Motor điện: Tiềm năng tiết kiệm khổng lồ

Motor điện: Tiềm năng tiết kiệm khổng lồ

Tăng hiệu quả năng lượng bằng 25% – Ảnh minh họa

Motor điện là bộ máy chủ lực của ngành công nghiệp. Motor điện rất phổ biến, sử dụng khoảng 2/3 lượng điện dùng cho công nghiệp, chiếm khoảng 25% mức điện năng tiêu thụ toàn thế giới.
Rõ ràng tất cả các hoạt động công nghiệp đều phải sử dụng motor điện. Chúng được sử dụng để vận hành máy móc, quạt, bơm, thiết bị vận chuyển và thiết bị nén trong các ngành công nghiệp như dược phẩm, hóa chất, xi măng, mỏ và điện tử, v.v.
Tiềm năng tiết kiệm năng lượng của motor là rất lớn. Hầu hết motor đều chạy hết công suất thậm chí cả khi không cần thiết. Vận tốc của một số motor được điều chỉnh bằng cần điểu khiển, nhưng điều này giống như điều khiển vận tốc của ô tô bằng cách một chân dẫm vào phanh còn chân kia dẫm vào chân ga. Điều này không những làm hao phí năng lượng mà còn làm mòn thiết bị.
Một cách khác hiệu quả hơn đó làm điều khiển lượng năng lượng chuyển đến motor với bộ điều khiển tốc độ (VSD). VSD sẽ điều chỉnh tốc độ của motor một cách nhanh nhậy. Mức tiết kiệm năng lượng có thể đạt được ở trong các thiết bị điển hình vào khoảng 50%. Điều này có nghĩa là mức đầu tư vào bộ biến tần sẽ được bù lại chỉ trong vòng chưa đầy một năm.
Điều khiển tốc độ động cơ thay vì hãm phanh
Chúng ta có thể thấy rõ tầm quan trọng của việc điều khiển tốc độ của ô tô. Bạn có thể tưởng tượng điều khiển ô tô với một chân đặt lên chân ga hoặc điều khiển tốc độ bằng phanh khó như thế nào. Cách dễ dàng hơn là thay đổi bánh răng truyền động ở phía dưới và giảm vận tốc động cơ. Đối với loại xe kích cỡ trung bình (100kW):

ABB ước tính nếu trang bị bộ biến tâng đa tốc cho tất cả motor bán ra trên toàn thế giới trong năm 2006 thì có thể giảm lượng phát thải CO2 tới 200 triệu tấn, cao hơn lượng phát thải hàng năm của toàn đất nước Hà Lan.
Sử dụng kết hợp motor hiệu suất cao với bộ bien tan sẽ mang lại hiệu quả cao hơn nữa. Mức tiết kiệm năng lượng tiêu thụ sẽ nhanh chóng tăng lên vì mức năng lượng để chạy motor trong cả đời vận hành của nó sẽ tốn chi phí hơn 100 lần so với giá trị của motor.
ABB là nhà sản xuất motor điện và biến tần lớn nhất thế giới. Hiện nay hơn 2,5 triệu bộ biến tần ABB được sử dụng trên toàn thế giới, tiết kiệm được 130 triệu megawatt giờ trong năm 2006, tương đương với mức năng lượng sản xuất từ 16 lò phản ứng hạt nhân.

Tiết kiệm chi phí lên đến $450,000 trong 4 tháng đầu tiên

Tổng quan 

Tập đoàn Flowerve, có trụ sở đặt tại Irving, Texas, là một trong những công ty hàng đầu thế giới hoạt động trong lĩnh vực liên quan đến vận chuyển chất lỏng và điều khiển sản xuất và dịch vụ. Hoạt động ở 56 quốc gia, công ty cung cấp các bơm công nghiệp và các sản phẩm kỹ thuật, seals, và valves cũng như những dịch vụ liên quan đến điều khiển công suất, lưu lượng dòng chảy. Danh mục vốn đầu tư của công ty bao gồm trên 50 thương hiệu nổi tiếng thế giới như : Worthington, Bryon Jackson, IDP, Durco, United, Durametallic, BW Seals, Pacific Weitz, Valtek, Kammer, Limitorque, Anchor Darling, Edward, Gestra và nhiều hơn nữa.Theo truyền thống, hầu hết các nhà sản xuất bơm chịu trách nhiệm về sản phẩm của họ bằng cách kiểm tra bơm một cách đơn giản, để đảm bảo các thông số hiệu suất. Quá trình kiểm tra nghiệm ngặt “ train test” giờ đây cũng được gọi là “string test” là điều bắt buộc. Quá trình kiểm tra bao gồm việc vận hành bơm được lắp đặt trên một bệ đỡ với tất cả những thiết bị hỗ trợ, bảng điều khiển độ nhớt, giám sát độ rung., TRD’s … được lắp đặt và vận hành sao cho đem lại hiệu quả kinh tế cao. Quá trình kiểm tra kéo dài 4 giờ đến 8giờ “ Việc kiểm tra trước khi lắp đặt ở nhà máy mang lại những thuận lợi cho khách hàng và nhà sản xuất” , theo lời Daniel Arzuaga trưởng phòng kiểm định của Flowserve nói“. Chi phí cho việc khắc phục những lỗi trong nhà máy, trên những giàn khoan sẽ tốn gấp 10 lần so với khắc phục ở tại nhà máy OEM”.

Thách thức

Thách thức của Flowserve là việc kiểm tra kỹ thuật của bơm và động cơ có các công suất khác nhau ở tần số 50Hz tại Bắc Mỹ là đúng lúc, hiệu quả đạt chi phí tốt nhất và môi trường thân thiện. Một sáng tạo trên, hầu hết các thiết bị được yêu cầu kiểm tra ở tần số 50Hz phải được sản xuất và kiểm tra trong những nhà máy ở Châu Âu nơi mà công suất sản suất của Floeserve bị giới hạn. Chi phí và thời gian yêu cầu để vận chuyển những thiết bị lớn xuyên qua đại tây dương là điều cần thiết phải kiểm tra trước đối với nhà sản xuất. Và để kiểm tra tất cả cá dòng sản phẩm máy bơm của Flowserve, họ cần nguồn điện áp khác nhau (từ 2.4 KV đến 6.6KV) và đa tần số ( từ 50 đến 60Hz). Việc kiểm tra ở nhà máy Vernon sử dụng máy phát disesel để kiểm tra. Quá trình này rất tốn kém, thậm chí ô nhiễm môi trường, tốn thời gian để cài đặt, tốn nhiều chí phí quản lí và tóm lại, giải pháp này không thể thực hiện được đối với những bơm có công suất lớn hơn 1000hp. Chi phí thuê máy phát lên đến $250.000 để kiểm tra máy bơm có công suất 5000hp , 50hz. Trong khi việc kiểm tra trong thực tế mất khoảng 1 tuần, máy phát phải được thuê cho một tháng hoặc hai tháng để lắp đặt và tháo gỡ. Chi phí cho những thiết bị liên quan đến máy phát diesel cũng khoảng $8000. và những vấn khác như ràng buộc về không gian gây trở ngại.Giải pháp 

Floweserve cần đổi mới các giải pháp về hiệu quả chi phí. Với hơn 10 năm kinh nghiệm cung cấp những thiết bị điều khiển bằng điện áp . Dựa trên những ứng dụng thử nghiệm thực tế, Rockwell Automation đưa ra những giải phái kỹ thuất tốt nhất, nhanh nhất và giá cả cạnh tranh nhất. Flowserve và Rockwell Automation hợp tác với nhau để thiết kế thiết bị thử nghiệm cho nhà máy Vernon, sử dụng biến tầnPowerflex 7000 có thể cấu hình để điều khiển cho nhiều động cơ có công suất khác nhau. Việc kiểm tra là cho động cơ chạy ở tần số yêu cầu hoặc tốc độ theo yêu cầu của người sử dụng biến tần. Biến tần PowerFlex 7000L ‘C’ Frame 7500 hp 18-pulse làm mát bằng chất lỏng là thiết bị chính của quá trình kiểm tra. Đặc biệt, biến tần được tối ứu hóa ở một công suất nhất định, và tầm điện áp nhưng để thực hiện được giải pháp này, DC liên kết với cuộn dây và tụ điện được hỗ trợ sao cho giá trị của nó có thể thay đổi để đạt được tầm công suất lớn nhất để giúp động cơ đạt được công suất cao nhất ở mọi tầm điện áp với tần số là 50/60Hz.Nhóm nghiên cứu của Rockwell Automation đã kiểm tra lại những ứng dụng, thiết kế và đi đến những cải tiến mới. Rockwell Automation đã thiết kế biến tần với các bộ phận theo kiểu Back-to-back. Điều này giúp nó giữ được như kích thước ban đầu.

Giải pháp hoàn thiện nhất được bao gồm bộ phận làm mát biến tần bằng chất lỏng, biến áp cách ly với bên ngoài, và một máy biến áp tự động, ngõ vào bộ điều khiển Bulletin 1512AD được bao phủ bởi NEMA 3R xung quanh, tất cả được hỗ trợ và kết nối bởi bộ điều khiển Control Logix và màn hình giám sát PanelView Plus để cấu hình cho động cơ kết nối với biến tần. Với màn hình sát cấu hình cho động cơ, PanelView Plus giúp người sử dụng từng bước lựa chọn những thông số thích hợp cho động cơ.

Kết quả đạt được

Việc kiểm tra mới này sử dụng VFD được hoàn thiện vào tháng 8 năm 2004. Tóm lại, việc kiểm tra theo phương pháp mới và biến tần VFD giúp cho Flowerve đáp ứng được về hiệu quả chi phí cũng như nâng cao tính linh hoạt cho nhà máy, giảm thời gian kiểm tra và chi phí vận hành. Trong bốn tháng đầu tiên, Flowserve tiết kiệm được khoảng $450,000 bằng cách sử dụng hệ thống kiểm tra mới. Thêm vào đó, việc sử dụng hộp giảm tốc độ sẽ bị loại bỏ, tiết kiêm gần $4000 trên một lần kiểm tra. Cho tới giờ đã có 10 lần kiểm tra được thực hiện, kết quả cho thấy đã tiết kiệm được $40,000.

Công việc kiểm tra thứ hai là sử dụng bien tan chạy liên tục 200 giờ điều khiển bơm có công suất 600hp 50Hz, với chương trình điều khiển biến tần VFD đáp ứng được với mọi tần số. Với cách khác cũng thực hiện với loại 500 hp và hai bơm 400 hp hoạt động ở tần số 50Hz.

“Khi chúng tôi thực hiện hai quá trình kiểm tra, chúng tôi nghĩ rằng sẽ sử dụng nó từ 4 đến 5 lần trong một năm” , theo lời Daniel Arzuaga. “ Và trước tháng 2, chúng tôi đã hoàn thành việc kiểm tra 15 bơm và đã chạy bien tan VFD trong toàn bộ 306 giờ. Và giờ đây với hàng đống đơn đặt hàng cho VFD”.

Flowserve đã đánh giá cao sự hỗ trợ từ địa phương và nhà sản xuất ở Bắc Mỹ. “Điều này mang lại sự tin cậy với sự tận tụy cho chúng tôi. Những khách hàng của chúng tôi đã tự tin về khả năng và sự kết hợp của chúng tôi “ theo lời của Daniel Arzuaga. “ Rockwell Automation cũng đã có giải pháp linh hoạt để điều khiển động cơ mà chúng tôi yêu cầu, và họ đã bán được 50% thiết bi trong nhà máy.
Nhà máy Vernon giờ đã có một cơ sở kiểm tra bơm lớn nhất ở Bắc Mỹ với một bệ kiểm tra 30 tấn, một bệ 50 tấn và hố kiểm tra chính. Với công nghệ mới cho phép Flowserve sản xuất và kiểm tra thiết bị ở nhà máy Vernon khi các cơ sở ở Châu Âu quá tải, điều này sẽ dẫn đến công ty linh hoạt trong quá trình sản xuất và kiểm tra. Kết quả trên chỉ ra rằng tập đoàn Flowserve sử dụng những sản phẩm của Rockwell Automation như là chiếc cầu nối cho các thiết bị.

Tiết kiệm điện cho máy nén khí có sử dụng biến tần

Phân tích tích kiệm điện trong Máy Nén Khí – Trong mọi trường hợp sự hoạt động là liên tục và động cơ của máy nén khí không được hỗ trợ điều chỉnh tốc độ, do đó sự thay đổi áp suất và lưu lượng không được dùng trực tiếp để giảm tốc độ và điều chỉnh công suất đầu ra cho phù hợp, và motor không cho phép khởi động …

PHÂN TÍCH TIẾT KIỆM ĐIỆN TRONG MÁY NÉN KHÍ

Trong hệ thống đường ống cung cấp khí, đối tượng điều khiển cơ bản nhất là lưu lượng. Nhiệm vụ cơ bản nhất của hệ thống đường ống cung cấp khí nén là đáp ứng nhu cầu của người dùng về lưu lượng. Hiện tại có hai chế độ điều khiển lưu lượng khí: chế độ điều khiển cung cấp khí lúc có tải/ không  tải và chế độ điều khiển tốc độ.

Chế độ điều khiển cung cấp khí có tải/ không tải

Chế độ này đề cập đến việc kiểm soát không khí đầu vào qua van cửa vào. Có nghĩa là khi áp suất đạt đến giới hạn trên, van cửa vào sẽ đóng và máy nén sẽ đi vào trạng thái hoạt động không tải, khi áp suất đạt dưới hạn dưới, van cửa vào sẽ mở và máy nén sẽ đi vào trạng thái hoạt động có tải.

Máy nén khí không cho phép tình trạng hoạt động có tải trong thời gian dài, công suất định mức của motor được chọn theo nhu cầu thực tế lớn nhất và thông thường được thiết kế dư tải. Các thiết bị khởi động chịu sự hao mòn lớn và đó là nguyên nhân làm cho tuổi thọ motor giảm, do đó sẽ nặng về công việc bảo trì. Mặc dù phương pháp giảm điện áp đã được áp dụng, dòng khởi động vẫn còn rất lớn, nó có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của lưới điện và ảnh hưởng đến sự hoạt động an toàn của các thiết bị tiêu thụ điện khác. Hơn nữa, trong mọi trường hợp sự hoạt động là liên tục và động cơ của máy nén khí không được hỗ trợ điều chỉnh tốc độ, do đó sự thay đổi áp suất và lưu lượng không được dùng trực tiếp để giảm tốc độ và điều chỉnh công suất đầu ra cho phù hợp, và motor không cho phép khởi động thường xuyên, đó là nguyên nhân làm cho motor vẫn còn chạy không tải trong khi lượng khí tiêu thụ rất nhỏ, làm tiêu tốn một lượng lớn điện năng.

Chế độ có tải/không tải thường xuyên là nguyên nhân thay đổi áp suất trong toàn bộ đường ống, và áp suất làm việc không ổn định sẽ giảm tuổi thọ của máy nén khí. Mặc dù đã có một vài điều chỉnh cho máy nén khí (chẳng hạn như điều chỉnh van, điều chỉnh tải) ngay cả trong trường hợp lưu lượng ít, lượng điện tiêu thụ giảm xuống cũng không đáng kể do motor quay liên tục.

Chế độ điều khiển tốc độ quay motor

Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi tốc độ quay của máy nén khí, trong khi vẫn giữ cho van mở không thay đổi (thường là duy trì mở tối đa). Khi tốc độ quay của máy nén khí thay đổi, các đặc tính khác cũng thay đổi cùng với hệ thống nén khí, trong khi lực cản đường ống không đổi.

Với chế độ điều khiển như vậy, công nghệ thay đổi tần số được dùng để thay đổi tốc độ quay motor của máy nén khí và máy nén khí sẽ thay đổi lưu lượng theo nhu cầu tiêu thụ thực tế. Như vậy, hệ thống cung cấp khí có thể đạt được hiệu quả cao nhất đồng thời tiết kiệm điện. Nguyên tắc cơ bản của biến tần là sự chuyển đổi điện AC-DC-AC và có thể cho ra điện áp có tần số thay đổi theo yêu cầu của người dùng. Tốc độ quay của motor là tỉ lệ tuyến tính với tần số, do đó điện áp xoay chiều ở ngõ ra với tần số điều chỉnh được bởi biến tần có thể đáp ứng cho điện áp motor của máy nén khí, do đó tiện lợi cho việc thay đổi tốc độ quay của máy nén khí.

 Nguyên lý tiết kiệm điện của việc cung cấp khí với áp suất không đổi:
Như đã nói ở trên, lưu lượng là đối tượng điều khiển cơ bản của một hệ thống cung cấp khí. Lưu lượng khí cần thiết phải đáp ứng được lưu lượng tiêu thụ khí bất cứ lúc nào. Trong một hệ thống cung cấp khí, áp suất trong đường ống dự trữ có thể chỉ ra mối quan hệ giữa công suất cung cấp và nhu cầu tiêu thụ khí.
Nếu lưu lượng cung cấp > lưu lượng tiêu thụ làm áp suất bên trong đường ống sẽ tăng lên.
Nếu lưu lượng cung cấp < lưu lượng tiêu thụ làm áp suất bên trong đường ống sẽ giảm xuống.
Nếu lưu lượng cung cấp = lưu lượng tiêu thụ làm áp suất bên trong đường ống sẽ giữ nguyên không thay đổi.
Do đó, nếu áp suất trong đường ống là không đổi, lượng cung cấp khí chỉ cần đáp ứng đủ lượng khí tiêu dùng. Đây là mục đích của một hệ thống cung cấp khí với áp suất không đổi.

Hệ thống VVF xem áp suất đường ống như là một đố tượng điều khiển. một cảm biến áp suất ở cửa ra của đường ống sẽ chuyển áp suất của bình chứa thành tín hiệu điện, gửi tín hiệu đến hệ thống điều chỉnh PID, so sánh nó với áp suất đặt, tiến hành tính toán theo kiểu điều khiển PID căn cứ theo độ lớn của sự sai lệch, phát ra một tín hiệu điều khiển để điều khiển điện áp ngõ ra và tần số của biến tần, điều chỉnh tốc độ quay của motor, như vậy áp suất thực sự được giữ không đổi và giữ cố định trong toàn thời gian. Thêm vào đó, khi sử dụng giải pháp này, biến tần có thể khợi động mềm cho motor của máy nén khí từ lúc đứng yên cho đến lúc tốc độ quay ổn định, ngăn ngừa sự ảnh hưởng của dòng điện lớn trong lúc máy nén khí khởi động. Ở điều kiện bình thường, máy nén khí hoạt động theo chế độ điều khiển VVF. Đột nhiên biến tần bị lỗi, quá trình sản xuất không cho phép sự trì hoãn của máy nén khí, vì vậy hệ thống cơ cấu chức năng chuyển đổi giữa nguồn điện lưới và biến tần. Theo cách này, khi biến tần bị lỗi, nguồn điện lưới có thể lập tức cung cấp nguồn thông qua contactor, như vậy máy nén khí có thể hoạt động bình thường như thường lệ.

 

 Toàn bộ qua trình điều khiển như sau:

Nhu cầu tiêu thụ khí tăng lênà áp suất trên đường ống giảmà sự chênh lệch giữa áp suất cài đặt và giá trị hồi tiếp tăng lênà PID ngõ ra tăng lênà tần số ngõ ra của biến tần tăng lênà tốc độ quay của motor máy nén khí tăng lênà lưu lượng khí cung cấp tăng lênà áp suất đường ống giữ ổn định.

Xin lưu ý rằng PID của bien tan không kiểm soát sự điều chỉnh trong giới hạn dung sai áp suất , tức là tần số ngõ ra được giữ không thay đổi.

ở hình vẽ trên, “nguồn cung cấp chính” và “tiết kiệm năng lượng” được contactor chỉ định là nguồn cấp cho motor máy nén khí. Như vậy, có hai tùy chọn chế độ hoạt động cho “hoạt động nguồn điện chính” và “hoạt động tiết kiệm năng lượng”. Ở chế độ hoạt động nguồn điện chính, biến tần không làm việc và toàn bộ hệ thống khởi động/dừng bằng tay.và hoạt động ở tần số điện lưới theo phương pháp ban đầu. Trong khi ở chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng, máy nén khì được điều khiển trực tiếp bằng biến tần và hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay motor máy nén khí theo lượng khí tiêu thụ, để các bồn chứa duy trì một lượng áp suất không.

Những đề phòng khi phối hợp xây dựng lại máy nén khí có sử dụng biến tần

• Một máy nén khí thì kéo theo tải có quán tính lớn. đặc trưng đó là nguyên nhân dễ gây nên bảo vệ  quá dòng của bien tan ở chế độ V/f lúc khởi động. Khuyến khích sử dụng một biến tần sensor less vector có moment khởi động cao, để đảm bảo tính liên tục cung cấp khí và sự hoạt động ốn định của thiết bị.
• Một máy nén khí cho phép hoạt động ở tần số thấp trong một thời gian dài. Nếu máy nén khí quay ở tốc độ quá thấp, sự hoạt động ổn định của máy nén khí bị giảm, mặt khác dầu bôi trơn không đủ làm sự mài mòn diễn ra nhanh. Vì vậy, giới hạn dưới cho tần số hoạt động không được thấp hơn 20Hz.
• Để có hiệu quả trong việc loại bỏ những thành phần sóng hài bậc cao trong dòng điện ngõ ra của biến tần  và giảm bớt nhiễu do sóng điện từ gây ra, đề nghị lắp thêm một bộ lọc nhiễu để giảm bớt tiếng ồn và sự tăng nhiệt độ của motor và làm cho motor hoạt động ốn định hơn.

Các giải pháp tiết kiệm điện đối với động cơ không đồng bộ

PGS. Lê Văn Doanh ĐH Bách Khoa – HN

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) có cấu tạo đơn giản, vận hành chắc chắn nên được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Từ các loại thiết bị điện gia dụng như quạt điện, máy điều hòa nhiệt độ… đến các động cơ truyền động máy công cụ, máy nâng chuyển, dây chuyền sản xuất đâu đâu cũng có mặt ĐCKĐB. Chúng có công suất từ vài W đến vài nghìn kW. Trên 50% điện năng sản xuất của thế giới do ĐCKĐB tiêu thụ.

Theo tính toán trong suốt vòng đời của ĐCKĐB tiền điện chiếm tới 96% trong khi đó chi phí mua động cơ và bảo dưỡng chỉ chiếm 4% ! Vấn đề thiết kế chế tạo, vận hành sử dụng ĐCKĐB có ý nghĩa quyết định đến việc sử dụng điện năng tiết kiệm và hiệu quả. Ngày nay hệ truyền động Biến tần – ĐCKĐB ngày càng chiếm ưu thế.
Sau đây chúng tôi xin giới thiệu tiềm năng tiết kiệm điện năng đối với loại động cơ này.

1. Thiết kế chế tạo động cơ có hiệu suất cao
Có hai loại ĐCKĐB: động cơ rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn. Trong động cơ rôto dây quấn nhờ thêm điện trở phụ vào mạch rôto nên có thể giảm dòng điện mở máy và điều chỉnh tốc độ nhưng giá thành cao hơn loại động cơ rôto lồng sóc cùng công suất 2 lần. Do tổn hao công suất trong mạch từ (tổn hao sắt), trong dây quấn (tổn hao đồng) và các loại tổn hao cơ khí trên ổ trục, quạt gió… hiệu suất định mức của ĐCKĐB thông dụng khoảng 90%.
ĐCKĐB hiệu suất cao có kích thước tác dụng (tiết diện lõi thép, tiết diện dây quấn) lớn hơn động cơ thông dụng. Động cơ sử dụng lá thép kỹ thuật điện có suất tổn hao thấp, hệ số lấp đầy rãnh cao hơn, khe hở không khí đủ nhỏ, lồng sóc rôto bằng đồng, dung sai chế tạo nhỏ hơn động cơ thông dụng.
Về thiết kế tính toán tối ưu mạch từ, mạch điện, tối ưu kích thước răng rãnh để phân bố đều mật độ từ thông ở gông và răng rôto và stato. Về công nghệ chế tạo sử dụng khuôn dập chính xác, máy dập tôn công suất lớn, cân bằng động rôto chính xác, máy quấn dây tự động.
Các nước quy định tiêu chuẩn hiệu suất cho động cơ với ưu tiên động cơ hiệu suất cao. Ví dụ Hoa kỳ có tiêu chuẩn EPAct efficiency standards. Ủy ban Kỹ thuật điện quốc tế có tiêu chuẩn IEC 34-2. Trung Quốc có tiêu chuẩn động cơ hiệu suất cao Y2 và Y2e series. Nhật bản có tiêu chuẩn JEC 37 và JISC 4212:2000 High efficiency induction motors…
Ở Việt Nam Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành bộ Tiêu chuẩn ĐCKĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao TCVN 7540-1:2005 yêu cầu hiệu suất tối thiểu của ĐCKĐB rôto lồng sóc được chế tạo phải cao hơn Tiêu chuẩn sử dụng trước đây (TCVN 1987-1994) từ 1 đến 5 % .

Tại Việt Nam chỉ riêng Công ty Chế tạo Điện cơ Hà Nội hàng năm sản xuất hơn 35.000 động cơ. Nếu giả thiết nâng cao được 1 % hiệu suất của ĐCKĐB thì trong số điện năng tiêu thụ năm 2008 của Việt Nam là 70 tỷ kWh, 50 % là điện năng tiêu thụ của các ĐCKĐB và sơ bộ lấy tiền điện kinh doanh 1 kWh là 1725 đồng thì số tiền điện tiết kiệm do động cơ hiệu suất nâng cao thêm 1 % là:
35 tỷ x 0,01 x 1725 = 603,75 tỷ đồng.
Tại các nước EU ĐCKĐB hiệu suất cao có thể tiết kiệm 202 tỷ kWh tương đương 10 tỷ Euro.
IEC quy định hiệu suất cho động cơ theo 2 loại hiệu suất cao EFF1, động cơ có hiệu suất tiêu chuẩn EFF2 được cho trong bảng 1 sau đây:

Bảng 1 Hiệu suất của ĐCKĐB tiêu chuẩn và động cơ hiệu suất cao

2. Tiết kiệm điện cho ĐCKĐB bằng cách sử dụng biến tần
Nếu ĐCKĐB nối trực tiếp với lưới (hình 1a) khi công suất cơ của tải thay đổi thì công suất điện của động cơ hầu như không đổi, năng lượng bị tiêu hao trên các van tiết lưu. Khi sử dụng hệ truyền động có tốc độ thay đổi nhờ biến tần (hình 1b) khi lưu lượng của tải giảm thì công suất điện của động cơ giảm theo đường bậc 3 như hình 2. Vì vậy khi lưu lượng cần thiết bằng 80% thì công suất điện của động cơ bây giờ bằng = 51% , nghĩa là tiết kiệm được 49% điện năng.

Hình 1 Hệ truyền động điện
a) Truyền động tốc độ không đổi b) Truyền động tốc độ thay đổi nhờ biến tần

Hình 2 Quan hệ công suất, lưu lượng, áp suất theo tốc độ

Về cấu tạo biến tần gián tiếp gồm bộ chỉnh lưu biến đổi điện áp tần số lưới f1 thành điện áp một chiều. Qua mạch một chiều trung gian điện áp được lọc, tiếp theo là mạch nghịch lưu IGBT biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều tần số f2. Mạch đầu vào có bộ lọc nhiễu EMC, tất cả được điều khiển bằng vi xử lý như hình 3.

Hiệu suất năng lượng của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất hiện đại. Bộ biến tần làm việc theo nguyên lý thay đổi tần số (đồng thời thay đổi điện áp theo quan hệ U/f không đổi) đảm bảo mô men khởi động đủ lớn hơn mô men tải ngay cả khi ở tốc độ rất thấp. Đồng thời dòng điện đưa vào động cơ không tăng, do phối hợp giữa điện áp và tần số để giữ cho từ thông đủ để sinh mô men.
Dòng khởi động lớn nhất của hệ truyền động biến tần chỉ bằng dòng định mức, vì vậy không làm sụt áp lưới khi khởi động, đảm bảo các ứng dụng khác không bị ảnh hưởng và tiết kiệm điện năng khi khởi động.
Với những ứng dụng đặc tính tải thay đổi, như truyền động băng tải, khi non tải động cơ hoạt động non tải hiệu suất thấp. Trong trường hợp này biến tần giảm điện áp đặt vào động cơ, làm tăng hệ số cosφ (thường khoảng 0,96), tăng hiệu suất sử dụng điện, giảm tổn thất cho lưới. Biến tần điều chỉnh tốc động động cơ cho phù hợp với yêu cầu tải thực tế, tối ưu được việc sử dụng điện năng. Biến tần đáp ứng được dải công suất rộng, đặc tính mômen thay đổi cũng như cố định, phù hợp với tất cả các loại động cơ điện trong công nghiệp. Các biến tần đều được thiết kế có bộ lọc nhiễu tần số radio, tương thích với chuẩn EN55011/1A (có thể sử dụng lắp đặt ở bất kỳ nơi nào, không gây ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của các loại thiết bị điện tử tin học, viễn thông khác trong dây chuyền sản xuất), thiết kế thân thiện với người sử dụng, dễ dàng lắp đặt, cài đặt và vận hành.
Kinh nghiệm cho thấy trong đa số trường hợp động cơ kèm theo biến tần có thể giảm 35% điện năng tiêu thụ, vì thế hệ truyền động động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kèm theo biến tần trở nên rất thông dụng.
Ví dụ: xét một bơm ly tâm công suất 30 kW làm việc 10 giờ/ngày, 250 ngày/năm (2500 giờ/năm) theo chu trình:

25% thời gian (625 giờ) với 100% lưu lượng
50% thời gian (1250 giờ) với 90% lưu lượng
25% thời gian (625 giờ) với 80% lưu lượng.
Điện năng tiêu thụ khi không sử dụng biến tần:
30 kW x 2500h = 75000 kWh
Điện năng tiêu thụ khi sử dụng biến tần:
30 kW x 1 x 625 h = 18750 kWh
30 kW x (0.9)3 x 1250 h = 19200 kWh
30 kW x (0.8)3 x 625 h = 4050 kWh
Tổng cộng = 42.000 kWh
Như vậy điện năng tiêu thụ trong trường hợp sử dụng biến tần tiết kiệm được 44% so với trường hợp không sử dụng biến tần (42MWh so với 75 MWh).
Trên thị trường thường gập biến tần của các hãng nổi tiếng như MCD của Danfoss, ACS của ABB, Siemens:MICROMASTER (MM420, MM430, MM440), SINAMICS(G110, G120, G130,G150),Yaskawa F7, Yaskawa V1000….
ALTIVAR của Schneider:

3. Lựa chọn động cơ có công suất thích hợp
Lựa chọn động cơ có công suất thích hợp tránh vận hành non tải. Khi động cơ non tải hệ số công suất và cosj giảm rõ rệt. Ví dụ một động cơ khi mang tải 100% có cosj = 0,8 thì khi mang tải 50% – cosj = 0,65, mang tải 30% – cosj = 0,51. Vì vậy việc thay các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ có công suất nhỏ hơn sẽ nâng được hệ số công suất cho thiết bị làm giảm tổn hao trong hệ thống cũng như bản thân động cơ.

Bảng 2 Hiệu quả của việc đổi nối tam giác sang sao

4. Giảm điện áp ở những động cơ thường xuyên làm việc non tải
Khi không có khả năng thay các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ có công suất nhỏ hơn có thể giảm điện áp ở các động cơ bằng cách: Đổi nối tam giác sang sao; phân đoạn các quận dây stato; chuyển đổi đầu phân áp của máy biến áp. Hiệu quả của việc đổi nối tam giác sang sao khi động cơ làm việc non tải trong bảng 2:

Số 105 (6/2009)♦Tự động hóa ngày nay

Tính toán đặc tính động cơ sử dụng biến tần

TÓM TẮT

Động cơ không đồng bộ làm việc với bộ biến tần có tần số luôn thay đổi theo thời gian, do đó các thông số của động cơ và đặc tính làm việc của nó phụ thuộc vào tần số làm việc. Bài báo này giới thiệu một phương pháp tính toán đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc làm việc với bộ biến tần điện áp.

1. Giới thiệu

Động cơ không đồng bộ cần điều chỉnh tốc độ được làm việc với các bộ biến tần điện áp hay dòng điện hiện nay rất phổ biến. Để động cơ làm việc và được điều khiển trong hệ thống một cách hiệu quả, khi thiết kế động cơ cần thiết phải xét đến đặc tính của bộ biến tần và ngược lại. Khi làm việc động cơ được cung cấp bởi nguồn có tần số luôn luôn thay đổi, do đó, các thông số của động cơ sẽ thay đổi theo và vì vậy các đặc tính cũng thay đổi. Việc tính toán chính xác đặc tính làm việc của động cơ đòi hỏi phải tính toán tại các thời điểm khác nhau. Ở đây sẽ giới thiệu một chương trình tính toán đặc tính làm việc của loại động cơ này, có thể ứng dụng trong thiết kế.

2. Đặc tính làm việc của động cơ

2.1. Sơ đồ khối của chương trình tính toán

Chương trình tính toán dựa trên cơ sở đồ thị vectơ của động cơ không đồng bộ và việc tính toán được thực hiện bằng cách chọn tần số của roto. Với tần số được chọn, trên cơ sở đồ thị vectơ giải tìm được công suất đầu vào, các tổn thất và công suất đầu ra của động cơ. Nếu công suất đầu ra chưa phù hợp với kết quả yêu cầu thì tần số roto được chọn lại và tiếp tục tính toán cho đến khi nhận được công suất yêu cầu.

Đối với sóng bậc cao: giả thiết động cơ được quay với tốc độ của sóng bậc một cho trước:

trong đó:  là f1 tần số của sóng bậc 1

Tần số của sóng bậc cao roto cũng được biết, tương tự như sóng bậc cao của điện áp. Giải tất cả trường hợp sóng bậc cao cần xét sẽ xác định được tất cả công suất do sóng bậc cao sinh ra. Tổng của các công suất này sẽ là công suất của động cơ. Sơ đồ khối mô tả chương trình tính toán như hình vẽ.

Sơ đồ khối chương trình tính toán đặc tính làm việc           

2.2. Mô tả chương trình tính toán

Dữ liệu đầu vào:

Chứa các thông số của động cơ được biết từ thiết kế điện từ của động cơ.

Phân tích sóng bậc cao:

Từ dạng sóng ra của bộ biến tần, phân tích Fourrier sẽ được các sóng bậc cao. Tùy theo cách chọn để tính toán có thể chọn n sóng bậc cao cụ thể để xét.

Chọn hệ số trượt:

Bước đầu tiên hệ số trượt s được chọn với giá trị nào đó. Các bước tiếp theo s được chọn như sau:

Trong đó

U₁ là giá trị hiệu dụng của mỗi sóng bậc cao của điện áp bộ biến tần.

E_itt được xác định dựa vào đồ thị vectơ.

Các thông số của động cơ

Trong phần này các thông số của động cơ như điện trở, điện kháng được tính toán theo [2].

Tổn thất trong lõi thép:

Tổn thất được tính theo [2].

Sức từ động F₂, F_Fe, F_m

Các sức từ động được xác định theo các dòng điện tương ứng:

Các tổn hao khác

được xác định theo [2].

Tính E_itt

Xem phần chọn E_i.

Tính công suất

Công suất được tính bằng hiệu số của công suất đầu vào và tổn hao trong máy. Công suất đầu vào bằng tổng công suất đầu vào của từng sóng bậc cao riêng biệt. Công suất đầu vào đối với sóng bậc g:

(10)

Tính toán momen

Các loại momen được tính theo [4].

Kết quả

Giá trị kết quả của các đặc tính làm việc được viết ra dưới dạng số.

            3. Tính toán minh hoạ

Tính toán đặc tính làm việc của động cơ không đồng bộ có công suất 800KW làm việc với điện áp của biến tần 2.400V.

Lập chương trình tính toán xét đến sóng bậc cao n với các thông số của động cơ đã chọn, khi động cơ làm việc với tần số 50Hz kết quả như sau:

Đối với sóng cơ bản:

_ Dòng điện pha Stato: 300,379 [A]

_ Dòng điện pha roto: 2196,406 [A]

_ Hệ số trượt s = 0,0087057

_ cosj₁ = 0,8608203

_ cosj₂  = 0,9987776

_ Momen: 5260,267 [Nm]

_ Tổn hao: 44,628KW

Đối với sóng bậc cao, ví dụ sóng bậc 17:

_ Dòng điện pha Stato: 8,010 [A]

_ Dòng điện pha Roto: 64,952 [A]

_ Hệ số trượt s = 1,0583114

_ cosj₁  = 0,0643227

_ cosj₂  = 0,1768703

_ Momen: – 0,024 [Nm]

_ Tổn hao: 0,107 KW

 

            4. Kết luận

Với thuật toán được mô tả chương trình tính toán đặc tính làm việc của động cơ này có thể ứng dụng vào thiết kế động cơ không đồng bộ làm việc với biến tần và nhờ đó có thể tính toán tối ưu động cơ được thiết kế.

NGUYỄN HỒNG ANH

Đại học Đà Nẵng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]               Petrov, Elektricke stroje 1 & 2, Acamedia Praha, 1982.

[2]               Kopylov, Stavba elektrickych stroju, SNTL / MIR, 1988.

[3]               Vũ Gia Hanh, Máy điện, Nxb Khoa học Kỹ thuật, 1999.

[4]               Nguyễn Hồng Anh, Tính toán momen của động cơ không đồng bộ làm việc với nguồn không sin, Tạp chí Khoa học & Công nghệ ĐHĐN 1/ 2003.