Giới thiệu về động cơ hiệu suất cao

THAY ĐỘNG CƠ TIÊU CHUẨN BẰNG ĐỘNG CƠ HIỆU SUẤT CAO

1. Vấn đề chung
Một vấn đề phổ biến trong các doanh nghiệp công nghiệp là quấn lại các động cơ bị cháy. Số lượng các động cơ quấn lại ở một số doanh nghiệp chiếm hơn 50% toàn bộ động cơ. Cũng có khi quấn lại cẩn thận sẽ giúp duy trì hiệu suất của động cơ ở mức như trước nhưng phần lớn là quấn lại làm giảm hiệu suất. Quấn lại có thể ảnh hưởng đến một số yếu tố dẫn đến giảm hiệu suất của động cơ: quấn không đúng thiết kế và biến dạng rãnh, làm giảm khả năng cách điện và tăng nhiệt độ động cơ quá mức cho phép. Chẳng hạn, khi gia nhiệt để bóc các dây quấn cũ, vật liệu cách điện có thể bị hư hại, làm tăng tổn thất do dòng điện xoáy. Mỗi thay đổi ở khoảng trống khí giữa rôto và stato có thể ảnh hưởng đến hệ số công suất và mô men đầu ra. Mỗi lần quấn lại, tùy tay nghề của người quấn mà hiệu suất có thể giảm đi từ 1-3%.

2. Động cơ hiệu suất cao
Động cơ hiệu suất cao được thiết kế chuyên dụng để tăng hiệu suất hoạt động so với động cơ tiêu chuẩn. Các cải tiến thiết kế tập trung vào việc làm giảm tổn thất bên trong động cơ, bao gồm việc sử dụng thép silic có tổn thất sắt từ thấp hơn, lõi dài hơn (để tăng chất kích hoạt), dây dày hơn (để giảm trở kháng), lá thép mỏng hơn, khoảng trống không khí giữa stato và rôto nhỏ hơn, sử dụng đồng thay cho các thanh nhôm trong rôto, các vòng đệm tốt hơn và quạt nhỏ hơn, vv....
Động cơ hiệu suất cao có dải công suất thiết kế và mức đầy tải rộng. Hiệu suất cao hơn động cơ tiêu chuẩn từ 3% tới 7% như cho trong hình 1. Bảng 1 đưa ra các giải pháp cải tiến thường được sử dụng trong thiết kế động cơ hiệu suất cao.

Hình 1. So sánh giữa động cơ hiệu suất cao và động cơ chuẩn
(Bureau of Indian Standards)

Hình: Biểu đồ so sánh tổn thất sắt, tổn thất ma sát, dây quấn giữa động cơ tiêu chuẩn
với động cơ hiệu suất cao (Động cơ AC 4 cực)



Hình. Những khu vực cải tiến giúp nâng cao hiệu suất ở động cơ hiệu suất cao

Do phải thực hiện các giải pháp cải thiện hoạt động của động cơ, chi phí của động cơ hiệu suất cao cao hơn chi phí của động cơ tiêu chuẩn. Phần chi phí cao hơn sẽ được hoàn vốn rất nhanh nhờ giảm chi phí vận hành, nhất là với các ứng dụng mới hoặc thay thế các động cơ hết thời hạn sử dụng. Nhưng thay thế các động cơ đang dùng mà chưa hết thời gian sử dụng bằng các động cơ hiệu suất cao không phải lúc nào cũng khả thi về mặt tài chính, và vì vậy, chúng tôi đề xuất chỉ thay những động cơ này bằng động cơ hiệu suất cao đối với những động cơ cũ đã quấn lại.

Kiến nghị khác:
- Động cơ có công suất nhỏ hơn 40 HP và đã sử dụng được hơn 15 năm (nhất là những động cơ đã được quấn lại) thường có hiệu suất thấp hơn nhiều so với loại động cơ hiệu suất cao hiện đang có trên thị trường. Tốt nhất là nên thay. Và tốt nhất là nên thay những động cơ không chuyên dụng có công suất nhỏ hơn 15 HP.

- Nếu chi phí quấn lại vượt quá 50% - 65% so với giá của một động cơ hiệu suất cao mới, nên mua động cơ mới. Độ tin cậy và hiệu suất cao hơn sẽ nhanh chóng bù lại phần giá chênh hơn.

3. Phân tích điển hình:

3.1. Lựa chọn ban đầu:
Giả sử ta cần đầu tư một động cơ có công suất 55KW, ta có 2 lựa chọn sau: (i) Động cơ tiêu chuẩn, đảm bảo thông số kỹ thuật, giá mua rẻ nhưng tổn thất vận hành lớn và (ii) Động cơ hiệu suất cao, đảm bảo thông số kỹ thuật, giá mua đắt nhưng tổn thất vận hành nhỏ. Giả thiết hàng năm động cơ vận hành 6,000 giờ, mang tải trung bình 60%.

Hình. Đường đặc tuyến hiệu suất theo tải của 2 động cơ 55KW, 4 cực

Kết quả phân tích chi phí vòng đời để lựa chọn động cơ:

Như vậy ta thấy rằng so với động cơ tiêu chuẩn, việc sử dụng động cơ hiệu suất cao có chi phí đầu tư ban đầu lớn hơn tuy nhiên chỉ khoảng 1.5 năm sử dụng thì nó đã bắt đầu đạt hiệu quả kinh tế cao hơn nhờ giả khả năng tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu tổn hao của mình.

Hình.Biểu đồ so sánh chi phí vòng đời của 2 động cơ

3.2. Thay động cơ hiện hữu thành động cơ hiệu suất cao:
Giả sử hiện ta đang sử dụng một động cơ công suất 55KW, động cơ sử dụng đã lâu (có thể đã cháy và quấn lại nhiều lần) làm cho hiệu suất động cơ giảm. Ta cần phân tích hiệu quả kinh tế khi xem xét khả năng thay mới động cơ này bằng động cơ mới hiệu suất cao. Giả thiết hàng năm động cơ vận hành 6,000 giờ, mang tải trung bình 60%

Kết quả phân tích hiệu quả kinh tế khi thay mới động cơ:

Như vậy với việc thay động cơ thì thời gian hoàn vốn giản đơn từ việc tiết kiệm năng lượng chỉ là 1.8 năm. Đây là giải pháp tiết kiệm năng rất tốt, có hiệu quả kinh tế khá cao rất đáng xem xét và đầu tư.

Hình dưới đây là kết quả nghiên cứu thời gian gian hoàn vốn khi thay mới động cơ hiệu suất cao tại Úc dựa theo thời gian vận hành trong năm và theo công suất động cơ. (Lưu ý ở đây thời gian hoàn vốn khá ngắn vì giá điện tại đây khá cao, 13cent/KWh tương đương 2,200VNĐ/KWh).

Hình. Thời gian hoàn vốn giản đơn khi thay động cơ hiệu suất cao