TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ TRẦN MINH PHƯƠNG
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
KHI SỬ DỤNG MÁY BIẾN TẦN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HÀ NỘI - 2014 LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình làm khóa luận, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình
của các thầy cô giáo trong khoa Vật lý - Trường đại học Sư phạm Hà Nội 2.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới các thầy cô và đặc biệt là thầy
Trần Văn Giảng đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành
khóa luận này.
Tuy bản thân đã hết sức cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những hạn
chế, thiếu sót, còn phải hoàn thiện thêm. Vì vậy tôi kính mong nhận được ý
kiến đóng góp của thầy cô và bạn đọc để khóa luận này được hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 5 năm 2014
Sinh viên thực hiện Trần Minh Phương
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sản xuất điện năng toàn cầu 3
Hình 1.2:Tình hình sản xuất điện năng trên thế giới năm 2005 4
Hình 1.3: Động cơ không đồng bộ 9
Hình 1.4: Nguyên lí làm việc của động cơ không đồng bộ 10
Hình 1.5: Tổn thất động cơ 11
Hình 1.6: Họ đặc tính khi thay đổi điện áp U
1
15
Hình 1.7: Họ đặc tính của động cơ không đồng bộ khi thay đổi R
2
’
16
Hình 1.8: Họ đặc tính cơ nhân tạo của động cơ không đồng bộ khi thay đổi R
1
hoặc X
1
17
Hình 1.9: Đồ thi biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo
luật điều khiển U/f=const 21
Hình 2.1: Một số hình ảnh về máy biến tần…………………………………23
Hình 2.2: Dòng biến tần Altivar 24
Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp…………………………… 30
Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần 31
Hình 2.5: Biểu đồ thống kê điện năng tiêu thụ trong các quá trình và các tòa
nhà hiện 33
Hình 2.6: Đặc tính của hệ truyền động bơm, quạt 35
Hình 2.7: Điều khiển nhờ van đầu vào 36
Hình 2.8: Đặc tính năng lượng và lưu lượng của điều chỉnh van đầu
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Sản xuất điện năm 2007 của các nước công nghiệp hàng đầu (TWh)
Theo IEA………………………………………………………………………4
Bảng 1.2: Tình hình sản xuất điện năng của Việt Nam từ 2000 - 2020………5
Bảng 1.3: Tiêu thụ điện theo ngành trong khoảng thời gian 2006 - 2010…….6
Bảng 1.4: Tiêu thụ điện năng và nhiệt năng cho công nghệ sản xuất xi măng
Bảng 1.5: Các công đoạn sản xuất giấy và năng lượng tiêu thụ…………… 7
Bảng 1.6: Các loại tổn thất ở động cơ không đồng bộ………………………12
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cảm ơn
2.1.2.1. Chức năng . 25
2.1.2.2. Ứng dụng . 26
2.1.3. Tầm quan trọng của máy biến tần trong công nghiệp. 27
2.1.4. Phân loại máy biến tần 29
2.1.4.1. Biến tần trực tiếp 29
2.1.4.2. Biến tần gián tiếp 30
2.1.5. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần 31
2.2. Nghiên cứu khả năng tiết kiệm điện của động cơ không đồng bộ khi
sử dụng máy biến tần . . 33
2.2.1. Đặt vấn đề. 33
2.2.2. Đặc tính của các hệ tryền động bơm, quạt 34
2.2.3. Biến tần - Giải pháp tiết kiệm điện năng 36
2.2.3.1. Khả năng tiết kiệm điện năng của biến tần 36
2.2.3.2. Biến tần tiết kiệm điện năng như thế nào 39
2.2.3.3. Tính toán hiệu quả tiết kiệm điện năng 42
2.2.4. Một vài ứng dụng của biến tần để tiết kiệm điện năng 47
KẾT LUẬN 49
TÀI LIỆU THAM KHẢO 50
1
PHẦN 1: MỞ ĐẦU
trong khi tài liệu của nhà sản xuất thường chỉ cung cấp thông số, tính năng
thiết bị. Chính vì những lí do trên đã thúc đẩy tôi chọn đề tài:
“Nghiên cứu khả năng tiết kiệm điện năng khi sử dụng máy biến tần”
làm đề tài khóa luận.
1.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu khả năng tiết kiệm điện năng khi sử dụng máy biến tần để
phục vụ học tập, nghiên cứu và giảng dạy sau này.
1.3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
- Các loại máy biến tần, động cơ không đồng bộ.
- Ứng dụng của máy biến tần trong động cơ không đồng bộ ba pha.
1.4. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
- Điện năng trong cuộc sống và trong khoa học kĩ thuật - Động cơ
không đồng bộ.
- Ứng dụng của máy biến tần trong động cơ không đồng bộ ba pha.
1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu các tài liệu có liên quan đến điện năng và máy biến tần.
- Nghiên cứu ứng dụng của máy biến tần trong động cơ không đồng bộ.
1.6. ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN
- Làm sáng tỏ sự quan trọng của máy biến tần trong quá trình tiết kiệm
điện năng.
- Luận văn này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và
những người quan tâm.
1.7. CẤU TRÚC KHÓA LUẬN
Khóa luận gồm 2 chương:
Chương 1: Điện năng trong cuộc sống và trong khoa học kĩ thuật -
Động cơ không đồng bộ.
Chương 2: Máy biến tần và khả năng tiết kiệm điện của động cơ
không đồng bộ ba pha khi sử dụng máy biến tần.
Nhiên liệu hóa thạch
64%
Năng lượng tái tạo
1%
Thủy điện 18%
4
Sản xuất điện năm 2007 của các nước công nghiệp hàng đầu được nêu
trong bảng sau:
Bảng 1.1. Sản xuất điện năm 2007 của các nước công nghiệp hàng đầu
(TWh)
Theo IEA
STT
Nước
Tổng
Nhiệt
điện
Thủy
điện
Hạt
nhân
NL
mới
1
Hoa Kỳ
4313,3
3085
42,8
6
Canađa
580,7
154,8
385,3
88,6
2,52
7
Pháp
487,6
58,4
62,8
418,6
4,58
8
Hàn Quốc
420,9
279,5
4,9
136,6
4,6
9
Anh
383,7
279,5
8,9
57,2
5,2
10
5
( MW)
Điện năng (TWh)
27
53
74
97
170
250
1.1.3. Tiêu thụ điện tại Việt Nam
Những năm gần đây, tốc độ tăng trưởng kinh tế Việt Nam đạt mức cao,
điều này làm mức sống người dân tăng lên nhưng cũng khiến nhu cầu điện
tăng mạnh theo từng năm, đôi lúc vượt quá khả năng cung cấp hiện tại. Cơ
cấu tiêu thụ điện tại Việt Nam như sau: ngành công nghiệp và kiến trúc
chiếm khoảng 51% ; sinh hoạt 40%; thương nghiệp và dịch vụ 5%; nông
nghiệp, thủy sản 1% và còn lại các ngành khác là 3%.
Mức độ tiêu thụ điện năng tiếp tục gia tăng để có thể đáp ứng được
nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội của đất nước. Về cơ cấu tiêu thụ điện công
nghiệp tiếp tục là ngành chiếm tỉ trọng tiêu thụ điện năng nhiều nhất với tốc
độ tăng từ 47.4% lên đến 52% tổng sản lượng tiêu thụ điện tương ứng trong
năm 2006 và năm 2010. Tiêu thụ điện hộ gia đình chiếm tỉ trọng lớn thứ hai
nhưng có xu hướng giảm nhẹ do tốc độ công nghiệp hóa nhanh của Việt Nam,
từ 42.9% năm 2006 thành 38.2% năm 2010. Phần còn lại dành cho dịch vụ,
nông nghiệp và các ngành khác chiếm khoảng 10% tổng sản lượng tiêu thụ
điện năng.
Bảng 1.3. Tiêu thụ điện theo ngành trong khoảng thời gian
2006-2010
(Nguồn: Tổng sơ đồ VII)
STT
4.8
4.6
6
4
Quản lí và tiêu dùng
43.9
42.9
40.6
40.1
40.1
5
Khác
4.1
3.8
3.7
3.5
3.7
1.1.4. Nhu cầu điện trong sản xuất công nghiệp
Việc tăng trưởng kinh tế kéo theo là sự chuyển đổi từ nền kinh tế lấy
nông nghiệp là trọng tâm sang nền kinh tế công nghiệp và dịch vụ. Cùng với
đó là nhu cầu xây dựng khu công nghiệp, khu đô thị, các trung tâm thương
mại của công ty nước ngoài cho nên nhu cầu điện trong công nghiệp ngày
càng gia tăng. Theo dữ liệu thống kê được, bình quân mỗi năm lượng điện sản
xuất tăng khoảng 13% nhưng nhu cầu điện của Việt Nam được dự đoán mỗi
năm tăng khoảng 16%-17%, vì thế ngành công nghiệp sản xuất điện sẽ nhanh
chóng rơi vào tình trạng cung không đáp ứng cầu. Ngoài ra, sự lão hóa của
1.1.5.2. Công nghệ giấy
Nguyên liệu đầu vào chủ yếu của ngành giấy là gỗ, tre, nứa, bã mía,
rơm… Các công đoạn sản xuất giấy và năng lượng tiêu thụ được cho trong
bảng 1.5
Bảng 1.5. Các công đoạn sản xuất giấy và năng lượng tiêu thụ
Công đoạn
Nhiệt năng tiêu
thụ (GJ/tấn)
Điện năng tiêu
thụ (kWh/tấn)
Chuẩn bị nguyên liệu
30,3
Tạo bột, giải phóng sợi xenlulozo
4,4
406
Tẩy trắng
4,3
159
Sấy bột
4,5
155
Chế tạo giấy thành phẩm
0,7
274
Định hình và ép
238
Sấy thành phẩm
n
0
= là tốc độ từ trường quay.
1.2.1. Cấu tạo ĐC KĐB
Cấu tạo ĐC KĐB gồm 2 bộ phận chủ yếu là stato và roto, ngoài ra còn
có vỏ máy và nắp máy.
Stato là phần tĩnh gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn,
ngoài ra có vỏ máy và nắp máy.
* Lõi thép Stato:
- Gồm các lá thép kỹ thuật cách điện có chiều dày (0,3 0,5) mm, dập
theo hình vành khăn, mặt trong có rãnh để đặt dây quấn Stato ghép cách điện
với nhau để giảm dòng fuco, giảm tổn hao.
- Lá thép Stato kết hợp với lõi thép Roto tạo thành mạch từ để dẫn từ
và tạo ra từ trường lớn.
* Dây quấn Stato:
- Dây quấn Stato thường làm bằng dây đồng có lớp cách điện bên
ngoài, tiết diện hình tròn (d), hay hình chữ nhật (axb) tạo thành bối dây. Mỗi
bối dây có thể có nhiều vòng dây và hai cạnh bối dây đặt trong rãnh lõi thép
Stato, các bối dây được ghép nối với nhau tạo thành dây quấn 1 pha.
- Vậy dây quấn Stato là dây quấn 3 pha: gồm 3 bối dây như nhau và
đặt lệch nhau một góc 120 về điện.
p
f60
0
9
f
Hình 1.3. Động cơ không đồng bộ
10
tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện roto kéo
roto quay cùng chiều quay của từ trường với tốc độ n
0
.
Động cơ làm việc theo nguyên lý này gọi là động cơ không đồng bộ
(KĐB) hay động cơ xoay chiều.
N n S
Hình 1.4: Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ
Nếu gọi tốc độ từ trường quay là ω
o
(rad/s) hay n
o
(vòng/phút) thì tốc
độ quay của roto là ω ( hay n ) luôn nhỏ hơn ( ω < ω
2n
60
o1
o
2 n 2 f
60 p
11
Ở chế độ động cơ, độ trượt s có giá trị 0 ≤ s ≤ 1.
Dòng điện cảm ứng trong cuộn dây phần ứng ở roto cũng là dòng điện xoay
chiều với tần số xác định bởi tốc độ tương đối của roto đối với từ trường quay
(1.6)
1.1.3. Hiệu suất của động cơ
Động cơ chuyển đổi điện năng thành cơ năng để phục vụ tải nhất định.
Trong quy trình này, năng lượng mất đi được minh hoạ trong hình 1.5
Power input
Motor
Power output Load
12
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ bao gồm:
• Lão hóa: động cơ mới hoạt động hiệu quả hơn.
• Công suất: Với phần lớn các thiết bị, hiệu suất của động cơ tăng khi làm
việc ở công suất định mức.
• Tốc độ: Các động cơ tốc độ cao hơn thường hiệu quả hơn.
• Nhiệt độ: Động cơ có quạt làm mát hiệu quả hơn so với động cơ có lớp
bảo vệ (SPDP).
• Quấn lại động cơ có thể làm giảm hiệu suất.
1.2.4. Đặc điểm và ứng dụng của động cơ không đồng bộ
1.2.4.1. Đặc điểm
- Mômen mở máy phải lớn để thích ứng với phụ tải.
- Dòng mômen phải nhỏ để khỏi ảnh hưởng đến các phụ tải khác.
- Thời gian mở máy nhỏ để có thể làm việc được ngay.
- Thiết bị mở máy đơn giản, rẻ tiền và ít tốn năng lượng.
1.1.4.2. Ứng dụng
Động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha được sử dụng rất rộng rãi trong
sản xuất và sinh hoạt:
cơ làm việc với hệ số công suất nhỏ hơn 1, dòng điện trong động cơ không
hoàn toàn sin. Điều này cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn, ảnh
hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ.
Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều
động cơ. Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt
làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng
dụng trước đây các phương pháp hãm cơ được sử dụng. Lực ma sát giữa phần
cơ và má phanh có tác dụng hãm. Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả
và tổn hao nhiệt lớn.
Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc
độ như quạt, máy bơm. Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình
phương tốc độ, công suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều
14
chỉnh tốc độ, điều này phụ thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán
cho thấy việc giảm 20% tốc độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất
đầu vào. Mà điều này là không thể thực hiện được đối với những động cơ sử
dụng trực tiếp điện áp lưới.
Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng
điện trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao. Điều này làm
tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ. Momen sinh
ra bởi động cơ bị gợn sóng. Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ
khi hoạt động ở tần số cao bởi tính chất cảm của động cơ. Nhưng ở tần số
thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng đến các vòng đồng của roto.
Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làm
giảm tuổi thọ của động cơ.
Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển
giảm rất nhanh thì momen tới hạn cũng giảm rất nhanh theo bình
phương củaU
1pha
, còn tốc độ đồng bộ:
(1.7)
Và độ trượt tới hạn S
th
cũng không thay đổi.
Hình 1.6. Họ đặc tính khi thay đổi điện áp U
1
Nhận xét:
Qua đồ thị ta thấy với một momen cản xác định điện áp lưới càng
giảm thì tốc độ xác lập càng nhỏ. Mặt khác vì momen khởi động M
kđ
và
momen tới hạn M
th
đều giảm theo điện áp nên khả năng quá tải và khởi động
bị giảm dần. Do đó nếu điện áp quá nhỏ thì hệ truyền động có thể không khởi
động hoặc không làm việc được.
Vậy khi giảm điện áp cấp cho động cơ làm cho M
Trường hợp này chỉ đối với động cơ roto dây quấn vì mạch roto có thể
nối qua vòng trượt ngoài chổi than. Động cơ roto lồng sóc không thể thay đổi
được điện trở mạch roto.
Việc thay đổi được điện trở chỉ có thể thực hiện về việc tăng điển trở
mạch roto R
2
’
. Khi tăng R
2
thì độ trượt tới hạn cũng tăng lên S
th
. Còn tốc độ
đồng bộ ɷ
0
và momen tới hạn M
th
giữ nguyên không đổi.
Các đặc tính cơ nhân tạo khi thay đổi điện trở của mạch roto được biểu
diễn như hình vẽ. Điện trở mạch roto càng lớn thì đặc tính càng dốc.
Hình 1.7. Họ đặc tính của động cơ không đồng bộ khi thay đổi R
2
’
Nhận xét:
Copyright: Tài liệu đại học ©