NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHO TRẠM XỬ LÝ NƢỚC THẢI THỌ QUANG LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu các giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả đối với các phụ tải điện, qua đó tiết kiệm được điện năng, giảm chi phí sản xuất của trạm xử lý, góp phần cải tạo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH NGỌC MAI

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHO TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỌ QUANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH NGỌC MAI

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHO TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỌ QUANG

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

6 Tên luận văn 2

7 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ NHU CẦU (DSM) 3

1.1 KHÁI NIỆM VỀ DSM 3

1.2 CHIẾN LƯỢC CỦA DSM 3

1.2.1 Điều khiển nhu cầu điện năng phù hợp với khả năng cung cấp điện một cách kinh tế nhất 3

1.2.2 Nâng cao hiệu suất sử dụng điện của hộ tiêu thụ 8

1.3 KẾT LUẬN 10

CHƯƠNG 2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG SẢN XUẤT TẠI VIỆT NAM 11

2.1 MỞ ĐẦU 11

2.2 HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 11

2.2.1 Khái niệm và một số định nghĩa 11

2.2.2 Thiết kế chiếu sáng 11

2.2.3 Giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả 13

2.3 HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ 13

2.3.1 Giải pháp điều chỉnh hệ số công suất 14

2.3.2 Bù công suất phản kháng 18

2.3.3 Xác định dung lượng bù 19

2.3.4 Các thiết bị bù 20

2.4 GIẢI PHÁP DÙNG BIẾN TẦN 21

2.4.1 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ khi thay đổi tần số 21

2.4.2 Các bộ biến tần dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ 23

2.4.3 Sự thay đổi công suất khi thay đổi tốc độ động cơ 26

2.5 KẾT LUẬN 30

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TẠI TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỌ QUANG 31

3.1 MỞ ĐẦU 31

3.2 TỔNG QUAN VỀ TRẠM XỬ LÝ 31

3.2.1 Quy trình xử lý 31

3.2.2 Danh mục thiết bị 34

3.3 CÁC HỆ THỐNG VÀ THIẾT BỊ TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG 34

3.3.1 Hệ thống động cơ 34

3.3.2 Hệ thống chiếu sáng 35

3.4 TÍNH TOÁN KINH TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KHI DÙNG GIẢI PHÁP THAY THẾ LOẠI BÓNG TIẾT KIỆM ĐIỆN CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 36

3.4.1 Hiện trạng 36

3.4.2 Biện pháp đề xuất 36

3.4.3 Phân tích lợi ích khi thay thế cho hệ thống chiếu sáng 36

3.5 TÍNH TOÁN KINH TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KHI DÙNG PHƯƠNG PHÁP BÙ 40

3.5.1 Tính toán kinh tế khi dùng giải pháp bù 40

3.6 TÍNH TOÁN KINH TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA GIẢI PHÁP SỬ DỤNG BIẾN TẦN 43

3.6.1 Các công thức tính toán 43

3.6.2 Tính toán cụ thể cho các động cơ tại trạm xử lý 45

3.6.3 Sơ đồ hệ thống biến tần điều khiển động cơ và nguyên lý hoạt động 49

3.7 TÍNH TOÁN KINH TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA GIẢI PHÁP CHUYỂN DỊCH PHỤ TẢI 51

3.7.1 Hiện trạng 51

3.7.2 Biện pháp đề xuất 52

3.7.3 Phân tích lợi ích khi thực hiện chuyển dịch phụ tải 52

3.8 KẾT LUẬN 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO

TÓM TẮT NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG

CHO TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỌ QUANG

Học viên: Huỳnh Ngọc Mai Chuyên ngành: Mạng và hệ thống điện

Mã số: 60 52 02 02 Khóa: K31 Trường Đại học Bách Khoa-ĐHĐN Tóm tắt-Một trong những giải pháp để tiết kiệm năng mà nhiều nước trên thế giới và Việt Nam đang áp dụng đó là chương trình quản lý nhu cầu Tiềm năng của nó với các thành phần phụ tải là rất đa dạng và phong phú, với phụ tải của trạm xử lý nước thải Thọ Quang chủ yếu là các động cơ điện không đồng bộ là đối tượng tác động mạnh mẽ và có hiệu quả rất lớn trong chương trình quản lý nhu cầu Dựa vào 1

số các giải pháp trong chương trình quản lý nhu cầu, tác giả đã phân tích đánh giá hiệu quả của các giải pháp khi áp dụng cho trạm xử lý nước thải Thọ quang, đưa ra kiến nghị nhằm tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm chi phí vận hành cho trạm xử lý nước thải

Từ khóa: xử lý nước thải, tiết kiệm năng lượng,DSM, biến tần

RESEARCH AND CALCULATION OF ENERGY SAVING SOLUTIONS FOR THO QUANG WASTE WATER TREATMENT STATION

Abstract - One of the solutions for saving energy that many countries in the

world and Vietnam are applying is the Energy demand management program The potential of this program with additional charge components is varied and plentiful For additional charges of Tho Quang wastewater treatment plant, they are mainly asynchronous electric motors affected powerfully and effectively in the Energy demand management program Based on a number of solutions in the Energy demand management program, the author analyzed and evaluated the effectiveness of the solutions when it is applied to the waste water treatment plant and from that, proposed

to save energy, save cost for operation of wastewater treatment station

Key words: Waste water treatment, energy saving, DSM, inverter

TKNL : Tiết kiệm năng lƣợng

TOU : Time of use

VNĐ : Đồng Việt Nam

3.4 Bảng danh mục động cơ tại trạm bơm trung chuyển SPS 2 35 3.5 Danh mục đèn chiếu sáng cho nhà máy 35 3.6 Thông số kỹ thuật của các loại bóng 37 3.7 Chi phí đầu tƣ đèn TUBE LED 01 120/20W 38 3.8 Hiệu quả đầu tƣ đèn tube led 01 120/20W 38 3.9 Chi phí đầu tƣ đèn led D CSD01L/35W 39 3.10 Hiệu quả đầu tƣ đèn led D CSD01L/35W 40 3.11 Tổng hợp tính toán lắp đặt bộ tụ bù cho trạm xử lý 42 3.13 Danh mục động cơ phải dùng giải pháp biến tần 45 3.14 Tổng hợp tính toán lắp đặt bộ biến tần cho bơm bể điều hòa 47 3.15 Tổng hợp tính toán lắp đặt bộ biến tần cho bơm tuần hoàn 49

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.2 Nhà máy điện năng lượng mặt trời 5 1.3 Nhà máy điện từ sóng biển 6 1.4 Nhà máy điện thủy triều Sihwa- Hàn Quốc 6 1.5 Nhà máy điện sinh khối 7 1.6 Các khu vực tiết kiệm năng lượng 9 2.1 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp 23 2.2 Sơ đồ bộ biến tần có khâu trung gian một chiều 25 2.3 Biểu đồ quan hệ giữa tố độ và lưu lượng 27 2.4 Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ và áp suất 28 2.5 Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ và công suất 28 2.6 Giản đồ thay đổi công suất khi thay đổi lưu lượng 29 3.1 Quy trình dây chuyền xử lý nước thải 32 3.2 Biểu đồ tiêu thụ điện năng của trạm xử lý nước thải 33 3.3 Bóng đèn TUBE LED 01 120/20W 37

3.5 Biến tần Siemens Micromaster 430, 380V-7.5KW 46

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, năng lượng nói chung

và năng lượng điện nói riêng luôn đóng một vai trò then chốt và ảnh hưởng đến mọi lĩnh vực của cuộc sống Các nguồn nhiên liệu hóa thạch như dầu thô, than đá, khí tự nhiên cũng đang cạn dần Do vậy việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là ưu tiên quan trọng trong chính sách năng lượng quốc gia

Một trong những giải pháp để tiết kiệm năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng mà nhiều nước trên thế giới và Việt Nam đang áp dụng đó là chương trình quản lý nhu cầu ( Demand Side Managent gọi tắt là DSM) Tiềm năng của DSM với các thành phần phụ tải là rất đa dạng và phong phú, với phụ tải công nghiệp chủ yếu là các động cơ điện không đồng bộ là đối tượng tác động mạnh mẽ và có hiệu quả rất lớn trong chương trình quản lý nhu cầu Động cơ không đồng bộ có cấu tạo đơn giản, dải công suất rộng, dễ sử dụng, bảo dưỡng sữa chữa nên được dùng nhiều trong thực tế Tuy nhiên việc lựa chọn và sử dụng động cơ không đồng bộ sao cho hiệu quả tránh lãng phí không phải là điều đơn giản Do đó việc sử dụng hiệu quả động cơ không đồng bộ sẽ góp phần tiết kiệm điện cho nhà máy, xí nghiệp

Trạm xử lý nước thải Thọ Quang là 1 trong 5 trạm xử lý nước thải trực thuộc Công ty Thoát Nước và xử lý nước thải Đà Nẵng Có chức năng xử lý toàn bộ nước thải trong khu công nghiệp chế biến thủy sản Thọ Quang với công suất thiết kế 2000

m3/ngày đêm Phụ tải điện chủ yếu của trạm xử lý chủ yếu là động cơ không đồng bộ

3 pha dùng để bơm nước và cấp khí cho hệ thống xử lý nước thải Các động cơ điện không có hệ thống điều khiển điều chỉnh tốc độ hầu hết đều hoạt động ở chế độ định mức Mỗi năm chi phí tiền điện khoảng 1,2 tỉ đồng chiếm gần 30% so với tổng doanh thu Việc sử dụng điện chưa thực sự hiệu quả tại một số khâu xử lý, động cơ lắp đặt

chưa phù hợp với nhu cầu tải thực tế Chính vì vậy tôi thực hiện đề tài: Nghiên cứu,

tính toán các giải pháp tiết kiệm điện năng cho trạm xử lý nước thải Thọ Quang

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu các giải pháp quản lý điện năng, giải pháp sử dụng điện năng tính toán đề ra giải pháp tiết kiệm điện nhằm mang lại hiệu giảm thiểu chi phí sản xuất, nâng cao lợi nhuận cho công ty

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Khảo sát nghiên cứu đưa ra các giải pháp kỹ thuật và

quản lý năng lượng nhằm sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả cho Trạm xử lý

nước thải Thọ Quang

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dây chuyền công nghệ của trạm xử lý

Khảo sát thực trạng sử dụng năng lượng và nghiên cứu các giải pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm hiệu quả

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu sách, báo, chuyên đề khoa học về tiết kiệm năng lượng, giáo trình

Nghiên cứu thực nghiệm: Áp dụng các lý thuyết đã nghiên cứu để tính toán cho trạm xử lý nước thải Thọ Quang

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Góp phần phát triển các ứng dụng của các thiết bị điều khiển thông minh vào quy trình xử lý nước thải, tự động hóa trạm xử lý, ổn định chất lượng nước thải sau xử lý của trạm xử lý nước thải Trên cơ sở đó có thể áp dụng cho các trạm xử lý nước thải khác trong công ty cũng như các trạm xử lý ngoài công ty

Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu các giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả đối với các phụ tải điện, qua đó tiết kiệm được điện năng, giảm chi phí sản xuất của trạm

xử lý, góp phần cải tạo môi trường

6 Tên luận văn

Căn cứ theo đối tượng và phạm vi nghiên cứu, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên

cứu, luận văn được đặt tên là: “nghiên cứu, tính toán các giải pháp tiết kiệm điện

năng cho Trạm xử lý nước thải Thọ Quang”

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận thì gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về chương trình quản lý nhu cầu (DSM)

Chương 2: Các giải pháp và hiệu quả tiết kiệm điện năng trong sản xuất ở Việt

Nam

Chương 3: Tính toán tiết kiệm năng lượng tại trạm xử lý nước thải Thọ Quang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ NHU CẦU (DSM)

1.1 KHÁI NIỆM VỀ DSM

Chương trình quản lý nhu cầu gọi tắt là DSM

DSM là một hợp tác giải pháp kỹ thuật – Công nghệ- Kinh tế- Xã hội- nhằm sử dụng điện năng một cách hiệu quả và tiết kiệm DSM nằm trong chương trình tổng thể quản lý nguồn cung cấp (SSM- Supply Side Management)

Trong những năm trước đây, để thõa mãn nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của phụ tải người ta quan tâm đến đầu tư khai thác và xây dựng các nhà máy điện mới Giờ đây, do sự phát triển quá nhanh của nhu cầu dùng điện, lượng vốn đầu tư cho ngành điện trở thành gánh nặng cho các quốc gia Lượng than, dầu, khí đốt dùng trong các nhà máy nhiệt điện ngày một lớn kèm theo sự ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, dẫn đến DSM được xem như một nguồn cung cấp điện rẻ và sạch nhất, bởi vì DSM giúp chúng ta giảm nhẹ vốn đầu tư xây dựng các nhà máy điện mới, tiết kiệm tài nguyên, giảm bớt sự ô nhiễm môi trường Không chỉ vậy , nhờ DSM người tiêu dùng

có thể được cung cấp điện năng với giá rẻ và chất lượng cao hơn Thực tế, kết quả thực hiện DSM tại các nước trên thế giới đã đưa ra kết luận là DSM có thể giảm trên 10% nhu cầu dùng điện với mức chi phí vào khoảng (0,3 ÷ 0,5) chi phí cần thiết để xây dựng nguồn và lưới để đáp ứng lượng điện năng tương ứng Nhờ đó, DSM mang lại lợi ích về mặt kinh tế cũng như môi trường cho quốc gia, ngành điện và cho khách hàng

DSM được xây dựng dựa vào hai chiến lược chủ yếu là: điều khiển nhu cầu dùng điện cho phù hợp với khả năng cung cấp một cách kinh tế nhất và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của các hộ dùng điện để giảm điện năng tiêu thụ

1.2.1.1 Điều khiển trực tiếp dòng điện

Mục tiêu chính là thay đổi hình dáng đồ thị phụ tải, điều hòa nhu cầu tối đa và tối thiểu hằng ngày của năng lượng điện để sử dụng có hiệu quả nhất các nguồn năng lượng để giải tỏa nhu cầu xây dựng thêm các nhà máy sản xuất điện mới

a) Cắt giảm đỉnh: là giảm phụ tải của hệ thống trong thời gian cao điểm Điều này có thể làm chậm lại nhu cầu tăng công suất phát Hiệu quả là giảm điện năng tiêu

thụ và phụ tải đỉnh Biện pháp thực hiện thông thường nhất là công ty điện trực tiếp điều khiển các thiết bị sử dụng cuối cùng của khách hàng

b) Lấp thấp điểm: là tăng thêm các phụ tải vào thời gian thấp điểm Biện pháp này đặc biệt tốt khi chi trả dần dài hạn nhỏ hơn giá trị điện trung bình Biện pháp này thường áp dụng khi công suất thừa được vận hành bằng nhiên liệu giá thấp Hiệu quả

là tăng tiêu thụ điện năng tổng mà không tăng công suất đỉnh Để thực hiện cần tạo ra các phụ tải mới mà trước đây chúng vận hành bằng nhiên liệu không phải là điện như nạp điện ban đêm cho ô tô điện, tích năng lượng nhiệt…

c) Chuyển dịch phụ tải: Chuyển phụ tải từ thời gian cao điểm sang thời gian thấp điểm Hiệu quả là giảm công suất đỉnh nhưng không làm thay đổi tổng điện năng tiêu thụ Biện pháp thực hiện là chuyển các thiết bị tích năng lượng sang sử dụng vào thời gian khác với thời gian cao điểm

d) Biện pháp bảo tồn: Giảm tiêu thụ điện nhờ việc nâng cao hiệu năng của thiết

bị dùng điện Hiệu quả là giảm công suất đỉnh và giảm tổng điện năng tiêu thụ

e) Tăng trưởng dòng điện: là biện pháp tăng thêm khách hàng mới Ví dụ mở rộng chương trình điện khí hóa nông thôn Hiệu quả là tăng cả công suất đỉnh và điện năng tiêu thụ

f) Biểu đồ phụ tải linh hoạt: làm thay đổi độ tin cậy và chất lượng phục vụ Thay vì tác động vào biểu đồ phụ tải một cách lâu dài thì công ty điện có phương án cắt một số phụ tải khi cần Hiệu quả là giảm công suất đỉnh và thay đổi một ít tổng điện năng tiêu thụ

Mục tiêu đầu tiên trong mỗi biện pháp nêu trên là tác động vào thời gian hoặc mức nhu cầu của khách hàng để có được biểu đồ phụ tải như mong muốn

1.2.1.2 Tích trữ năng lượng

Đây là biện pháp tận dụng nguồn điện năng sản xuất từ những dạng nguyên liệu

rẻ tiền và dư thừa trong giờ thấp điểm, để đưa vào sử dụng trong giờ cao điểm góp phần lấp thấp điểm đồ thị phụ tải và giảm nhu cầu công suất trong giờ cao điểm một

số dạng tích trữ năng lượng phổ biến như:

- Tích trữ điện một chiều bằng Ac quy

- Tích trữ cho kho trữ nhiệt (nóng và lạnh) để phục vụ cho nhu cầu điều hòa nhiệt độ và một số công đoạn của quá trình sản xuất

- Tích trữ nước cho nhu cầu sinh hoạt

- Nhà máy thủy điện tích năng: tác động lớn đến DSM và là nguồn điện dự phòng tin cậy cho hệ thống điện (HTĐ)

1.2.1.3 Sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mới

Nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mới là giải pháp ứng dụng cho các công nghệ sử dụng năng lượng mới để bổ sung thay thế các dạng năng lượng hóa thạch Giải pháp này sẽ giúp gia tăng công suất và sản lượng điện, giảm ô nhiễm môi trường, góp phần thúc đẩy kinh tế xã hội phát triển Một số nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mới như:

- Năng lƣợng sóng biển

Hình 1.3 Nhà máy điện từ sóng biển

- Năng lƣợng thủy triều

Hình 1.4 Nhà máy điện thủy triều Sihwa- Hàn Quốc

- Năng lượng sinh khối

Hình 1.5 Nhà máy điện sinh khối 1.2.1.4 Giá bán điện thay đổi

Chính sách giá điện được xem là biện pháp tài chính hiệu quả thay cho biện pháp mệnh lệnh hành chính để điều chỉnh phương thức sử dụng điện của hộ tiêu thụ Nhờ vậy, điện năng được sử dụng một cách có hiệu quả, tránh lãng phí đem lại lợi ích kinh tế cho cả nhà sản xuất điện và hộ tiêu thụ điện Nói chung biểu giá điện phải được xét ở góc độ hiệu quả tổng thể của chương trình DSM Một số loại biểu giá được áp dụng phổ biến hiện nay trên thế giới:

- Giá điện theo thời điểm TOU ( time of use): đây là loại biểu giá được sử dụng khá phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới để điều hòa đồ thị phụ tải với khả năng cung cấp điện Giá điện TOU đặc biệt mang lại hiệu quả cao khi chi phí điện năng chiếm tỉ trọng lớn trong giá thành sản xuất sản phẩm ( đối với hộ tiêu thụ sử dụng điện cho mục đích sản xuất), thu nhập bình quân đầu người ( đối với hộ tiêu thụ điện cho mục đích sinh hoạt) Ở Việt Nam thông qua việc thực hiện bán điện theo 3 giá, giúp hộ dùng điện giảm chi phí tiền điện đến mức thấp nhất và nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện Thực hiện chương trình giá điện theo thời gian, EVN đã đẩy mạnh việc lắp đặt công tơ 3 giá cho các hộ tiêu thụ điện từ hộ cá thể đến hộ sản xuất

- Giá cho phép cắt trực tiếp: đây là biểu giá hiệp thương để khuyến khích hộ tiêu thụ cho phép ngành điện được cắt điện trong trường hợp khẩn cấp

- Giá theo công suất, điện năng sử dụng, giá theo cấp điện áp sử dụng

- Giá cho mục tiêu đặt biệt: đây là biểu giá được áp dụng để khuyến khích hộ tiêu thụ thực hiện một mục tiêu nào đó của ngành điện, chẳng hạn như tham gia tích cực chương trình thay thế đèn chiếu sáng tiết kiệm điện

1.2.2 Nâng cao hiệu suất sử dụng điện của hộ tiêu thụ

Thực chất của chiến lược này là đáp ứng một cách đầy đủ các nhu cầu của hộ tiêu thụ trên cơ sở hợp lý nhất Các nội dung chủ yếu của chiến lược này là sử dụng các thiết bị điện có hiệu suất cao và giảm thiểu sự lãng phí điện năng một cách vô ích Chiến lược này làm giảm điện năng tiêu thụ, nhờ đó có thể làm giảm vốn đầu tư phát triển nguồn và lưới điện đồng thời khách hàng sẽ phải trả ít tiền hơn Ngành điện có điều kiện nâng cấp thiết bị, chủ động trong việc đáp ứng nhu cầu của phụ tải điện, giảm thiểu tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng

1.2.2.1 Sử dụng thiết bị điện có hiệu suất cao

Nội dung chủ yếu của giải pháp này là bỏ vốn thay thế các thiết bị, dây chuyền công nghệ có hiệu năng thấp bằng thiết bị mới có hiệu năng cao hơn Khi đó giá thành thiết bị tuy tăng song do hiệu năng cao nên thời gian hoàn vốn nhờ tiết kiệm điện năng khá ngắn, do đó sẽ khả thi Ngày nay, nhờ sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, người ta chế tạo được nhũng thiết bị dùng điện có hiệu suất cao, tuổi thọ cao mà giá thành tăng không đáng kể để thực hiện giải pháp sử dụng các thiết bị có hiệu suất cao cần chú ý một số điểm sau:

- Luôn cập nhật thông tin về công nghệ chế tạo thiết bị điện

- Thành lập hệ thống kiểm định đánh giá chất lượng và hiệu suất của các thiết

- Đưa ra các chỉ tiêu nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của từng loại thiết

bị dùng điện cần phấn đấu đạt trong các kế hoạch thực hiện DSM cho các nhà sản xuất

1.2.2.2 Giảm thiểu sựu tiêu phí năng lượng một cách vô công

Hiện nay do ý thức tiết kiệm năng lượng chưa thật sự đi sâu vào ý thức từng thành viên trong cộng đồng, mặt khác do hệ thống thông tin, tuyên truyền, giáo dục,

đào tạo còn thiếu hoặc việc làm chưa thật sự hiệu quả nên không phải ai cũng đều hiểu những kiến thức cần thiết về các biện pháp tiết kiệm năng lượng thông thường

Do vậy việc sử dụng năng lượng nói chung và điện năng nói riêng kể cả ở các nước phát triển cũng còn lãng phí và không hiệu quả Mặc dù lượng điện năng tiết kiệm của từng thành viên là không lớn, tuy nhiên lượng điện năng tiết kiệm được của

cả một cộng đồng là không nhỏ, hơn nữa vốn đầu tư để thực hiện giải pháp này là không nhiều nên hiệu quả kinh tế của giải pháp này thường rất cao không chỉ với ngành điện , với quốc gia mà ảnh hưởng trực tiếp đến từng cá thể, từng gia đình, từng doanh nghiệp thể hiện qua số tiền chi trả tiền điện hàng tháng Các biện pháp cụ thể tiết kiệm điện năng thuộc giải pháp này chia làm 3 khu vực (hình 1.6)

b) Khu vực công cộng

Trong các khu vực công cộng cần quan tâm đến khâu thiết kế công trình để hạn chế tiêu tốn năng lượng cho hệ thống chiếu sáng, làm mát có thể cho những kết quả đáng kể Những quy định chung cụ thể, rõ ràng về việc sử dụng các thiết bị điện, hỗ trợ cho công tác an toàn và tiết kiệm điện, việc trang bị thêm các thiết bị đóng cắt tự động, các cảm biến ánh sáng, cảm biến nhiệt độ để tự động khống chế là cần thiết Ngoài ra cần lưu tâm đến việc tận dụng những nguồn nhiệt thừa vào mục đích gia nhiệt

TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

Khu vực nhà ở Khu vực công cộng Khu vực công nghiệp

c) Khu vực công nghiệp

Các biện pháp làm giảm sự lãng phí năng lượng trong khu vực này khá đa dạng

và thường cho hiệu suất cao, cần chú ý các điểm sau:

- Thiết kế và xây dựng nhà xưởng hợp lý

- Tối ưu hóa các quy trình sản xuất

- Bù hệ số công suất cosφ

- Dùng biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ theo yêu cầu của tải

- Thiết kế vận hành kinh tế cho các trạm biến áp

- Hệ thống chiếu sáng: sử dụng cảm biến ánh sáng để đóng ngắt hệ thống chiếu sáng Dùng chao đèn có hiệu suất cao, cải thiện thông số phòng, tận dụng ánh sáng tự nhiên, thường xuyên bảo dưỡng hệ thống chiếu sáng

- Với các động cơ điện: Áp dụng các giải pháp sử dụng hiệu quả đối với động

cơ

1.3 KẾT LUẬN

Trong chương 1 đã trình bày những khái niêm cơ bản về DSM và hai chiến lược chủ yếu của DSM, đó là điều khiển nhu cầu dùng điện phù hợp với khả năng cung cấp điện một cách kinh tế nhất và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng để giảm điện năng tiêu thụ

CHƯƠNG 2 CÁC GIẢI PHÁP VÀ HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG

TRONG SẢN XUẤT TẠI VIỆT NAM

2.1 MỞ ĐẦU

Trong chương 1 đã phân tích các giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả, trong chương này sẽ đi sâu phân tích hai giải pháp chính đó là: giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống chiếu sáng và giải pháp tiết kiệm điện năng cho động cơ không đồng bộ bằng phương pháp điều chỉnh hệ số công suất (HSCS) kết hợp với điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần (BT)

2.2.1.2 Độ rọi E

Độ rọi là quang thông chiếu tới một đơn vị diện tích bề mặt

Đơn vị : lux (lx) 1lux = 1 lm/m2

- Không lóa mắt

- Không lóa do phản xạ ánh sáng

- Không có bóng tối

- Độ rọi yêu cầu phải đồng đều

- Phải tạo được ánh sáng giống như ban ngày

Muốn thiết kế chiếu sáng cần có những dữ liệu đầu vào như sau:

- Mặt bằng của xí nghiệp, phân xưởng, vị trí máy đặt trên mặt bằng phân xưởng

- Mặt bằng và mặt cắt của nhà xưởng để xác định vị trí treo đèn

- Những đặc điểm của quá trình công nghệ

- Số liệu về nguồn điện và nguồn vật tư

2.2.2.1 Phương pháp tính toán chiếu sáng

Quang thông của mỗi bóng đèn:

d

S

E S k Z F

n K

 (2.1) Trong đó:

 (2.2)

Để tìm hệ số sử dụng ta phải tính chỉ số phòng φ

.( )

hc: khoảng cách từ đèn đến trần

2.2.3 Giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả

2.2.3.1 Sử dụng nguồn sáng hợp lý

Các loại đèn hiện nay khá đa dạng về chủng loại, không phải loại nào cũng có thể sử dụng cho hình thức chiếu sáng nhất định Do vậy tùy theo đối tượng mà cần lựa chọn nguồn sáng cho hợp lý

2.2.3.2 Lựa chọn chủng loại chiếu sáng phù hợp

Mỗi loại đèn được thiết kế và chế tạo với một mục đích sử dụng nhất định, phù hợp với chác phân bố ánh sáng của đèn Việc sử dụng không đúng chủng loại đèn sẽ làm ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống chiếu sáng, tăng chi phí điện năng tiêu thụ

và có thể tăng cả chi phí đầu tư ban đầu Xu thế phát triển của công nghệ chiếu sáng đang thay đổi rất nhanh Các nhà sản xuất tung ra thị trường nhiều loại đèn và liên tục cải tiến kỹ thuật cho chúng, các loại đèn cũ dần dần nhường chỗ cho các loại đèn mới tân tiến hơn phù hợp với nhu cầu thực tế hơn

2.2.3.3 Điều khiển và vận hành hợp lý hệ thống chiếu sáng

Trong giai đoạn đầu của công nghệ chiếu sáng, việc vận hành hệ thống chiếu sáng hoàn toàn do con người đảm nhiệm Do những chủ quan nhất định mà hệ thống chiếu sáng được khai thác với hiệu suất thấp và gây lãng phí lớn so với thiết kế tính toán ban đầu

Việc sử dụng các cảm biến ánh sáng để lấy tín hiệu từ việc thay đổi độ sáng tại khu vực cần chiếu sáng để điều khiển cho hệ thống chiếu sáng giúp nâng cao hiệu quả vận hành Những hệ thống chiếu sáng có điều khiển thuộc loại điều khiển tập trung, chúng giúp giảm thiểu sự lãng phí năng lượng Bên cạnh đó cách phương pháp vận hành hợp lý hệ thống cũng góp phần không nhỏ trong việc tiết kiệm điện năng cho hệ thống chiếu sáng

2.2.3.4 Áp dụng một số công nghệ mới

Hiện nay thiết bị và công nghệ chiếu sáng đang có những tiến bộ rất lớn nhờ sự hoàn thiện về vật liệu (đèn led), ứng dụng các kỹ thuật điều khiển trong tự động hóa vào hệ thống chiếu sáng cũng góp phần tăng khả năng tiết kiệm năng lượng…

2.3 HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ

Phụ tải tiêu thụ điện trong các xi nghiệp nhà máy thì phần lớn là các động cơ điện Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của dây chuyền sản xuất ta cần quan tâm đến các thông số cơ bản của động cơ như hiệu suất, hệ số công suất cosφ, tốc độ động cơ và tốc độ của dây chuyền sản xuất yêu cầu khi có sự thay đổi về tải, từ đó ta đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả hợp lý

2.3.1 Giải pháp điều chỉnh hệ số công suất

Hệ số công suất cosφ là một chỉ tiêu để đánh giá xí nghiệp dùng điện có hợp lý

và tiết kiệm hay không, việc tiết kiệm điện năng và nâng cao hệ số công suất cosφ là chủ trương lâu dài, gắn liền với việc phát huy hiệu quả trong quá trình sản xuất, phân phối và sử dụng điện năng Tuy nhiên, trong khi thực hiện các biện pháp tiết kiệm điện năng và nâng cao hệ số cosφ chúng ta cần lưu ý một số điểm sau để không làm ảnh hưởng xấu đến điều kiện làm việc bình thường của xí nghiệp

2.3.1.1 Ý nghĩa của việc nâng cao hệ số cosφ

Các hộ dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng (CSTD) P và công suất phản kháng (CSPK) Q, những thiết bị tiêu thụ nhiều CSPK là:

- Động cơ không đồng bộ (KĐB) tiêu thụ khoảng (60÷ 65)% tổng CSPK của mạng

- Máy biến áp tiêu thụ khoảng (20÷25)%

- Đường dây trên không, điện kháng và các thiết bị điện khác tiêu thụ khoảng 10%

Công suất tác dụng P là công suất được biến thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các máy dùng điện, đó là công suất hữu ích Còn CSPK Q là công suất từ hóa trong các máy điện xoay chiều, nó không sinh ra công Quá trình trao đổi công suất phản kháng giữa máy phát điện và hộ dùng điện là một quá trình dao động trong mỗi chu kỳ của dòng điện thì CSPK đổi chiều 4 lần, giá trị trung bình của Q trong nữa chu

kỳ của dòng điện là bằng không Cho nên việc tạo ra công suất phản kháng không làm tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp kéo máy phát điện Mặt khác, công suất phản kháng cấp cho hộ tiêu thụ điện không nhất thiết là phải lấy từ nguồn phát điện ( máy phát điện) để tránh truyền tải một lượng lớn công suất phản kháng trên đường dây dẫn điện, người ta đặt gần các hộ tiêu thụ điện các máy phát công suất phản kháng, đó là các tụ điện hoặc các máy bù đồng bộ Các thiết bị này cung cấp trực tiếp công suất phản kháng cho phụ tải Cách làm như vậy gọi là bù công suất phản kháng Khi bù công suất phản kháng thì góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong mạch sẽ nhỏ đi,

hệ số cosφ của mạch được nâng cao

Quan hệ giữa P,Q và góc φ:

φ = arctg Khi P không đổi, nhờ có bù công suất phản kháng, lượng Q truyền tải trên đường dây giảm xuống do đó góc φ giảm làm cho cos φ tăng lên Hệ số cos φ được nâng lên sẽ đưa đến những hiệu quả sau:

- Giảm được công suất tổn thất trong mạng điện

Công suất tổn thất trên đường dây được tính như sau:

Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần tổn thất điện áp

ΔU(Q) do Q gây ra

- Tăng khả năng truyển tải của đường dây và máy biến áp

Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng, tức là phụ thuộc vào dòng điện cho phép của nó dòng điện chạy trên đường dây và trong máy biến áp được tính như sau:

3.

P Q I

U



 (2.6)

Từ biểu thức (2.6) cho thấy với cùng một tình trạng phát nóng của đường dây

và máy biến áp( tức I= const) chúng ta có thể tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng P bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng phải tải đi

Ngoài việc nâng cao hệ số cosφ còn đưa đến hiệu quả là giảm chi phí kim loại màu, góp phần ổn định điện áp, tăng khả năng phát điện của máy phát điện vv…

Như vậy nâng cao hệ số cosφ, bù công suất phản kháng là vấn đề quan trọng phải được đặc biệt quan tâm khi thiết kế và vận hành một hệ thống cung cấp điện

2.3.1.2 Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosφ được chia làm hai nhóm chính

Nhóm nâng cao hệ số công suất cosφ tự nhiên (không dùng thiết bị bù) và nhóm các biện pháp nâng cao hệ số cosφ bằng cách bù công suất phản kháng

a) Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên

Nâng cao hệ số cosφ tự nhiên là các biện pháp để các hộ dùng điện giảm bớt lượng công suất phản kháng Q tiêu thụ như:

- Áp dụng các quy trình công nghệ tiên tiến: thay đổi và cải tiến quy trình công nghệ để các thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý nhất

- Sử dụng hợp lý các thiết bị điện: thay thế động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng các động cơ có công suất nhỏ hơn, phù hợp với tải

Khi làm việc động cơ không đồng bộ tiêu thụ lượng công suất phản kháng:

Trong đó:

+ Q0 là công suất phản kháng lúc động cơ làm không tải

+ Qdm là công suất phản kháng lúc động cơ làm việc định mức

kỹ thuật, việc thay thế phải làm giảm đƣợc tổn thất công suất tác dụng trong mạng và động cơ, vì có nhƣ vậy việc thay thế mới có lợi, ác tính toán cho thấy:

- Nếu kpt < 0,45 thì việc thay thế bao giờ cũng có lợi

- Nếu 0,45 < kpt < 0,7 thì phải so sánh kinh tế kỹ thuật mới xác định tính hiệu quả của việc thay thế

Ngoài ra việc thay thế phải đảm bảo nhiệt độ làm việc của động cơ phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép, đảm bảo điều kiện mở máy và vùng làm việc ổn định của động

cơ

 Giảm điện áp của những động cơ làm việc non tải

Công suất phản kháng mà động cơ không đồng bộ tiêu thụ đƣợc tính nhƣ sau:

2

U

Q k fV M

Trong thực tế người ta dùng phương pháp các phương pháp sau để giảm điện áp đặt lên các động cơ không đồng bộ làm việc non tải:

- Đổi nối dây quấn stator từ tam giác sang sao

Khi đổi nối dây quấn stator từ tam giác sang sao thì điện áp đặt lên 1 pha sẽ giảm đi 3 lần, do đó cosφ và hiệu suất được nâng cao, nhưng momen cực đại giảm đi

3 lần ( MMax≡ U2) vì vậy phải kiểm tra lại khả năng mở máy và làm việc ổn định của động cơ, biện pháp này dùng cho động cơ có điện áp nhỏ hơn 1000V và hệ số phụ tải nằm trong khoảng 0.35÷0.4

- Thay đổi cách phân nhóm dây quấn stator

Biện pháp thay đổi các phân nhóm của dây quấn stator thường được áp dụng đối với động cơ có công suất lớn có nhiều mạch nhánh song song trong cùng 1 pha, biện pháp này chỉ phù hợp với động cơ được chế tạo với nhiều dây đầu ra

- Thay đổi đầu phân áp máy biến áp để giảm điện áp của mạng điện phân phối trong nhà máy Biện pháp này chỉ cho phép áp dụng khi tất cả các động cơ trong nhà máy đều làm việc non tải và không có bất kỳ thiết bị nào yêu cầu cao về mức điện áp, trong thực tế thì biện pháp này khó thực hiện được

 Hạn chế động cơ không đồng bộ chạy không tải

Các máy công cụ trong quy trình làm việc đôi lúc phải làm việc không tải, ví dụ như trong qua trình chuyển từ quy trình gia công này quy trình gia công khác hoặc do thao tác không hợp lý của công nhân vận hành máy Khi làm việc không tải thì cosφ của động cơ rất thấp, vì thế cần hạn chế động cơ chạy không tải, đó là biện pháp tốt để nâng cao cosφ của nó Các biện pháp hạn chế động cơ chạy non tải được thực hiện theo 2 hướng:

- Hướng dẫn cho công nhân vận hành các thao tác hợp lý, giảm tối thiểu thời gian để máy chạy không tải

- Đặt thiết bị hạn chế không tải trong sơ đồ khống chế động cơ Nếu động cơ chạy không tải quá thời gian chỉ định nào đó thì động cơ bị cắt ra khỏi mạng điện

 Dùng động cơ đồng bộ thay cho động cơ không đồng bộ

Hệ số công suất cao, khi cần có thể vận hành ở chế độ kích thích để trở thành máy bù cung cấp công suất phản kháng cho mạng điện

 Thay thế các máy biến áp làm việc non tải bằng những máy biến áp có dung lượng nhỏ hơn

b) Nâng cao hệ số cosφ bằng phương pháp bù

Bằng cách đặt các thiết bị bù gần các hộ dùng điện để cung cấp công suất phản kháng, giảm được lượng công suất phản kháng phải truyền tải trên đường dây do đó

Bù công suất phản kháng Q ngoài tác dụng nâng cao hệ số công suất cosφ để tiết kiệm điện mà còn tác dụng quan trọng là điều chỉnh và ổn định điện áp của mạng điện cung cấp

Tổn thất công suất trên đường dây được tính theo công thức:

2 2

( ) b

tk

Q Q Q

2

(2 )

kt b

P Q R Q k



   (kW/kVAr) (2.15)

Từ công thức (2.15) ta thấy nếu Qb nhỏ hơn nhiều so với Q ( điều này thường

xảy ra trong thực tế) thì ta coi Q b

Q =0, lúc này đương lượng kinh tế của công suất phản kháng có thể tính theo công thức đơn giản sau,[8]:

2

.2

kt

Q R k

- Hộ dùng điện do máy phát điện cung cấp: kkt=0,02 ÷ 0,04

- Hộ dùng điện qua 1 lần biến áp: kkt=0,04 ÷ 0,06

- Hộ dùng điện qua 2 lần biến áp: kkt=0,05÷ 0,07

- Hộ dùng điện qua 3 lần biến áp: kkt=0,08 ÷ 0,12

P là phụ tải tính toán của hộ dùng điện

1

 là góc ứng với hệ số công suất trung bình cosφ1

2

 là góc ứng với hệ số công suất cosφ2 muốn đạt được khi bù

 = 0,9 ÷1 là hệ số xét tới khả năng nâng cao cosφ bằng những phương pháp không cần đặt thiết bị bù

Hệ số công suất cosφ2 thường lấy bằng hệ số công suất do cơ quan quản lý hệ thống điện quy định cho mỗi hộ tiêu thụ điện, thường cosφ2=0,85÷0,95

Xét về mặt tổn thất công suất tác dụng của hệ thống điện, thì dung lượng bù có thể xác định theo quan điểm tối ưu như sau:

Do bù có tiết kiệm được 1 lượng công suất tác dụng là:

P k Q k Q Q k k

     (2.18) Như vậy  P tk f Q( b), từ đó ta có thể tìm được dung lượng bù tối ưu ứng với

Qbtu có thể khác so với Qb tính theo (2.17), nếu xét riêng cho hộ tiêu thụ điện thì

bù 1 lượng công suất phản kháng bằng Qbtu là kinh tế nhất, tuy nhiên do lợi ích chung của toàn bộn hệ thống điện, thường nhà nước có qui định về hệ số công suất tiêu chuẩn

mà các hộ tiêu thụ điện phải đạt được Vì vậy trong thực tế người ta tính Qb theo công thức (2.17)

2.3.4 Các thiết bị bù

2.3.4.1 Tụ điện

Tụ điện là một thiết bị điện tĩnh có những ưu điểm và nhược điểm sau:

Ưu điểm: Suất tổn thất công suất tác dụng bé, không có phần quay nên lắp ráp

và bảo quản dễ dàng, tụ điện được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ , vì vậy tùy theo sự phát triển của phụ tải trong sản xuất mà ta ghép dần tụ điện vào mạng, làm việc cho hiệu suất cao và không tốn quá nhiều chi phí cho lắp đặt và vận hành

Nhược điểm: Tụ điện nhạy cảm với điện áp đặt lên cực tụ điện, cấu tạo của tụ kém chắc chắn, dễ bị phá hỏng khi ngắn mạch, khi điện áp tăng lên 110% Uđm thì tụ điện sẽ bị đánh thủng Khi ngắt điện khỏi mạng thì trên cực của tụ vẫn còn tích điện áp

có thể gây nguy hiểm cho nhân viên vận hành

Tụ điện thường dùng trong các xí nghiệp vừa và nhỏ, đòi hỏi dung lượng bù không quá lớn, thường thì Qbù< 5000 kVAr thì dùng tụ điện

bù đồng bộ còn là thiết bị tốt để điều chỉnh điện áp, nó được đặt ở nhũng vị trí cần điều chỉnh điện áp của hệ thống điện Nhược điểm của máy bù đồng bộ là có phần quay nên lắp ráp, bảo quản và vận hành phức tạp và chi phí cao Để tăng hiệu quả kinh tế thì máy bù đồng bộ thường được chế tạo với công suất lớn, do đó nó được đặt ở nhũng điểm cần bù tập trung với dung lượng lớn

Ứng với các thiết bị bù khác nhau thì tương ứng có một tổn thất công suất tác dụng khác nhau được trình bày ở bảng 2.1 [8]

Bảng 2.1 Suất tổn thất công suất tác dụng của các loại thiết bị bù

 Đối với máy bù đồng bộ: Vì công suất lớn nên thường đặt tập trung ở những điểm quan trọng của hệ thống điện Ở các xí nghiệp nhà máy công suất lớn thì máy bù đồng bộ được đặt tại phía điện áp cao của trạm biến áp trung gian

 Đối với tụ điện: Có thể đặt ở mạng có điện áp cao hoặc mạng có điện áp thấp.Tụ điện được bố trí theo 3 cách:

+ Đặt tập trung ở thanh cái phía điện áp thấp của trạm biến ấp phân xưởng + Đặt thành nhóm ở tủ phân phối động lực hoặc đường dây chính trong phân xưởng nhà máy

+ Đặt phân tán ở từng thiết bị dùng điện: phương pháp này xét về mặt giảm tổn thất điện năng thì có lợi nhất Với cách bố trí này khi thiết bị ngừng hoạt động thì tụ điện cũng nghỉ theo Phương án này được dùng để bù cho các động cơ không đồng bộ công suất lớn

2.4 GIẢI PHÁP DÙNG BIẾN TẦN

2.4.1 Nguyên lý điều chỉnh tốc độ khi thay đổi tần số

Trước đây, nếu có yêu cầu điều chỉnh tốc độ cao thường dùng động cơ điện một chiều, nhưng ngày nay nhờ kỹ thuật điện tử phát triển nên việc điều chỉnh tốc độ động

cơ không đồng bộ không gặp khó khăn mấy với yêu cầu phạm vi điều chỉnh, độ bằng phẳng khi điều chỉnh tốc độ

Các phương pháp điều chỉnh chủ yếu có thể thực hiện:

+ Trên stator: Thay đổi điện áp U đưa vào dây quấn stator, thay đổi số đôi cực từ P của dây quấn stator và thay đổi tần số f của nguồn điện

+ Trên rotor: Thay đổi điện trở rotor, nối cấp hoặc đưa sức điện động phụ vào rotor

Ta nghiên cứu điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số, từ biểu thức:

Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệ giữa điện

áp U1, tần số f1 và mô men M [8]

Khi bỏ qua r1 của dây quấn stator thì biểu thức của mô men cực đại có thể viết

dưới dạng:

2 1

Tóm lại: khi thay đổi tần số điều chỉnh tốc độ ta phải đồng thời điều chỉnh điện

áp đưa vào động cơ điện

2.4.2 Các bộ biến tần dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ

Để tạo ra các bộ biến tần có U và f thay đổi được, người ta có thể dùng các bộ biến tần với máy điện quay như máy phát đồng bộ, máy phát không đồng bộ hoặc dùng bộ biến tần bán dẫn, so với các bộ biến tần bán dẫn, bộ biến tần máy điện quay

có nhiều nhược điểm và ngày càng ít sử dụng

Các bộ biến tần bán dẫn gồm có: Bộ biến tần bán dẫn trực tiếp và bộ biến tần có khâu trung gian một chiều (biến tần gián tiếp)

a Bộ biến tần trực tiếp dùng Thyristor

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần trực tiếp

Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng bộ biến tần (BT) dùng trực tiếp Thyristor có sơ đồ nguyên lý như (xem hình 2.1)

Bộ biến tần trực tiếp dùng Thyristor biến đổi trực tiếp nguồn xoay chiều ba pha

U1, f1 bằng hằng số thành nguồn xoay chiều ba pha có U2, f2 biến đổi Bộ biến tần gồm

18 Thyristor chia cho ba pha, mỗi pha chia làm 2 nhóm:

Nhóm có Catot nối chung lại với nhau gọi là nhóm thuận T, cung cấp phần điện

áp dương trên mỗi pha của động cơ

Nhóm có Anot nối chung gọi là nhóm nghịch cung cấp điện áp đầu ra cho nửa chu kỳ âm

Ở mỗi pha có dùng hai cuộn kháng để làm giảm dòng điện không cân bằng của các Thyristor khi chuyển mạch giữa nhóm thuận và nhóm nghịch Nếu gọi tần số vào

f1, số pha điện áp đầu ra là m (m=3), số đỉnh hình sin của sóng điện áp đầu vào trong nửa chu kỳ của điện áp đầu ra là n thì tần số điện áp đầu ra của bộ biến tần là [7]:

m

f = f2n + m - 2 (2.26) Muốn thay đổi tần số f2 ta thay đổi số đỉnh hình sin của điện áp đầu vào trong nửa chu kỳ của điện áp đầu ra (tức là thay đổi thời gian làm việc của Thyristor trong cùng một nhóm thuận hay nghịch so với chu kỳ sóng điện áp đầu vào)

Muốn thay đổi điện áp đầu ra của bộ biến tần là U2 ta thực hiện khống chế thời gian kích xung lên với các thyristor so với điểm chuyển mạch tự nhiên, tức là tạo ra một sóng điện áp đầu ra có trị số trung bình nhỏ hơn trị số trung bình của điện áp đầu

ra khi chuyển mạch tự nhiên

- Dùng nhiều Thyristor, mạch điều khiển phức tạp

- Nhạy cảm với những biến động của lưới điện

b Bộ biến tần dùng Thyristor có khâu trung gian một chiều

Bộ biến tần có khâu trung gian một chiều là bộ biến đổi hai tầng [7], nhóm chỉnh lưu có chức năng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, sau khi qua bộ lọc điện áp một chiều được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều có tần số biến đổi Nhóm nghịch lưu ở đây làm việc độc lập với lưới, nghĩa là các van của chúng chuyển mạch cho nhau theo chế độ cưỡng bức, ta gọi nghịch lưu này là nghịch lưu áp

Hình 2.2 Sơ đồ bộ biến tần có khâu trung gian một chiều

Tần số đầu ra được điều chỉnh nhờ thay đổi chu kỳ đóng cắt các van trong nhóm nghịch lưu còn điện áp ra có thể điều chỉnh nhờ thay đổi góc mở của các van trong nhóm chỉnh lưu Sơ đồ nguyên lý của biến tần có khâu trung gian một chiều (xem Hình 2.2)

Đây là sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần có khâu trung gian một chiều dùng nghịch lưu áp Nhóm chỉnh lưu gồm 6 Thyristor T7  T12 làm nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều thành một chiều Bộ lọc phẳng gồm kháng L0 và tụ C0 Phần chính của bộ nghịch lưu là các Thyristor T1  T6 chúng được mở theo thứ tự T1,T2,T3,T4,T5,T6 cách nhau 1

2 chu kỳ của áp ra

Như vậy bằng cách thay đổi khoảng thời gian dẫn của các Thyristor ta thay đổi được chu kỳ của điện áp ra tức là điều chỉnh được điện áp ra Để chuyển mạch giữa các van, ta dùng các tụ C1  C6 Giả sử trong khoảng thời gian nào đó T1 và T2 dẫn, tụ

C1 được nạp từ nguồn, khi kích thích xung mở T3 tụ C1 phóng qua T1 và T3 tạo ra dòng khóa T1 làm T3 dẫn Các diode D1 D6 có tác dụng ngăn cách các tụ chuyển mạch với phụ tải, không cho các tụ phóng điện qua phụ tải Nhờ vậy điện dung yêu cầu của tụ điện được giảm nhỏ và điện áp trên tải không bị ảnh hưởng bởi sự phóng nạp của tụ Các diode D1  D7 tạo thành một cầu ngược có tác dụng mở cho dòng phản kháng từ

phía động cơ về tụ C0, dòng điện này xuất hiện do sự trên lệch pha giữa dòng và áp trên động cơ

Các Thyristor của nghịch lưu chuyển mạch theo tín hiệu điều khiển nên cực tính điện áp trên mỗi pha stator thay đổi theo tần số điều khiển

* Nhận xét:

- Bộ biến tần điện áp gián tiếp có hai dải điều tần rộng, tần số ra f2 có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số vào f1, do đó có thể điều chỉnh vô cấp được, việc điều chỉnh

U2, f2 đơn giản biến tần trực tiếp

- Dùng ít Thyristor, mạch điều khiển đơn giản

- Qua hai lần biến đổi nên hiệu suất không cao bằng biến tần trực tiếp

2.4.3 Sự thay đổi công suất khi thay đổi tốc độ động cơ

Với động cơ tương thích (quạt, bơm ly tâm), khi sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ dẫn đến thay đổi lưu lượng và thay đổi công suất, tiết kiệm được năng lượng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống Theo lý thuyết về thủy lực [2], công suất trên trục động cơ, lưu lượng dòng chảy Q, áp suất chất lỏng H có quan hệ theo phương trình:

- Lưu lượng tỷ lệ bậc nhất với tốc độ của động cơ ( hình 2.3)

Hình 2.3 Biểu đồ quan hệ giữa tố độ và lưu lượng

Lưu lượng tuyến tính bậc nhất với tốc độ động cơ, khi yêu cầu điều chỉnh lưu lượng thì ta điều chỉnh tốc độ động cơ tương ứng

- Áp suất tỷ lệ bậc 2 với tốc độ động cơ (hình 2.4)

Khi điều chỉnh lưu lượng bằng biến tần thì áp suất là hàm phi tuyến bậc 2 đối với tốc độ động cơ

Khi điều chỉnh lưu lượng bằng van tiết lưu: áp suất là hàm phi tuyến tỉ lệ nghịch với tốc độ động cơ, ví dụ khi cần giảm lưu lượng ta đóng bớt van, thì lúc này sức cản đường ống tăng lên, dẫn đến áp suất tăng lên và ngược lại