Mở đầu
Thuỷ lợi giữ vai trò hàng đầu trong các khâu thâm canh, canh tác lúa và
cây trồng. Hiện nay, nớc ta đứng hàng thứ hai trên thế giới về xuất khẩu gạo,
đạt khoảng 3,5ữ4,0 triệu tấn/năm nhờ hệ thống tới tiêu đợc cơ-điện khí hoá
khá phát triển và các thành tựu trong công tác tuyển chọn, lai tạo các giống
cây trồng chất lợng cao trong nhiều năm qua.
Tuy nhiên, hệ thống máy bơm và các trang thiết bị điện đầu t qua
nhiều giai đoạn, khá cũ kỹ cha đáp ứng đợc các yêu cầu ngày càng cao của
thực tiễn sản xuất hiện nay. Nhiều trạm bơm đang sử dựng các thiết bị khởi
động chất lợng thấp, thiếu đồng bộ, độ an toàn trong vận hành và thao tác
thấp kém, ảnh hởng lớn đến chất lợng và hiệu quả khai thác các công trình
và máy bơm thuỷ lợi, cần đợc cải tiến và nâng cấp.
ở các nớc tiên tiến, ngời ta đã áp dụng rộng rãi các hệ thống thiết bị
truyền động điện, trong đó có bộ bộ khởi động mềm chất lợng cao cho các
trạm bơm thuỷ lợi, có tính năng kỹ thuật và trình độ tự động hoá cao, an toàn
cho ngời và thiết bị, đảm bảo cho hiệu quả sản xuất kinh doanh cao.
Từ những năm 1980 ở nớc ta đã có các nghiên cứu thử nghiệm ứng
dụng các thiết bị khởi động bằng điện trở, cuộn kháng, biến áp tự ngẫu và bộ
khởi động Thyristo trong sản xuất. Thiết bị khởi động, điều khiển và dừng
mềm động cơ máy bơm công suất lớn trên 75 kW đã đợc nghiên cứu ứng
dụng thử nghiệm nhằm giảm chi phí điện năng, nâng cao độ ổn định, tin cậy
và an toàn bớc đầu đã cho các kết quả khả quan.
Nghiên cứu ứng dụng các thành tựu khoa học công nghệ tiên tiến của
các nớc phát triển vào điều kiện Việt nam là việc làm thiết thực và bổ ích, có
ý nghĩa khoa học và thực tiễn góp phần thúc đẩy thực hiện công cuộc công
nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nớc, tiến tới hội nhập kinh tế khu vực toàn
cầu.
-5-
Chơng I
Tổng quan tình hình trang bị và sử dụng điện năng
Trong các trạm bơm thuỷ lợi ở Việt Nam
1.1. Khái quát chung
Tục ngữ có câu Nhất nớc, nhì phân, tam cần, tứ giống. Nớc giữ vị
trí hàng đầu trong các khâu thâm canh canh tác lúa và cây trồng. Tới tiêu là
biện pháp trớc tiên để nâng cao năng suất mùa màng và hiệu quả kinh tế của
diện tích canh tác, ổn định an ninh lơng thực và thực phẩm cho toàn xã hội;
nhất là đối với nớc ta có địa hình phức tạp và khí hậu khắc nghiệt, mang tính
mùa vụ.
Nớc ta là một nớc nông nghiệp, tỉ lệ dân số sống bằng nghề nông
chiếm khoảng 75% dân số cả nớc. Hiện nay nớc ta có khoảng hơn 9 triệu ha
trong đó việc tới tiêu nớc cho cây trồng hầu hết phải dựa vào hệ thống
mơng máng các công trình thuỷ lợi và các trạm bơm nớc. Gần 7,6 triệu ha
đợc chủ động tới tiêu bởi hàng trăm các công trình thuỷ lợi lớn và hàng
triệu máy bơm các loại đang hoạt động để phục vụ sản xuất nông nghiệp. Nhờ
có hệ thống kênh mơng và các trạm bơm thuỷ lợi mà nớc ta đã tăng từ một
vụ lên hai đến ba vụ trên năm [22].
Chỉ riêng các tỉnh đồng bằng bắc bộ và bắc khu 4 cũ ta đã xây dựng
đợc gần 40 công trình thuỷ lợi lớn và gần 120 hệ thống vừa và nhỏ, với gần
5000 trạm bơm đợc lắp đặt với số lợng máy bơm khoảng hơn 13.300 máy
các loại có lu lợng từ 540 m
3
/h đến 32.000 m
3
/h, hầu nh 100% các trạm
bơm nớc cố định đã đợc điện khí hoá, theo số liệu điều tra của cục quản lý
nớc Bộ NN & PTNT năm 2002 [18]
Các máy bơm hiện đang sử dụng rất đa dạng về chủng loại, hình thức,
kết cấu, công suất thiết kế (trục đứng, trục ngang, trục xiên, bơm chìm ).
-6-
Hầu hết những bơm lớn có cấu tạo phức tạp và có trang thiết bị kỹ thuật tơng
đối hoàn chỉnh, đa số nhập từ nớc ngoài, một số lợng lớn bơm đợc sản
xuất trong nớc. Điện năng tiêu thụ phục vụ cho tới, tiêu hàng năm lên tới
trên 300 triệu kWh (chiếm gần 85% điện sử dụng cho nông nghiệp)., trong đó
công suất thiết kế cho tới khoảng trên 230.000kW và cho tiêu nớc khoảng
300.000kW, ngoài ra còn có hàng vạn máy bơm nhỏ hoạt động ở khắp nơi
Nhiều trạm bơm có tới hàng chục máy bơm công suất lớn nh: Gia Viễn
Ninh Bình, Quế Hà Nam, Vân Đình Hà Tây; Thanh Điềm; Đại Định Vĩnh
Phú Thờng số lợng bơm cỡ lớn (lu lợng trên 4000m
3
/h, công suất động
cơ bằng và lớn hơn 75kW) chiếm khoảng 30-40% trong tổng số đầu máy sử
dụng. Các trạm bơm này luôn là những trợ thủ đắc lực phục vụ cho việc tới
tiêu trong nông nghiệp [18].
Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lợng, hiệu quả của các công
trình thuỷ lợi và của các trạm bơm điện đối với sản xuất nông nghiệp là vấn đề
có ý nghĩa rất lớn, cần phải đợc nghiên cứu một cách đồng bộ và đầy đủ.
Song song với các giải pháp về công trình, về cơ khí, các giải pháp truyền
động điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng.
1.2. Đặc điểm cung cấp và sử dụng điện của các trạm bơm thuỷ lợi
Hầu hết các trạm bơm thuỷ lợi hiện có đợc cung cấp điện từ lới điện
trung áp 6 đến 35 kV qua trạm biến áp hạ áp đặt tại trạm bơm, tuỳ thuộc đặc
điểm địa bàn cụ thể của các trạm bơm, đa số các trạm bơm đều xa hệ thống
đờng dây tải điện (thờng từ 3 đến 5 km) để cấp điện cho các trạm bơm phải
dùng đờng dây phân nhánh riêng, hầu hết các máy biến áp (MBA) của các
trạm đều sử dụng loại máy biến áp ngoài trời. Năng lợng điện từ lới điện
đợc dẫn tới máy bơm theo sơ đồ khối nh hình 1.1.
Các MBA có nhiệm vụ phải cung cấp đủ điện năng và d công suất để
đáp ứng điều kiện khởi động cho các máy bơm. Thờng công suất của MBA
đợc lắp bằng 125% tổng công suất máy bơm.
-7-
1
3
1
3
2
3
n
4
1
4
2
4
n
2
Lới điện trung áp
Hình 1.1- Sơ đồ cấu trúc năng lợng trạm bơm.
1-Biến áp hạ thế; 2- Tủ phân phối; 3
1
ữ3
n
- Tủ điều khiển Máy bơm.
4
1
ữ4
n
- Các Máy bơm (n = 1, 2, 3 )
Các trạm bơm thờng sử dụng mạch cung cấp điện bằng một hay nhiều
MBA ( Hình 1.2, Hình 1.3)
Hình 1.2- Sơ đồ cung cấp điện bằng 1 MBA công
suất lớn cung cấp cho tất cả các máy bơm của trạm
Phụ tải sinh hoạt
P
2
P
n
P
1
35kV
(10kV)
MC
1
MBA
1
35/0,4kV
CD
AT
2
AT
n
AT
1
M
2
M
n
M
1
MC
2
MBA
2
35/0,4kV
CD
DCL
-8-
Sơ đò sử dụng một máy biến áp công suất lớn, phục vụ cho tất cả các
máy bơm của trạm còn các phụ tải sinh hoạt sử dụng máy biến áp thứ hai
riêng với công suất nhỏ hơn (Hình 1.2) .Đối với các trạm loại này thờng công
suất của máy biến áp số 1 (MBA
1
) đợc chọn bằng tổng công suất của các
máy bơm.
Các trạm đợc trang bị theo sơ đồ này vận hành khá đơn giản, máy biến
áp thờng xuyên làm việc ở chế độ non tải làm hệ số cos của trạm thấp
Sử dụng sơ đồ dùng nhiều MBA đợc thiết kế, lựa chọn hợp lý vận hành
song song (Hình 1.3) cho phép khắc phục các nhợc điểm của sơ đồ hình 1.2,
nhng công tác tổ chức vận hành song song các máy biến áp khó khăn và
phức tạp, nhất là vấn đề thao tác đóng cắt phía điện áp cao.
M
1
CDPĐ
2
CDPĐ
1
Phụ tải sinh hoạt
P
2
P
n
P
1
35kV
(10kV)
MC
1
MBA
1
35/0,4k
CD
1
AT
2
AT
3
AT
1
M
2
M
3
MC
n
MBA
2
35/0,4k
MC
2
MBA
2
35/0,4k
CD
2
AT
4
AT
n
M
4
M
n
Hình 1.3 - Sơ đồ dùng nhiều MBA vận hành
song song
DCL
Thông thờng điện áp ra của MBA tại các trạm bơm công suất vừa và
lớn cần đặt +10%U
đm
của động cơ điện, trong thực tế điều kiện trên ít đợc
thoả mãn, khi số máy bơm làm việc ít xảy ra tình trạng động cơ làm việc ở chế
độ quá điện áp [16].
-9-
Các trạm bơm đang sử dụng thiết bị khởi động kiểu cũ tình trạng chỉ
khởi động đợc hai phần ba số máy bơm là phổ biến, do khả năng cân bằng về
năng lợng trong chế độ khởi động nên một phần ba số máy bơm còn lại của
trạm khởi động rất khó khăn và thậm trí còn không khởi động đợc, làm ảnh
hởng rất lớn đến tuổi thọ của các máy biến áp và chất lợng điện năng của
lới điện.
Đối với những trạm bơm đợc xây dựng trong những năm gần đây mặc
dù các thiết bị làm việc tin cậy và an toàn. Nhng còn nhiều khía cạnh cha
thoả đáng nh sơ đồ cung cấp cha phù hợp, sự đồng bộ của các thiết bị còn
thiếu, hiệu quả sử dụng điện còn quá thấp do các động cơ và các Máy biến áp
lực thờng xuyên vận hành ở chế độ non tải. Một số tổ máy bơm chạy động cơ
điện 200kW của Liên Xô cũ, của Rumani hiện nay đang đợc sử dụng các
trạm bơm nh Đan Hoài, La Khê, Hồng Vân- Hà Tây Có hệ số cos rất
thấp (cos < 0,82) tiêu phí năng lợng rất lớn.
Những trạm bơm đợc xây dựng từ thời kỳ đầu và sau chiến tranh, các
thiết bị đã quá cũ và lạc hậu, phải sửa chữa thay thế nhiều, mang tính chắp vá
đặc biệt là các thiết bị đóng cắt, các thiết bị bảo vệ thiếu hoặc thay thế rất tuỳ
tiện làm cho độ tin cậy thấp, thiếu an toàn cho cả ngời và thiết bị.
Hiện nay ở nớc ta lợng điện năng hàng năm do các trạm bơm tiêu thụ
tới trên 300 triệu kWh. Sử dụng điện năng hiệu quả, an toàn là những vấn đề
cần phải tiến hành nghiên cứu đồng bộ và đầy đủ. Các hệ thống truyền động
điện máy bơm là các phụ tải tiêu thụ điện cần có những biện pháp để giảm
thiểu những bất lợi cho hệ thống cung cấp điện.
1.3. Hệ thống truyền động điện máy bơm
1.3.1. Chất lợng của hệ thống truyền động điện máy bơm thuỷ lợi
Để đánh giá chất lợng của hệ thống truyền động điện(TĐĐ) máy bơm
có thể căn cứ vào các tiêu chí sau:
-10-
1- Chất lợng điện năng cung cấp và ảnh hởng của phụ tải điện (sai
lệch điện áp U, sai lệch tần số f, hệ số đối xứng, cos );
2- Chất lợng làm việc của máy bơm ở chế độ khởi động, dừng và làm
việc dài hạn;
3- Mức độ của công nghệ tiên tiến,trình độ tự động hoá;
4- Khả năng bảo vệ quá tải, độ tin cậy, độ bền.và an toàn;
5- Chi phí đầu t, vận hành, bảo dỡng, sửa chữa.
1.3.2. Hiện trạng hệ thống truyền động điện các máy bơm
Hệ thống truyền động điện máy bơm nớc thuỷ lợi ở hầu hết các trạm
bơm thuộc loại truyền động điện xoay chiều, theo quan điểm về năng lợng
đợc mô tả bằng sơ đồ khối cấu trúc đơn giản nh Hình 1.4.
Lệnh đặt
Lới điện
1
2
3
4
5
Hình 1.4- Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐĐ máy bơm nớc thuỷ lợi
1- Bộ khởi động động cơ; 2- Động cơ điện
3- Bộ truyền lực; 4- Máy bơm; 5- Bộ điều khiển.
Hỗu hết động cơ điện trong hệ thống truyền động điện bơm thuỷ lợi
hiện nay
hầu hết đều dùng động cơ không đồng bộ (KĐB) 3 pha rô to lồng sóc, một số
trạm xây dựng trớc đây dùng động cơ rô to dây quấn làm việc với lới hạ áp
0,4kV, một số máy bơm có động cơ kéo là động cơ đồng bộ công suất lớn
(320 ữ 500)kW làm việc ở điện áp lới 6kV-10kV. Loại động cơ này hệ số
-11-
cos cao hơn thờng cos 0,87. Nhìn chung những động cơ đợc chế tạo
vào những thời kỳ của những năm 1970 trở về trớc có hiệu suất thấp thờng
0,85 hệ số cos cũng thấp thờng cos 0,82, công suất động cơ d khá
nhiều so với máy bơm nên động cơ sử dụng điện với hiệu quả khá thấp.
Thiết bị khởi động mang dấu ấn của mức độ đầu t, trình độ kỹ thuật
của thời kỳ xây dựng dự án và lắp đặt máy, công suất, loại động cơ. Những
trạm bơm đợc xây dựng từ những năm 1970 trở về trớc hầu hết máy bơm
đợc khởi động trực tiếp hoặc gián tiếp bằng các thiết bị đơn giản (cuộn
kháng dầu, kháng khô, hộp điện trở ), đã cũ và lạc hậu, các thiết bị đóng cắt
và điều khiển thờng đợc sửa chữa, thay thế chắp vá thiếu đồng bộ không an
toàn cho ngời và thiết bị.
Thiết bị điều khiển máy bơm hầu hết đợc ghép trên các Công tắc tơ,
Rơ le thời gian loại điện từ, mức độ tự động hoá rất thấp, độ tin cậy thấp.
Chế độ khởi động, làm việc của bơm do ngời vận hành chọn đặt trớc,
không có vòng hồi tiếp ngợc (điều khiển bằng tay), thiếu các phơng tiện đo
lờng, chỉ báo và điều khiển tự động nên việc giám sát quá trình làm việc của
máy chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm (khả năng cảm nhận) của ngời vận hành.
Bộ phận truyền lực hiện nay hầu hết các máy bơm nớc Thuỷ lợi đều
đợc dẫn động thẳng trục thông qua các khớp nối mềm có vòng đàn hồi hoặc
trục các đăng. Một số máy bơm công suất lớn ở các trạm đầu mối có kết cấu
động học dài, đã có không ít số máy bơm xảy ra sự cố cong trục phải ngừng
hoạt động trong thời gian dài làm ảnh hởng không nhỏ đến sản xuất.
Các máy bơm thuỷ lợi chủ yếu dùng loại bơm ly tâm, bơm hớng
trục(HT) hoặc bơm hỗn lu, loại có công suất từ 75kW trở lên, hầu hết đều
dùng loại bơm hớng trục đứng(HTĐ) và h
ớng trục nghiêng(HTN), một số
trạm mới đợc xây dựng trong thời gian gần đây lắp đặt máy bơm chìm nhập
từ nớc ngoài.
-12-
Đối với những trạm bơm đợc xây dựng từ những năm 1980 trở về
trớc hệ thống truyền động điện đã quá cũ và lạc hậu, hiệu quả sử dụng điện
thấp, các thiết bị trong hệ thống đã phải sửa chữa thay thế nhiều không đồng
bộ, thiếu các thiết bị đo lờng, điều khiển, bảo vệ an toàn trong vận hành. Nói
chung các trạm bơm này có hệ thống truyền động điện thô sơ, lạc hậu không
đảm bảo an toàn cho ngời vận hành và thiết bị.
Những máy bơm lớn mới nhập của nớc ngoài đa số không có hoặc
hiếm phụ tùng thay thế, các máy bơm sản xuất trong nớc, hệ thống truyền
động điện lại quá đơn giản hiệu suất thấp.
Trớc những thực trạng hiện nay về hệ thống cung cấp, sử dụng điện, hệ
thống truyền động điện các máy bơm công suất vừa và lớn cần phải tiến hành
nghiên cứu từng bớc, có các giải pháp cải tạo nâng cấp. Song song với các
giải pháp cải tạo nâng cấp hệ thống cung cấp điện, nghiên cứu các giải pháp
để nâng cao chất lợng hệ thống TĐĐ máy bơm thuỷ lợi công suất vừa và lớn
là vấn rất quan trọng. Với những tiêu chí về chất lợng nêu trên muốn nghiên
cứu một cách đầy đủ cần phải có sự phối hợp nhiều đề tài nghiên cứu của
nhiều nhà khoa học.
Trong luận văn này chỉ đề cập đến những vấn đề cải thiện chế độ khởi
động,vận hành, đo lờng chỉ báo, điều khiển và bảo vệ máy bơm nhằm nâng
cao hiệu quả làm việc và sử dụng an toàn.
1.4. Khởi động và dừng máy bơm
1.4.1. Khái quát chung
Các máy bơm thuỷ lợi có công suất từ 75kW trở lên hầu hết đều dùng
loại bơm hớng trục hoặc bơm hỗn lu. Máy bơm làm việc dựa trên nguyên lý
cánh nâng.
Dòng khởi động trực tiếp của động cơ điện rất lớn thờng bằng từ (4ữ7)
dòng định mức của động cơ và gây hiện tợng va đập cơ khí, quá tảI Mômen,
phát nhiệt, làm ảnh hởng xấu đến chất lợng lới điện, chế độ khởi động và
-13-
làm việc của các động cơ và các phụ tải khác trong cùng mạng lới điện. Vì
vậy đối với những động cơ công suất vừa và lớn, trong nhiều trờng hợp
không cho phép khởi động động cơ trực tiếp.
Khi khởi động động cơ do sự gia tốc về tốc độ
dt
d
cùng với sự tăng
của dòng điện gây nên độ giật
dt
di
(
2
2
dt
d
) tạo nên những xung lực rất lớn giữâ
các phần quay của hệ truyền động gây nguy hiểm cho kết cấu cũng nh độ
bền cơ khác làm giảm tuổi thọ và có thể gây sự cố làm h hỏng các tổ máy
hoặc toàn bộ công trình trạm đặc biệt đối với các loại máy bơm có kết cấu
động học dài (trục bơm từ 5 ữ 20m).
Trên đờng đặc tính cơ của động cơ M
đ
và đặc tính tải M
C
của máy bơm
(Hình 1.5). Ta có điểm làm việc xác lập của hệ truyền động điện máy bơm là
điểm A [2].
A
0
Mc
M
kđb
M
đ
M
M
kđbđ
M
c
Hình 1.5- Đặc tính cơ của đ/c KĐB (M
đ
)
và của Máy bơm (M
c
)
Do Mômen phụ tải bơm tỷ lệ với bình phơng của tôc độ nên trong giai
đoạn tốc độ thấp (mới bắt đầu quay) động cơ khởi động gần nh không tải mà
chỉ có tăng thêm Mômen quán tính của hệ và Mômen cản tĩnh do ma sát gây
ra.(M
co
). Trên thực tế đối với máy bơm thuỷ lợi Mômen khởi động ban đầu
-14-
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét