- Phát sinh tổn thất trong động cơ: Các tổn thất trong động cơ được nhóm thành hai loại: là tổn thất cố định và tổn thất do tải. Tổn thất cố định như đã biết, bao gồm tổn thất sắt và tổn thất cơ khí. Tổn thất tải gồm tổn thất do điện trở sơ cấp và tổn thất do điện trở thứ cấp, đồng thời tổn thất tản mạn.
+ Tổn thất cốđịnh: Tổn thất do bởi từ trường xoay chiều trong lõi thép được gọi là tổn thất sắt, bao gồm tổn thất từ trễ và tổn thất dòng xoáy mà nó phụ thuộc vào mật độ từ thông của lõi thép và tần số nguồn điện.
+ Tổn thất tải: Là tổn thất Joule, do vì điện trở của dây dẫn điện. Tổn thất trong cuộn dây stato được gọi là tổn thất điện trở của cuộn dây sơ cấp, và tổn thất trong cuộn dây roto được gọi là tổn thất điện trở cuộn dây thứ cấp. Cả hai tổn thất này gọi là tổn thất tải, phụ thuộc vào điện trở và dòng điện chạy trong dây dẫn.
Chương 4: Các khả năng tiết kiệm trong việc sử dụng động cơ
Svth: Huỳnh Quốc Duy Trang36
4.3.2.3 Bài toán về sử dụng động cơ hiệu quả cao HEMs cùng kích cỡ
Kết quảđã khảo sát:
Cơ hội tiết kiệm điện năng do thay thế động cơ bình thường bằng động cơ HEMs. Thật vậy, giả sử cần truyền động cho máy nén, công suất động cơđiện 250 kW, hiệu suất 90% công suất yêu cầu 179 kW.
- Trong trường hợp bình thường sử dụng động cơ thông dụng, thì công suất đầu vào chỉ cần: 179/η = 179/0,9 = 197 kW.
- Trong trường hợp này, khuyến cáo nên dùng động cơ HEMs có hiệu suất cao với η = 0,94.
Do vậy, công suất cho động cơ cần cho máy nén là: 179/0,94 = 188 kW Công suất của động cơđược chon là: 200 kW
Tiền đầu tư là 167.200.000 đồng VN.
Điện năng tiết kiệm, sau khi tính toán tổn thất trong động cơ thay vì sử dụng máy 250 kW, ta dùng loại 200 kW, sẽ tiết kiệm được 73.800 kWh/năm. Giá điện trung bình 800 đồng/kWh.
Tiền tiết kiệm là: 59.040.000 đồng
Thời gian hoàn vốn: 167.200.000/59.040.000 = 2 năm 8 tháng 10 ngày
4.3.2.4 Cách tính năng lượng tiết kiệm được khi sử dụng động cơ HEMs
Sự khác biệt do hiệu suất mang lại, đưa ta đến tính toán công suất tiết kiệm được: ∆Ptiết kiệm= − = HEMs tai s tai P P η η Ptải ( HEMs s 1 1 η η − )
Ởđây: ηs - hiệu suất động cơ hiệu chuẩn (standard) ηHEMs - hiệu suất động cơ HEMs
Ptải – công suất tải thực tế tải thực tế của động cơ
∆Atiết kiệm/năm = ∆Ptiết kiệm x t Tiền tiết kiệm trong năm sẽ là:
∆Atiết kiệm/năm x giá 1 kWh
Ví dụ: Hãy tính số tiền tiết kiệm được là bao nhiêu khi dùng động cơ HEMs thay thế cho động cơ tiêu chuẩn ở công suất đầu ra lả 60 kW.
Từ số liệu của giả thiết, tra cẩm nang của nhà sản xuất(ví dụ: hang Siemens - loại gần và lớn hơn 60 kW là 75 kW (280S – ILA6 280-4AB)). Do đó, ta chọn động cơ HEMs công suất định mức 75 kW để sử dụng. Khi sử dụng, động cơ này sẽ mang tải ở mức 80% định mức, điều này hợp lý và có thể chấp nhận được.
Thông sốđộng cơ này như sau: - Pđm = 75 kW - Hiệu suất loại tiêu chuẩn ηs = 92,4% ở 80% tải định mức. - Hiệu suất loại HEMs: ηHEMs = 95% ở 80% tải định mức. - Số giờ vận hành hang năm của xí nghiệp: t = 4000 giờ. - Tiền điện cho 1 KWh là 0,1 USD/kWh Công suất tiết kiệm là: ∆Ptiết kiệm = Ptải ( HEMs s 1 1 η η − ) = 75 x 0,8 x (1/0,924 – 1/0,95) = 1,78 kW Điện năng tiết kiệm trong năm là: ∆Atk = ∆Ptiết kiệm x t = 1,78 x 4000 = 7120 kW Tiền tiết kiệm được là: 7120 x 0,1 = 712 USD
Vậy trong suốt thời gian phục vụđộng cơ sẽ tiết kiệm được: 712 x 20 = 14.240 USD
Thời gian hoàn vốn đơn: Theo định nghĩa:
Thời gian hoàn vốn đơn = chênh lệch giá mua /tiền tiết kiệm hằng năm
Suy ra:
Chương 4: Các khả năng tiết kiệm trong việc sử dụng động cơ
Svth: Huỳnh Quốc Duy Trang38
Gía động cơ:
- Động cơ tiêu chuẩn 7300 USD
- Động cơ hiệu suất cao HEMs 8595 USD
Chênh lệch giá mua là: 8595 – 7300 = 1295 USD
Thời gian hoàn vốn đơn là: 1295/712 = 1,82 năm
4.3.3 Khả năng tiết kiệm được năng lương khi dùng bộđiều khiển tốc độ VSD 4.3.3.1 Bộđiều khiển tốc độđộng cơ bằng linh kiện điện tử
A) Lý thuyết:
Hiện nay người ta sử dụng hai cách đểđiều khiển tốc độ: - Bằng điện áp
- Bằng dòng điện điều khiển bởi vectơ từ thông.
Ởđây trình bày kỹ hơn về cách kiểm tra bằng điện áp ở U/f = hằng số
Công thức tính tốc độ của động cơđiện ba pha không đồng bộ phụ thuộc vào tốc độ từ trường stato: NS = P f 60 ởđây: f - tần số lưới điện; P - Số cặp cực.
Như vậy, tần số cung cấp có thể làm thay đổi tốc độ của một động cơ, song người ta lại muốn rằng: ngẫu lực cực đại của động cơ được sử dụng sẽ không thay đổi, dù tốc độ như thế nào, tức là ngẫu lực động cơ Cm = KФICosφ = const.
Vậy thì từ thông cũng phải không đổi
Nếu Ф = const thì Cm = KI. Trong những điều kiện này, ngẫu lực định mức sẽ thu được ứng với cường độ dòng điện định mức, dẫu rằng tần số như thế nào.
Vấn đềđặt ra làm sao để thu được một từ thông không đổi?
Ta biết trong một động cơ không đồng bộ, chính phần tĩnh stato tạo nên từ thông này; cuộn dây phần tĩnh có tổng trở Z = Lw được cung cấp dưới điện áp U mà U = ZI; từđó suy ra U = LwI = L2πfI. Thế mà từ thông Фđược sinh ra bởi dòng điện I, do đó ta có thể viết: I = KФ và U = L2πf.K1Ф
Gọi: L2π = K2 = hăng số Gọi: K1 x K2 = K3 = hằng số
Vậy công thức từ thông Ф có thể viết: Ф = K(U/f) với K = 1/K3 Để có được một từ thông không đổi, ta phải tiến hành sao cho → U/f = const
const f U K = = Φ
Sự việc kiểm tra bằng điện áp với sự tối ưu hoá của từ thông cho phép ta nhận được:
- Ngẫu lực cực đại trên tất cả các dãy tốc độ, từ tốc độ 0 đến tốc độđịnh mức ghi ở bảng giới thiệu đặc tính của động cơ.
Nếu chúng ta năng tần sốđến trị số vượt quá trị số của lưới điện thì chúng ta sẽ nhận thấy rằng ngẫu lực không còn là tần số nữa.
B) Nguyên tắc:
Hình 4.5 Sơđồ hệ thống nguyên tắc điều khiển tốc độđộng cơ
Hệ thống điều khiển các động cơ không đồng bộ ở tốc độ thay đổi, thông thường được bố trí theo sơđồ nguyên tắc như trên
Sơđồ gồm: 1. Bộ chỉnh lưu 2. Bộ lọc
3. Bộ nghịch lưu biến dòng một chiều thành xoay chiều
+ Bộ chỉnh lưu: nguồn điện áp được chỉnh lưu, nhận được từ một cầu chỉnh lưu được cung cấp điện một pha hay ba pha.
+ Bộ lọc điện dung: để biến đổi điện áp được chỉnh lưu thành điện áp một chiều
+ Bộ nghịch lưu: Thiết bị uốn sóng điện áp, gốm có Tranzito và điốt công suất, bố trí sao cho sự làm việc của động cơ trong bốn cung gốc phần tư.
Chương 4: Các khả năng tiết kiệm trong việc sử dụng động cơ
Svth: Huỳnh Quốc Duy Trang40
Ngoài khối dòng điện mạch theo sơđồ nguyên tắc trên, còn có khối kiểm tra, khối tín hiệu điều khiển các Tranzito, và sựđiều chỉnh của hệ thống.
C) Bộ biến đổi tốc độ:
Sau đây xin giới thiệu sơ đồ cấu trúc về chức năng của bộ biến đổi tốc độ (còn gọi là bộ biến đổi – variateur của hang Telêmcanique). Bộ biến tốc trên thị trường hiện được gọi tắt là bộ VSD (Variable – Speed – Drive).
D) Phân tích chức năng của bộ biến đổi tốc độ (Biến tốc):
Là hệ thống tập trung các thông tin, và quyết định đưa đến việc điều khiển nhằm đảm bảo sự quản lý toàn diện theo yêu cầu.
Hình 4.6 Sơđồ toàn bộ bộ biến đổi tốc độ
1. Tốc độđược nghiên cứu. 2. Điều khiển.
3. Bộ biến đổi điện hay chuyển đổi điện (converter). 4. Lưới điện cung cấp (f và U hằng số).
5. Các tham số f và U biến đổi trị số. 6. Phụ tải.
4.3.3.2 Lợi ích của việc sử dụng bộđiều khiển tốc độđộng cơ
Sau đây xin nêu vài lợi ích sau:
Việc sử dụng bộ điều khiển tốc độ của động cơ bằng các linh kiện điện tử trong đại đa số các trường hợp sẽ làm phù hợp giữa công suất điện cung cấp vào
3 M 3~ 2 1 6 4 5 variable f, U = hs
cho động cơ với yêu cầu của phụ tải biến đổi, đặc biệt là đối với các thiết bị tiêu thụ điện như quạt, bơm ly tâm v.v…
Các thiết bị như vậy thường có các đặc tính sau đây: Nếu ta gọi k = Const: thì
+ Tỉ lệ lưu lượng dòng chảy = k . (tốc độ v) + Momen quay = k (tốc độ v)2
+ Công suất = k (tốc độ v)3
Do đó, công suất yêu cầu, cần thiết sẽ giảm khi tỉ lệ lưu lượng dòng chảy giảm. ta có thể thấy rõ qua bảng sau: Tốc độ v, % Tỉ lệ lưu lượng dòng chảy, % Công suất cần thiết yêu cầu, % 100 90 80 70 60 50 100 90 80 70 60 50 100 72,9 51,2 34,3 21,6 12,5 Cụ thể:
Nếu lưu lượng dòng chảy giảm đi 30%, tức là chỉ còn 70% thì có hai phương án sau:
- Nếu không có bộ điều khỉên tốc độ động cơ VSD thì công suất của động cơ do không điều chỉnh được tốc độ nên phải tiêu tốn mất 100% công suất điện.
- Nếu dùng bộ điều khiển tốc độđộng cơ – VSD – thì công suất của động cơ do điều chỉnh được tốc độ nên chỉ tiêu tốn có 34,3% (bảng số liệu) công suất điện.
Do vậy, dùng bộ VSD đã tiết kiệm được gần 66% công suất điện.
Ví dụ: Có một động cơ bơm, có công suất định mức Pđm = 110 kW, hiệu suất ηđc = 95% làm việc với 50% tỉ lệ lưu lượng dòng chảy trong thời gian 3000 giờ của 6000 giờ hoạt động của phụ tải (tức là 3000 giờđầy tải và 3000 giờ non tải với 50% lưu lượng dòng chảy)
* Nếu dùng phương án không có bộđiều khiển tốc độ VSD:
Chương 4: Các khả năng tiết kiệm trong việc sử dụng động cơ Svth: Huỳnh Quốc Duy Trang42 P1 kW η P dc d 8 , 115 = 95 , 0 110 =
Rõ ràng với công suất này lưới điện phải cung cấp cho động cơ trong 6000 giờ vận hành
* Nếu dùng bộđiều khiển tốc độ VSD:
Hiệu suất toàn bộ lúc này là: η∑ = 85%
Từ bảng số liệu trên ta thấy công suất cần yêu cầu sẽ giảm nhiều và chỉ còn 12,5% tức là: chỉ cần động cơ: có công suất: 110 x 12,5% = 13,75 kW
Vậy công suất điện cần cung cấp cho động cơ và bộ VSD là: (ở tải: 50% lưu lượng dòng chảy) 13,75/0,85 = 16,176 kW Như vậy, tuy ta sử dụng động cơ có công suất định mức Pdm = 110 kW, nhưng ở 3000 giờ tỉ lệ lưu lượng dòng chảy là 50%, nếu dùng VSD thì ta đã tiết kiệm được công suất: 115,8 KW – 16,176 KW = 99,624 kW
Tính thành tiền, trong 3000 giờ này sẽ tiết kiệm được là: (Tính tiền điện với giá 800 đồng/kWh): 800 đ x 99,624 x 3000 = 239.097.600 đồng/năm. Tóm lại, nếu ta sử dụng bộđiều khiển tốc độ động cơ với linh kiện điện tử, VSD – thì có những lợi ích sau: - Tiết kiệm được điện năng và tiền điện trong việc sử dụng đúng và phù hợp với phụ tải (ở ví dụ trên, mỗi năm với động cơ bơm nước Pdm = 110 kW, ta sẽ tiết kiệm được gần 240 triệu)
- Có khả năng sử dụng động cơ không đồng bộ xoay chiều trong quá trình sản xuất cần điều chỉnh tốc độ. Động cơ không đồng bộ xoay chiều là loại có giá thành rẻ hơn rất nhiều và dễ dàng trong vận hành và bảo dưỡng hơn các loại động cơ khác.
- Tăng được tính linh hoạt và vi mô sản xuất - Tính an toàn và độ tin cậy cao
Ngoài ra, khi sử dụng bộ VSD có thểđưa đến các kết quả sau:
- Không cần thay động cơ mới khi khi phụ tải tăng lên so với cũ (sau khi tính toán và tăng cường áp dụng VSD đối với động cơ cũ).
- Không cần tháo dỡ bộ VSD khi tháo dỡđộng cơ (thông qua tính toán thấy VSD phù hợp)
- Nhiều động cơ có thể dấu vào một bộ VSD
- Dùng VSD có thể giảm công suất cần trang bị cho máy phát điện dự phòng - Dùng VSD có thể vận hành động cơ với tốc độ từ vài % đến vài trăm % so với tốc độ ghi trên nhãn động cơ.
- Giảm tiếng ồn, tăng tuổi thọ cho động cơ.
Nhược điểm chủ yếu ở VSD là tốc độ cực thấp thì trục động cơ có thể không quay tròn đều.
4.4 Giảm tổn thất năng lượng đối với hệ thống truyền động bằng cu-roa, đai tải, xích tải và bánh răng
4.4.1 Đối với cua-ro đai tải
- Hãy luôn giữu cho dây mềm dẻo để giảm tổn thất do quá trình biến dạng tự cong (lúc tiếp xúc với buli) sang thẳng hoặc ngược lại.
- Hãy giữ căng dây và giữ sạch bề mặt tiếp xúc với buli (tránh dầu mỡ), giữ sạch puli để tránh hiện tượng trượt do ma sát kém. Khả năng mang tải của dây có thể bị giảm đến 16% nếu bề mặt tiếp xúc và puli có dính dầu mỡ.
- Các mối nối 2 đầu dây phải liền, thẳng, tránh hiện tượng nhảy dây và có thể đưa đến hiện tượng trượt dây tại điểm nhảy này.
- Các dây cũđã hỏng, cần phải kịp thời thay mới để tránh mất nhiều thời gian phải ngừng máy do sự cốđứt dây hay tuột dây.
4.4.2 Đối với xích tải
- Bôi trơn tốt để giảm ma sát của các con lăn, các ma xích - Che chắn kĩđể tránh bụi bám
Chương 4: Các khả năng tiết kiệm trong việc sử dụng động cơ
Svth: Huỳnh Quốc Duy Trang44
4.4.3 Đối với bánh răng
- Thực hiện chếđộ bảo trì một cách đúng đắn
- Điều chỉnh khoảng cách giữa hai tâm của bánh răng nếu cần thiết để giảm va đập.
- Đối với các cặp bánh răng kiểu hở, hãy che chắn kĩ, tránh bụi.
- Đối với các cặp bánh răng kín, có chứa dầu bôi trơn, ta không nên châm dầu bôi trơn nhiều hơn mức quy định mhằm giảm tổn thất thuỷ lực.
4.5 Bảo quản - bảo dưỡng động cơđiện
Theo quy định về chếđộ sử dụng và bảo quản động cơđiện của Uỷ ban khoa học Kỹ thuật của Nhà Nước Việt Nam trước đây, và tình hình phát triển hiện nay, ta nên thực hiện nghiêm túc các chếđộ tiểu tu (ba tháng), trung tu (1 năm), và chếđộ bảo quản động cơ điện trong kho sau đây: đồng thời trong quá trình sử dụng nên thực hiện công tác bảo trì đơn giản theo tình hình sản xuất của nhà máy, theo môi trường làm việc, vị trí nơi lắp đặt theo thời gian thích hợp giữa các kỳ trung và tiểu tu.
Thông thường bảo trì đơn giản gồm có: - Thổi bụi
- Kiểm tra khe hở roto và stato
- Kiểm tra điện trở cách điện bằng mêgôm kế, thông thường phải đạt trị số tối thiểu 0,5 MΩđối với động cơ 380V/220V.