Động cơ không đồng bộ : Giải pháp tiết kiệm

Động cơ không đồng bộ : Giải pháp tiết kiệm

DONG CO KHONG DONG BO:

GIAI PHAP TIET KIEM DIEN

PGS Lé Van Doanh - DHBKHN

ộng cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) có cấu tạo đơn giản, vận hành chắc chắn nên đựơc 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 chỉ 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 Điện & Đời sống xin giới thiệu bài viết của PGS Lê Văn Doanh về 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 rnotors

Ở Việt Nam Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành bộ Tiêu chuẩn ĐCKĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất

KHOA HOC CONG NGHE

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 (0,8) = 51% , nghia la

HST Rigi Ghige 4956 ign Ang: [ TRƯỜNG ĐAI HOC CÔNG NGHIỆP TP.HCM Ì

Aptéomat

”„

_m

a) Truyền động tốc độ không đổi b) Truyền động tốc độ thay đổi nhờ biến tần

Bién tan

[

=)

⁄

Hình 1 Hệ truyền động điện

Về cấu tạo biến tần gián tiếp gồm bộ chỉnh lưu biến đổi điện áp tần số lưới f, 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 f, Mạch đầu vào có bộ lọc nhiễu EMC, tất cả được điều khiển bằng vi xử lý như hình 3

Phần trăm công suất, áp suất, lưu lượng

60

30

20

10

0

10 20 2 40 50 60 70 an 90 100

Phần trăm tốc độ

Hình 2_ Quan hệ công suất, lưu lượng, áp suất theo tốc độ 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 cos# (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

[ | en

| oong

KHOA HOC CONG NGHE

với yêu cầu tải thực tế, tối ưu được việc sử dụng điện năng Biến tần đáp ứng được dải công suất rộng, đặc tinh 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

Mạch Chỉnh lưửu

Mạch một Chiều trung gian (DC link)

Mạch nghịch lưửu

Phan điều khiến Hình 3 Truyền động Biến tần - ĐCKĐB

Kinh nghiệm cho thấy trong đa số trường hợp động cơ kèm theo biến tần giảm 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:

Như vậy điện năng tiêu thụ trong trường hợp sử dụng biến tần tiết kiệm được 44% so với trường hợp không sử

dung bién tan (42MWh so vdi 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:

KHOA HOC CONG NGHE

Cho cac tng dung don gian

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 va cose giảm rõ rệt Ví dụ một động cơ khi mang tải 100% có coso = 0,8 thì khi mang tai 50% - cosp= 0,65, mang tải 30%

- coso= 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

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 sau đây:

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

TỈ số cos@./ cos@, khi hệ số mang tải k, COs,

0,92 1,50 1,36 1,29 1,11 1,06

20 | K Sóng