CHƯƠNG 8. THIẾT KẾ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN TRẠM BƠM CẤP II
8.5. THIẾT BỊ BIẾN TẦN
8.5.1. Giới thiệu về thiết bị biến tần
Việc thay đổi vòng quay của máy bơm có thể thực hiện được bằng máy biến tần.
Máy biến tần là thiết bị biến đổi tần số f1 (thường là tần số của lưới điện 50Hz) sang một tần số f2 trên phụ tải có thể điều chỉnh được. Có hai loại máy biến tần: máy biến tần trực tiếp và máy biến tần gián tiếp.
Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay nhu cầu tiêu thụ năng lượng đang tăng dần và đã có rất nhiều cảnh báo về tiết kiệm năng lượng. Các ngành công nghiệp nói chung và ngành cấp thoát nước ngày nay vẫn sử dụng công nghệ truyền động không thích hợp, điều khiển thụ động không linh hoạt. Điều này được kiểm chứng với các nhà máy nước đang hoạt động đó là điều kiện làm việc khác xa so với thiết kế. Chúng ta đã biết trong các yếu tố cấu thành giá nước thì chi phí điện bơm nước chiếm tỷ lệ rất lớn khoảng 30 – 35%. Trước đây có tồn tại quan điểm cho rằng việc đầu tư vào tiết kiệm năng lượng là một công việc tốn kém không mang lại hiệu quả thiết thực. Với công nghệ biến tần tính toán đã chỉ ra rằng việc đầu tư vào hệ thống điều khiển tiết kiệm năng lượng cho trạm bơm cấp II có thời gian hoàn vốn đầu tư hết sức ngắn và làm giảm chi phí cho công tác quản lý vận hành thiết bị. Máy bơm và quạt gió là những ứng dụng rất thích hợp với truyền động biến đổi tốc độ tiết kiệm năng lượng. Vì vậy
trong phạm vi đồ án tốt nghiệp chúng ta chỉ đề cập đến việc sử dụng thiết bị biến tần trong điều khiển tốc độ tiết kiệm năng lượng cho các máy bơm nước.
Mỗi một trạm bơm thường có nhiều máy bơm cùng cấp nước vào một đường ống chung. Áp lực và lưu lượng của đường ống thay đổi hàng giờ theo nhu cầu. Bơm và các thiết bị đi kèm như đường ống van, đài nước được thiết kế với lưu lượng nước bơm rất lớn. Vì thế điều chỉnh lưu lượng nước bơm được thực hiện bằng các phương pháp sau:
- Điều chỉnh bằng cách khép van trên ống đẩy của bơm.
- Điều chỉnh bằng đóng mở các máy bơm hoạt động đồng thời.
- Điều khiển thay đổi tốc độ quay bằng khớp nối thuỷ lực.
- Thay đổi đường kính bánh xe công tác.
Điều khiển theo những phương pháp trên không những không tiết kiệm được năng lượng điện tiêu thụ mà còn gây nên hỏng hóc thiết bị và đường ống do chấn động khi đóng mở van gây nên, đồng thời các máy bơm cung cấp không bám sát được chế độ tiêu thụ trên mạng lưới. Để giải quyết các vấn đề kể trên chỉ có thể sử dụng phương pháp điều khiển truyền động biến đổi tốc độ bằng thiết bị biến tần.Thiết bị biến tần là thiết bị điều chỉnh biến đổi tốc độ quay của động cơ bằng cách thay đổi tần số của dòng điện cung cấp cho động cơ. Hiện nay thiết bị biến tần trên thế giới có nhiều nhà cung cấp thiết bị biến tần như Danfoss, Siemen, ABB…Không chỉ cung cấp thiết bị cho ngành cấp thoát nước mà cho nhiều ngành công nghiệp khác. Chọn loại biến tần VLT 6000.
Đối với hệ thống cấp nước, sử dụng biến tần nào phụ thuộc rất nhiều vào việc phân tích, đánh giá các điều kiện, yếu tố như:
Nhu cầu dùng nước.
Khả năng đầu tư cho máy biến tần.
Trình độ quản lý vận hành mạng lưới, kể cả máy biến tần.
Động cơ máy bơm từ 5kw đến 150kw, dòng điện 3 pha, thế hiệu 380V, có thể nối với máy biến tần với mục đích thay đổi vòng quay của máy bơm và do đó điều chỉnh được đại lượng Q, H.
Nhiều công ty cấp nước như: Lâm Đồng, Hải Phòng, Hải Dương, Nha Trang, Quy Nhơn, Cần Thơ,… cũng đã đầu tư máy biến tần một cách hết sức thành công. Tuy nhiên, trước khi lắp đặt biến tần cần nghiên cứu kỹ các thống số:
Máy bơm nào, chủng loại gì sẽ đấu nối với máy biến tần.
Các đặc tính tương ứng của máy biến tần ra sao.
Biểu đồ hoạt động cụ thể của từng loại máy bơm và biến tần.
Sau khi lắp đặt cần có sự theo dõi, kiểm tra để điều chỉnh chế độ hoạt động cho phù hợp.
Xuất phát từ điều kiện thực tế của mạng lưới cấp nước có 3 mô hình kết nối máy bơm và máy biến tần.
Mô hình A: Một máy bơm được điều khiển bằng một biến tần, còn các máy bơm khác được điều khiển bằng phương pháp truyền thống.
Mô hình B: Mỗi máy bơm được điều khiển bằng một biến tần. Có Card riêng.
Mô hình C: Mỗi máy bơm được điều khiển bằng một máy biến tần với bộ điều khiển logic và máy tính.
Trong ba mô hình trên mô hình A là đơn giản và vốn đầu tư ít nhất, nhưng khó đạt hiệu quả cao khi đường ống có lưu lượng lớn hay thay đổi nhiều và đột ngột.
Mô hình C rất hiện đại, đáp ứng các sự thay đổi của đường ống. Tuy nhiên, vốn đầu tư lớn và quản lý phức tạp, đòi hỏi cán bộ quản lý phải có trình độ cao.
Đối với các trạm bơm cấp II cung cấp nước cho mạng lưới cấp nước thì giải pháp thiết kế biến tần cho trạm bơm phụ thuộc vào chế độ làm việc của các máy bơm trong trạm và số lượng các máy bơm có trong trạm bơm, điều kiện làm việc của mạng lưới cấp nước.
8.5.2. Nguyên tắc hoạt động của biến tần và các cách điều chỉnh bơm
Thiết bị biÕn tÇn
Cảm biến
áp lực
Mạng l ớ i cÊp n í c Bơm
Bể chứa
Hình 8.22. Sơ đồ lắp máy biến tần trong điều khiển bơm Nguyên lý làm việc của thiết bị biến tần:
+ Sử dụng nguyên lý điều khiển vòng kín.
+ Bộ xử lý sẽ nhận tín hiệu áp lực từ mạng lưới cấp nước, tiến hành so sánh với tín hiệu đã được cấu hình theo yêu cầu từ trước. Khi phát hiện sai lệch giữa 2 giá trị này, bộ xử lý sẽ đưa ra tín hiệu điều khiển tới bộ điều khiển của biến tấn.
+ Tại biến tần, một chương trình được lập trình sẵn sẽ có nhiệm vụ xử lý tín hiệu nhận được và chọn một tần số thích hợp cho dòng điện và động cơ. Tần số này, đảm bảo phù hợp, đáp ứng được lưu lượng và áp lực trên đường ống.
Nguyên tắc điều chỉnh hệ thống sử dụng biến tần
+ Khi nhu cầu dùng nước ít hơn hoặc bằng khả năng cung cấp của máy bơm thì máy bơm nước có lắp biến tần hoạt động.
+ Khi nhu cầu dùng nước lớn hơn khả năng cung cấp của một máy bơm nước, nhưng nhỏ hơn khả năng cung cấp của 2 máy thì một máy sẽ chạy tối đa với số vòng định mức, lưu lượng còn lại sẽ do máy biến tần bổ sung.
+ Khi sử dụng thiết bị biến tần cho phép điều chỉnh một cách linh hoạt lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới theo yêu cầu tiêu thụ.
+ Hình vẽ trên thể hiện nguyên lý làm việc điều chỉnh máy bơm bằng thiết bị biến tần. Với tín hiệu từ cảm biến áp lực phản hồi về thiết bị biến tần, bộ vi xử lý của biến tần sẽ so sánh giá trị truyền về với giá trị cài đặt để từ đó thay đổi tần số dòng
điện, điện áp cung cấp cho động cơ làm thay đổi tốc độ quay của động cơ để đảm bảo lưu lượng và áp lực cấp vào mạng lưới.
+ Sự điều chỉnh linh hoạt các máy bơm khi sử dụng biến tần được cụ thể như sau:
- Điều chỉnh tốc độ quay khi lưu lượng và cột áp cùng thay đổi.
- Điều chỉnh tốc độ quay khi lưu lượng thay đổi còn cột áp không thay đổi.
- Đa dạng trong phương thức điều khiển các máy bơm trong trạm bơm. Một thiết bị biến tần có thể điều khiển đến 5 máy bơm.
Có ba phương thức điều khiển các máy bơm:
Điều khiển theo mực nước: Trên cơ sở tín hiệu mực chất lỏng trong bể hút hồi tiếp về biến tần. Bộ vi xử lý sẽ so sánh tín hiệu hồi tiếp với mực chất lỏng được cài đặt. Trên cơ sở kết quả so sánh biến tần sẽ điều khiển đóng mở các máy bơm sao cho phù hợp để mực chất lỏng trong bể luôn bằng giá trị cài đặt. Ngược lại khi tín hồi tiếp lớn hơn giá trị cài đặt, biến tần sẽ điều khiển cắt lần lượt các bơm để mực chất lỏng luôn đạt ổn định ở giá trị cài đặt.
Điều khiển theo hình thức chủ động/ thụ động: Mỗi một máy bơm được nối với một bộ biến tần trong đó có một biến tần chủ động và các biến tần khác là thụ động Khi tín hiệu hồi tiếp về biến tần chủ động thì bộ vi xử lý của biến tần này sẽ so sánh với tín hiệu được cài đặt để từ đó tác động đến các biến tần thụ động điều chỉnh tốc độ quay của các máy bơm cho phù hợp và không gây ra hiện tượng va đập thuỷ lực phản hồi từ hệ thống. Phương thức điều khiển này là linh hoạt nhất, khắc phục những khó khăn trong quá trình vận hành bơm khác với thiết kế. Phương thức này được sử dụng cho trường hợp thay đổi cả về lưu lượng và áp lực trên mạng lưới.
Điều khiển theo hình thức biến tần điều khiển một bơm: Một máy bơm chính được điều chỉnh thông qua thiết bị biến tần, các máy bơm còn lại đóng mở trực tiếp bằng khởi động mềm. Khi tín hiệu áp lực và lưu lượng trên mạng lưới hồi tiếp về biến tần. Bộ vi xử lý sẽ so sánh với giá trị cài đặt, và điều khiển tốc độ máy bơm chính chạy với tốc độ phù hợp và điều khiển đóng mở các máy bơm còn lại cho phù hợp với nhu cầu trên mạng lưới đồng thời điều chỉnh tốc độ bơm chính sao cho hạn chế tối đa hiện tượng va đập thuỷ lực mạng lưới cấp nước. Phương thức điều khiển này được áp dụng cho trường hợp áp lực của máy bơm đúng với thiết kế nhưng lưu lượng thay đổi. Bằng
các phương thức điều khiển linh hoạt trên theo nhu cầu tiêu thụ của mạng lưới sẽ thay thế đài nước trên mạng lưới.
8.5.3. Những ưu điểm khi điều khiển tốc độ bơm bằng thiết bị biến tần
Hạn chế được dòng điện khởi động cao.
Tiết kiệm năng lượng.
Điều khiển linh hoạt các máy bơm.
Sử dụng công nghệ điều khiển vector.
Ngoài ra còn các ưu điểm khác của thiết bị biến tần như:
Dãy công suất rộng từ 1,1 – 400 Kw.
Tự động ngừng khi đạt tới điểm cài đặt.
Tăng tốc nhanh giứp biến tần bắt kịp tốc độ hiện thời của động cơ.
Tự động tăng tốc giảm tốc tránh quá tải hoặc qúa điện áp khi khởi động.
Bảo vệ được động cơ khi: ngắn mạch, mất pha lệch pha, quá tải, quá dòng, quá nhiệt.
Kết nối với máy tính chạy trên hệ điều hành Windows.
Kích thước nhỏ gọn không chiếm diện tích trong nhà trạm.
Mô men khởi động cao với chế độ tiết kiệm năng lượng.
Dễ dàng lắp đặt vận hành.
Hiển thị các thông số của động cơ và biến tần.
Từ những ưu điểm trên của thiết bị biến tần ta lựa chọn phương án lắp máy biến tần cho trạm bơm cấp II thay thế cho việc xây dựng đài nước trên mạng lưới nhằm tiết kiệm chi phí trong xây dựng và vận hành quản lý.