Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quạt làm mát clinker

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

3.4.2. Phương pháp PWM véctơ không gian 33
Chương 4
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG GIÓ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
37
4.1. Sơ đồ chức năng hệ thống 37
4.2. Thông số của động cơ quạt và bộ biến tần 38
4.3. Xây dựng hàm truyền các khâu trong hệ thống 40
4.3.1. Mô hình động cơ 40
4.3.2. Bộ biến tần 41
4.3.3. Luật điều khiển U/f2 = const 42
4.3.4. Hàm truyền của quạt gió và khâu đo lưu lượng 42
4.4. Tổng hợp bộ điều khiển 42
4.4.1. Sơ đồ khối hệ thống 42
4.4.2. Hàm truyền đối tượng 45
4.5. Xây dựng mô hình động cơ không đồng bộ và hệ thống điều khiển 46
4.6. Mô phỏng hệ thống điều khiển lưu lượng gió tiết kiệm năng lượng 48
Chương 5
VẬN HÀNH BỘ BIẾN TẦN MM440, 6SE6440-2UD41-1FA1 51
5.1. Thông số kỹ thuật của biến tần MM440, 6SE6440-2UD41-1FA1 51
5.2. Vận hành biến tần MM440 6SE6440-2UD41-1FA1 52
5.2.1. Màn hình giao diện và các nút bấm 52
5.2.2. Chế độ cài đặt thông số nhanh cho bộ biến tần 54
5.3. Các chế độ hiển thị và cảnh báo 55
KẾT LUẬN 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60
2
Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quạt làm mát clinker
DANH MỤC HÌNH VẼ
DANH MỤC HÌNH VẼ 3
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất xi măng 11

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 4.2. Sơ đồ khối hệ thống 44
Hình 4.3. Mạch vòng điều chỉnh lưu lượng 45
Hình 4.4. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ (α,β) 47
Hình 4.5. Mô hình biến tần 3 pha MM440, 6SE6440-2UD41-1FA1 47
Hình 4.6. Khâu luật điều chỉnh U/f2 48
Hình 4.7. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển lưu lượng trên Simulink 48
Hình 4.8. Đáp ứng lưu lượng gió đầu ra của hệ thống 49
Hình 4.9. Đáp ứng momen động cơ 49
Hình 4.10. Đáp ứng tốc độ góc của rotor 50
Hình 4.11. Đáp ứng tần số đầu ra bộ biến tần 50
Bảng 5.1. Thông số biến tần 51
Hình 5.1. Màn hình LCD và các nút bấm 52
Bảng 5.2. Chức năng và ý nghĩa các nút 52
Bảng 5.3. Chức năng và ý nghĩa các nút thay đổi thông số 54
Bảng 5.4. Cài đặt thông số nhanh 54
Hình 5.2. Đèn LED hiển thị trạng thái cảnh báo lỗi 56
Bảng 5.5. Các trạng thái lỗi hiển thị qua LED 56
Bảng 5.6 Bảng các thông báo lỗi 56
4
Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển quạt làm mát clinker
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1. Thông số động cơ. Error: Reference source not found
Bảng 4.2. Thông số của biến tần MM440 6SE6440-2UD41-1FA1. Error: Reference
source not found
Bảng 5.1. Thông số biến tần Error: Reference source not found
Hình 5.1. Màn hình LCD và các nút bấm Error: Reference source not found
Bảng 5.2. Chức năng và ý nghĩa các nút. Error: Reference source not found
Bảng 5.3. Chức năng và ý nghĩa các nút thay đổi thông số. Error: Reference source not
found
Bảng 5.4. Cài đặt thông số nhanh. Error: Reference source not found

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

Chương 1
CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ HỆ THỐNG
LÀM MÁT CLINKER
1.1. Tổng quan về công nghệ sản xuất xi măng.
1.1.1 Khái niệm về xi măng
Xi măng là chất kết dính thủy lực cứng trong nước và không khí, được tạo bởi việc
nghiền chung clinker với thạch cao và một số phụ gia khác. Clinker là thành phần quan
trọng nhất của xi măng, quyết định tính chất của xi măng.
Clinker là sản phẩm nung kết phối hợp nguyên liệu đá vôi, đá sét và một số nguyên
liệu khác như cát thạch anh, sỉ sắt. Hỗn hợp trên được nghiền thật mịn, đồng nhất và
được nung ở nhiệt độ cao. Sau quá trình hóa học xảy ra ở nhiệt độ cao, đến 1300
o
C xuất
hiện một phần chất nóng chảy và bắt đầu kết khối. Ở nhiệt độ 1400÷1450
O
C clinker được
hình thành, tức hoàn thành tạo các khoáng chính của clinker.
1.1.2. Phân loại
Phân loại xi măng theo tiêu chuẩn TCVN 5439-2004: Trong thực tế có nhiều cách
khác nhau để phân loại xi măng như dựa vào loại clinker và thành phần clinker, dựa vào
đồ bền của xi măng( hay còn gọi là mác xi măng), dựa vào tốc độ đóng rắn, dựa vào thời
gian đông kết của xi măng.
a. Phân loại theo loại và thành phần Clinker
- Xi măng trên cơ sở Clinker xi măng Pooclăng bao gồm xi măng Pooclăng không
có phụ gia khoáng và loại xi măng Pooclăng có phụ gia khoáng.
- Xi măng trên cơ sở Clinker xi măng alumin bao gồm loại xi măng alumin có hàm
lượng Al
2
O
3

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

clinker, thạch cao và phụ gia (lượng phụ gia kể cả thạch cao không quá 40% trong đó phụ
gia đầy không quá 20%). Chất lượng xi măng Pooclăng hỗn hợp được xác định theo tiêu
chuẩn TCVN 6260 : 1997.
c. Phân loại theo tốc độ đóng rắn bao gồm:
- Loại đóng rắn chậm: cường độ nén của mẫu chuẩn xi măng ở tuổi 3 ngày nhỏ hơn
40% cường độ nén sau 28 ngày.
- Loại đóng rắn bình thường: cường độ nén của mẫu chuẩn xi măng ở tuổi 3 ngày từ
40% đến 70% cường độ nén sau 28 ngày.
- Loại đóng rắn nhanh: cường độ nén sau 3 ngày đêm đạt được trên 70% cường độ
nén sau 28 ngày đêm.
- Loại đóng rắn rất nhanh: cường độ nén sau 6 giờ đạt được trên 70% cường độ nén
sau 28 ngày đêm.
d. Phân loại theo thời gian đông kết bao gồm:
- Đông kết chậm: thời gian bắt đầu đông kết quy định trên 2 giờ.
- Đông kết bình thường: thời gian bắt đầu đông kết quy định từ 45 phút đến 2 giờ.
- Đông kết nhanh: khi thời gian bắt đầu đông kết quy định dưới 45 phút.
1.1.3 Các công đoạn chính của quá trình sản xuất xi măng
Công nghệ sản xuất xi măng nói chung gồm các bước sau:
- Chuẩn bị nguyên vật liệu.
- Nghiền liệu.
- Nung luyện Clinker.
- Nghiền xi măng.
- Đóng bao và xuất hàng.
a. Chuẩn bị nguyên liệu
Các nguyên vật liệu chính để sản xuất ra xi măng như đá vôi, đá sét, quặng sắt,
than,… được khai thác từ mỏ hoặc được nhập từ nhiều nơi đưa về nhà máy bằng nhiều
phương tiện khác nhau. Khi đưa về nhà máy, các nguyên vật liệu này phần lớn có kích
thước hạt lớn nhỏ khác nhau, không thuận tiện cho việc nghiền, sấy, vận chuyển và lưu
trữ.
Do vậy, trước tiên các nguyên vật liệu này sẽ được đưa qua máy nghiền sơ bộ để

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.

Thông thường, hệ thống nghiền xi măng gồm 2 cấp là nghiền thô và nghiền tinh. Quá
trình nghiền thô được thực hiện bằng máy nghiền đứng. Quá trình nghiền tinh dùng máy
nghiền bi. Tại công đoạn này, tất cả các nguyên vật liệu được nghiền nhỏ thành bột mịn,
được phân ly và nghiền lại nếu chưa đạt yêu cầu.
e. Đóng bao và xuất hàng
Sau khi được nghiền xong, xi măng được chứa vào silo chứa và được được tháo dần
xuống dây chuyền đóng bao và xuất hàng. Có hai kiểu xuất xi măng là xuất xi măng bao
và xuất xi măng rời.
Tại đây, qua hệ thống các máy đóng bao, xi măng được đóng thành từng bao với
khối lượng định trước theo tiêu chuẩn. Sau khi đóng bao xong, xi măng sẽ theo các băng
9
Chương 1. Công nghệ sản xuất xi măng và hệ thống làm mát clinker
tải xuất hàng tới các phương tiện vận chuyển khác nhau như ô tô, tàu hỏa, tàu thủy để
mang đi tiêu thụ.
10
Silo chứa
Thạch cao, Xỉ,
Diatomite,
Phụ gia khác
Đá vôi
Đá sét, Pyrite,
Silicat
Than
Máy nghiền
Máy nghiền
Máy nghiền
Kho chứa
Kho chứa
Hệ thống vận chuyển, đồng bộ và kho chứa
Máy nghiền

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

nguội có thể được trang bị từ 2 đến 4 ghi. Cửa lấy khí nóng từ bộ làm nguội phải ở vị trí
để đảm bảo nhiệt độ khí cao cho lò và buồng phân hủy. Do vậy cửa lấy khí nóng cho
buồng phân hủy phải được đặt ở ghi thứ nhất.
Bộ làm nguội kiểu ghi hoạt động với nguyên tắc luồng vuông góc mà trong đó
clinker chuyển động qua ghi trong khi khí làm mát được thổi vào ở dưới qua ghi và lớp
clinker. Clinker rơi xuống từ lò và tạo thành lớp clinker (hoặc tầng) trên ghi và được
chuyển qua máy làm nguội trên các ghi cố định và chuyển động được đặt xen kẽ nhau.
Một số quạt làm mát được lắp dưới ghi và luồng khí được thổi từ quạt vào khoang
nhỏ qua ghi. Lượng khí ở mỗi khoang riêng được giữ ở mức cố định qua sự điều khiển
của cánh dẫn hướng quạt. Người vận hành điều chỉnh luồng khí theo các yêu cầu làm
lạnh của clinker. Hoặc hiện nay người ta còn sử dụng phương pháp điều khiển công suất
quạt phù hợp với lưu lượng luồng khí làm mát yêu cầu.
Sau ghi cuối cùng clinker được đẩy qua tấm chắn đầu ra và trượt xuống sàng trong
đó chỉ có clinker nhỏ hơn 30 mm lọt qua tới băng chuyền. Clinker lớn hơn được đập
trong máy búa.
Một bộ điều khiển thường xuyên điều khiển tốc độ của ghi để duy trì mức áp suất
cố định trong khoang thứ nhất. Áp suất khí ổn định trong suốt quá trình vận hành là rất
quan trọng đối với bộ làm nguội và hoạt động của lò.
Ghi 2 – 4 được điều chỉnh đồng bộ với ghi 1 và chạy với tốc độ cao hơn 1 chút, do
vậy độ dày của lớp clinker thấp hơn. Momen của các động cơ truyền động phải được
kiểm soát để tránh quá tải đối với hệ thống truyền động ghi.
Áp suất không đổi trong ống chính là điều quan trọng hàng đầu để đạt được ổn định của
lò và tránh thải bụi từ bộ làm nguội. Do vậy cần 1 bộ điều khiển tự động duy trì áp suất
bằng cách điều chỉnh van gió hoặc điều chỉnh tốc độ của quạt khí thải.
1.2.2. Phương pháp làm mát clinker
Hỗn hợp clinker lỏng ở nhiệt độ cao sau khi nung từ lò cần được làm nguội nhanh
về nhiệt độ 120
o
C để tránh sự biến đổi các thành phần hóa học trong clinker, ảnh hưởng
đến chất lượng sản phẩm.

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

, A
2
tương ứng với trạng thái làm việc mới
của máy.
2.2. Nguyên lý điều chỉnh lưu lượng quạt
Đối với quạt ly tâm, để điều chỉnh lưu lượng quạt, người ta thường dùng 2 phương
pháp sau:
- Điều chỉnh lưu lượng bằng cách điều chỉnh góc mở van tiết lưu.
- Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi tốc độ quay của quạt.
14
A
o
A
1
A
2
Q
o
Q
1
Q
2
P
Q
(I)
(II)
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
2.2.1 Điều chỉnh lưu lượng quạt bằng cách điều chỉnh van tiết lưu
Hình 2.2. Điều chỉnh góc mở van tiết lưu.
Đây là phương pháp đơn giản và tiện lợi. Vì vậy nó được ứng dụng rộng rãi. Van

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 đường ống, tương ứng với việc thay đổi số vòng quay của quạt.
Số vòng quay của quạt được thay đổi bằng việc điều chỉnh tốc độ của động cơ sơ cấp kéo
quạt.
Phương pháp này linh hoạt hơn phương pháp điều chỉnh dùng tiết lưu, vì nó có khả
năng điều khiển 2 chiều tăng hoặc giảm lưu lượng. Trong khi dùng van tiết lưu chỉ có thể
điều chỉnh giảm lưu lượng mà thôi. Mặt khác phương pháp này không gây tổn thất năng
lượng như điều chỉnh dùng van tiết lưu vì phương pháp điều chỉnh dùng van tiết lưu sẽ
sinh ra tổn thất năng lượng do việc tăng áp lực bởi tiết lưu đường ống. Do đó phương
pháp điều chỉnh tốc độ quạt có hiệu quả kinh tế hơn khi vận hành.
2.3. Điều khiển tốc độ quạt bằng điều khiển tốc độ động cơ
Ta biết rằng trục của quạt được gắn với trục của động cơ kéo thông qua một bộ
truyền động. Do vậy khi thay đổi tốc độ của động cơ kéo, sẽ làm thay đổi tốc độ quay của
quạt theo một tỉ số nhất định. Động cơ quạt dùng động cơ ba pha không đồng bộ. Điều
khiển tốc độ loại động cơ này có nhiều phương pháp, tuy nhiên ta chỉ xét đến phương
pháp điều khiển tần số. Trước khi đi vào trình bày chi tiết hơn về phương pháp điều khiển
tần số động cơ không đồng bộ ở chương sau, ta sẽ làm rõ hơn phương pháp điều khiển
tốc độ quạt bằng điều khiển tốc độ động cơ sẽ có khả năng tiết kiệm năng lượng hơn
phương pháp điều khiển bằng van tiết lưu như thế nào.
Hình 2.4. Đồ thị so sánh 2 phương pháp.
16
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
Để điều chỉnh lưu lượng đầu ra giảm từ Q
O
đến Q
1
ta có thể thay đổi điểm làm việc
từ A
O
đến A
1

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

nêu ở trên bằng hình 2.5 và hình 2.6:
Hình 2.5. Mô tả công suất vào ra của hệ thống dùng van tiết lưu.
Ở hệ thống sử dụng van tiết lưu để điều chỉnh lưu lượng, ta thấy rằng động cơ sơ
cấp kéo quạt gió luôn chạy một cấp tốc độ và tiêu thụ lượng công suất định mức. Trong
khi yêu cầu của tải luôn dưới định mức. Vì vậy khi vận hành luôn gây ra tổn hao công
suất do quá trình tiết lưu sinh ra bằng việc tăng áp lực đường ống từ quạt gió đến van tiết
lưu.
Hình 2.6. Mô tả công suất vào ra của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ.
Ở hệ thống điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi tốc độ động cơ, ta thấy rằng
công suất đầu vào cấp cho động cơ sẽ được điều chỉnh theo yêu cầu công suất tải đầu ra.
17
Chương 3. Nghiên cứu hệ thống điều khiển tần số động cơ không đồng bộ
Đồng thời không sử dụng van tiết lưu nữa, do vậy không có tổn hao công suất khi điều
chỉnh lưu lượng bằng phương pháp này. Hiện nay tại các nhà máy xi măng ở Việt Nam
vẫn đang sử dụng cả hai phương pháp điều chỉnh nêu trên. Tuy nhiên xu hướng hệ thống
truyền động dùng biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ đang dần thay thế hệ thống điều
chỉnh lưu lượng bằng van tiết lưu vì tính kinh tế khi vận hành.
2.4. Thực tế về tiết kiệm năng lượng khi sử dụng biến tần trong hệ thống điều
chỉnh lưu lượng gió.
Trước đây với công nghệ cũ, các động cơ quạt thổi ghi làm nguội clinker tại Công
ty Xi măng Tam Điệp là các động cơ quạt có công suất lớn từ 75 kW đến 200 kW vận
hành liên tục một cấp tốc độ và tiêu tốn nhiều năng lượng điện. Tại mỗi động cơ quạt có
lắp một van để điều chỉnh lưu lượng gió theo yêu cầu sản xuất với các góc mở van khác
nhau. Với phương pháp điều khiển này, hệ thống đáp ứng dược nhu cầu về sử dụng lưu
lượng gió ra ổn định theo giá trị đặt (set point) phù hợp với mục đích công nghệ. Tuy
nhiên, hệ thống chưa tối ưu về sử dụng năng lượng điện do tổn hao khi động cơ chạy non
tải và tổn thất năng lượng trên van là rất lớn. Qua quá trình khảo sát, phân tích đánh giá
thực tế toàn hệ thống và tiến hành thí nghiệm lắp đặt chạy thử một bộ biến tần trên động
cơ quạt 441FN41 thay cho việc điều chỉnh độ mở van quạt bằng điều chỉnh tốc độ quạt.
Công ty đã triển khai lắp các tủ biến tần đồng bộ bên cạnh các tủ điều khiển động cơ quạt

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:

- Ba pha của động cơ là đối xứng, khe hở không khí là đồng đều.
- Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện
trở rotor không phụ thuộc vào tần số dòng điện rotor; mạch từ máy điện chưa bão hòa
nên các điện kháng là không đổi.
- Tổng dẫn mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc tải mà
chỉ phụ thuộc điện áp đặt vào stator động cơ.
- Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.
- Điện áp lưới hoàn toàn sin và đối xứng ba pha.
Với những giả thiết trên, sau khi lập hệ phương trình mô tả các quá trình điện từ
trong động cơ không đồng bộ, ta có sơ đồ thay thế một pha của động cơ như sau:
Trong đó:
- U
1
: trị số hiệu dụng của điện áp pha stator.
- I
µ
, I
1
, I’
2
: Các dòng điện từ hóa, dòng điện stator và dòng điện rotor đã quy đổi về
stator.
- X
µ
, X
1δ,
X’
2δ
: Điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tản stator và điện kháng tản
rotor đã quy đổi về stator.

- 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

- p
p
: số đôi cực từ động cơ
- ω: tốc độ góc của động cơ
Độ trượt s được tính theo công thức sau:
1
1
s
ω ω
ω
−
=
(3.2)
Từ sơ đồ thay thế ta tính được dòng điện stator:
1 1
2 2
2 2
2
1
1 1
'
( )
nm
I U
R X
R
R X
s
µ µ
 

 
 
 
 
 
 
= +
+
+ +
(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

1
( )
f
nm
nm
U
I I
R R X
= =
+ +
(3.4)
Khi ω=ω
1
, s=0 ta có:
1 1
2 2
1
I U I
R X
µ
µ µ
 
 
 
 
= =
+
(3.5)
I
nm

: 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
.

đt
P M
ω
=
M
đt
: là momen điện từ của động cơ.
Nếu bỏ qua các tổn thất cơ học thì ta có: M
đt
=M
cơ
=M
Công suất điện từ gồm 2 phần:
P
cơ
: là công suất cơ đưa ra trục động cơ( nếu bỏ qua tổn thất cơ khí).
∆P
2
: công suất tổn hao đồng trong rotor
P
12
=P
cơ
+ ∆P
2
hay Mω
1
=Mω+∆P
2
Do đó:

∆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:

2 '
2
1
2
'
2
2
1
1
3 .
nm
U R
M
R
R X s
s
ω
 
 
 
 ÷
 
 ÷
 
 
 
=
+ +
(3.10)
Biểu thức (3.10) chính là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ.

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

từ (3.12) vào (3.10) ta tìm M
th
:
1
2
1
2 2
1
1
3
2
th
nm
U
M
R
R X
ω
 
 ÷
 
= ±
± +
(3.13)
Dấu (+) ứng với trạng thái động cơ, dấu (-) ứng với trạng thái máy phát. Do đó M
th
ở chế độ máy phát lớn hơn M
th
ở chế độ động cơ. Khi nghiên cứu các hệ truyền động của
động cơ không đồng bộ, người ta quan tâm đến trạng thái làm việc của động cơ nên

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

R
a
R
=

Đối với động cơ không đồng bộ có công suất lớn, giá trị R
1
thường rất nhỏ so với X
nm
do
vậy có thể bỏ qua và coi R
1
= 0,
0
th
as =
nên biểu thức (3.14) có dạng gần đúng:
2
th
th
th
M
M
s s
s s
=
+
(3.15)
trong đó:
'

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

s
ψ
với dòng điện rotor. Hoặc ta cũng có thể coi rotor là phần cảm tạo ra từ thông
r
ψ
, còn momen là do tác động của từ thông
r
ψ
với dòng điện stator.
Hình 3.5. Mô tả vào-ra động cơ không đồng bộ khi điều khiển tần số.
Khi điều chỉnh tần số f
1
, tốc độ động cơ
1
ω
thay đổi. Ta cần phải điều chỉnh làm sao
đảm bảo tham số đầu ra momen động cơ phải cân bằng với momen tải Mc để tốc độ ổn
định. Vì vậy bài toán điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ quy về tìm giá trị điện áp
U
1
ở tần số f
1
để động cơ sinh momen thắng momen cản.
Ta đã biết tốc độ đồng bộ hay tốc độ từ trường quay được xác định theo (3.1) do đó
tốc độ đồng bộ và tốc độ động cơ cũng thay đổi do tần số f
1
thay đổi và được xác định
theo biểu thức:
( )
1

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

8
f
th
nm
U
M
L f
π
=
(3.19)
khi đó Mth giảm( với điện áp giữ không đổi) và theo quy luật:
2
1
1
th
M
f
:
(3.20)
Khi tần số f
1
giảm nhỏ hơn f
1đm
, nếu giữ điện áp stator không đổi thì dòng điện động
cơ sẽ tăng rất lớn( vì tổng trở của động cơ giảm theo tần số). Do vậy khi giảm tần số cần
phải giảm cả điện áp theo quy luật nhất định sao cho động cơ sinh ra được momen như
trong chế độ định mức.
Hình 3.6. Đặc tính cơ khi thay đổi tần số động cơ không đồng bộ.
Trên hình 3-6 trình bày dạng đặc tính cơ gồm hai vùng. Vùng thứ nhất ứng với
f

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