm sấy. Với vốn dự kiến chi phí ñầu tư ban ñầu cho 01 biến tần loại CHV110-030G-4 khoảng 40 triệu ñồng thì dự kiến sau 11 tháng nhà máy sẽ thu hoàn vốn.