2. 1.1 Máy biến tần
2.2.3. Biến tần Giải pháp tiết kiệm điện năng
2.2.3.1. Tại sao biến tần có khả năng tiết kiệm điện năng
Trong các hệ truyền động cho bơm và quạt kiểu cũ người ta thường dùng các van để điều chỉnh các thông số đầu ra của bơm theo yêu cầu công nghệ.
Tuỳ thuộc từng loại bơm và quạt lớn hay nhỏ cũng như vị trí lắp đặt
hay nhu cầu điều chỉnh người ta có thể dùng một trong các loại sau:
Van điều tiết lắp ở đầu vào (hình 2.7)
Các hệ truyền động có công suất vừa và lớn cho quạt gió thường dùng phương pháp này. Mục tiêu là giảm bớt tiết diện đường ống vào để giảm bớt lưu lượng đầu ra. Việc điều chỉnh có thể dùng mô-tơ để thực hiện từ xa tuy nhiên giá thành thường đắt nên hiện tại đa số các hệ đều đang được điều khiển bằng tay. Với phương pháp này lưu lượng ra được khống chế tuỳ theo độ mở van vào nên nói chung đạt được yêu cầu về công nghệ. Hầu hết các hệ thống kiểu này chưa được tính đến khả năng làm việc trong môi trường tự động hoá toàn diện. Hơn nữa xét về chỉ tiêu năng lượng của toàn hệ thì phương pháp này vẫn đem lại nhiều tổn thất mặc dù khi giảm lưu lượng, điện năng tiêu thụ vẫn còn nhiều. Đặc tính năng
37
Hình 2.8: Đặc tính năng lượng và lưu lượng của điều chỉnh van đầu vào.
lượng và lưu lượng được thể hiện trên hình 2.8.
Với các hệ thống này khi lưu lượng ra giảm, năng lượng tiêu thụ cũng giảm nhất là trong khoảng từ 80% đến 100%. Nếu điều chỉnh sâu hơn thì năng lượng cũng không giảm nhiều nữa.
So sánh với trường hợp dùng biến tần thì ở vùng lưu lượng thấp giá trị tiêu thụ năng lượng khác rất nhiều.
Van điều tiết lắp ở đầu ra (hình 2.9)
Các hệ thống có công suất vừa và nhỏ hay dùng phương pháp này vì lí do đơn giản và dễ điều chỉnh. Đối với truyền động bơm, phương pháp này là phù hợp. Độ chính xác ở đầu ra cũng đảm bảo được yêu cầu công nghệ
38
Hình 2.10. Đặc tính Năng lượng và Lưu lượng cho điều khiển van đầu ra.
Hình 2.9: Điều khiển van đầu ra
Tuy nhiên cũng như trên, nếu điều khiển xa thì cũng sẽ tốn kém dồng thời chưa tiết kiệm năng lượng. Đặc tính năng lượng và lưu lượng được trình bày trong hình 2.10
Cũng tương tự như trên, đây vẫn chưa phải là giải pháp tốt nhất đối với hệ thống.
Động cơ 2 cấp tốc độ: (hình 2.11)
Các hệ dùng động cơ hai tốc độ rất phổ biến cho các ứng dụng quạt ví dụ như các fancoil trong hệ thống điều hoà. Thực tế, những ứng dụng này không đòi hỏi lưu lượng ra phải rất chính xác và cũng không đòi hỏi điều chỉnh đầu ra trong một dải rộng.
39
Hình 2.11. Động cơ 2 cấp tốc độ.
Hệ thống này đảm bảo năng lượng cũng được tiết kiệm rất nhiều, lại đơn giản tin cậy. Tuy nhiên, giá thành cho động cơ cũng đắt hơn và hệ thống không linh động vì chỉ chạy được ở hai cấp tốc độ cố định.
Đặc tính năng lượng và lưu lượng cho trường hợp này biểu diễn trên hình 2.12.
Từ sự phân tích các đường đặc tính năng lượng và lưu lượng của các phương pháp dùng van (đường đặc tính màu đỏ) và của
phương pháp dùng biến tần (đường đặc tính màu xanh), ta thấy rằng biến tần là thiết bị có tính ưu việt trong việc tiết kiệm điện hơn.
2.2.3.2. Biến tần tiết kiệm điện năng như thế nào
Như ta đa biết nguyên lý làm việc của biến tần đã nêu ở mục III, thì ta thấy chức năng của biến tần như sau:
Biến đổi điện áp xoay chiều ba pha của nguồn điện vào thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu cầu ba pha.
Hình 2.12. Đặc tính Năng lượng và Lưu lượng cho động cơ hai cấp tốc độ.
40
Sau đó nhờ bộ nghịch lưu sẽ đổi ngược lại thành điện áp xoay chiều ba pha biến đổi theo phương pháp điều chế độ rộng của xung.
Kết quả là đầu ra của biến tần dòng điện có dạng hình sin, còn điện áp có dạng xung vuông nối tiếp nhau và tần số sẽ được điều chỉnh tùy ý để được tốc độ theo công nghệ đã chọn.
Vì cấu tạo của biến tần chủ yếu là các mạch chỉnh lưu và nghịch lưu mà thiết bị được dùng chủ yếu là các linh kiện điện tử nên hệ số công suất cosφ
thường ít nhất là 0,96. Do đó sự tiêu hao điện năng trên các hệ biến tần là không đáng kể.
Hơn nữa, như ta đã biết, với động cơ sơ cấp là các động cơ xoay chiều ba pha, việc điều chỉnh lưu lượng của các thiết bị này là khó khăn. Vì lưu lượng của các môi chất thông qua thiết bị là phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ sơ cấp. Với cấu tạo của các động cơ xoay chiều ba pha truyền thống thì tốc độ quay của động cơ coi như không đổi với hệ thống lưới điện xoay chiều có tần ssố công nghiệp f=50Hz thông qua quan hệ:
Trong đó: p là số đôi cực của động cơ, và n là tốc độ quay.
Với quan hệ này, tốc độ quay của động cơ chỉ còn phụ thuộc vào tần số của lưới điện. Vì vậy để thực hiện thay đổi được lưu lượng, điều tốt nhất là thay đổi tốc độ động cơ sơ cấp, có nghĩa là cần thay đổi tần số của lưới điện. Thêm nữa, như ta đã biết, đối với các hệ truyền động loại bơm và quạt, mômen tải phụ thuộc vào tốc độ quay của trục theo hàm bình phương. Lưu lượng ra của hệ tỉ lệ thuận với tốc độ quay:
M ≈ n2
; M ≈ f 2
Trong khi đó, công suất đòi hỏi của hệ thống lại bằng tích số giữa mômen và tốc độ quay:
n.p f =
41 P = M x n
Do đó, công suất đòi hỏi của hệ thống tỉ lệ với lập phương của tốc độ quay và cũng là tỉ lệ với lập phương của lưu lượng:
P≈ n3 ≈ f 3
Do rằng việc điều chỉnh tần số của lưới điện là điều không thể được, nên cho đến nay tại các xí nghiệp, nhà máy thường để điều chỉnh lưu lượng, người ta thường sử dụng biện pháp điều chỉnh các lá chắn đầu vào, đầu ra hoặc làm một đường quay trở lại. Thí dụ như ở nhà máy nhiệt điện, ở các quạt hút khói, thổi gió, ở đầu ra hoặc đầu vào của quạt, thường có một lá chắn động, gồm các cánh hình cánh quạt, có trục quay theo các bán kính. Có một động cơ nhỏ điều khiển độ quay của các lá chắn này, để tạo ra các khe hở rộng hay hẹp tuỳ theo yêu cầu cho gió, khói lọt qua. Việc điều chỉnh lưu lượng khói gió kiểu đối phó này tuy có đem lại hiệu quả về điều chỉnh lưu lượng khói gió nhưng không kinh tế vì động cơ vẫn làm việc gần như không thay đổi, lượng điện tiêu thụ không giảm được bao nhiêu.
Hiển nhiên là trong các phương pháp trên đây, năng lượng tiêu thụ của toàn hệ thống lớn hơn nhiều so với năng lượng yêu cầu khi lưu lượng yêu cầu giảm đi so với thiết kế. Mặc dù khi giảm lưu lượng ra, năng lượng tiêu thụ cũng giảm đi nhưng tổn hao trên các thiết bị khống chế như các lá chắn vẫn còn lớn. Các phương pháp điều chỉnh lá chắn khác nhau cho thấy tổn hao trên các lá chắn cũng khác nhau rất nhiều.
Việc làm mất đi những tổn hao trên các lá chắn này gợi ra một tiềm năng tiết kiệm rất lớn. Đúng như thế, khi sử dụng biến tần, nhờ đầu ra điện áp có xung vuông và dòng điện hình sin nên vấn đề thay đổi tần số là dễ dàng.
Giả sử rằng khi lưu lượng của bơm ở đầu ra đáp ứng yêu cầu vận hành nhỏ hơn so với thiết kế. Nếu dùng van điều chỉnh thì lưu lượng đầu ra được hạn chế trong khi công suất tiêu thụ giảm rất ít. Nếu dùng biến tần, vì lưu
42
lượng tỉ lệ thuận với tốc độ, mà tốc độ lại tỉ lệ thuận với tần số. Như vậy khi lưu lượng giảm thì tần số phải giảm theo bậc 1, trong khi đó công suất tiêu thụ sẽ giảm theo bậc 3 (vì P ≈ n3
≈ f 3). Do đó khi dùng biến tần sẽ tiết kiệm điện năng được rất nhiều so với dùng van.
2.2.3.3. Tính toán hiệu quả tiết kiệm điện năng
Việc định lượng hiệu quả tiết kiệm điện năng rất quan trọng vì nó là cơ sở để lắp đặt hoặc thay thế bằng biến tần trong các hệ thống. Tuy nhiên việc tính toán chính xác thường phức tạp vì hiệu quả tiết kiệm điện năng phụ thuộc vào nhiều yếu tố: đặc tính của hệ truyền động, chế độ vận hành, yêu cầu của quy trình công nghệ. Dưới đây chúng ta sẽ phân tích các phương pháp thực hành cho bài toán tiết kiệm điện năng thường gặp như đã phân tích ở trên là hệ thống bơm và quạt ly tâm.
Phương pháp đánh giá sơ bộ
Thông thường, khi không có đầy đủ thông số thiết bị và hệ thống, các tính toán khả thi sử dụng luật đồng dạng (lưu lượng tỉ lệ thuận với tốc độ, công suất tỉ lệ với lập phương tốc độ) để tính điện năng tiêu thụ:
Điện năng tiêu thụ của động cơ ở 100% tốc độ:
__kW x__giờ. = ____ (a) Điện năng tiêu thụ của động cơ với biến tần:
__kW x (__% tốc độ)3 x__giờ. ="___" (b) Điện năng tiết kiệm được:
(c) = (a) - (b)
Đối với chu trình làm việc có tải thay đổi cần lặp lại công thức (b) cho mỗi giá trị tốc độ và lấy tổng điện năng tiêu thụ ở tất cả các tốc độ làm việc.
Ví dụ như xét một bơm ly tâm công suất 30kW làm việc 10 giờ/ngày, 250 ngày/năm (2500 giờ/năm) theo chu trình: 25% thời gian (625 giờ) với 100% lưu lượng, 50% thời gian (1250 giờ) với 90% lưu lượng, 25% thời gian
43
(625 giờ) với 80% lưu lượng. Điện năng tiêu thụ khi không sử dụng biến tần: 30kW x 2500h = 75000kWh
Điện năng tiêu thụ khi sử dụng biến tần:
30kW x 1 x 625h = 18750kWh 30kW x (0.9)3 x 1250h = 19200kWh 30kW x (0.8)3 x 625h = 4050kWh Tổng cộng = 42000kWh
Như vậy điện năng tiêu thụ trong trường hợp sử dụng biến tần tiết kiệm được 44% so với trường hợp không sử dụng biến tần (42MWh so với 75MWh). Tuy nhiên, cách tính đơn giản này thường cho kết quả lạc quan hơn nhiều so với thực tế.
Ở chế độ tốc độ định mức (đầy tải), hiệu suất hệ thống biến tần/động cơ thường thấp hơn 3 - 5% so với khi chỉ có động cơ chủ yếu do tổn thất ở biến tần, ở chế độ giảm vận tốc, hiệu suất của động cơ cũng giảm đi. Do vậy, một số nhà sản xuất đưa ra bảng tra điện năng tiêu thụ với hiệu quả tiết kiệm khiêm tốn hơn, ví dụ:
Tốc độ (%) 90 80 70 60 50 40 Quạt 0.78 0.70 0.59 0.46 0.32 0.22 Bơm 0.80 0.64 0.49 0.38 0.28 0.20 Giả thuyết công suất tiêu thụ của động cơ không đổi khi vận tốc cố định (không dùng biến tần) trong công thức (a) cũng là nguyên nhân sai số chủ yếu khi đánh giá sơ bộ. Từ cách biểu diễn công suất thủy lực dễ dàng nhận thấy rằng, ngay cả khi điều khiển bằng van tiết lưu, công suất thủy lực cần thiết và do đó công suất tiêu thụ của động cơ sẽ thay đổi khi lưu lượng thay đổi. Trong phần sau chúng ta sẽ thấy, ngay cả trường hợp không sử dụng biến tần, công suất cơ cần thiết sẽ giảm đáng kể khi giảm lưu lượng bằng van tiết lưu
44
đặt ở đầu vào. Ngoài ra, xuất phát từ yêu cầu của thiết bị điều khiển và đường ống phân phối, một số hệ thống còn đòi hỏi duy trì một áp lực tối thiểu khi giảm lưu lượng. Như vậy, để tính chính xác hơn, cần phải biết được sự phụ thuộc của công suất cơ cần thiết theo lưu lượng trong trường hợp có và không có biến tần.
Phương pháp sử dụng đặc tuyến điển hình
Sử dụng các đồ thị biểu diễn quan hệ công suất – lưu lượng của các hệ thống bơm và quạt ly tâm điển hình, chúng ta có thể tính nhanh chóng và
tương đối chính xác hiệu quả tiết kiệm điện năng.
Đối với hệ thống quạt điều khiển bằng các phương thức khác nhau, công suất cơ cần thiết được tra từ đặc tuyến công suất - lưu lượng như trên hình 3.15. Lưu lượng của quạt có thể thay đổi bằng van chặn đặt ở ống gió vào hoặc ống gió ra nhằm điều khiển lượng không khí đi qua quạt.
45
Trong trường hợp sử dụng biến tần, lưu lượng không khí được thay đổi bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt. Đối với hệ thống bơm điều khiển bằng đường tuần hoàn, van tiết lưu ở đầu vào hoặc biến tần có thể sử dụng đặc tuyến công suất - lưu lượng ở hình 2.14.
Đối với hệ thống kết hợp biến tần và van tiết lưu đặt ở đường ống cấp nước vào, tốc độ bơm được thay đổi theo tín hiệu áp suất, van tiết lưu được điều chỉnh làm tăng hay giảm tiết
diện hiệu quả dẫn đến thay đổi áp lực nước. Do đó, biến tần cũng thay đổi tốc độ bơm nhằm điều chỉnh áp lực đặt theo giá trị đặt trước. Với chiều cao cột áp H khác nhau ta có thể sử dụng họ đường cong trên hình 2.15 để tính công suất.
Ngoài ra, cần phải tính đến sự thay đổi của hiệu suất động cơ theo tốc độ quay
Như vậy, công suất thực tiêu thụ bởi động cơ của bơm hay quạt trong trường hợp không sử dụng biến tần có thể tính theo công thức:
(2.9) với:
PN và IN: công suất và dòng định mức động cơ N 1 N 1 I P = P f W I
Hình 2.14. Đặc tuyến công suất - lưu lượng của bơm
Hình 2.15: Đặc tuyến công suất-lưu lượng
46 I: dòng tiêu thụ bởi 100% tải η: hiệu suất định mức của động cơ
f1(W): hàm công suất theo lưu lượng của bơm và quạt (các đường cong ứng với điều khiển bằng van trên đồ thị).
Hiển nhiên, công suất phản kháng tiêu thụ là: Q = P.tgW
Trong trường hợp sử dụng biến tần, công suất tiêu thụ được tính theo công thức:
(2.10) với:
f2(W): hàm công suất theo lưu lượng của bơm và quạt f3(W): hàm hiệu suất động cơ theo tốc độ
v: hiệu suất của biến tần (có thể mặc định 0.97)
Công suất phản kháng tiêu thụ bởi hệ biến tần - động cơ xấp xỉ bằng không.
Sử dụng các công thức trên để tính lại ví dụ trong phần phương pháp đánh giá sơ bộ cho quạt, ta có kết quả là dùng biến tần có thể tiết kiệm được từ 16% điện năng so với sử dụng van tiết lưu ở đầu vào và đến 40% điện năng so với sử dụng van tiết lưu ở đầu ra.
Đối với bơm công suất tương tự, dùng biến tần có thể tiết kiệm được từ 14% (trong trường hợp kết hợp với van, cột áp cao) cho đến 40% điện năng (so với trường hợp điều tiết lưu lượng bằng đường ống hồi - bypass).
Trong các trường hợp nêu trên, kết quả tính toán tiết kiệm điện năng khi sử dụng các đường đặc tính công suất - lưu lượng luôn thấp hơn cách tính toán đánh giá sơ bộ theo luật đồng dạng η.
N 2 3 N 1 I 1 P = P × × ×f W f W I v
47
Với các đường cong điển hình và các công thức nêu trên, chúng ta có thể dễ dàng lập trình để tạo công cụ đánh giá khá chính xác hiệu quả tiết kiệm điện năng.
Nếu có dữ liệu về chi phí đầu tư và giá tiền điện, từ điện năng tiết kiệm dễ dàng tính được thời gian hoàn vốn khi sử dụng biến tần.
2.2.4. Một vài ứng dụng thực tế của biến tần để tiết kiệm điện năng
Ví dụ minh họa cho sự tiết kiệm điện năng có thể áp dụng ở các xí nghiệp lớn đó là điều tiết lưu lượng bơm và quạt. Bơm và quạt có chung một đặc thù tải là công suất điện tiêu thụ tỷ lệ với lập phương lưu lượng hay tốc độ. Có nghĩa là sẽ tiêu hao vô ích một lượng điện năng rất lớn nếu động cơ chạy ở chế độ danh định như hiện nay với lưu lượng yêu cầu thực tế giảm. Và cũng có nghĩa là sẽ tiết kiệm được rất lớn điện năng khi dùng bộ biến tần điều