Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quạt làm mát clinker
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG BIỂU 5
LỜI NÓI ĐẦU 6
Chương 1
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ HỆ THỐNG LÀM MÁT CLINKER 7
1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng 7
1.1.1 Khái niệm về xi măng 7
1.1.2. Phân loại 7
1.1.3 Các công đoạn chính của quá trình sản xuất xi măng 8
1.2. Hệ thống làm mát clinker 11
1.2.1. Yêu cầu công nghệ của việc làm mát clinker 11
1.2.2. Phương pháp làm mát clinker 12
Chương 2
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG LÀM MÁT CLINKER HIỆN CÓ 14
2.1. Đặc tính quạt 14
2.2. Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng quạt 14
2.2.1Điều chỉnh lưu lượng quạt bằng cách điều chỉnh van tiết lưu 15
2.2.2. Điều chỉnh lưu lượng bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt 15
2.3. Điều khiển tốc độ quạt bằng điều khiển tốc độ động cơ 16
2.4. Thực tế về tiết kiệm năng lượng khi sử dụng biến tần trong hệ thống điều chỉnh lưu lượng
gió 18
Chương 3
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 19
3.1. Đặc tính động cơ không đồng bộ 19
3.2. Nguyên lý điều khiển tần số 24
3.3. Qui luật điều khiển tần số U/f 25
3.4. Cấu trúc biến tần bán dẫn 27
3.4.1 Phương pháp PWM thông thường 30
1
Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quạt làm mát clinker

Hình 1.2. Ghi làm nguội clinker 11
Hình 2.1. Đồ thị đặc tính quạt 14
Hình 2.2. Điều chỉnh góc mở van tiết lưu 15
Hình 2.3. Điều chỉnh tốc độ quạt 15
Hình 2.4. Đồ thị so sánh 2 phương pháp 16
Hình 2.5. Mô tả công suất vào ra của hệ thống dùng van tiết lưu 17
Hình 2.6. Mô tả công suất vào ra của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ 17
Hình 3.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc 19
Hình 3.2. Động cơ không đồng bộ 19
Hình 3.3. Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ 20
Hình 3.4. Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 23
Hình 3.5. Mô tả vào-ra động cơ không đồng bộ khi điều khiển tần số 24
Hình 3.6. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ 25
Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc biến tần 27
Hình 3.7. Cấu trúc các loại biến tần 28
Hình 3.8. Điều chế độ rộng xung 31
Hình 3.9. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển nghịch lưu áp ba pha PWM thông thường 32
Hình 3.10. Dạng điện áp ra của sơ đồ nghịch lưu áp ba pha 33
Hình 3.11 Vecto không gian 34
Hình 3.12 35
a. Nghịch lưu áp ba pha b. Đồ thị xung 35
Hình 3.13 36
a.Vecto chuyển mạch 36
b.Vecto trạng thái đóng mở của van 36
3
Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quạt làm mát clinker
Hình 3.14. Vectơ chuẩn 36
Hình 4.1. Sơ đồ chức năng hệ thống điều khiển lưu lượng gió 38
Bảng 4.1. Thông số động cơ 38
Bảng 4.2. Thông số của biến tần MM440 6SE6440-2UD41-1FA1 39

Hình 5.2. Đèn LED hiển thị trạng thái cảnh báo lỗi. Error: Reference source not found
Bảng 5.5. Các trạng thái lỗi hiển thị qua LED. Error: Reference source not found
Bảng 5.6 Bảng các thông báo lỗi Error: Reference source not found
5
Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quạt làm mát clinker
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay góp phần to lớn vào sự phát
triển kinh tế, xã hội. Nhu cầu của con người ngày càng tăng cao do vậy việc tiêu thụ các
nguồn năng lượng phục vụ cho công nghiệp, sinh hoạt cũng tăng theo. Vì vậy việc tiết
kiệm năng lượng và tìm ra các giải pháp nhằm tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng là vô
cùng quan trọng và cấp thiết.
Đề tài tốt nghiệp của em có tên là: “ Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống
điều khiển lưu lượng quạt làm mát clinker”. Nội dung đồ án gồm các phần như sau:
- Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống làm mát clinker
- Nghiên cứu hệ thống quạt làm mát hiện có
- Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ.
- Thiết kế hệ thống điều khiển lưu lượng gió tiết kiệm năng lượng
- Mô phỏng hệ thống
Sau khoảng thời gian 4 tháng được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS.
Nguyễn Mạnh Tiến và các thầy cô trong bộ môn Tự động hoá, và tìm hiểu cùng các bạn
trong nhóm của em, đồ án của em đã hoàn thiện. Do thời gian làm đồ án ngắn và khả
năng còn hạn chế, chắc chắn đồ án của em còn nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được
nhiều ý kiến đóng góp, bổ sung từ phía các thầy cô giáo, các bạn và những người quan
tâm đến đề tài này.
Hà nội, ngày 01 tháng 6 năm 2012
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Huy Hiệp
6
Chương 1. Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống làm mát clinker

lớn hơn 30% và nhỏ hơn 46%, loại xi măng cao alumin có hàm lượng Al
2
O
3
từ 46% đến 70%, loại xi măng đặc biệt cao alumin có hàm lượng Al
2
O
3
lớn hơn 70%.
- Xi măng trên cơ sở Clinker xi măng Canxi Sunfo Aluminat gồm loại xi măng
nở(EC), loại xi măng dự án lực (PSC).
- Các loại xi măng khác bao gồm loại xi măng chịu axit (ARC) và loại xi măng cản
xạ(RSC).
b. Phân loại theo mác xi măng có ba loại bao gồm
- Mác thấp: độ bền tiêu chuẩn nhỏ hớn 25 Mpa/ cm
2
.
- Mác thường: độ bền tiêu chuẩn trong khoảng 25 – 45 Mpa/ cm
2
.
- Mác cao: độ bền tiêu chuẩn lớn hơn 45 Mpa/ cm
2
.
7
Chương 1. Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống làm mát clinker
- Mác xi măng là cường độ chịu nén của xi măng. Khi đem vữa xi măng, cát, nước
trộn theo tỷ lệ tiêu chuẩn. Đúc mẫu 40x40x160 cm, dưỡng ẩm trong vòng 28 ngày đem
thử cường độ, cường độ của mẫu đo được chính là mác xi mang. Ví dụ PCB 30 là xi
măng pooclăng hỗn hợp có mác là 30 daN/cm2 bằng với 300KG/cm2.
- Xi măng PCB là xi măng Pooclăng hỗn hợp được sản xuất từ việc nghiền hỗn hợp

đập nhỏ (với đá vôi) hoặc qua máy cán (với đất sét). Vật liệu sau khi được đập nhỏ và các
hạt có độ đồng đều do vậy giảm được hiện tượng phân ly của độ hạt khác nhau trong quá
8
Chương 1. Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống làm mát clinker
trình vận chuyển và tồn trữ, có lợi trong quá trình phối liệu tạo thành phần liệu sống được
chính xác.
b. Nghiền nguyên liệu
Các nguyên liệu được dùng để sản xuất Clinker sẽ được hệ thống điều khiển phối
hợp theo tỷ lệ định trước bằng hệ thống cân băng định lượng rồi được đưa tới máy
nghiền. Tại máy nghiền, các nguyên liệu này sẽ được nghiền nhỏ thành bột liệu mịn và
được sấy để giảm bớt độ ẩm. Sau đó, bột liệu theo dòng khí sẽ được lắng đọng ở các
cyclon và được chứa vào Silo đồng nhất liệu trước khi đưa tới hệ thống nung luyện
Clinker.
c. Nung luyện Clinker
Để tăng năng suất cũng như giảm tiêu hao năng lượng trong quá trình nung luyện
Clinker, bột liệu sống được đưa qua một hệ thống tiền sấy để nâng dần nhiệt độ trước khi
đưa vào lò nung. Hệ thống tiền sấy này bao gồm nhiều cyclon ở nhiều tầng khác nhau lợi
dụng khí thải đầu ra của lò nung để sấy và đồng nhất bột liệu sống thêm một lần nữa.
Trong lò, bột liệu được nung lên tới nhiệt độ khoảng 1500
o
C, các phản ứng hóa học xảy
ra và bột liệu bị chuyển thành Clinker ở pha lỏng. Sau khi nung thành Clinker phải tiến
hành làm nguội thu hồi nhiệt dư của Clinker phục vụ mục đích khác, nâng cao hiệu suất
nhiệt của hệ thống lò nung, giảm nhiệt độ Clinker thuận tiện cho việc tồn trữ, vận hành
và nghiền Clinker. Những hạt Clinker to quá sẽ được đập nhỏ tiếp sau. Cuối công đoạn
này, Clinker được đưa vào Silo chứa.
d. Nghiền xi măng
Thông qua hệ thống cân băng định lượng, các thành phần tạo thành xi măng sẽ được
phối hợp theo một tỷ lệ nhất định rồi sau đó được đưa tới máy nghiền để tạo ra xi măng
theo mác yêu cầu của khách hàng.

Cân băng
định lượng
Hệ thống cân băng định lượng
Máy nghiền liệu
Silo đồng nhất liệu
Hệ thống tháp sấy
Lò nung clinker
Lò nung clinker
Hệ thống làm mát
Silo chứa clinker
Cân băng định lượng
Máy nghiền đứng
Máy nghiền bi
Silo chứa xi măng
Dây chuyền đóng bao
Kho chứa và cảng xuất
Hệ thống
vòi đốt
Dầu FO
Chương 1. Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống làm mát clinker
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng.
1.2. Hệ thống làm mát clinker
Hình 1.2. Ghi làm nguội clinker.
1.2.1. Yêu cầu công nghệ của việc làm mát clinker
Bộ làm nguội kiểu ghi được sử dụng cho hệ thống lò SLC do có đường phản hồi
cung cấp khí nóng cho buồng phân hủy( đường gió 3).
11
Chương 1. Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống làm mát clinker
Bộ làm nguội phải có kích thước dư thừa cho mức sản lượng bình thường, nếu
không nó sẽ không đủ công suất làm nguội trong điều kiện hoạt động bất ổn. Bộ làm

Người ta thường sử dụng gió thổi với áp suất cao để làm mát clinker. Hiện nay thường sử
dụng dàn làm lạnh để làm mát.
12
Chương 1. Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống làm mát clinker
13
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
Chương 2
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG LÀM MÁT CLINKER HIỆN
CÓ
2.1. Đặc tính quạt
Đặc tính của quạt là mối liên hệ giữa công suất và lưu lượng quạt được thể hiện trên
đồ thị hình 2.1. Đường cong I là đường đặc tính của máy, đường cong II là đường đặc
tính đường ống. Giao điểm giữa 2 đường này là điểm làm việc ổn định của hệ thống. Với
một hệ thống được thiết kế trước, thì điểm làm việc sẽ là duy nhất, mọi điểm khác máy sẽ
làm việc không ổn định. Như vậy muốn điều chỉnh lưu lượng Q thì cần thay đổi điểm làm
việc, có nghĩa là hoặc thay đổi đường đặc tính máy (I) hoặc thay đổi đường đặc tính
đường ống (II).

Hình 2.1. Đồ thị đặc tính quạt.
Như trên hình 2.1, khi muốn thay đổi lưu lượng Q
o
xuống Q
1
, Q
2
thì ta có thể thay
đổi điểm làm việc từ A
o
sang điểm làm việc A
1

tiết lưu có thể được đặt ở ống đẩy hoặc ống hút của quạt. Trên hình 2.2, để điều chỉnh lưu
lượng Q của quạt, ta sẽ thay đổi đường đặc tính của đường ống (II) và giữ nguyên đường
đặc tính máy. Khi đó điểm làm việc cũng thay đổi theo từ A
o
, A
1
, A
2
,… tương ứng với
lưu lượng Q
0
, Q
1
, Q
2
,…Điều đó được thực hiện bằng cách thay đổi góc mở van tiết lưu.
Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là khi càng tiết lưu(van mở càng
nhiều) thì lưu lượng càng giảm nhưng áp suất đường ống không tăng mà chỉ tăng phần
đường ống từ van tiết lưu đến quạt mà thôi.
2.2.2. Điều chỉnh lưu lượng bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt.
Hình 2.3. Điều chỉnh tốc độ quạt.
15
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
Ở phương pháp này, đường đặc tính đường ống giữ không đổi( độ mở van 100% là
không đổi). Khi đó để thay đổi lưu lượng Q của quạt, ta thay đổi đường đặc tính máy.
Như trên hình 2.3, để thay đổi lưu lượng quạt từ Q
o
xuống Q
1,
ta thay đổi điểm làm việc

dọc theo đường đặc tính máy (I) hoặc thay đổi từ A
O
đến B
1
dọc theo đường
đặc tính đường ống (II).Khi điều chỉnh từ điểm làm việc A
O
đến điểm làm việc A
1
dọc
theo đường đặc tính máy (I) thì công suất tiêu thụ của quạt tăng từ P
Ao
đến P
A1
bởi vì góc
mở của van tiết lưu giảm nhỏ hơn 100% làm cho tăng áp lực đường ống. Tương tự khi
điều chỉnh điểm làm việc từ Ao đến B
1
dọc theo đường đặc tính đường ống (II) thì công
suất tiêu thụ của quạt giảm từ P
AO
đến P
B1
. Như vậy với cách điều chỉnh thứ hai thì hệ
thống đã tiết kiệm được lượng công suất: ∆P=P
A1
-P
B
so với cách điều chỉnh ban đầu.
Có thể so sánh hiệu quả tiết kiệm năng lượng của hai phương pháp điều chỉnh đã

làm mát hiện tại cùng các thiết bị giám sát và tối ưu hóa vận hành, giải quyết vấn đề tiêu
hao năng lượng rất đáng kể. Trước khi lắp đặt bộ biến tần, việc điều khiển hệ thống chủ
yếu phụ thuộc vào điều khiển độ mở của van tiết lưu (damper) nhằm thay đổi lưu lượng
gió vào giàn ghi làm nguội clinker.
18
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
Chương 3
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG
CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
3.1. Đặc tính động cơ không đồng bộ
Hình 3.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc.
Động cơ điện không đồng bộ (KĐB) được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế sản
xuất. Ưu điểm nổi bật của nó là cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc; so
với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc
chắn, có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn khi cùng công suất định mức với động cơ
một chiều. Ngoài ra nó có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần
phải trang bị các bộ biến đổi tốn kém kèm theo.
Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế quá
trình quá độ khó khăn; đối với động cơ rotor lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn
so với động cơ một chiều như dòng khởi động lớn, momen khởi động nhỏ.

19
Hình 3.2. Động cơ không đồng bộ.
a-Rotor lồng sóc
b-Rotor dây quấn
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
Trong nội dung đồ án này, kể từ đây ta nhắc đến động cơ không đồng bộ tức là động
cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc (ĐCKĐB). Để khảo sát động cơ không đồng bộ,
ta cần xây dựng phương trình đặc tính cơ và đồ thị đặc tính cơ của động cơ. Khi nghiên
cứu cần có một số giả thiết sau:

- R
µ
, R
1
, R
’
2
: Các điện trở tác dụng của mạch từ hóa, của cuộn dây stator và của
mạch rotor đã quy đổi về stator.Với ω
1
là tốc độ góc của từ trường quay hay còn gọi là tốc độ đồng bộ:
1
1
2
p
f
p
π
ω
=
(3.1)
20
Hình 3.3. Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ.
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
- f
1
: tần số của điện áp nguồn đặt vào stator

 
 
 
 
 
 
= +
+
+ +
(3.3)
với
1 2
'
nm
X X X
δ δ
= +
Dựa vào biểu thức (3.3) ta thấy rằng:
Khi ω=0, s=1 thì dòng điện stator I
1
=I
1nm
, khi đó dòng điện rotor quy đổi về stator là:
1
'
2
' 2
2
2
2

: Dòng điện ngắn mạch
I
µ
: Dòng điện từ hóa có tác dụng tạo ra từ trường quay.
Dòng điện rotor quy đổi về stator trong trường hợp này có biểu thức:
21
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
'
1
2
;
2 2
2
1
0
( )
nm
U
I
R
R X
s
=
=
+ +
(3.6)
Để tìm phương trình đặc tính cơ của động cơ ta dựa vào điều kiện cân bằng công
suất. Công suất điện từ chuyển từ stator sang rotor:
12 1
.


∆P
2
=M(ω
1
-ω)=M.ω
1
.s (3.7)
Mặt khác:
'
2 2
'2
2
3 .P I R∆ =
(3.8)
Nên:
'2 '
2
2
1
3 /I R s
M
ω
=
(3.9)
Thay giá trị
'
2
I
đã tính ở trên vào (3.9) ta thu được:

Biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị ta được dạng đường cong như hình 3-4:
22
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
Hình 3.4. Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.
Có thể xác định điểm cực trị của đường cong này bằng cách giải phương trình:
0
dM
ds
=
(3.11)
ta sẽ được trị số của M và s tại các điểm cực trị và được ký hiệu là M
th
, s
th
( momen tới
hạn và độ trượt tới hạn), cụ thể là:
'
2
2 2
1
th
nm
R
s
R X
= ±
+
(3.12)
Thay giá trị s
th

đường đặc tính cơ thường được biểu diễn trong khoảng tốc độ
0
th
s s
≤ ≤
, gọi là đoạn đặc
tính làm việc.
Ngoài ra, phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ còn có thể được
biểu diễn dưới dạng sau bằng cách lập tỉ số giữa (3.10) và (3.13):
( )
2 1
th th
th
th
th
M as
M
s s
as
s s
+
=
+ +
(3.14)
23
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
trong đó:
1
'
2

2
th
nm
R
s
X
= ±
, (3.16)

2
1
1
3
2
th
nm
U
M
X
ω
= ±
(3.17)
3.2. Nguyên lý điều khiển tần số
Điều khiển tần số là một phương pháp điều khiển hiện đại cho phép điều chỉnh tốc độ
động cơ không đồng bộ trơn, rộng và hiệu quả, tuy vậy nó đòi hỏi kỹ thuật cao và phức
tạp. Ta có thể coi stator là phần cảm tạo ra từ thông
s
ψ
, còn momen là do tác động của từ
thông

1 s
ω ω
= −
(3.18)
Khi tần số f
1
tăng lớn hơn f
1đm
và nếu bỏ qua sụt áp rơi trên điện trở stator thì từ
(3.17) biến đổi ta có:
24
Mc
U
1
(I
1
)
f
1
U
2
,
f
2
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
2
1
2 2
1
3

1
>f
1đm
momen tới hạn suy giảm tỷ lệ với bình phương tần số. Vùng thứ hai ứng với
f
1
<f
1đm
khi giữ từ thông động cơ không đổi thì M
th
= const. Nếu sử dụng luật điều khiển
1
1
const
U
f
=
do ảnh hưởng của sụt áp trên điện trở stator của động cơ nên momen ở tần số
thấp suy giảm.
3.3. Qui luật điều khiển tần số U/f
Điều quan trọng trong điều khiển tốc độ động cơ bằng phương pháp điều khiển tần
số là song song với điều chỉnh tần số, ta phải điều chỉnh cả điện áp phía stator nhằm đảm
25

Trích đoạn Phương pháp PWM véctơ không gian Màn hình giao diện và các nút bấm Chế độ cài đặt thông số nhanh cho bộ biến tần

---