NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT ID TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG VCM (SÔNG GIANH) SỬ DỤNG BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (25)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hà Nội, 6-2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP
====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUẠT ID
TRONG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT XI MĂNG VCM (SÔNG
GIANH) SỬ DỤNG BỘ BIẾN TẦN TRUNG THẾ
Trưởng bộ môn

: PGS. TS. Trần Trọng Minh

Giáo viên hướng dẫn

: TS. Nguyễn Mạnh Tiến

Sinh viên thực hiện

: Ngô Duy Quân

Lớp

: KTĐK & TĐH 02 – K58

MSSV

: 20133142

Giáo viên duyệt

:

Hà Nội, 6-2018


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu hệ thống điều khiển quạt
ID trong dây chuyền sản xuất xi măng VCM (Sông Gianh) sử dụng bộ biến tần
trung thế” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Tiến.
Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 09 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Ngô Duy Quân

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................. i
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................... iv
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... v
Chương 1 ........................................................................................................................ 1
TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ QUẠT ID .......................... 1
1.1. Mô tả dây chuyền sản xuất xi măng của công ty VCM ........................................... 1
1.1.1. Giới thiệu chung về cơng ty VCM.................................................................... 1
1.1.2. Quy trình sản xuất xi măng ............................................................................... 2
1.2. Công nghệ và yêu cầu điều khiển quạt ID ............................................................... 4
1.2.1. Công nghệ quạt ID (Induced Draft Fan) ........................................................... 4
1.2.2. Yêu cầu điều khiển của quạt ID ........................................................................ 6
1.3. Đặc tính quạt và phương pháp điều khiển lưu lượng ............................................... 7
1.3.1. Cấu tạo quạt và nguyên lý hoạt động của quạt ID ............................................ 7
1.3.2. Đặc tính quạt ..................................................................................................... 8
1.3.3. Phương pháp điều chỉnh lưu lượng gió ............................................................ 8
Chương 2 ...................................................................................................................... 12
BỘ BIẾN TẦN PERFECT HARMONY CỦA SIEMENS ...................................... 12
2.1. Giới thiệu về biến tần trung thế Perfect Harmony ................................................. 12
2.1.1. Biến tần và biến tần trung thế ......................................................................... 12
2.1.2. Đặc điểm của bộ biến tần trung thế Perfect Harmony .................................... 13
2.1.3. Mạch chỉnh lưu ............................................................................................... 15
2.1.4. Mạch nghịch lưu ............................................................................................. 16
2.1.5. Nguyên lý điều khiển mạch nghịch lưu cầu H nối tầng của BBT Perfect
Harmony ................................................................................................................... 19
2.2. Cấu hình chung hệ thống điều khiển của Perfect Harmony................................... 25
2.3. Cấu hình điều khiển vector của BBT Perfect Harmony......................................... 27
2.3.1. Ưu điểm của BBT Perfect Harmony ............................................................. 27
2.3.2. Thuật toán điều khiển vector của BBT Perfect Harmony ............................. 28

2.3.3. Hệ thống điều khiển vòng hở (Open Loop Vector Control) .......................... 29
2.3.4. Hệ thống điều khiển vịng kín (Closed Loop Vector Control) ...................... 29
Chương 3 ...................................................................................................................... 30
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LƯU LƯỢNG ......................................... 30
3.1. Tổng quan về điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) xoay chiều ba
pha ................................................................................................................................. 30
3.1.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha .............................. 30
3.1.2. Các phương pháp điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ........................ 31
3.1.3. Điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ ..................................................... 32
3.2. Xây dựng mơ hình động cơ trên hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (hệ tọa độ quay
dq).................................................................................................................................. 33
3.2.1. Ưu thế của hệ tọa độ tựa theo từ thơng rotor dq ............................................ 33
3.2.2. Mơ hình động cơ không đồng bộ trên hệ tọa độ quay dq .............................. 36
3.3. Cấu trúc điều khiển vector ĐCKĐB xoay chiều ba pha ........................................ 39
3.4. Cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển lưu lượng................................................... 40
3.5. Thiết kế các bộ điều khiển ..................................................................................... 41
3.5.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng isd ...................................................................... 41
3.5.2. Thiết kế bộ điều khiển dòng isq ...................................................................... 42
3.5.3. Thiết kế bộ điều khiển tốc độ ........................................................................ 44
3.5.4. Thiết kế bộ điều khiển lưu lượng ................................................................... 46
3.5.5. Xây dựng mơ hình tính tốn từ thơng và góc lệch
giữa hệ tọa độ quay dq
và hệ tọa độ đứng yên .......................................................................................... 47
Chương 4 ...................................................................................................................... 49
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ................................................................ 49
4.1. Hệ thống điều khiển tốc độ quạt ID ....................................................................... 49
4.2. Tính tốn các tham số mơ phỏng ........................................................................... 50
4.2.1. Tính tốn tham số các khối chức năng ........................................................... 50

4.2.2. Tính tốn tham số các bộ điều khiển .............................................................. 52
4.3. Xây dựng mơ hình mơ phỏng................................................................................. 56
4.3.1. Mơ phỏng toàn bộ hệ thống điều khiển lưu lượng ......................................... 56
4.3.2. Mơ hình bộ biến tần Perfect Harmony ........................................................... 57
4.3.3. Mơ hình các khối chuyển tọa độ ..................................................................... 60


4.3.4. Mơ hình từ thơng ............................................................................................ 61
4.3.5. Cấu trúc bộ điều khiển PI trong mơ phỏng ..................................................... 61
4.3.6. Khối tín hiệu phản hồi .................................................................................... 62
4.4. Kết quả mô phỏng cả hệ thống ............................................................................... 62
4.5. Nhận xét ................................................................................................................. 64
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 66


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Mơ hình nhà máy xi măng VCM. .................................................................. 1
Hình 1. 2. Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất xi măng. ................................................ 2
Hình 1. 3. Vai trị của quạt ID trong dây chuyền sản xuất xi măng. ............................... 4
Hình 1. 4. Hình ảnh tháp 5 tầng và lị quay. ................................................................... 6
Hình 1. 5. Quạt ID và cánh quạt ID. ............................................................................... 7
Hình 1. 6. Đồ thị đặc tính quạt gió. ................................................................................. 8
Hình 1. 7. Đồ thị mô tả phương pháp điều chỉnh góc mở van tiết lưu. .......................... 9
Hình 1. 8. Đồ thị mô tả phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt. ...................................... 10
Hình 1. 9. Đồ thị so sánh hai phương pháp. .................................................................. 11
Hình 2. 1. Cấu trúc cơ bản của biến tần. ....................................................................... 13
Hình 2. 2. Cấu trúc tổng thể biến tần Perfect Harmony. ............................................... 14

Hình 2. 3. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha. ................................................................. 15
Hình 2. 4. Đồ thị dạng sóng của bộ chỉnh lưu diode sáu xung với tải điện trở. ........... 15
Hình 2. 5. Mạch chỉnh lưu nhiều xung của bộ biến tần Perfect Harmony. ................... 16
Hình 2. 6. Sơ đồ mạch nghịch lưu cầu một pha. ........................................................... 17
Hình 2. 7. Đồ thị các thơng số của nghịch lưu cầu 1 pha nguồn áp. ............................. 17
Hình 2. 8. Nguyên lý tạo xung PWM nghịch lưu cầu 1 pha. ........................................ 18
Hình 2. 9. Sơ đồ nghịch lưu trung thế 11 mức của BBT Perfect Harmony. ................. 19
Hình 2. 10. Sơ đồ một cell nghịch lưu. ......................................................................... 20
Hình 2. 11. Nguyên lý tạo xung điều khiển cho 1 cell của pha A. ............................... 22
Hình 2. 12. Điện áp mỗi cell của pha A và điện áp pha A cấp cho động cơ. ............... 23
Hình 2. 13. Sơ đồ khối tổng quát BBT Perfect Harmony. ............................................ 26
Hình 2. 14. Sơ đồ khối thuật toán điều khiển vector của BBT Perfect Harmony. ........ 28
Hình 3. 1. Động cơ khơng đồng bộ rotor lồng sóc và rotor dây quấn. ......................... 30
Hình 3. 2. Sự tương quan giữa điều khiển ĐCMC và điều khiển vector ĐCKĐB. ...... 33
Hình 3. 3. Biểu diễn ba dịng pha dưới dạng vector phức. ........................................... 34
Hình 3. 4. Mơ hình ĐCKĐB trên hệ tọa độ dq. ............................................................ 39
Hình 3. 5. Cấu trúc điều khiển ĐC KĐB tựa theo từ thơng rotor. ................................ 40
Hình 3. 6. Cấu trúc hệ thống điều khiển lưu lượng. ...................................................... 40
Hình 3. 7. Mạch vịng dịng isd. .................................................................................... 42
Hình 3. 8. Mạch vịng dịng isq. .................................................................................... 43
Hình 3. 9. Mạch vịng điều khiển tốc độ. ...................................................................... 45
Hình 3. 10. Mạch vịng điều chỉnh lưu lượng. .............................................................. 46
Hình 3. 11. Mơ hình tính tốn từ thơng......................................................................... 48
Hình 4. 1. Cấu trúc điều khiển tựa theo từ thơng rotor gián tiếp. ................................. 49
Hình 4. 2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển lưu lượng. ......................................... 56
Hình 4. 3. Mơ hình 5 cell cầu H nối tầng. ..................................................................... 57
Hình 4. 4. Mơ hình mạch lực của 1 cell. ....................................................................... 58
i

Danh mục hình vẽ

Hình 4. 5. Mơ hình mạch tạo xung điều khiển cho 1 cell. ............................................ 58
Hình 4. 6. Bộ biến tần với ba đầu vào sin chuẩn. ......................................................... 59
Hình 4. 7. Đồ thị điện áp dây với đầu vào sin chuẩn. ................................................... 59
Hình 4. 8. Đồ thị điện áp một pha với đầu vào sin chuẩn. ............................................ 59
Hình 4. 9. Đồ thị điện áp ra của 1 cell với đầu vào sin chuẩn. ..................................... 60
Hình 4. 10. Khối chuyển tọa độ dq sang anpha – beta. ................................................. 60
Hình 4. 11. Khối chuyển tọa độ anpha- beta sang abc. ................................................. 60
Hình 4. 12. Mơ hình tính góc lệch từ thơng. ................................................................. 61
Hình 4. 13. Sơ đồ mơ phỏng bộ điều khiển tốc độ........................................................ 61
Hình 4. 14. Khối các tín hiệu phản hồi. ........................................................................ 62
Hình 4. 15. Đồ thị đáp ứng tốc độ của động cơ. ........................................................... 62
Hình 4. 16. Đồ thị đáp ứng momen của động cơ. ......................................................... 63
Hình 4. 17. Đồ thị dịng Isq. .......................................................................................... 63
Hình 4. 18. Đồ thị dịng Isd. .......................................................................................... 63
Hình 4. 19. Đồ thị đáp ứng lưu lượng của quạt ID. ...................................................... 64
Hình 4. 20. Đồ thị điện áp dây của động cơ. ................................................................. 64

ii


Danh mục bảng biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1. Bảng trạng thái chuyển mạch van và giá trị điện áp pha động cơ. .............. 24
Bảng 3. 1. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ. .................... 31

iii

Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BBT

: Bộ biến tần

ID

: Induced Draft Fan

ĐCKĐB

: Động cơ không đồng bộ

ĐCMC

: Động cơ một chiều

PWM

: Pulse Width Modulation (phương pháp điều chế độ rộng xung)

PI

: Proportional Integral (Luật điều chỉnh tỷ lệ tích phân)

FOC

: Field Orientated Control (phương pháp điều khiển định hướng từ thơng)

IGBT

: Insulated Gate Bipolar Transistor (Transistor có cực điều khiển cách ly)

FOLA

: Fiber Optic Link Adapter

OLVC

: Open Loop Vector Control

CLVC

: Closed Loop Vector Control

QCS

: Quality Control System

QCX

: Quality Control by Computer and X-ray

EPLD

: Erasable Programmable Logic Device

DTC

: Direct Torque Control

iv


Lời nói đầu

LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay, “Cuộc cách mạng cơng nghiệp 4.0” đang là xu hướng của thời đại,
việc đẩy nhanh q trình cơng nghiệp hóa - hiện đại hóa là vô cùng cần thiết. Đảng và
nhà nước ta đang quan tâm đầu tư rất lớn vào các lĩnh vực công nghiệp liên quan , kết
hợp chuyển dịch nền kinh tế theo hướng cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Cụ thể, các ngành như nhiệt điện, thủy điện, dầu khí… có mức độ tự động hóa
ngày càng cao, được áp dụng những công nghệ mới nhất vào dây chuyền sản xuất.
Khơng nằm ngồi xu thế đó, các nhà máy xi măng ở nước ta hiện nay đều là những
nhà máy có quy mơ lớn với sản lượng tăng đều theo các năm cung cấp xi măng thành
phẩm không những cho thị trường trong nước mà còn đem đi xuất khẩu. Để làm nên
sản lượng đó, các động cơ cơng suất lớn cần phải được sử dụng trong các công đoạn
sản xuất xi măng. Một trong những bộ phận không thể thiếu trong nhà máy xi măng sử
dụng động cơ điện cơng suất lớn đó là quạt ID. Vì vậy, em đã chọn đề tài “Nghiên
cứu hệ thống điều khiển quạt ID trong dây chuyền sản xuất xi măng VCM (Sông
Gianh) sử dụng bộ biến tần trung thế”. Nội dung đồ án gồm 4 chương:
Chương 1: Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID.
Chương 2: Bộ biến tần Perfect Harmony của Siemens.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển lưu lượng.
Chương 4: Mô phỏng hệ thống điều khiển.
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Nguyễn Mạnh Tiến đã tận tình
hướng dẫn, góp ý hồn thành cuốn đồ án này. Do tầm hiểu biết có hạn nên trong q

trình thực hiện chắc chắn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận
được sự góp ý của các thầy cơ để đề tài được hồn thiện hơn nữa.
Hà Nội, ngày 09 tháng 06 năm 2018
Sinh viên thực hiện

Ngô Duy Quân

v


Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

Chương 1
TÌM HIỂU CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT XI MĂNG VÀ
QUẠT ID
1.1. Mô tả dây chuyền sản xuất xi măng của công ty VCM
1.1.1. Giới thiệu chung về công ty VCM
Công ty vật liệu xây dựng Việt Nam (VCM), thành lập năm 2008, là công ty cổ
phần chuyên sản xuất xi măng sống và xi măng. Kinh doanh vật liệu xây dựng gồm: xi
măng, xi măng sống, nguyên liệu cho sản xuất xi măng sống và xi măng, sản xuất điện
từ các nhà máy quay gió.
Nhà máy sản xuất xi măng theo phương pháp khơ, hệ thống lị quay, tháp trao
đổi nhiệt gồm hai nhánh (5 tầng cho một nhánh). Dự án nhà máy xi măng Quảng Phúc
thuộc công ty TNHH vật liệu xây dựng Việt Nam (VCM), bao gồm nhà máy clinker
tại xã Văn Hóa, huyện Tuyên Hóa với công suất 1,6 triệu tấn/năm và trạm nghiền xi
măng. Quy mô xây dựng nhà máy Quảng Phúc bao gồm: 01 nhà máy Clinker với công
suất bảo hành là 5.000 tấn (công suất thiết kế là 5.500 tấn) Clinker mỗi ngày (diện tích
132.12ha), 01 nhà máy xi măng với cơng suất thiết kế 2.200.000 tấn xi măng mỗi năm
(diện tích khoảng 29,33ha).

Hình 1. 1. Mơ hình nhà máy xi măng VCM.

1


Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

1.1.2. Quy trình sản xuất xi măng

Hình 1. 2. Sơ đồ quy trình cơng nghệ sản xuất xi măng.
a) Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu
Đá vôi được khai thác từ núi đá vôi tự nhiên bằng phương pháp nổ mìn, sau đó
được vận chuyển đổ vào các phễu tiếp liệu, băng tải xích rồi chuyển đến máy đập. Sau
khi ra khỏi máy đập có kích thước cỡ 25x25 mm. Sau đó được vận chuyển vào kho,
mỗi kho có 2 đống, mỗi đống khoảng 15.000 tấn, mục đích là đồng thời 1 đống rải,
đống cịn lại được xúc bình thường.
Đá sét được khai thác bằng phương pháp cày ủi hoặc khoan nổ mìn. Sau khai
thác, đá sét được bốc xúc vận chuyển về máy đập búa, đập xuống kích thước 75 mm

2


Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

và đập bằng máy cán trục xuống kích thước 25 mm. Sau đập, đá sét được vận chuyển
về kho đồng nhất sơ bộ thành 2 đống giống như đá vôi, mỗi đống 6.600 tấn.
Để đảm bảo chất lượng Clinke, ta cần có các nguyên liệu phụ gia điều chỉnh:
Quặng sắt (giàu hàm lượng ơ-xít Fe2O3), Quặng bơ-xít (giàu hàm lượng ơ-xít Al2O3)
và Đá silic (giàu hàm lượng SiO2).
b) Nghiền nguyên liệu

Đá vôi và đá sét qua hệ thống cân băng định lượng, tự động định đúng khối lượng
cần thiết theo tỷ lệ cân, từ băng tải được chuyển đến cổ tiếp liệu cho máy nghiền.
Đồng thời với quá trình sau định lượng thì sỉ và cát thạch anh được tháo ra từ các két
qua cân định lượng đổ vào băng tải chung và cùng đổ vào cổ tiếp liệu của máy nghiền.
Các thành phần được phối trộn bằng hệ thống cân DOSIMAS và cân băng điện tử.
Điều khiển tự động khống chế bằng hệ thống QCS, tỷ lệ % các thành phần quản lý
bằng hệ thống QCX, sau đó được nạp vào máy nghiền bi (máy sấy nghiền liên hợp có
phân ly trung gian). Máy sấy nghiền có công suất lớn, bột liệu sau máy nghiền được
vận chuyển đến các silô đồng nhất bằng hệ thống gầu nâng, máng khí động. Từ tháp
đồng nhất, phối liệu được sấy sơ bộ trước khi đi vào lị nung.
c) Cơng đoạn lò nung
Bột liệu mịn được vận chuyển lên tháp trao đổi nhiệt (tháp 5 tầng) có hệ thống tiền
nung (Canxiner) để đạt nhiệt độ 900oC và nạp vào lò nung clinke (lò quay), tại đây
phản ứng pha rắn xảy ra và clinke được kết nối dạng lỏng khoảng 1400oC. Clinke sau
lò được làm nguội bằng hệ thống làm mát dàn ghi.
d) Nghiền xi măng
Clinke từ các silô, thạch cao và phụ gia từ kho chứa tổng hợp được vận chuyển lên
két máy nghiền bằng hệ thống băng tải và gầu nâng. Các thành phần này được định
lượng bằng hệ thống cân DOSIMAS và nạp vào máy nghiền xi măng. Máy nghiền xi
măng trong dây chuyền làm việc theo chu trình kín (có phân ly trung gian). Xi măng ra
khỏi máy nghiên có độn mịn đạt 3.200 cm2/g, được vận chuyển tới các silô chứa xi
măng bột bằng hệ thống băng tải, máng khí động.

3


Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

e) Cơng đoạn đóng bao
Từ đáy các silơ chứa, qua hệ thống cửa tháo liệu, xi măng được vận chuyển tới các

két chứa của máy đóng bao, hoặc các bộ phận xuất xi măng rời đường bộ. Máy đóng
bao có nhiệm vụ đóng xi măng vào bao theo khối lượng bao có sẵn, các bao xi măng
này qua hệ thống băng tải sẽ được vận chuyển đến các máng xuất đường bộ, đường sắt
và đường thủy.

1.2. Công nghệ và yêu cầu điều khiển quạt ID
1.2.1. Công nghệ quạt ID (Induced Draft Fan)
Vai trò của quạt ID trong nhà máy xi măng được thể hiện trong sơ đồ dưới đây:
…

CYCLON TRAO ĐỔI NHIỆT

Dịng phối liệu

Dịng khí
nóng

Khí thải 300400°C
QUẠT ID

Phối liệu từ cyclon
cuối vào lị nung

CALCINER

Khí nóng từ ghi
làm lạnh ≈ 900°C

…
Dịng khí nóng

Gió 1
VỊI PHUN NHIÊN LIỆU

LỊ QUAY NUNG CLINKE
Gió 2

Clinke

THIẾT BỊ GHI LÀM LẠNH CLINKE

Gió 3

KHO CHỨA, Ủ CLINKE

Hình 1. 3. Vai trị của quạt ID trong dây chuyền sản xuất xi măng.
Trong nhà máy xi măng có rất nhiều loại quạt gió, khi nhắc tới chúng ta khơng
thể khơng nhắc tới quạt ID. Quạt ID có vai trò rất quan trọng trong trong nhà máy xi
măng và được coi như lá phổi của toàn bộ hệ thống. Quạt ID là quạt có cơng suất lớn

4


Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

nhất cùng với quạt của máy nghiền. Quạt ID được đặt sau tháp trao đổi nhiệt và buồng
phân hủy trong hệ thống lò nung. Quạt ID dùng để tạo áp suất âm trong hệ thống silo,
buồng phân hủy và lị nung để hút các loại gió vào hệ thống, cung cấp cho các q
trình cháy trong lị, buồng phân hủy và q trình sấy liệu trong các cyclone.
Có 3 loại gió cơ bản lần lượt là gió 1, gió 2 và gió 3. Gió 1 là gió tươi từ mơi

trường, có tác dụng tạo hình dáng ngọn lửa đốt than cháy, mang nhiên liệu (than) và
dầu FO dưới dạng sương vào lị nung. Gió 2 là một phần gió sau làm lạnh clinker (dàn
ghi lạnh) cuốn vào lị, đảm bảo lượng oxy đủ để nhiên liệu cháy hết. Gió 3 là phần gió
được hút từ bộ phận làm nguội clinker cung cấp cho vòi đốt canxiner, đảm bảo nhiên
liệu đưa vào buồng phân hủy cháy hết và sấy sơ bộ liệu trước khi vào lị. Tổng là gió
1, gió 2 vào lị và gió 3 được hút qua canxiner và tháp 5 tầng bằng quạt ID. Nếu vì một
lý do nào đó mà quạt ID bị lỗi dừng đột ngột, kéo theo áp trong lị lúc đó bị dương, thì
lửa và bột liệu sẽ phun ra ngồi gây nguy hiểm đến cơng nhân, người vận hành.
Q trình cháy trong lị: khí để đốt cháy trong lị bao gồm gió 1 qua vịi đốt, gió
2 và khí giả cuốn vào lò do sức hút của quạt ID tạo ra. Trước khi vào lị gió 2 trao đổi
nhiệt với clinker nóng, nhiệt độ của khí tăng từ nhiệt độ mơi trường lên tới
900 1100°C. Lượng gió trong lị được điều chỉnh bằng quạt gió ID và van áp suất để
đảm bảo hàm lượng O2 trong khí lị đo tại đầu ra của lò, sẽ đảm bảo nhiên liệu bơm
vào trong lị cháy hết. Tại vịi đốt có nhiệt độ cao trong q trình đốt, gió 1 được hút
vào mang theo nhiên liệu (than cám) và dầu FO dạng sương vào, đồng thời làm mát
vịi đốt.
Buồng phân hủy và q trình sấy liệu trong các cyclone: Lượng gió được quạt
ID tạo ra cũng kéo gió 2 tới buồng phân hủy và tháp trao đổi nhiệt. Lượng gió trong
buồng phân hủy được điều chỉnh bằng quạt ID và van điều chỉnh của buồng phân hủy
để có đủ hàm lượng O2 trong khơng khí, đảm bảo nhiên liệu đưa vào buồng phân hủy
được cháy hết. Gió qua tháp trao đổi nhiệt gồm 5 cyclone sẽ sấy bột liệu trong các
cyclone trước khi đưa vào cổ lị. Lượng gió này là gió được lấy trực tiếp từ dàn ghi
làm mát clinker và một phần từ buồng phân hủy. Khí thải từ các cyclone được qua các
máy phân tích khí liên tục lấy mẫu và hàm lượng O2, CO được theo dõi để đảm bảo đủ
O2 trong lò và buồng phân hủy cho nhiên liệu cháy hoàn toàn. Mức O2 quá thấp hoặc

5


Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

quá cao đều phải điều chỉnh tương ứng lượng gió bằng các van của quạt gió ID. Khí
thải từ tháp trao đổi nhiệt cũng được phân tích thành phần CO liên tục vì mức CO quá
cao sẽ gây nguy hiểm (gây cháy hoặc nổ do sự bốc cháy tự phát trong máy sau tháp
trao đổi nhiệt). Vì thế nó có vai trị rất quan trọng và khơng thể thiếu trong nhà máy xi
măng.

Hình 1. 4. Hình ảnh tháp 5 tầng và lò quay.
1.2.2. Yêu cầu điều khiển của quạt ID
Điều khiển tốc độ quạt để giữ cho áp suất lò ổn định: quạt ID tạo nên áp suất
âm cho lò (sự chênh áp ở 2 đầu lò) để có thể tạo sức hút, hút gió nóng đã qua trao đổi
nhiệt với clinker qua lò và qua buồng phân hủy (canxiner), hệ thống cyclone sấy, đồng
thời đảm bảo ổn định tốc độ gió để giữ cho hình dạng ngọn lửa trong lị khơng đổi. Khi
áp suất lị thay đổi có thể dẫn tới hiện tượng tắc cổ lị làm hỏng hồn tồn lị và có thể
gây nổ rất nguy hiểm. Do đó tốc độ quạt ID phải được điều chỉnh để ln ln giữ áp
suất của lị ổn định. Khi áp suất đầu ra của lị tăng, tín hiệu điều khiển sẽ ra lệnh để
tăng tốc độ của quạt hoặc tăng độ mở của van để giảm áp suất và ngược lại. Gió trong
lị lưu thơng theo một chiều nên quạt ID không đổi chiều quay.
Các thiết bị cảm biến nhiệt độ, van áp suất, thiết bị điều khiển phải làm việc
được trong môi trường khắc nghiệt trong thời gian dài.

6


Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

1.3. Đặc tính quạt và phương pháp điều khiển lưu lượng
1.3.1. Cấu tạo quạt và nguyên lý hoạt động của quạt ID
Quạt ID dùng trong nhà máy xi măng là quạt ly tâm. Nguyên lý hoạt động của
quạt là làm dịch chuyển dịng khí trong mặt phẳng vng góc với trục quay của quạt.

Quạt ly tâm có cấu tạo nhiều cánh, cắt khơng khí gián tiếp, tạo sức gió và sức
ép lớn, cột áp lớn (500-100000 Pa), truyền ống gió đi xa.
Cấu tạo của quạt ly tâm gồm có guồng quạt, vỏ quạt, trục máy và giá máy:
- Guồng quay có tác dụng tạo áp lực và chuyển khí vào bên trong máy.
- Vỏ quạt có tác dụng hội tụ và chuyển hướng dịng khơng khí vào, với loại
quạt nhỏ vỏ quạt có thể gắn với quạt, cịn với loại quạt lớn vỏ quạt phải đặt lên bệ đỡ
riêng.
- Động cơ đặt lên giá đỡ truyền chuyển động cho quạt nhờ đai truyền, vận tốc
của quạt thay đổi nhờ tỷ số truyền động của của hệ đai truyền và puli.
Quạt ly tâm có thể chia làm 2 loại là có dây guloa (lớn hơn 3kW) hoặc khơng
dây guloa (nhỏ hơn 3kW).

Hình 1. 5. Quạt ID và cánh quạt ID.

7


Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

Khi làm việc rotor hút khơng khí dọc theo trục, nhờ lực ly tâm đưa ra quanh vỏ
quạt và đẩy gió ra hướng thẳng góc với trục quạt. Quạt ly tâm có ưu điểm là nâng được
áp suất khơng khí cao, ít ồn hơn quạt hướng trục.
1.3.2. Đặc tính quạt
Đặc tính của quạt ly tâm thường thể hiện mối quan hệ giữa lưu lượng gió Q và
áp suất P tác dụng lên đường ống.

là độ mở van và

là tốc độ của quạt. Quạt làm

việc tại điểm A là giao giữa đường đặc tính của đường ống ứng với độ mở van
đường đặc tính quạt

. Tại điểm A ứng với lưu lượng gió

và áp suất

và

.

Ở quạt gió, momen tỷ lệ với bình phương tốc độ đồng nghĩa momen tỷ lệ với
bình phương lưu lượng và cơng suất quạt tỷ lệ với lập phương tốc độ quạt.

Hình 1. 6. Đồ thị đặc tính quạt gió.
Phương trình đặc tính cơ của quạt:
(

)(

)

(1.1)

1.3.3. Phương pháp điều chỉnh lưu lượng gió
Đối với quạt ly tâm, để điều chỉnh lưu lượng quạt, người ta thường dùng 2
phương pháp sau:
- Điều chỉnh góc mở van tiết lưu (sử dụng đặc tính hệ thống).
8

Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

- Điều chỉnh tốc độ quạt (sử dụng đặc tính quạt).
a) Phương pháp điều chỉnh 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. Nội dung phương pháp
là giữ nguyên tốc độ quạt ở giá trị định mức, làm thay đổi giá trị góc mở van tiết lưu
qua đó điều chỉnh lưu lượng quạt. Trên hình 1.7, để điều chỉnh lưu lượng Q của quạt,
ta sẽ thay đổi đường đặc tính của đường ống (II) thơng qua việc làm giảm góc mở của
van tiết lưu và giữ ngun đường đặc tính máy. Khi đó điểm làm việc cũng thay đổi
theo từ Ao, A1, A2,… tương ứng với lưu lượng Q0, Q1, Q2,…

Hình 1. 7. Đồ thị mơ tả phương pháp điều chỉnh góc mở van tiết lưu.
Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là khi càng tiết lưu (van mở càng
nhiều) hay góc mở càng hẹp thì lưu lượng càng giảm nhưng áp suất đường ống càng
tăng và chỉ tăng phần đường ống từ van tiết lưu đến quạt nên sẽ gây ra áp lực lớn lên
cánh quạt.
b) Phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt
Ở phương pháp này, đường đặc tính đường ống giữ khơng đổi (độ mở van
100 ). Khi đó để thay đổi lưu lượng Q của quạt, ta thay đổi đường đặc tính quạt thơng
qua việc điều chỉnh tốc độ quạt. Như trên hình 1.8, để thay đổi lưu lượng quạt từ Qo
xuống Q1, ta thay đổi điểm làm việc dọc theo đường đặc tính đường ống, tương ứng
9


Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

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. 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.

Hình 1. 8. Đồ thị mô tả phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt.
Hình 1.9 so sánh tương quan 2 phương pháp điều khiển trên, để điều chỉnh lưu
lượng đầu ra giảm từ QO đến Q1 ta có thể thay đổi điểm làm việc từ AO đến A1 dọc
theo đường đặc tính máy (I) hoặc thay đổi từ AO đến B1 dọc theo đường đặc tính
đường ống (II). Khi điều chỉnh từ điểm làm việc AO đến điểm làm việc A1 dọc theo
đường đặc tính máy (I) thì áp suất tăng từ PAo đến PA1 bởi vì góc mở của van tiết lưu
giảm nhỏ hơn 100

làm cho tăng áp lực đường ống. Lúc này cơng suất tiêu thụ của

quạt ứng với tích số áp suất và lưu lượng tại A1 là (PA1. Q1). Tương tự khi điều chỉnh
điểm làm việc từ Ao đến B1 dọc theo đường đặc tính đường ống (II) thì áp suất giảm
từ PAO đến PB1. Lúc này công suất tiêu thụ của quạt ứng với tích số áp suất và lưu
lượng tại B1 là (PB1. Q1). Rõ ràng ta thấy PB1 < PA1 , như vậy với cách điều chỉnh thứ

10


Chương 1. Tìm hiểu cơng nghệ sản xuất xi măng và quạt ID

hai thì hệ thống đã tiết kiệm được lượng công suất: P PA1. Q1 - PB1. Q1 so với cách
điều chỉnh ban đầu.
Qua đó có thể thấy , nếu sử dụng phương pháp điều chỉnh tốc độ quạt sẽ tiết

kiệm năng lượng hơn so với sử dụng phương pháp điều chỉnh độ mở van. Phần năng
lượng tiết kiệm trong trường hợp này tỉ lệ với diện tích hình chữ nhật PA1PB1B1A1.

Hình 1. 9. Đồ thị so sánh hai phương pháp.
Như vậy, trong máy móc có trang bị quạt và bơm, việc sử dụng dòng biến tần
để điều chỉnh lưu lượng và áp suất là cách hiệu quả nhất để tiết kiệm năng lượng. Khi
sử dụng dòng biến tần tiết kiệm năng lượng, người dùng có thể điều khiển quạt hay
bơm tại bất kì tốc độ nào dưới tốc độ lớn nhất cho phép. Vì vậy có thể điều chỉnh lưu
lượng gió mà khơng cần sử dụng van điều tiết lưu lượng gió hay van điều áp.

11


Chương 2. Bộ biến tần Perfect Harmony của Siemens

Chương 2
BỘ BIẾN TẦN PERFECT HARMONY CỦA SIEMENS
2.1. Giới thiệu về biến tần trung thế Perfect Harmony
2.1.1. Biến tần và biến tần trung thế
Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây bên trong
động cơ và thơng qua đó biến tần có thể điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp,
không cần dùng đến các hộp số cơ khí. Biến tần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn
để đóng ngắt tuần tự các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay làm quay
rô-to.
Dải công suất của BBT trung thế: 0,4 MW tới 40 MW. Dải điện áp: 2,3 kV tới
13,8 kV. Trong công nghiệp: 1 MW tới 4 MW và dải điện áp 3,3 kV tới 6,6 kV.
Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn
điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng
phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy,
hệ số cơng suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị khơng phụ thuộc vào tải và có giá

trị ít nhất 0,96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay
chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT
(transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung
(PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số
chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ
và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần
số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy
luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có momen khơng đổi, tỉ số điện
áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4.
Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính momen là hàm bậc hai của
tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân momen cũng lại là hàm bậc
hai của điện áp. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng

12


Chương 2. Bộ biến tần Perfect Harmony của Siemens

các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy,
năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống. Ngoài ra, biến
tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại
phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều
chuẩn truyền thơng khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ
thống SCADA.

Hình 2. 1. Cấu trúc cơ bản của biến tần.
2.1.2. Đặc điểm của bộ biến tần trung thế Perfect Harmony
Biến tần trung thế Perfect Harmony là loại biến tần có điện áp cao và cơng suất
lớn nhờ việc sử dụng các Cell được ghép nối với nhau để có thể tạo ra các mức điện áp

khác nhau nhờ phương pháp điểu khiển xung PWM để đóng mở các van bán dẫn. Nhờ
việc có thể tạo ra điện áp có nhiều mức nên đầu ra điện áp có dạng gần giống điện áp
hình sin làm tăng chất lượng của dịng điện. Dải cơng suất lớn của biến tần cũng là
nguyên nhân gây ra hiện tượng sóng hài làm giảm chất lượng nguồn điện, để tránh
hiện tượng này người ta đã thiết kế bộ chỉnh lưu nhiều xung để giảm hiện tượng sóng
hài mà biến tần gây ra để tăng chất lượng nguồn điện.
Biến tần có hiệu suất cao, khả năng lọc sóng hài hồn hảo cả phía điện lưới và
phía động cơ. Chức năng dự phịng nóng trong điều khiển điện áp dao động và vượt sự
cố khi lỗi là đặc điểm nổi trội của biến tần Perfect Harmony so với các loại biến tần
thơng thường. Thích hợp cho các dự án mới và nâng cấp hệ thống, dự án tiết kiệm điện
năng. Ứng dụng rộng rãi trong các ngành xi măng, nhiệt điện, thủy điện, sắt thép,
mỏ….. và các ngành công nghiệp khác.

13


Chương 2. Bộ biến tần Perfect Harmony của Siemens

Hình 2. 2. Cấu trúc tổng thể biến tần Perfect Harmony.
Bộ biến tần trung thế Perfect Harmony gồm các cell được mắc nối tiếp với nhau
để tạo ra nhiều mức điện áp. Đầu ra của biến tần trung thế là điện áp cao thông qua
nhiều cell công suất điện áp thấp mắc nối tiếp. Các cell công suất điện áp thấp mắc nối
tiếp với nhau với thiết kế cell như thế này, đầu ra của biến tần có thể thay chỉnh định
theo dải rộng của điện áp và công suất đầu ra.
Cấu tạo của mỗi cell bao gồm một máy biến áp mắc nối tiếp với bộ chỉnh lưu
rồi lại mắc nối tiếp với bộ nghịch lưu để tạo ra điện áp xoay chiều với tần số và điện
áp có thể thay đổi được. Bộ nghịch lưu mà biến tần trung thế Perfect Harmony sử dụng
là bộ chỉnh lưu nhiều xung, bao gồm các bộ chỉnh lưu sáu van diot mắc nối tiếp với
nhau. Để có cầu chỉnh lưu 12 xung thì ta mắc nối tiếp 2 bộ chỉnh lưu 6 van với nhau và
tương tự cho các bộ chỉnh lưu 18 xung, 24 xung, 30 xung ….

Với BBT nhiều xung, dòng điện đầu vào ít bị méo, độ méo sóng hài dòng điện
THD của BBT 6 xung là 25%, 12 xung là 8,8% và của Perfect Harmony là 0,8%.

14