Mục đích và mục tiêu nghiên cứu đề tài
Khảo sát và đánh giá thực trạng sử dụng năng lượng của động cơ không đồng bộ ba pha tại các trạm bơm nước thải ở Đà Nẵng nhằm tìm ra giải pháp tối ưu cho việc lựa chọn thiết bị điều khiển, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong Công ty.
Lựa chọn và tính toán thiết bị điều khiển tối ưu không chỉ nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng mà còn cải thiện môi trường Điều này góp phần vào phát triển kinh tế - xã hội bền vững, đồng thời đảm bảo an ninh năng lượng cho đất nước.
2.1.1 Các giải pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả trong sản xuất
Nghiên cứu các giải pháp sau đây:
* Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong khâu quản lý:
- Thực hiện việc đo lường năng lượng tại các khâu vận hành sản xuất, thu thập các hóa đơn tiêu thụ năng lượng của Công ty
- Từ đó đưa ra được tiêu chuẩn tiêu thụ năng lượng tại các khâu vận hành sản xuất, các tồn tại cần khắc phục
- Sắp xếp các vấn đề xử lý theo thứ tự ưu tiên
- Thiết lập các mục tiêu của các vấn đề tồn tại cần xử lý
- Lập kế hoạch và thực hiện kế hoạch để xử lý
- Giám sát và đánh giá các vấn đề tồn tại đã xử lý
* Giải pháp tiết kiệm năng lượng trong khâu kỹ thuật:
- Phân tích các giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả đối với động cơ KĐB
- Nghiên cứu việc điều chỉnh hệ số công suất và điều chỉnh tốc độ của động cơ bằng bộ biến tần
- Tính toán kinh tế, đánh giá hiệu quả khi áp dụng giải pháp bù công suất phản kháng và điều chỉnh tốc độ động cơ bằng bộ biến tần
- Tiết kiệm năng lượng trong cơ sở vận hành sản xuất: Khai thác động cơ điện, các biện pháp nâng cao hệ số cosφ
2.1.2 Nghiên cứu đề xuất, ứng dụng các thiết bị điều khiển tối ưu đối với động cơ không đồng bộ
Nghiên cứu công nghệ nhằm đề xuất giải pháp tối ưu cho việc điều khiển hệ thống động cơ không đồng bộ và máy bơm.
2.1.3 Tính toán hiệu quả vốn đầu tư, thời gian đầu tư, thời gian hoàn vốn
Nghiên cứu các chiến lược quản lý năng lượng hiệu quả cho động cơ KĐB, tập trung vào việc tiết kiệm điện năng thông qua bù công suất phản kháng và điều chỉnh tốc độ động cơ bằng bộ biến tần Các giải pháp này được áp dụng cụ thể cho các trạm bơm nước thải tại Đà Nẵng nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng.
Phương pháp nghiên cứu
4.1 Ph ươ ng pháp th ự c nghi ệ m Áp dụng các lý thuyết đã nghiên cứu để tính toán cho cho các trạm bơm nước thải Đà Nẵng
4.2 Ph ươ ng pháp nghiên c ứ u lý thuy ế t
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu các tài liệu, sách, báo, chuyên đề, giáo trình, bài giảng
- Nghiên cứu tư liệu về các thiết bị điều khiển tối ưu động cơ không đồng bộ ba pha của các nước trên thế giới
Phân tích và tổng hợp số liệu từ các dây chuyền vận hành là cần thiết để xác định thiết bị điều khiển tối ưu cho động cơ không đồng bộ ba pha Việc này giúp nâng cao hiệu suất hoạt động và đảm bảo sự ổn định trong quá trình vận hành.
4.3 Ph ươ ng pháp thu th ậ p và x ử lý thông tin
- Khảo sát hệ thống dây chuyền công nghệ, thu thập thông tin về khả năng phát triển và nâng cấp dây chuyền vận hành
- Thu thập những số liệu thống kê, tài liệu: Thu thập thông tin về chi phí sử dụng năng lượng, giá điện,…
- Khảo sát và đo đạc các thông số liên quan đến việc sử dụng năng lượng như: Cường độ dòng diện, hệ số cosφ,…
Dựa trên các số liệu khảo sát, chúng tôi đề xuất giải pháp nhằm tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả, từ đó nâng cao hiệu suất trong quá trình xử lý và vận hành.
Phân tích kinh tế tài chính đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả đầu tư khi sử dụng thiết bị điều khiển tối ưu cho động cơ KĐB ba pha Việc tính toán các chỉ số như hiệu quả đầu tư, vốn đầu tư, thời gian đầu tư và thời gian hoàn vốn sẽ giúp doanh nghiệp đưa ra quyết định chính xác hơn Sử dụng thiết bị điều khiển tối ưu không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ mà còn giảm thiểu chi phí vận hành, từ đó tối ưu hóa lợi nhuận.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nghiên cứu và đề xuất giải pháp tối ưu cho việc tính toán và lựa chọn thiết bị điều khiển nhằm sử dụng năng lượng hiệu quả cho động cơ không đồng bộ, giúp tiết kiệm điện năng và giảm chi phí vận hành của công ty Điều này không chỉ cải thiện môi trường mà còn tạo cơ hội nhân rộng giải pháp cho các nhà máy xử lý nước thải khác.
Tên tiểu luận
Luận văn mang tên “Nghiên cứu đề xuất các giải pháp sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả cho Công ty Thoát nước và Xử lý nước thải Đà Nẵng” được xây dựng dựa trên đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cùng với mục đích, mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu rõ ràng.
Bố cục
Luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận, gồm có ba chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về Công ty Thoát nước và Xử lý nước thải Đà Nẵng và chương trình DSM
Chương 2: Các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong vận hành và phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng thiết bị biến tần
Chương 3 đề xuất các giải pháp tiết kiệm điện năng cho các trạm bơm nước thải tại Công ty Thoát nước và Xử lý nước thải Đà Nẵng, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm chi phí vận hành Các phương pháp này bao gồm việc tối ưu hóa quy trình bơm, sử dụng thiết bị tiết kiệm điện và áp dụng công nghệ tự động hóa hiện đại Việc thực hiện các giải pháp này không chỉ góp phần bảo vệ môi trường mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống xử lý nước thải.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TY THOÁT NƯỚC VÀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÀ NẴNG VÀ CHƯƠNG TRÌNH DSM
Tổng quan về công ty thoát nước và xử lý nước thải Đà Nẵng
1.1.1 Gi ớ i thi ệ u chung v ề Công ty
Công ty Thoát nước và xử lý nước thải Đà Nẵng có trụ sở chính tại số 18 đường
Hồ Nguyên Trừng - Phường Hòa Cường Nam - Quận Hải Châu – thành phố Đà Nẵng Công ty được thành lập theo Quyết định số 1172/QĐ-UBND ngày 08 tháng 02 năm
2010 của Chủ tịch Ủy ban nhân dân thành phố Đà Nẵng
Công ty Thoát nước và Xử lý nước thải Đà Nẵng là doanh nghiệp Nhà nước chịu trách nhiệm quản lý, vận hành và bảo dưỡng hệ thống thoát nước và xử lý nước thải tại thành phố Đà Nẵng Công ty có tư cách pháp nhân đầy đủ, con dấu riêng và tài khoản ngân hàng.
1.1.2 Ch ứ c n ă ng và nhi ệ m v ụ c ủ a công ty a Ch ứ c n ă ng
Công ty chịu trách nhiệm quản lý, vận hành và bảo dưỡng toàn bộ hệ thống thoát nước và xử lý nước thải tại thành phố Đà Nẵng, đồng thời còn đảm nhận một số chức năng khác liên quan đến lĩnh vực này.
- Xây lắp các công trình thoát nước và xử lý nước thải
- Kinh doanh vật tư chuyên ngành thoát nước
- Thiết kế các công trình thoát nước và xử lý nước thải
- Thí nghiệm các mẫu nước thải b Nhi ệ m v ụ
- Lập hồ sơ quản lý, quản lý khai thác và vận hành toàn bộ hệ thống thoát nước đô thị bao gồm cả hệ thống xử lý nước thải;
Để đảm bảo hiệu quả trong quản lý hệ thống thoát nước đô thị, cần xây dựng kế hoạch ngắn hạn và dài hạn Việc tổ chức kiểm tra, duy tu, sửa chữa và nạo vét định kỳ là rất quan trọng, cùng với việc xây dựng bổ sung các công trình cần thiết để nâng cao khả năng thoát nước.
Đề xuất các cơ quan có thẩm quyền xem xét và cho phép thực hiện đấu nối hệ thống xả nước thải của các hộ gia đình với hệ thống thoát nước đô thị.
Hướng dẫn sử dụng hệ thống thoát nước đô thị cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật, bao gồm việc kiểm tra và phát hiện các hành vi vi phạm Đồng thời, cần đề xuất các cơ quan có thẩm quyền xử lý những vi phạm này và cấp phép cho việc đấu nối hệ thống thoát nước đô thị.
- Theo dõi tình trạng ngập úng, tổ chức khắc phục hoặc đề xuất cơ quan có thẩm quyền thực hiện các biện pháp khơi thông thoát nước đô thị
- Quản lý sử dụng lao động, tài sản, tài chính đúng quy định của Nhà nước
- Thực hiện các nhiệm vụ khác do UBND thành phố và Giám đốc Sở Tài Nguyên và Môi Trường giao.
Hiện trạng nguồn nhân lực
- Phòng tổ chức – Hành chính: 14 người
- Phòng công nghệ môi trường nước thải: 10 người
- Trạm Xử lý nước thải Sơn Trà: 21 người
- Trạm Xử lý nước thải Hòa Cường: 29 người
- Trạm Xử lý nước thải Phú Lộc: 38 người
- Trạm Xử lý nước thải Ngũ Hành Sơn: 28 người
- Trạm Xử lý nước thải Thọ Quang: 26 người
- Đội quản lý duy tu : 14 người v Sơ đồ tổ chức:
Phó giám đốc phụ trách thoát nước
Phó giám đốc phụ trách nội chính
Phó giám đốc phụ trách xử lý nước thải
Phòng Công nghệ môi trường nước thải
Trạm XLNT Ngũ Hành Sơn Đội Duy tu
Tổng quan về các trạm bơm nước thải cấp I (xem hình1.1)
1.3.1 H ệ th ố ng các tr ạ m b ơ m n ướ c th ả i c ấ p I
Hệ thống các trạm bơm nước thải cấp 1 tổng cộng có 09 trạm bơm (SPS) thuộc
Đà Nẵng có bốn lưu vực chính: lưu vực Sơn Trà, lưu vực Ngũ Hành Sơn, lưu vực Phú Lộc và lưu vực Hòa Cường Những lưu vực này được thiết kế để thu gom nước thải từ các tuyến cống thu gom tự chảy và các cấu trúc chuyển dòng.
Có hai hệ thống lớn là Phú Lộc và Hòa Cường, cùng với hai hệ thống nhỏ là Sơn Trà và Ngũ Hành Sơn Sự phân loại "lớn" ở đây không liên quan đến chiều dài của tuyến ống, mà chủ yếu đề cập đến khối lượng nước thải được thu gom.
SPS19 txl ngũ hành sơn
GID20n-800 RM20n-560 GI D1 RM 9a 19 -250 n- 560 g id 19 n -4 00 rm1 8-250 g id 1 2a -2 00 g id 13 -6 30 r m 12 -3 15 g id 1 3-5 60 r m 1 3- 560 g id 14 -8 00 r m 1 4- 630 rm15-630 g id 8- 200 g id 8 a -2 00 r m 8 -250 g id 9 a -2 00 g id 9 -560 r m 9 -560 r m 9- 560 g id 1a -250 g id 1-5 60 rm 1-400 r m 3-
SPS33 rm 33-3 15 dn800 -1200 dn80 0-12 00 dn8 00-1 200 rm 9- 560
So n trà Ði? da nang airport sân bay đà nẵng vịnh đà nẵng - da nang bay s ô n g hàn - han r iver b iể n đ ô ng
Hình 1.1 Hệ thống các trạm bơm cấp I và cấp II
Hệ thống nước thải Hòa Cường tại Đà Nẵng thu gom nước thải từ khu vực trung tâm đông đúc, nơi phát sinh lượng nước thải lớn Hệ thống Phú Lộc chuyên thu gom nước thải dọc Vịnh biển Nguyễn Tất Thành, trong khi các hệ thống Sơn Trà và Ngũ Hành Sơn phục vụ cho các khu dân cư tại Quận Sơn Trà và Quận Ngũ Hành Sơn Tất cả các hệ thống này hoạt động liên tục trong suốt năm, chỉ ngừng hoạt động trong những ngày mưa lớn hoặc khi mất điện.
Chi tiết về mỗi trạm bơm SPS được trình bày trong bảng dưới đây
Bảng 1.1 Chi tiết các trạm bơm SPS cấp I
Các loại bơm Lưu vực SPS
Lưu lượng (l/s) C/tác Tổng Loại Đ/k ống (mm) Đ/k SPS (m)
Mỗi trạm bơm được làm bằng bêtông cốt thép và được trang bị gồm:
- Một hoặc nhiều bơm làm việc đặt chìm và 1 bơm dự phòng đặt chìm;
- Mỗi bơm có một van cổng và một van một chiều để ngăn không cho nước thải chảy ngược vào SPS khi bơm ngừng vận hành;
- Một van chính hai chiều, để có thể làm trống các tuyến ống nâng chính một tủ điện điều khiển;
- Một quạt thông gió, được lắp đặt bên trong tủ điều khiển
Hệ thống nước thải tự động thu gom và chuyển đến trạm bơm, nơi máy bơm đầu tiên sẽ khởi động khi mực nước trong giếng bơm đạt đến cao độ nhất định Các bơm tiếp theo sẽ được kích hoạt khi mực nước tiếp tục tăng lên các mức đã được xác định Quá trình ngừng bơm cũng được thiết lập tự động, đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Các trạm bơm nước thải cấp 1 có công suất nhỏ từ 5,9KW đến 13,5KW, hoạt động bằng cách khởi động trực tiếp để bơm nước thải từ giếng bơm lên đường ống nâng chính Nước thải sau đó được dẫn đến các trạm bơm cuối tuyến hoặc 4 trạm xử lý, theo sự điều khiển của tủ điện và nhân viên vận hành tại phòng SCADA.
1.3.3 Các thi ế t b ị trong h ệ th ố ng tr ạ m b ơ m n ướ c th ả i SPS c ấ p I
Tất cả các thiết bị trong hệ thống trạm bơm điều giống nhau gồm:
- Từ 02 đến 03 động cơ bơm chìm cho 1 tram bơm SPS
- 01 tủ điện điều khiển gồm: Áp tô mát, công tắc tơ, role nhiệt, bảo vệ mất pha, các dụng cụ đo đếm dòng, áp, bộ PLC …
Hình 1.2 Sơ đồ điện các động cơ bơm nước trong tủ điện
Hình 1.3 Sơ đồ mạch điều khiển 1.3.5 Nguyên lý làm vi ệ c v Điều khiển bằng tay (Manual)
Hệ thống bơm sẽ được theo dõi và điều khiển trực tiếp tại chỗ, trong khi dữ liệu sẽ được truyền về trung tâm để ghi nhận số liệu Tuy nhiên, tại trung tâm sẽ không thể thực hiện việc điều khiển bơm.
Sau quá trình bảo dưỡng định kỳ bơm, nhân viên vận hành cần chạy thử bơm ở chế độ bảo dưỡng để kiểm tra tình trạng hoạt động tại hiện trường Việc này đảm bảo bơm hoạt động tốt trước khi chuyển sang chế độ điều khiển tự động từ xa.
Chế độ giám sát và điều khiển tự động cho phép can thiệp vào PLC để thay đổi dữ liệu và trạng thái Tại trung tâm, hệ thống cũng theo dõi các trạng thái bơm Tất cả MCCB động lực và CB điều khiển hệ thống đã được đóng, sẵn sàng cho hoạt động.
Chuyển công tắc sang vị trí Man (ấn on) hoặc Auto để thiết bị hoạt động Khi đó, role R3 (R4) sẽ dẫn điện đến tiếp điểm của rơ le, tự động kích hoạt công tắc tơ MC1 (MC2) Kết quả là động cơ bơm nước khởi động trực tiếp và hoạt động theo chế độ định mức.
Tổng quan về trạm bơm nước thải cấp II
1.4.1 H ệ th ố ng các tr ạ m b ơ m n ướ c th ả i c ấ p II
Chi tiết về mỗi SPS được trình bày trong bảng dưới đây
Bảng 1.2 Chi tiết các trạm bơm SPS cấp II
Lưu lượng (l/s) C/tác Tổng Loại Đ/k ống (mm) Đ/k SPS
SPS19 286 2 3 N3201.180MT - 22KW 250 4.00 -2.79 SPS20 388 2 3 N3201.180MT - 30KW 250 5.00 -2.62 Phú Lộc
SPS21 473 2 3 N3300.180LT - 44KW 350 6.00 -2.11 SPS13 292 2 3 N3201.180MT - 22KW 250 5.00 -3.52 SPS14 530 2 3 N3300.180LT - 34KW 350 5.00 -2.26
SPS15 540 2 3 N3300.180LT - 44KW 350 6.00 -1.97 SPS4 265 2 3 N3202.180MT - 22KW 250 4.00 -0.33 SPS34 185 2 3 N3171.180MT - 18,5KW 200 4.00 0.00
Cũng như hệ thống trạm bơm cấp I hệ thống trạm bơm nước thải cấp II cũng có
Tại thành phố Đà Nẵng, có 09 trạm bơm (SPS) thuộc 04 lưu vực: Sơn Trà, Ngũ Hành Sơn, Phú Lộc và Hòa Cường, được thiết kế để thu gom nước thải từ các tuyến cống thu gom tự chảy và các cấu trúc chuyển dòng Công suất của các máy bơm dao động từ 18,5KW đến 44KW.
Hệ thống bơm cấp I trong quản lý nước thải hoạt động tự động, khởi động bơm đầu tiên khi nước thải trong giếng đạt đến một cao độ nhất định Khi mực nước tiếp tục tăng, các bơm tiếp theo sẽ được khởi động cho đến khi đạt các mực nước đã xác định Cuối cùng, nước thải sẽ được bơm đến trạm xử lý của các lưu vực Hệ thống cũng thiết lập tự động để ngừng bơm khi không còn cần thiết.
1.4.3 Gi ế ng b ơ m n ướ c th ả i SPS
Mỗi giếng bơm nước thải cấp II gồm 2 đến 3 máy bơm chìm hiệu Flygt của Thụy Điển (xem Hình 1.4)
Hình 1.4 Sơ đồ bố trí các máy bơm trong trạm bơm SPS
Các thiết bị trong hệ thống điện trạm bơm SPS cấp II
Tất cả các thiết bị trong hệ thống trạm bơm cấp II điều giống nhau gồm:
- 03, 04 động cơ bơm chìm từ 18,5KW đến 44KW cho 1 trạm bơm SPS
- 01 tủ điện điều khiển gồm: Áp tô mát, công tắc tơ, role nhiệt, bảo vệ mất pha, các dụng cụ đo đếm dòng, áp, khởi động mềm, bộ PLC …
Sơ đồ điện các động cơ bơm cấp II (xem Hình 1.5,1.6)
Hình 1.5 Sơ đồ động lực các động cơ bơm nước trong tủ điện
Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển 1 động cơ bơm nước 1.4.4 Nguyên lý làm vi ệ c c ủ a tr ạ m b ơ m SPS c ấ p II
Hệ thống trạm bơm cấp II hoạt động với hai chế độ: điều khiển bằng tay (Man) và điều khiển tự động (Auto) Để bắt đầu, cần đóng tất cả MCCB động lực và CB điều khiển, đảm bảo hệ thống đã sẵn sàng hoạt động Sau đó, chuyển công tắc sang vị trí bằng tay (Man).
- Ấn ON, nếu mức nước đã đủ làm việc, role R13 làm việc dẫn đến công tắc tơ
MC3 tác động động cơ làm việc ở chế độ khởi động mềm khoảng 3 đến 5 giây rơ le
R17 tác động kéo theo tiếp điểm rơ le R17 làm việc, dẫn đến rơ le R15 hoạt động Điều này tự động kích hoạt công tắc tơ MC3.1, giúp cắt MC3 cho động cơ bơm nước, chuyển sang chế độ khởi động mềm và sau đó hoạt động theo chế độ định mức Hai tiếp điểm MC1 và MC2 là tiếp điểm khóa chéo, nhằm ngăn chặn tình trạng các động cơ khởi động đồng thời.
- Nguyên lý hoạt động 02, 03 động cơ bơm tương tự như nhau.
Tổng quan về chương trình DSM
1.5.1 V ấ n đề n ă ng l ượ ng trên th ế gi ớ i và ở Vi ệ t Nam
1.5.1.1 Ti ề m n ă ng n ă ng l ượ ng trên th ế gi ớ i
Với sự phát triển kinh tế ngày càng gia tăng, nhu cầu sử dụng năng lượng cũng tăng theo Theo dự báo của Cơ quan Thông tin Năng lượng (EIA) năm 2004, trong khoảng thời gian từ năm 2001 đến năm 2025, các nguồn năng lượng hóa thạch trên toàn cầu sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ.
Than là nguồn nhiên liệu hóa thạch lâu đời nhất, với tổng trữ lượng toàn cầu ước tính khoảng 1.083 tỷ tấn, đủ để cung cấp trong khoảng 210 năm tới Mặc dù than có mặt rộng rãi trên thế giới, nhưng 60% trữ lượng tập trung tại ba quốc gia lớn: Mỹ (25%), Liên Xô cũ (23%) và Trung Quốc (12%) Bốn quốc gia khác, bao gồm Úc, Ấn Độ, Đức và Nam Phi, chiếm khoảng 29% trữ lượng còn lại.
Tổng dự trữ dầu mỏ toàn cầu đạt 125,8 nghìn tỷ thùng, trong đó 63% nằm ở Trung Đông, 13% ở Trung và Nam Mỹ, và 24% phân bổ ở các khu vực khác Nếu tiếp tục khai thác với tốc độ hiện tại, nguồn dầu mỏ này chỉ đủ dùng trong 42 năm tới.
Trữ lượng khí tự nhiên hiện có là 100.000 tỷ m³, trong đó 36% tập trung ở Trung Đông, 30% ở các quốc gia thuộc SNG (Liên Xô cũ) và 34% phân bổ ở các khu vực khác Nếu tiếp tục khai thác với tốc độ hiện tại, nguồn khí này chỉ đủ sử dụng trong vòng 65 năm tới.
- Năng lượng nguyên tử: 4.5 triệu tấn Nếu khai thác như hiện nay chỉ đủ dùng trong 73 năm nữa
1.5.1.2 Ti ề m n ă ng n ă ng l ượ ng ở Vi ệ t Nam
Việt Nam đang nổi lên như một trong những nền kinh tế phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, phản ánh xu thế toàn cầu Theo thống kê và khảo sát về tiềm năng năng lượng của Việt Nam năm 2010, đất nước này sở hữu nhiều nguồn năng lượng phong phú và đa dạng, hứa hẹn sẽ đóng góp tích cực vào sự phát triển kinh tế bền vững trong tương lai.
Các mỏ than tại Việt Nam chủ yếu tập trung ở khu vực Đông Bắc, chiếm 90% tổng trữ lượng, với chủ yếu là than Anthracite khoảng 3.238 triệu tấn, nằm ở độ sâu từ 150 đến 2.300 mét Ngoài ra, một lượng nhỏ than nâu và than bùn cũng tồn tại ở tam giác sông Hồng và sông Mekong, nhưng việc khai thác gặp khó khăn do khu vực này thường xuyên bị phù sa bồi đắp hàng năm.
Tổng trữ lượng dầu mỏ và khí đốt có thể thu hồi của Việt Nam ước tính khoảng 3,75 tỷ m³, trong đó khí đốt chiếm 1,25 tỷ m³.
- Thủy điện: Nếu xem xét các yếu tố như kinh tế, xã hội và yếu tố tác động tới môi trường thì tiềm năng còn khoảng 75-80 tỷ kWh/năm
- Năng lượng nguyên tử: Có khoảng 320.000 tấn U 3 O 8 , trước mắt có thể khai thác 6.000 tấn với giá ≤80 USD/kg
1.5.2 Vai trò c ủ a qu ả n lý nhu c ầ u DMS (Demand side Management)
Để tiết kiệm và sử dụng năng lượng hiệu quả, nhiều quốc gia đã áp dụng các chương trình quản lý nhu cầu (DSM) kết hợp với quản lý nguồn cung cấp (SSM) như một giải pháp kinh tế Việc này giúp giảm bớt nhu cầu phát triển nguồn và lưới điện, mang lại lợi ích lâu dài cho hệ thống năng lượng.
DSM là một tập hợp các giải pháp kỹ thuật, công nghệ, kinh tế và xã hội nhằm tối ưu hóa việc sử dụng điện năng một cách hiệu quả và tiết kiệm Nó thuộc chương trình quản lý nguồn cung cấp (SSM) và quản lý nhu cầu điện năng (DSM).
Trong bối cảnh nhu cầu điện ngày càng tăng, việc đầu tư vào các nhà máy điện mới đã trở thành gánh nặng cho quốc gia Việc sử dụng ngày càng nhiều than, dầu và khí đốt trong sản xuất điện dẫn đến ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Do đó, DSM (Quản lý Nhu cầu Điện) được xem là giải pháp cung cấp điện rẻ và sạch nhất, giúp giảm bớt vốn đầu tư cho các nhà máy mới, tiết kiệm tài nguyên và giảm ô nhiễm Ngoài ra, DSM còn mang lại điện năng với giá rẻ và chất lượng cao hơn cho người tiêu dùng Các nghiên cứu cho thấy chi phí xây dựng nguồn và lưới điện nhờ DSM chỉ chiếm khoảng 0,3 đến 0,5 so với chi phí thông thường DSM không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn bảo vệ môi trường cho quốc gia, ngành điện và khách hàng Chiến lược của DSM tập trung vào việc điều chỉnh nhu cầu điện và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng để giảm tiêu thụ điện năng.
1.5.2.2 Chi ế n l ượ c c ủ a DSM v Điều khiển nhu cầu điện năng phù hợp với khả năng cung cấp điện một cách kinh tế nhất
Chiến lược này tập trung vào các giải pháp chính như điều khiển trực tiếp dòng điện, tích trữ năng lượng, khai thác các nguồn năng lượng mới và đổi mới giá cả.
Mục tiêu chính là điều chỉnh hình dáng đồ thị phụ tải điện, nhằm cân bằng nhu cầu tối đa và tối thiểu hàng ngày Điều này giúp sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng hiện có, từ đó giảm bớt áp lực xây dựng các nhà máy điện mới.
Các chiến lược quản lý nhu cầu điện năng (DSM) bao gồm cắt giảm đỉnh và lấp thấp điểm Cắt giảm đỉnh giúp giảm phụ tải trong thời gian cao điểm, từ đó làm chậm nhu cầu tăng công suất phát và giảm điện năng tiêu thụ Ngược lại, lấp thấp điểm là việc tăng thêm phụ tải trong thời gian thấp điểm, đặc biệt hiệu quả khi chi phí dài hạn thấp hơn giá điện trung bình Biện pháp này thường được áp dụng khi có công suất thừa sử dụng nhiên liệu giá rẻ, dẫn đến tăng tổng tiêu thụ điện mà không làm tăng công suất đỉnh.
Chiến lược 1 Điều khiển nhu cầu điện năng phù hợp với khả năng cung cấp điện một cách kinh tế nhất
Nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của các hộ dùng điện Điều khiển trực tiếp dòng điện
- Biểu đồ phụ tải linh hoạt
- Tích trữ điện một chiều
- Tích trữ cho trữ nhiệt
- Nhà máy thủy điện tích năng
Sử dụng nguồn NL mới
Giá bán điện thay đổi
- Giá cho phép cắt điện trực tiếp
- Giá theo cấp điện áp
- Giá cho mục tiêu đặc biệt
Sử dụng các thiết bị có hiệu suất cao
Thay thế các thiết bị, dây chuyền công nghệ có hiệu năng cao hơn
Giảm thiểu sự tiêu phí năng lượng một cách vô ích
KV công nghiệp Động cơ điện KĐB
Các giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả bao gồm chuyển dịch phụ tải, biện pháp bảo tồn, tăng trưởng dòng điện và biểu đồ phụ tải linh hoạt Chuyển dịch phụ tải giúp giảm công suất đỉnh bằng cách chuyển các thiết bị tích năng lượng sang thời gian thấp điểm mà không làm thay đổi tổng điện năng tiêu thụ Biện pháp bảo tồn nâng cao hiệu năng thiết bị điện, dẫn đến giảm cả công suất đỉnh và tổng điện năng tiêu thụ Tăng trưởng dòng điện thông qua việc mở rộng khách hàng mới, như chương trình điện khí hóa nông thôn, làm tăng công suất đỉnh và tổng điện năng tiêu thụ Cuối cùng, biểu đồ phụ tải linh hoạt cho phép công ty điện cắt phụ tải khi cần, từ đó giảm công suất đỉnh và thay đổi điện năng tiêu thụ Mục tiêu chung của các biện pháp này là điều chỉnh thời gian hoặc mức nhu cầu của khách hàng để đạt được biểu đồ phụ tải tối ưu.
P P t t Hình 1.8 Cắt giảm đỉnh Hình 1.9 Lấp thấp điểm
Hình 1.10 Chuyển dịch phụ tải Hình 1.11 Biện pháp bảo tồn
Hình 1.12 Tăng trưởng dòng điện Hình 1.13 Biểu đồ phụ tải linh hoạt
Hình 1.14 Tác động của DSM lên biểu đồ phụ tải
Tích trữ năng lượng là phương pháp hiệu quả để tận dụng nguồn điện từ nguyên liệu giá rẻ và dư thừa trong giờ thấp điểm, nhằm sử dụng trong giờ cao điểm Biện pháp này không chỉ giúp giảm nhu cầu công suất trong giờ cao điểm mà còn làm phẳng đồ thị phụ tải Một số dạng tích trữ năng lượng phổ biến hiện nay bao gồm
- Tích trữ điện một chiều bằng Ac qui
- Tích trữ cho kho trữ nhiệt (nóng và lạnh) để phục vụ cho nhu cầu 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 đáng tin cậy cho hệ thống điện (HTĐ)
• S ử d ụ ng ngu ồ n n ă ng l ượ ng tái t ạ o, n ă ng l ượ ng m ớ i
Kết luận
Trong chương 1 trình bày 2 phần:
Phần 1 là tổng quan về Công ty và hệ thống các trạm bơm nước thải (SPS) cấp I, cấp II của Công ty Thoát nước và Xử lý nước thải Đà Nẵng chủ yếu là lưu lượng nước thải thu gom rồi bơm đi để cung cấp cho các trạm xử lý và tiêu thụ điện năng tại các trạm bơm cấp I và trạm bơm cấp II, sơ đồ hệ thống điện trạm bơm nước thải cấp I và trạm bơm nước thải cấp II
Phần 2 là tổng quan về DSM Nói chung DSM là một chương trình mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng rất cao đã được thực hiện ở nhiều quốc gia trên thế giới Ở nước ta chương trình DSM thực hiện tuy có phần chậm hơn so với các nước khác nhưng tiềm năng thực hiện DSM rất lớn DSM thực sự là một công cụ rất hữu ích không chỉ cho các hộ dùng điện mà còn đem lại hiệu quả cho tập đoàn điện lực Việt Nam, chủ động quản lý và điều khiển nhu cầu điện năng phù hợp với cung cấp một cách hiệu quả Chiến lược của DSM được thực hiện thông qua hai giải pháp cơ bản
- Nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của các thiết bị điện
- Điều chỉnh nhu cầu tiêu thụ điện nhằm san bằng đồ thị phụ tải.
CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG VẬN HÀNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA
Tổng quan về động cơ không đồng bộ ba pha
2.1.1 C ấ u t ạ o Động cơ không động bộ (KĐB) là động cơ rất thông dụng, được sử dụng cho các thiết bị khác nhau trong công nghiệp Sở dĩ loại động cơ này thông dụng như vậy là vì chúng có thiết kế đơn giản, rẻ tiền, dễ bảo trì, có thể nối trực tiếp với nguồn điện xoay chiều a Các b ộ ph ậ n
Một động cơ điện không đồng bộ có hai bộ phận điện cơ bản (Hình 2.1)
• Rôto: Động cơ không đồng bộ sử dụng hai loại rôto:
- Rôto lồng sóc bao gồm những thanh dẫn dày đặt tại các rãnh song song Đầu các thanh này được nối với vòng ngắn mạch
Rôto dây quấn ba pha với hai lớp cuộn dây quấn được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất Rôto này có nhiều cực giống như stato, giúp tăng cường khả năng hoạt động Các dây cuốn ba pha được kết nối bên trong và dẫn đến vành trượt, nơi mà các chổi than tiếp xúc để truyền tải điện năng hiệu quả.
Stato là một cấu trúc được tạo thành từ các vòng dập định hình, có rãnh để chứa các cuộn dây pha Các cuộn dây này được quấn cho một số cực nhất định và được bố trí lệch nhau 120 độ trong không gian.
Hình 2.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ b Phân lo ạ i độ ng c ơ không đồ ng b ộ
Động cơ không đồng bộ được phân thành hai nhóm chính: động cơ không đồng bộ một pha và động cơ không đồng bộ ba pha Động cơ một pha chỉ có một cuộn dây stato và hoạt động bằng nguồn điện một pha, cần thiết bị khởi động Ngược lại, động cơ ba pha sử dụng từ trường quay ba pha từ nguồn cung cấp ba pha cân bằng, có công suất cao hơn và thường có rôto lồng sóc, mặc dù cũng có thể có rôto dây quấn, với khoảng 90% là rôto lồng sóc.
2.1.2 Ứ ng d ụ ng độ ng c ơ không đồ ng b ộ
Ngày nay, hệ thống truyền động điện được sử dụng phổ biến trong sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải và thiết bị điện dân dụng, với khoảng 50% điện năng sản xuất ra được tiêu thụ bởi chúng Động cơ không đồng bộ nổi bật với nhiều ưu điểm như kết cấu đơn giản, hiệu suất cao, giá thành thấp và khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt Nhờ những đặc tính này, động cơ không đồng bộ được ứng dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kW Trong công nghiệp, chúng thường được sử dụng làm nguồn động lực cho máy cán thép và máy công cụ, trong nông nghiệp là máy bơm và máy gia công nông sản Trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ ngày càng quan trọng với các ứng dụng như quạt gió, tủ lạnh và máy điều hòa Tóm lại, với sự phát triển của sản xuất điện khí hóa và tự động hóa, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng mở rộng.
Một số giải pháp tiết kiệm năng lượng trong vận hành
Động cơ KĐB có cấu tạo đơn giản và vận hành chắc chắn, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện gia dụng như quạt điện và máy điều hòa, cũng như trong các thiết bị công nghiệp như máy công cụ, máy nâng chuyển, quạt, bơm, máy nén và dây chuyền sản xuất Việc sử dụng hiệu quả động cơ KĐB có vai trò quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng, đặc biệt là điện năng Các giải pháp tiết kiệm năng lượng (TKNL) trong việc vận hành hiệu quả động cơ KĐB là rất cần thiết.
2.2.1 Thay độ ng c ơ tiêu chu ẩ n b ằ ng độ ng c ơ hi ệ u su ấ t cao Động cơ hiệu suất cao được thiết kế chuyên dụng để tăng hiệu suất hoạt động so với động cơ tiêu chuẩn, cải tiến thiết kế tập trung vào việc làm giảm tổn thất của động cơ Động cơ hiệu suất cao có hiệu suất cao hơn động cơ tiêu chuẩn từ 3% ÷ 7% [12] Các giải pháp cải tiến thường được sử dụng trong thiết kế động cơ hiệu suất cao và quan tâm đến các khu vực gây tổn thất để từ đó có giải pháp nâng cao hiệu suất (bảng 2.1) Do phải thực hiện các giải pháp cải thiện hoạt động của động cơ, chi phí của động cơ hiệu suất cao cao hơn chi phí của động cơ tiêu chuẩn, phần chi phí cao hơn sẽ được hoàn vốn rất nhanh nhờ giảm chi phí vận hành, nhất là với các ứng dụng mới hoặc thay thế các động cơ hết thời hạn sử dụng
Bảng 2.1 Những khu vực tổn thất và giải pháp nâng cao hiệu suất ĐC
TT Khu vực tổn thất Nâng cao hiệu suất
Sử dụng lá thép kỹ thuật điện mỏng giúp giảm tổn thất dòng xoáy, trong khi lõi dày hơn cần nhiều thép hơn, làm giảm tổn thất nhờ giảm mật độ từ thông.
Sử dụng dây quấn tốt hơn, và tiết diện dây lớn hơn (nếu rãnh stator rộng) sẽ giảm trở kháng của cuộn dây và giảm tổn thất
Dùng những thanh dẫn rotor lớn hơn để tăng tiết diện hoặc thay thế nhôm bằng đồng sẽ giảm trở kháng và tổn thất
4 Ma sát và quấn dây (15%)
Sử dụng thiết kế quạt tổn thất thấp giảm tổn thất do chuyển dịch không khí
Sử dụng thiết kế tối ưu và quy trình kiểm soát chất lượng chặt chẽ để giảm thiểu tổn thất rò tải
Để cải thiện hiệu suất của động cơ, cần xác định các khu vực tổn thất, bao gồm tổn thất trên cuộn dây stator, cuộn dây rotor và tổn thất sắt từ Việc lựa chọn khu vực phù hợp để giảm thiểu thất thoát công suất là bước quan trọng trong quá trình chế tạo động cơ hiệu suất cao.
2.2.2 Gi ả m m ứ c non t ả i tránh s ử d ụ ng độ ng c ơ quá l ớ n Động cơ làm việc non tải sẽ làm tăng tổn thất, giảm hiệu suất và hệ số công suất của động cơ Non tải có thể là nguyên nhân phổ biến nhất khiến động cơ hoạt động không hiệu quả, vì một số lý do sau:
- Nhà sản xuất thiết bị có xu hướng sử dụng hệ số an toàn (hệ số dự trữ công suất) lớn hơn khi chọn động cơ
Nhiều thiết bị thường hoạt động ở mức non tải, như các nhà sản xuất máy công cụ thường công bố hiệu suất định mức của động cơ cho mức tải tối đa Tuy nhiên, thực tế cho thấy người sử dụng hiếm khi cần công suất đạt 100%, dẫn đến việc thiết bị thường xuyên vận hành ở mức non tải.
Khi lựa chọn động cơ, cần đánh giá kỹ công suất dựa trên mức tải, đồng thời xem xét hiệu suất tiềm năng khi thay thế động cơ lớn bằng động cơ nhỏ hơn Không nên thay thế động cơ đang hoạt động ở mức 60 ÷ 70% công suất hoặc cao hơn Việc lựa chọn động cơ không có nguyên tắc cứng nhắc; cần đánh giá tiềm năng tiết kiệm cho từng trường hợp cụ thể Ví dụ, nếu động cơ nhỏ hơn có hiệu suất cao hơn so với động cơ hiện tại, việc thay thế có thể cải thiện hiệu suất tổng thể.
Khi động cơ hoạt động dưới 40% công suất thiết kế, phương pháp đấu sao là một giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí Mặc dù công suất của động cơ sẽ giảm khi áp dụng phương pháp này, các đặc tính làm việc, như hàm tải, vẫn giữ nguyên.
Động cơ đấu sao hoạt động hiệu quả hơn và có hệ số công suất cao hơn khi ở mức tải đầy so với khi ở mức không đầy tải với nối tam giác Tuy nhiên, phương pháp này chỉ phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tỷ số mô men/tốc độ thấp khi tải giảm Cần lưu ý không chuyển sang nối sao nếu động cơ được kết nối với thiết bị sản xuất có sản lượng phụ thuộc vào tốc độ Việc chuyển đổi từ nối tam giác sang sao sẽ làm tăng hệ số công suất cosφ.
Bảng 2.2 Hiệu quả của công việc đổi nối tam giác sang sao
Tỉ số cosφY / cosφ∆ khi hệ số mang tải kt
Khi hệ số mang tải và hệ số công suất định mức của động cơ giảm, hiệu quả chuyển đổi từ cấu hình tam giác sang cấu hình sao sẽ tăng cao.
2.2.3 Ch ọ n công su ấ t độ ng c ơ cho t ả i thay đổ i
Các động cơ công nghiệp thường phải hoạt động trong các điều kiện tải thay đổi, do đó việc lựa chọn động cơ dựa trên mức tải cao nhất có thể tốn kém vì động cơ chỉ hoạt động ở công suất tối đa trong thời gian ngắn và có nguy cơ bị non tải Một phương án hiệu quả hơn là chọn công suất động cơ dựa trên đồ thị tải của thiết bị cụ thể, với công suất thấp hơn một chút so với mức tải cao nhất Cách này có thể áp dụng vì nhà sản xuất đã thiết kế động cơ với hệ số quá tải, đảm bảo rằng việc hoạt động quá tải thỉnh thoảng không gây hỏng hóc nghiêm trọng.
2.2.4 Nâng cao ch ấ t l ượ ng đ i ệ n
Hiệu suất động cơ chịu ảnh hưởng lớn từ chất lượng điện đầu vào, bao gồm điện áp và tần số so với giá trị định mức Sự dao động quá mức về điện áp và tần số có thể làm giảm hiệu suất đáng kể Mất cân bằng điện áp, thường xảy ra khi các pha của động cơ ba pha không đồng đều, cũng ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất Nguyên nhân có thể do điện áp cung cấp cho các pha khác nhau hoặc kích thước dây trong hệ thống phân phối không đồng nhất Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, điện áp của mỗi pha trong hệ thống ba pha cần phải cân bằng, đối xứng và lệch pha nhau 120 độ; nếu không, sẽ dẫn đến tăng tổn thất hệ thống và giảm hiệu suất động cơ.
Giải pháp điều chỉnh hệ số công suất
Hệ số công suất cosφ là tiêu chí quan trọng để đánh giá tính hợp lý và hiệu quả tiết kiệm điện năng của các trạm bơm Việc nâng cao hệ số này không chỉ giúp tiết kiệm điện mà còn nâng cao hiệu quả trong sản xuất, phân phối và sử dụng điện Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc thực hiện các biện pháp tiết kiệm điện năng và cải thiện hệ số cosφ không được làm ảnh hưởng đến điều kiện làm việc bình thường của các trạm bơm.
2.3.1 Ý ngh ĩ a c ủ a vi ệ c nâng cao h ệ s ố công su ấ t
Các hộ dùng điện đều tiêu thụ công suất tác dụng P và công suất phản kháng (CSPK) Q, những thiết bị tiêu thụ nhiều CSPK là:
- Động cơ KĐB tiêu thụ khoảng 60 ÷ 65% tổng CSPK của mạng
- Máy biến áp tiêu thụ khoảng 20 ÷ 25%
- Đường dây trên không, điện kháng, các thiết bị điện khác tiêu thụ khoảng 100%
Công suất tác dụng P là công suất hữu ích được chuyển đổi thành cơ năng hoặc nhiệt năng trong các thiết bị điện, trong khi CSPK Q là công suất từ hóa trong máy điện xoay chiều, không sinh ra công Quá trình trao đổi CSPK giữa máy phát điện và hộ dùng điện diễn ra dưới dạng giao động, với CSPK Q đổi chiều bốn lần trong mỗi chu kỳ dòng điện, và giá trị trung bình của Q trong nửa chu kỳ bằng không Việc tạo ra CSPK không tiêu tốn năng lượng của động cơ sơ cấp kéo máy phát điện, và nguồn CSPK cho hộ dùng điện không nhất thiết phải từ nguồn phát điện Để giảm thiểu lượng CSPK truyền tải trên đường dây, người ta lắp đặt các máy phát CSPK gần hộ dùng điện, như tụ điện hoặc máy bù đồng bộ, cung cấp CSPK trực tiếp cho phụ tải Phương pháp này gọi là bù CSPK, giúp giảm góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp, nâng cao hệ số công suất cosφ của mạng.
Giữa P, Q và góc φ có quan hệ sau: φ = arctg
Khi lượng P không thay đổi, việc bù công suất phản kháng (CSPK) giúp giảm lượng Q truyền tải trên đường dây, dẫn đến góc φ giảm và làm tăng cosφ Việc nâng cao hệ số cosφ sẽ mang lại hiệu quả giảm thiểu công suất tổn thất trong mạng điện.
Tổn thất công suất trên đường dây được tính như sau:
Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần tổn thất công suất ∆P(Q) do Q gây ra ỉ Giảm được tổn thất điện ỏp trong mạng điện
Tổn thất điện áp được tính như sau:
Khi giảm Q truyền tải trên đường dây, ta giảm được thành phần tổn thất điện áp
∆U (Q) do Q gây ra ỉ Tăng khả năng truyền tải của đường dõy và mỏy biến ỏp
Khả năng truyền tải của đường dây và máy biến áp phụ thuộc vào điều kiện phát nóng, cụ thể là dòng điện cho phép của chúng Dòng điện chạy trên dây dẫn và máy biến áp được tính bằng công thức: I = U.
Biểu thức (2.3) chỉ ra rằng, khi giữ dòng điện I không đổi, chúng ta có thể nâng cao khả năng truyền tải công suất tác dụng P của đường dây và máy biến áp bằng cách giảm công suất phản kháng Q mà chúng ta tiêu thụ.
Nâng cao hệ số công suất cosφ không chỉ giúp giảm chi phí kim loại màu mà còn ổn định điện áp và tăng khả năng phát điện của máy phát Do đó, việc cải thiện hệ số công suất cosφ và bù CSPK là yếu tố quan trọng cần được chú trọng trong thiết kế và vận hành hệ thống cung cấp điện.
2.3.2 Các bi ệ n pháp nâng cao h ệ s ố công su ấ t
Các biện pháp nâng cao hệ số công suất cosφ được phân thành hai nhóm chính: nhóm biện pháp tự nhiên không sử dụng thiết bị bù và nhóm biện pháp bù CSPK để cải thiện hệ số cosφ.
2.3.2.1 Nâng cao h ệ s ố công su ấ t cos φ t ự nhiên
Nâng cao hệ số công suất tự nhiên (HSCS) là việc tìm kiếm các biện pháp giúp hộ tiêu thụ điện giảm lượng công suất phản kháng Q Điều này có thể đạt được bằng cách áp dụng các quy trình công nghệ tiên tiến và sử dụng hợp lý các thiết bị điện Cần thay đổi và cải tiến quy trình công nghệ để các thiết bị điện hoạt động ở chế độ tối ưu nhất, đồng thời thay thế động cơ không đồng bộ làm việc non tải bằng động cơ có công suất nhỏ hơn.
Khi làm việc động cơ không đồng bộ tiêu thụ lượng CSPK:
Trong đó: Q 0 – CSPK lúc động cơ làm việc không tải
Q đm – CSPK lúc động cơ làm việc định mức k pt – hệ số phụ tải
Công suất Q 0 thường chiếm khoảng 60÷70% công suất phản kháng định mức
Hệ số công suất của động cơ được tính theo công thức sau, [7]:
Cosφ đm pt đm pt k P k Q Q
Khi động cơ hoạt động non tải (k pt bé), hệ số cosφ sẽ thấp Việc thay thế động cơ non tải bằng động cơ nhỏ hơn giúp tăng hệ số phụ tải kpt và nâng cao cosφ Điều kiện kinh tế cho phép thay thế động cơ là cần giảm tổn thất công suất tác dụng trong mạng lưới và động cơ, vì chỉ khi đó việc thay thế mới mang lại lợi ích Các tính toán đã chỉ ra điều này.
- Nếu k pt < 0,45 thì việc thay thế bao giờ cũng có lợi
Khi giá trị k pt nằm trong khoảng 0,45 đến 0,7, cần thực hiện so sánh kinh tế kỹ thuật để quyết định việc thay thế động cơ Điều kiện kỹ thuật cho phép thay thế bao gồm việc đảm bảo nhiệt độ động cơ không vượt quá mức cho phép, cũng như duy trì điều kiện khởi động và hoạt động ổn định Đồng thời, cần giảm điện áp cho những động cơ làm việc không tải.
Công suất phản kháng mà động cơ không đồng bộ tiêu thụ được tính như sau:
Trong đó: k là hệ số; U: điện áp trên cực động cơ; M: hệ số từ dẫn; f: tần số của dòng điện; V: thể tích mạch từ
Từ (2.6) chúng ta thấy công suất phản kháng Q tỷ lệ với bình phương điện áp U
Vì vậy, nếu giảm U thì giảm được Q do đó cosφ của động cơ được nâng lên
Trong thực tế người ta thường dùng các biện pháp sau đây 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 chuyển đổi nối dây quấn stator từ hình tam giác sang hình sao, điện áp trên một pha sẽ giảm xuống còn một phần ba, dẫn đến việc cosφ và hiệu suất được cải thiện Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc mômen cực đại sẽ giảm xuống còn một phần ba.
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, cần kiểm tra khả năng mở máy của động cơ với điện áp nhỏ hơn 1000V và hệ số phụ tải trong khoảng 0,35 đến 0,4, theo công thức M Max ≡ U 2.
- Thay đổi cách phân nhóm của dây quấn stator
Để hạ thấp điện áp của mạng phân xưởng, cần thay đổi đầu phân áp của máy biến áp Hạn chế việc sử dụng động cơ không đồng bộ khi không tải và thay thế bằng động cơ đồng bộ Ngoài ra, nên thay thế các máy biến áp làm việc non tải bằng những thiết bị có dung lượng nhỏ hơn.
2.3.2.2 Nâng cao h ệ s ố công su ấ t cos φ b ằ ng ph ươ ng pháp bù
Bằng cách lắp đặt thiết bị bù gần các hộ dùng điện, chúng ta có thể cung cấp công suất phản kháng trực tiếp cho họ, từ đó giảm lượng công suất phản kháng cần truyền tải trên đường dây Điều này giúp nâng cao hệ số công suất cosφ của mạng lưới điện Biện pháp bù không làm giảm lượng công suất phản kháng mà các hộ tiêu thụ, mà chỉ giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải Nếu sau khi thực hiện các biện pháp nâng cao cosφ tự nhiên mà vẫn không đạt yêu cầu, thì mới cần xem xét đến phương pháp bù.
Bù công suất phản kháng Q không chỉ giúp nâng cao hệ số công suất cosφ để tiết kiệm điện mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và ổn định điện áp của mạng lưới cung cấp Mặc dù bù công suất phản kháng mang lại hiệu quả kinh tế, nhưng cũng đòi hỏi chi phí đầu tư cho thiết bị bù và chi phí vận hành.
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như sau:
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch rôto Rf
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato
- Điều chỉnh bằng cách thay đối số đôi cực từ
- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa
- Điều chỉnh bằng phương pháp nối tầng
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f 1
Phương pháp điều chỉnh động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1 và điều chỉnh điện áp cho phép kiểm soát cả mômen và tốc độ, mang lại chất lượng cao nhất trong quá trình vận hành.
2.4.1 Đ i ề u ch ỉ nh t ố c độ độ ng c ơ K Đ B b ằ ng cách thay đổ i đ i ệ n áp ngu ồ n Để thay đổi điện áp người ta dùng bộ biến đổi có điện áp ra tùy theo tín hiệu điều khiển đặt vào Nếu bỏ qua tổng trở của nguồn và không dùng điện trở phụ trong mạch rôto Khi điện áp của bộ biến đổi U 2 thì ta được họ đặc tính điều chỉnh như hình (2.2)
Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ KĐB
Khi đó: Độ trượt tới hạn giữ nguyên giá trị:
Mômen tới hạn tỷ lệ với bình phương điện áp:
- M tu : mômen tới hạn của động cơ ứng dụng với điện áp điều chỉnh
- U 2 : điện áp ra của bộ biến đổi
Hình 2.3 Dạng đặc tính điều chỉnh khi không dùng điện trở phụ trong mạch rôto 2.4.2 Đ i ề u ch ỉ nh t ố c độ độ ng c ơ K Đ B b ằ ng cách thay đổ i t ầ n s ố ngu ồ n
Như ta đã biết, Tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và số đôi cực từ theo công thức: n 1 p f 1
Mà ta lại có tốc độ của rôto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức: n = n 1 (1-s) (2.22)
Khi động cơ đã được chế tạo với số đôi cực (P p) cố định, việc thay đổi tần số sẽ ảnh hưởng đến tốc độ của động cơ Để điều chỉnh tần số của động cơ không đồng bộ, cần phải điều chỉnh đồng thời điện áp, dòng điện hoặc từ thông trong mạch stato.
Do kháng trở, từ thông và dòng điện của động cơ bị thay đổi
Việc điều chỉnh tốc độ của động cơ KĐB có thể thực hiện bằng cách thay đổi tần số nguồn f1, vì số đôi cực không thể thay đổi sau khi động cơ đã được chế tạo Khi tần số giảm, trở kháng của động cơ cũng giảm, dẫn đến tăng dòng điện và từ thông Nếu điện áp không giảm tương ứng, mạch từ sẽ bị bão hòa, khiến động cơ không hoạt động ở chế độ tối ưu Do đó, cần có một luật điều khiển để giữ cho từ thông không đổi, bao gồm từ thông stato Ф1, từ thông rôto Ф2, hoặc từ thông tổng của mạch từ húa Фà Việc duy trì từ thông không đổi cũng giúp giữ cho mômen ổn định, từ đó hình thành các luật điều khiển cần thiết.
- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = M th /M c = const
- Luật dòng điện không tải không đổi: I 0 = const
- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I 1 = f(∆ n )
Hình 2.4 Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ.khi điều chỉnh tần số.
Phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng thiết bị biến tần
2.5.1 Nguyên lý đ i ề u ch ỉ nh t ố c độ khi thay đổ i t ầ n s ố
Trước đây, động cơ điện một chiều thường được sử dụng để điều chỉnh tốc độ cao, nhưng nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, việc điều chỉnh tốc độ cho động cơ không đồng bộ hiện nay trở nên dễ dàng hơn, đáp ứng tốt các yêu cầu về phạm vi điều chỉnh và độ bằng phẳng.
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, đưa sức điện động phụ vào rotor
Ta nghiên cứu điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số, từ biểu thức:
Khi hệ số trượt thay đổi ít, tốc độ của động cơ điện không đồng bộ tỷ lệ thuận với tần số Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số là một giải pháp trơn tru, cho phép điều chỉnh trong phạm vi rộng Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu nguồn điện đặc biệt với tần số có thể thay đổi, nên chỉ nên áp dụng khi cần điều chỉnh tốc độ cho một nhóm động cơ điện có tốc độ biến đổi theo cùng một quy luật.
Với điều kiện năng lực quá tải không đổi, có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp U 1 , tần số f 1 và mô men M [8]
Khi bỏ qua r 1 của dây quấn stator thì biểu thức của mô men cực đại có thể viết dưới dạng:
M = C.U f Trong đó: C là một hằng số
Gọi U 2 và M 2 là điện áp và mô men lúc tần số là f 2 thì căn cứ điều kiện năng lực quá tải không đổi, ta có:
Trong thực tế ứng dụng, khi phụ tải yêu cầu mô men không đổi thì:
Yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ để duy trì công suất cơ không đổi (Pcơ=const) có nghĩa là mô men sẽ tỷ lệ nghịch với tần số.
Nếu yêu cầu mô men tỷ lệ với bình phương của tốc độ, nghĩa là M tỷ lệ với f 2 thì ta có:
Tóm lại: khi thay đổi tần số điều chỉnh tốc độ ta phải đồng thời điều chỉnh điện áp đưa vào động cơ điện
2.5.2 Các b ộ bi ế n t ầ n dùng để đ i ề u ch ỉ nh t ố c độ độ ng c ơ 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 được chia thành hai loại chính: bộ biến tần bán dẫn trực tiếp và bộ biến tần gián tiếp với khâu trung gian một chiều Trong đó, bộ biến tần trực tiếp sử dụng Thyristor để điều khiển và chuyển đổi năng lượng.
Bộ biến tần trực tiếp là thiết bị quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ Sơ đồ nguyên lý của bộ biến tần sử dụng thyristor được thể hiện trong hình 2.5.
Bộ biến tần trực tiếp dùng Thyristor biến đổi trực tiếp nguồn xoay chiều ba pha
U 1 , f 1 bằng hằng số thành nguồn xoay chiều ba pha có U 2 , f 2 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 nghịch cung cấp điện áp đầu ra cho nửa chu kỳ âm, với mỗi pha sử dụng hai cuộn kháng để giảm dòng điện không cân bằng của các Thyristor khi chuyển mạch Nếu tần số vào là f1, số pha điện áp đầu ra là m (m=3), và 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 được xác định theo công thức.
Để thay đổi tần số f2, cần điều chỉnh số đỉnh hình sin của điện áp đầu vào trong nửa chu kỳ của điện áp đầu ra, tức là thay đổi thời gian hoạt động của Thyristor trong cùng một nhóm thuận hoặc nghịch so với chu kỳ sóng điện áp đầu vào.
Để thay đổi điện áp đầu ra U2 của bộ biến tần, cần điều chỉnh thời gian kích xung cho các thyristor so với điểm chuyển mạch tự nhiên Việc này nhằm tạo ra sóng điện áp đầu ra với trị số trung bình thấp hơn trị số trung bình của điện áp đầu ra tại điểm chuyển mạch tự nhiên.
- Hiệu suất cao vì tổn thất năng lượng không đáng kể, không cần dùng tụ chuyển mạch
- Làm việc ở chế độ tĩnh nên thuận tiện đối với những cơ cấu di chuyển nhiều.
- Dùng nhiều Thyristor, mạch điều khiển phức tạp
- Nhạy cảm với những biến động của lưới điện b B ộ bi ế n t ầ n dùng Thyristor có khâu trung gian m ộ t chi ề u
Bộ biến tần với khâu trung gian một chiều sử dụng bộ biến đổi hai tầng, trong đó nhóm chỉnh lưu chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Sau khi qua bộ lọc điện áp một chiều, điện áp này được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều có tần số biến đổi Nhóm nghịch lưu hoạt động độc lập với lưới điện, với các van chuyển mạch theo chế độ cưỡng bức, được gọi là nghịch lưu áp Tần số đầu ra có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi chu kỳ đóng cắt của các van trong nhóm nghịch lưu, trong khi điện áp ra được điều chỉnh qua góc mở của các van trong nhóm chỉnh lưu.
Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần có khâu trung gian một chiều sử dụng nghịch lưu áp được mô tả qua hình 2.6 Nhóm chỉnh lưu bao gồm 6 Thyristor từ T7 đến T12, có chức năng chuyển đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều Bộ lọc phẳng được cấu thành từ kháng L0 và tụ C0, trong khi phần chính của bộ nghịch lưu là các Thyristor T1 đến T6, được mở theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5, T6 với khoảng cách giữa các lần mở là 1.
2 chu kỳ của áp ra
Bằng cách điều chỉnh thời gian dẫn của các Thyristor, ta có thể kiểm soát chu kỳ và điện áp ra Để chuyển mạch giữa các van, các tụ C1 đến C6 được sử dụng Khi T1 và T2 dẫn trong một khoảng thời gian nhất định, tụ C1 sẽ được nạp từ nguồn Khi kích thích xung mở T3, tụ C1 phóng qua T1 và T3, tạo ra dòng khóa T1 và làm cho T3 dẫn Các diode D1 đến D6 ngăn cách các tụ chuyển mạch với phụ tải, không cho các tụ phóng điện qua phụ tải, giúp giảm yêu cầu điện dung của tụ và giữ ổn định điện áp trên tải.
D1 ÷ D7 tạo thành cầu ngược, giúp mở dòng phản kháng từ động cơ về tụ C0, với dòng điện xuất hiện do sự lệch pha giữa dòng và áp động cơ Các Thyristor của nghịch lưu chuyển mạch theo tín hiệu điều khiển, làm thay đổi cực tính điện áp trên mỗi pha stator theo tần số điều khiển.
Bộ biến tần điện áp gián tiếp sở hữu hai dải điều tần rộng, cho phép tần số ra f2 có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn tần số vào f1 Điều này tạo điều kiện cho việc điều chỉnh vô cấp, làm cho việc điều chỉnh U2 và f2 trở nên đơn giản hơn so với 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.
Kết luận
Trong các giải pháp tối ưu hóa năng lượng cho động cơ KĐB, việc điều chỉnh hệ số công suất thông qua lắp tụ bù và điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần được đánh giá là hiệu quả nhất Giải pháp bù đóng vai trò quan trọng trong việc xác định dung lượng bù phù hợp và vị trí lắp đặt thiết bị Đồng thời, nghiên cứu nguyên lý làm việc của bộ biến tần cho thấy việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi tần số mang lại hiệu quả tiết kiệm năng lượng cho các động cơ tương thích Ứng dụng hai giải pháp này tại các trạm bơm nước thải ở Đà Nẵng sẽ được trình bày chi tiết trong chương tiếp theo.