CHƯƠNG 2. CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
2.3. Giải pháp dùng biến tần
2.3.5. Sự thay đổi công suất khi thay đổi tốc độ động cơ
Với động cơ tương thích ( quạt, bơm ly tâm), khi sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ dẫn đến thay đổi lưu lượng và thay đổi công suất, tiết kiệm được năng lượng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Theo lý thuyết về thủy lực [8], công suất trên trục động cơ, lưu lượng dòng chảy Q, áp suất chất lỏng H có quan hệ theo phương trình:
. .Q
P K H (2. 20)
Trong đó: K là hằng số, P là công suất của động cơ, H là áp suất, Q là lưu lượng và η là hiệu suất. Quan hệ giữa: Q, H, P với tốc độ N của động cơ như sau:
- Lưu lượng tỷ lệ bậc nhất với tốc độ của động cơ ( hình 2.6)
1 1
2 2
Q N
Q N (2. 21)
Hình 2.6 Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ và lưu lượng - Áp suất tỷ lệ bậc 2 với tốc độ động cơ (hình 2.7)
Khi điều chỉnh lưu lượng bằng biến tần thì áp suất là hàm phi tuyến bậc 2 đối với tốc độ động cơ.
Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ và áp suất
Khi điều chỉnh lưu lượng bằng van tiết lưu: Áp suất là hàm phi tuyến tỉ lệ nghịch với tốc độ động cơ, ví dụ khi cần giảm lưu lượng ta đóng bớt van, thì lúc này sức cản đường ống tăng lên, dẫn đến áp suất tăng lên và ngược lại.
2
1 1
2 2
H N
H N
(2. 22)
- Công suất tỷ lệ bậc ba với tốc độ của động cơ ( hình 2.8) Công suất là hàm phi tuyến bậc ba đối với tốc độ động cơ.
3
1 1
2 2
P N P N
(2. 23)
Khi ta cần điều chỉnh lưu lượng thì công suất cũng thay đổi theo sự điều chỉnh, sự thay đổi này rất rõ rệt. Ví dụ ứng với 100% tốc độ thì công suất tương ứng là 100%, khi yêu cầu cần giảm lưu lượng (tốc độ) xuống còn 70% thì công suất chỉ xấp xỉ 34,4% (0,73= 0,343).
Hình 2.8 Biểu đồ quan hệ giữa tốc độ và công suất
Trong các công thức (2. 21), (2. 22), (2. 23): N1 là tốc độ của động cơ tương ứng với lưu lượng Q1, áp suất Q1, áp suất H1 và công suất P1. N2 là tốc độ động cơ ứng với lưu lượng Q2, áp suất H2 và công suất P2.
Sự thay đổi công suất khi thay đổi lưu lượng trong hình 2.9:
- C1 là đường cong thể hiện mối quan hệ giữa áp suất H và lưu lượng Q khi tốc độ của cánh quạt lắp trên trục động cơ là không đổi.
- C2 là đường cong thể hiện đặc tính cản của đường ống khi van mở hoàn toàn.
- C3 là đường cong thể hiện đặc tính cản của đường ống khi có sự điều chỉnh van tiết lưu ( đóng bớt van lại).
- C4 là đường cong thể hiện mối quan hệ giữa áp suất H và lưu lượng Q khi sử dụng bộ biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ.
Giả sử là động cơ được thiết kế để hoạt động hiệu quả nhất tại điểm A, khi đó lưu lượng đầu ra Q là Q1 là 100%, công suất trên trục động cơ sẽ là
1
Công suất trên trục động cơ là P1=Q1.H1 (giả sử các hệ số đều bằng 1) tương ứng với diện tích hình A-H1-O-Q1.
Khi yêu cầu đầu ra giảm, giả sử giảm xuống Q2 theo yêu cầu công nghệ, sức cản đường ống tăng lên do giảm van tiết lưu.
Khi điều chỉnh đóng bớt van, đặc tính đường ống chuyển sang đường cong C3 và hệ thống chuyển sang điểm làm việc mới là C thay vì điểm A ban đầu.
Lúc này ta thấy áp suất tăng lên và công suất trên trục động công suất trên trục động cơ tính bằng diện tích C-H2-O-Q2, ta thấy công suất giảm rất ít so với ban đầu, lượng công suất giảm được là phần diện tích chênh lệch giữa 2 hình A-H1-O-Q1 và C-H2-O-Q2.
Nếu giả sử dùng biến tần điều chỉnh tốc độ động cơ. Điều chỉnh tần số đưa vào động cơ sao cho lưu lượng Q ra bằng với Q2 do hệ thống yêu cầu, tốc độ quạt có thể giảm xuống đường cong C4. Khi đó điểm làm việc là điểm B, có cùng lưu lượng đầu ra Q2
nhưng áp suất trong đường ống được giảm đáng kể xuống H3 và công suất trên trục cũng giảm rõ rệt đó là phần diện tích hình B-H3-O-Q2. Như vậy dùng biến tần sẽ tiết kiệm được điện năng và mang lại hiệu quả kinh tế rõ ràng, cụ thể như sau:
Nếu ta gọi k = const thì:
+ Tỉ lệ lưu lượng dòng chảy = k .(tốc độ v).
+ Mômen quay = k.(tốc độ v)2. + Công suất = k.(tốc độ v)3.
Hình 2.9 Giản đồ thay đổi công suất khi thay đổi lưu lượng C
4
Do đó, công suất yêu cầu, cần thiết sẽ giảm khi tỉ lệ lưu lượng dòng chảy giảm. Ta có thể thấy rõ thông qua bảng 2.2
Bảng 2.2 Công suất điện cung cấp vào động cơ với yêu cầu phụ tải biến đổi Tốc độ v
(%)
Tỉ lệ lưu lượng dòng chảy (%)
Công suất cần thiết yêu cầu (%)
100 100 100
90 90 72,9
80 80 51,2
70 70 34,3
60 60 21,6
50 50 12,5
Cụ thể nếu lưu lượng dòng chảy giảm đi 30%, tức là chỉ còn 70% thì có hai phương án:
- Khi không dùng biến tần điều khiển tốc độ động cơ thì tốc độ động cơ do không điểu chỉnh được tốc độ nên phải tiêu tốn 100% công suất điện.
- Khi dùng biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ thì tốc độ động cơ do điều chỉnh được tốc độ nên chỉ tiêu tốn có 34,3% công suất điện.
Do vậy, dùng biến tần sẽ tiết kiệm được 65,7% công suất điện.
Hình 2.10 Sử dụng biến tần để để điều khiển động cơ quạt