Bài giảng Kiểm tra năng lượng - Chương 4: Quản lí sử dụng động cơ điện

Quản lí sử dụng động cơ điện
Động cơ điện là thiêt bị tiêu thụ điện nhiêu
nhất trên thế giói
Sử dụng cuối cùng
Tiêu thụ
TWh/năm
Tỷ lệ (%)
Động cơ dẫn động:
28,5
60
• Bơm và quạt
13,0
27
• Sử dung các đ/c khác
7,9
17
• Nghiền và làm mịn
5,5
12
• Máy nén
1,5
3
• Phân xưởng lạnh
0,6
1
Các sử dụng khác
19,2
40
• Điện phân
3,8
8
• Các quá trình liên quan
3,6
8
• Nấu chảy
3,4
7
• Thắp sáng
2,6
5
• Lò điện, sưởi ấm
2,3
5
• Công nghiệp nhẹ
2,1
4
• Gia nhiệt
1,4
3
TỔNG CỘNG
47,7
Phân bố têu thụ điện năng trong các ngành Công nghiệp ở Thuỵ :
Điển
Động CO’ điện
• Hộ tiêu thụ điện quan trong nhất trong các nhà máy/cơ sở sản xuất là động cơ điện.
Động cơ điện thường sứ dụng nguồn điện 3 pha 380V
Đơn vị đo công suất động cơ: kw hoặc hp (lhp=0,746kW)
Tốc độ định mức: 1.450 vòng/phút; 2900 vòng/phút; 970 vòng/phút; 730 vòng/phút,...
Phân loại động CO’ điện
Động cơ điện
một chiều
Động cơ điện xoay chiều (một
pha, ba pha)
Động cơ không đồng bộ được sử dụng thông dụng cho các thiết bị khác nhau trong công nghiệp:
- Nguồn động lực kéo các phụ tải thông qua các hệ thống truyền động cơ khí
- Một sô’ động cơ nhỏ được sử dụng như một cơ cấu chấp hành trong các hệ thống điều khiển tự động
Tốc độ quay cùa rôto nhỏ hơn tốc độ quay cùa từ trường nên gọi là động cơ không đồng bộ
Ưu điểm:
Thiết kế/kết cấu đơn giàn
Độ bền cao
Rẻ tiên
De vận hành, bảo trì
• Nhược điểm:
Hệ số cosíD lớn
Dòng khởi động lớn, khó điều chình tốc độ
Câu tạo của động cơ không đông ' bọ
Các thông số đặc trưng của động cơ
Công suất định mức (kW) Hiệu suất động cơ (%) Tốc độ quay (vòng/phút) Điện áp (v)
Tần số (Hz)
Thông số của động CO’
00 0407127839-010- 14 VF li-C/EN 60034 ThClF- 6CHz 460 V A 6JỈ 10,9 Ẩ
4ÍQ-48Q V A
UH13 A • c
Động cơ tiêu thụ bao nhiêu điện năng ?
Trung bình, giá mua động cơ chỉ bằng 1 đến 2% tổng chi phí tiền điện của động cơ tiêu thụ trong suốt đời sống của nó (khoảng 20 năm)
Khi DN bỏ ra khoảng 10 000 000 đồng để mua một động cơ 11 kw, tức là DN phải trả khoảng 1 000 000 000 đồng tiền điện để vận hành động cơ trong suốt đời sống của nó
Động cơ tiêu thụ bao nhiêu điện năng ?
Ví dụ:
• Loại động cơ:
55 kw
• Hiệu suất động cơ:
92% ở tải 80% định mức
• Giá mua động cơ:
55 000 000 đồng
• Số giờ vận hành:
4000 giờ/năm
• Giá điện:
900 đồng/kWh
Chi phí tiền điện hàng năm = (900 X 55 X 0,8 X 4000)/0,9 = 176 000 000 đ
Tiền điện cả đời động cơ = 176 000 000 X 20 = 3 520 000 000 đ
Chi phí mua đ/c/Tổngtiền điện = 1,56%
Các loại tổn thất năng lượng của động cơ
Các tổn thất động cơ gồm có:
Tổn thất cuộn dây (58%)- cuộn dây Stator, cuộn dây Rotor
Tổn thất sắt từ (12%)
Tổn thất ma sát và lệch trục (14%)
Tổn thất rò điện (16%)
Các tổn thất làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của động cơ
Tổn thất cuộn dây
Là tổn thất do điện trở các dây quấn Stator và Rotor gây ra.
Thành phần này gây đến 58% tổn thất của động
cơ
• Để cải thiện người ta thường táng kích thước rãnh Stator và kích thước dây quấn, tăng kích thước các thanh dẫn của Rotor
Tôn that săt từ
Là tổn thất dòng điện quẩn, tổn thất lệch pha tại lõi các thành vật liệu và khe hở giữa Rotor và Stator.
Thành phần này chiềm khoảng 12% tổng tổn thất của động cơ.
Để giảm tổn thất:
Sử dụng các lá thép mỏng và chất lượng cao hơn
Làm dài thêm lõi để giảm mật độ từ thông
Giảm kích thước khe hở giữa Rotor và Stator
Ton thất ma sát và lệch trục
Là tổn thất do ma sát các đầu trục, do lệch trục, tiêu tốn năng lượng cho quạt làm mát
Thành phần này chiếm khoảng 14% tổng tổn thất của động cơ
Đe gỉảm tồn thất:
Tăng và nâng cao chất lượng vòng đỡ
Cải tiến thiết kế luồng không khỉ làm mát
Tổn thất rò điện
Là các tổn thất do các hài bậc cao và các tổn thất khác gây ra
Thành phần này chiếm khoảng 16% tổng tổn thất của động cơ
Để giảm tổn thất người ta phải tối ưu hoá các khâu thiết kế và chế tạo động cơ
Động cơ điện hiệu suât cao (HEM)
Là những động cơ có các đặc tính:
Hiệu suất cao hơn các động cơ thông thường khác
Tiếng ôn giảm nhiều nhờ quạt làm mát nhỏ hơn, nhiệt phát ra ít hơn, tổn thất thấp hơn
Tuổi thọ của động cơ cao hơn
Dầu mỡ bôi trơn có tác dụng lâu hơn do nhiệt độ các đầu trục thấp hơn. Dan đến chu kỳ bao dưỡng dài hơn. Chi phí bảo dưỡng thấp hơn.
Kích thước chế tạo gọn nhẹ hơn, hoặc có thể đạt công suất cao hơn khi cùng kích thước.
Giá mua động cơ đắt hơn
Hiệu suât và công suât tiet kiệm của động
cơ hiệu suất cao
Công suất định mức (hp)
Hiệu suất (%)
Công suất tiết kiệm (W)
Động cơ hiệu suất cao
Động cơ tiêu chuẩn
1
84
76,5
87
Ị1/2
85,5
78,5
116
2
85,6
80,8
122
3
88,5
79,9
272
5
88,8
83,1
274
rjHI
90,2
83,8
474
10
90,2
85
506
15
91,7
86,5
734
20
93
87,5
1008
25
93
88
1139
30
93
88,1
1338
40
93,6
89,4
1498
50
94,1
90,4
1622
60
94,5
90,3
2203
75
95
90,8
2724
100
95
91,6
2915
125
95,4
91,8
3833
150
95,8
92,3
4429
200
95,8
93,3
4173
300
96,2
93,8
5952
So sánh động HEM với động cơ tiêu chuẩn
Động cơ HEM có tổn thất thấp hơn động cơ tiêu chuẩn từ 20 đến 30%
Hiệu suất tổng của động cơ HEM cao hơn động cơ tiêu chuân từ 2 đên 5%
Độ tin cậy, tuổi thọ của động cơ HEM cao hơn
Chi phí bảo trì, bảo dưỡng thấp hơn
Giá động cơ HEM cao hơn động cơ tiêu chuẩn từ 20 đến 50%
Các yếu tố cần cân nhắc khi thay thế động
cơ
Chi phí đầu tư
Công suất động cơ
» Hiệu suất động cơ
Số giờ vận hành hàng năm của động cơ
Chi phí thay thế, bảo dưỡng
Giá điện
Chi phí năng lượng có thê tiêt kiệm khi
dùng động cơ HEM
• Điện năng tiêt kiệm do hiệu suât động cơ cao hơn:
Trong đó:
T|s hiệu suât động cơ thường t|hem hiệu suất động cơ HEM Pt Phụ tải thực tế của động cơ
Điện năng tiềt kiệm hàng năm:
A Ạ . X 1 •/X / V = /\T^ • Ấ 1 •/X V" Ý
kiệm/năm tiêt kiệm L
Tiền tiết kiệm:
liết kiệm/năm
Bài tập tại lớp
• số tiền điện tiết kiệm được là bao nhiêu khi dùng một động cơ hiệu suất cao thay cho động cơ tiêu chuẩn ở công suất 75 kw với các thông số cho như sau:
Động cơ thường
Động cơ Hiệu suất cao
Công suất (kW)
75
75
Hiệu suất (%)
92,5
95
Số giờ vận hành năm (Giờ)
4000
4000
Đơn giá tiền điện ($/kWh)
0,10
0,10
• Khảo sát mức hoà vốn khi một trong 2 thông sô: số giờ vận hành hoặc giá tiền điện thay đổi
Một sô yêu tô ảnh hưởng đên hoạt
động của động CO’
Tải cùa động cơ
Điện áp, tần số, thứ tự pha (1 pha, 3 pha)
Các bộ phận cơ khí: vòng bi, bôi trơn, giải nhiệt, cách bố trí và kết nối với thiết bị khác
Tốc độ
Chế độ khởi động (trực tiếp, mềm, A-Y) và điều khiển tốc độ
Tân suất khởi đông
Một sô yêu tô ảnh hưởng đên hoạt
động của động CO’
Thay đôi tốc đô'.
Trong nhiều trường họp, tốc độ động cơ cần phải thay đối đế đáp ứng với các ứng dụng
Một số thiết bị hỗ trợ việc thay đối tốc độ:
Bộ li hợp từ (VS)
Bộ biến tần (VSD)
Ly hạp từ
Độ biên tân
ÍLỈ“r
Ĩl' 1
■ÌlỊỈị
ìy
Tiêu thụ năng lượng của động cơ khi phụ
tải thay đôi
Động cơ chạy không tải
Động cơ chạy non tải
Động cơ chạy không tải
Động cơ vẫn quay, nhưng bộ phận ly hợp mang tải bị cắt.
Do động cơ vẫn quay nên vẫn tiêu thụ điện. Nhưng do không mang tải nên năng lượng tiêu thụ bị lãng phí
Động cơ chạy không tải làm cho hệ số COScp của mạng điện xí nghiệp bị giảm. Gây tổn thất cho lưới. Xí nghiệp có thể bị ngành điện phạt tiền.
Khi phụ tải của động cơ giảm
Ví dụ nhu cầu lưu lượng nước của máy bơm giảm 50%:
Để điều chính lưu lượng người ta có thể áp dụng các phương pháp sau:
Phương pháp điêu chỉnh lưu lượng
Van tiết lưu
Van đi tât
Công tác đóng-mớ cúa bơm
Chạy song song các bơm
Bô điều tốc của bơm
Điêu khiên tôc độ động cơ
Động cơ điện là thiết bị dẫn động cho các thiết bị như bớm nước, quạt,...
Giữa tốc độ quay của động cơ (V) với ,lưu lượng, mô men quay và công suất yêu cầu cho các thiết bị dẫn đọng có mối quan hệ sau:
Lưu lượng = kxV
Mô men = kxV2
Công suất = kxV3
Chúng ta có thể thiết lập mối quan hệ giữa tốc độ, lưu lượng và công suất yêu cầu
Môi quan hệ giữa tôc độ, lưu lượng và công
suât yêu câu
Tốc độ (%)
Lưu lượng (%)
Công suất yêu cầu (%)
100
100
100
90
90
72,5
80
80
51,2
70
70
34,3
60
60
21,6
50
50
12,5
• Để giảm lưu lượng (giảm 30%) với 2 cách tiến hành:
> Lắp bộ tiết lưu, không giảm tốc độ động cơ
> Lắp bộ biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ Lượng năng lượng tiết kiệm là bao nhiêu?
Ví dụ vê điêu chỉnh lưu lượng
Bộ trao đỗi nhiệt
Hệ thống dùng van tiết lưu
Bộ trao đỗi nhiệt
Hệ thống dùng bộ biến tần
Điêu chỉnh tôc đô băng thay đôi
tần số (biến tan/inverter)
£ 3-pha AC 400V, 50 Hz
• Hiên nay đã đươc sừ dung khá phổ biến nhưng chù yếu cho các đông cơ
công suất nhò và trung bình do giá thành còn rất cao
Biến tần gắn cùng động CO’
ứng dụng của biến tần
Các cơ hội tiết kiệm năng lượng
Lựa chọn công suất động cơ phù hợp với nhu cầu
Sử dụng động cơ hiệu suất cao
Bảo dưỡng động cơ đúng quy cách
Hạn chế động cơ chạy không tải
Lắp bộ điều khiển tốc độ
Tránh làm việc vào các giờ cao điểm
Lựa chọn công suât đông cơ phù hợp với nhu câu
Các nhà kỹ thuật viện lí do an toàn có xu hướng lựa chọn công suât động cơ cao hơn nhu câu.
Các lãng phí gây ra do giá mua động cơ cao hơn, tôn thât không tải của động cơ cao hơn, động cơ thường xuyên chạy non tải
Việc vận hành động cơ ở chế độ non tải không những gây tôn thât trên động cơ còn làm cho hệ số CO Sọ của mạng điện thấp dẫn đến DN có thể bị ngành điện phạt
Bảo dưỡng động cư đúng quy cách
Đảm đúng định kỳ bảo dưỡng do nhà chế tạo quy định
Bảo dưỡng tốt sẽ hạn chế các tổn thất do ma sát đầu trục, phát nóng, rò điện
Sử dụng động cơ hiệu suất cao
Tuỳ theo nhu cầu sử dụng: công suất, số giờ vận hành; chính sách của quốc gia (trợ giá, giá tiền điện); giá của động cơ mà DN có thể xem xét phương án thay thế các động cơ thông thường đang được sử dụng bằng các động cơ có hiệu suất cao.
Việc thay thế không phải lúc nào cũng mang lại hiệu quả
Lắp bộ điều khiển tốc độ
Với những nhu cầu sử dụng có các thông số đầu vào, đầu ra hoặc quy trình vận hành luôn thay đổi, chúng ta có thể sử dụng hệ thống biến tần điều khiển tốc độ động cơ cho phép tiết kiệm năng lượng tiêu hao.
Các quyết định phải được tính toán cụ thể
Sử dụng biên tân VSD cho tháp làm
mát (tháp giải nhiệt)
T2
VSD -
T1
Bình ngưng
T1>T2
•Khi phụ tải lạnh thực tế giảm xuống, có thể giảm tốc độ của bơm nước làm mát bình ngưng và tốc độ của quạt tháp giải nhiệt
•Tiết kiệm được khoảng 20% điện năng tiêu thụ
Dùng VSD cho hệ thống cung cấp nước sinh
hoạt
Do nhu cầu nước sinh hoạt luôn thay đổi nên người ta đã đặt các máy biến tần để thay đổi tốc độ động cơ bơm nước khi lưu lượng thay đổi.
Đây là giải pháp rất hữu hiệu để tiết kiệm điện cho các trạm
• • • cấp nước.
Ví dụ
• Một cụm máy bơm tại mức 100% lưu lượng công suất yêu cầu là 100 kw. Hiệu suất của bộ phận truyền động là 95%. Tính toán mức tiết kiệm khi có sử dụng bộ biến tần để điều khiển tốc độ khi lưu lượng giảm 50%. Biết rằng hiệu suất truyền động khi có bộ biến tần là 85%.
Ví dụ...
Bài tập tại lớp
• Công ty May 10 dự kiến thay thế 968 động cơ thường của máy may
1 kim bằng động cơ hiệu suất cao với các thông số như sau:
Chỉ tiêu
Động cơ thường
Động cơ hiệu suất cao
Giá mua động cơ (USD)
730
900
Hiệu suất động cơ (%)
76
84
Công suất động cơ (W)
250
250
Tuổi thọ động cơ (năm)
20
20
Công suất thực tế sử dụng (W)
13]
í,64
Số ngày làm việc trong năm
305
Số giờ làm việc mỗi ngày (giờ)
13,5
Hệ số chiết khấu (%)
18
Giá trị còn lại của động cơ
15% nguyên giá
Giá mua điện bình quân
1085 đ kWh
Hãy tính toán hiệu quả kinh tế của dự án