2. 1.1 Máy biến tần
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 khiển công suất tiêu thụ của động cơ bám theo lưu lượng thực tế.
Tại Công ty xi măng Bút Sơn từ năm 2003 sử dụng quạt 1268 có công suất động cơ 2400kW, 6000V và Damper để điều tiết lưu lượng gió từ 100% đến 30%. Và nếu quạt này làm việc 8000 giờ trong 1 năm; 100%, 70%, 50% lưu lượng với 20%, 50%, 30% thời gian tương ứng trong 1 năm với giá điện bình quân là 1000đ/kW, thì theo tính toán nếu điều khiển lưu lượng bằng van tiết lưu như hiện nay thì tiền điện phải trả trong 1 năm là hơn 16 tỉ đồng (16.247.000.000đ). Nếu điều khiển lưu lượng bằng biến tần trung áp Toshiba thì tiền điện phải trả trong 1 năm là hơn tám tỉ đồng (8.267.000.000đ). Như vậy số tiền tiết kiệm điện do dùng biến tần điều khiển lưu lượng so với dùng van tiết lưu trong một năm là gần tám tỉ đồng (7.980.000.000đ) hay gần bằng số tiền đầu tư cho biến tần.
Công ty TNHH Yên Phú, huyện Yên Bình (Yên Bái) là DN chuyên sản xuất bao bì PP, túi PE và vỏ bao xi-măng với công suất 15 triệu bao/năm. Là Doanh nghiệp thuộc chuyên ngành Nhựa, các công đoạn như: tạo hạt, sản
48
xuất sợi, dệt, tráng màng... thường tiêu tốn khá nhiều điện. Nhất là trong quá trình sản xuất, các động cơ thường sử dụng điện không ổn định, dẫn tới máy luôn vận hành ở mức tải lớn nhất, kể cả khi không tải hoặc non tải. Vì vậy lượng điện tốn rất nhiều, vừa lãng phí điện, vừa gây hại máy móc. Khắc phục tình trạng này, Công ty đã thực hiện lắp biến tần tiết kiệm điện.
Từ khi ứng dụng giải pháp tiết kiệm điện bằng biến tần vào chu trình sản xuất bao bì nhựa, Công ty đã đạt được hiệu quả tiết kiệm điện rất cao. Cụ thể, Công ty đã đầu tư 120 triệu đồng để lắp biến tần, chỉ số điện năng của Công ty đã giảm khoảng 20% - 25%. Theo tính toán, chỉ sau 12 tháng, số tiền tiết kiệm từ điện sẽ giúp Công ty hoàn vốn số tiền lắp biến tần. Ngoài lợi ích kinh tế, giải pháp lắp biến tần còn mang lại nhiều lợi ích khác về kỹ thuật như: giải quyết được vấn đề cân bằng áp suất trong hệ thống thiết bị, đảm bảo được độ tin cậy của thiết bị, thiết bị ít xảy ra sự cố, làm việc ổn định; rất thuận tiện cho việc quản lý vận hành thiết bị nhờ có cổng giao tiếp đưa tín hiệu về để theo dõi. Hơn nữa ứng dụng giải pháp này còn cho phép giảm chi phí bảo trì, bảo vệ thiết bị khi nguồn cấp điện có vấn đề trục trặc, giảm rung động cho tòa nhà khi hệ thống mất cân bằng áp suất. Đặc biệt, do quá trình khởi động được mềm hóa nên các chi tiết cơ khí của hệ truyền động như băng tải, các khớp nối, các vòng bi, ổ đỡ trong hệ thống ít bị mòn, mỏi hay gãy vỡ.
49
PHẦN : KẾT LUẬN
Trong thời gian thực hiện đề tài “Nghiên cứu khả năng tiết kiệm điện năng khi sử dụng máy biến tần”, tôi đã nhận được sự hướng dẫn nhiệt tình của các thầy cô giáo trong khoa Vật lý, đặc biệt là sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy Trần Văn Giảng. Với đề tài này tôi đã căn bản hoàn thành những mục đích, nhiệm vụ ban đầu đặt ra:
- Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan về sử dụng điện năng - động cơ không đồng bộ.
- Nghiên cứu ứng dụng của máy biến tần trong động cơ không đồng bộ ba pha.
Trong quá trình thực hiện tôi đã tiếp thu được những kiến thức bổ ích, cần thiết, những kinh nghiệm quí báu để tiến hành nghiên cứu khoa học; khai thác sử dụng tài liệu một cách hiệu quả.
Tuy nhiên, do điều kiện về nguồn tài liệu, vốn kiến thức thực tế chưa nhiều đặc biệt là năng lực nghiên cứu của bản thân tôi còn nhiều hạn chế nên chắc chắn đề tài của em vẫn còn nhiều thiếu sót. Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quí thầy cô và bạn đọc để khóa luận của tôi được hoàn thiện hơn.
50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bùi Đình Tiếu, Giáo trình truyền động điện, NXB Giáo dục, năm 2004. [2] Nguyễn Xuân Phú, Sử dụng hợp lí và hiệu quả điện năng trong sản xuất và sinh hoạt, NXB Khoa học và kĩ thuật, Hà Nội, Năm 2004.
[3] Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Thế Bảo, Bảo toàn năng lượng và sử dụng hợp lí, tiết kiệm, hiệu quả trong công nghiệp, NXB Khoa học và kĩ thuật, Hà Nội, năm 2006.
[4] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB Khoa học và kĩ thuật, Hà Nội, năm 2007.
[5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học và kĩ thuật, năm 2008.