ở các hệ truyền động điện bơm, quạt gió và máy nén trong nhà máy công nghiệp.
Các chế độ làm việc của bơm, quạt gió và máy nén trên đƣờng ống chính bơm, quạt gió và máy nén thực hiện việc cấp chất lỏng-chất khí vào mạng đƣờng ống. Trong mạng đƣờng ống bao giờ cũng có một đƣờng ống chính (ống cái) là đƣờng ống lắp ngay ở đầu ra các bơm, quạt gió hoặc máy nén. Trong thực tế sản xuất thƣờng hay quan tâm đến cột áp, lƣu lƣợng trên đƣờng ống chính. Vì vậy, cần phải xét các chế độ làm việc của bơm, quạt gió và máy nén trên đƣờng ống chính. Do tính thông dụng của loại máy cánh (mà chủ yếu sử dụng kiểu ly tâm) trong sản xuất công nghiệp và trong các toà nhà cao tầng, nên trong bài viết này chỉ xét đến các chế độ làm việc của bơm, quạt gió và máy nén (cùng loại máy cánh kiểu ly tâm và gọi chung là máy) trên đƣờng ống chính làm cơ sở để nghiên cứu khả năng tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ của máy khi áp dụng kỹ thuật biến tần trong điều khiển và ổn định áp lực hoặc lƣu lƣợng trên đƣờng ống chính.Các đặc tính cơ bản để nghiên cứu khả năng tiết giảm năng lƣợng điện là: đặc tính cột áp và đặc tính công suất của máy; đặc tính máy; đặc tính đƣờng ống chính.
-Cột áp H và công suất P của máy quan hệ với lƣu lƣợng Q của máy theo các biểu thức: H = aQ2; P = bQ3 với a, b là các hệ số không đổi, đƣợc gọi là đặc tính cột áp và đặc tính công suất của máy.Dạng đặc tính nhƣ hình 3. 1:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
48
Hình 3.1. Đặc tính cột áp- lƣu lƣợng
-Cột áp toàn phần H của máy quan hệ với lƣu lƣợng Q theo đƣờng cong với sự tăng của Q thì giảm H và ngƣợc lại ở những tốc độ khác nhau; quan hệ tuyến tính giữa công suất P của máy với lƣu lƣợng Q ở những tốc độ khác nhau đƣợc gọi chung là đặc tính máy. Dạng đặc tính nhƣ hình 3.2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
49
Hình 3.2. Đặc tính công suất- lưu lượng
- Cột áp toàn phần H trên đƣờng ống chính quan hệ với lƣu lƣợng Q trên đƣờng ống chính đƣợc gọi là đặc tính đƣờng ống chính và theo biểu thức: H = Ht + kđQ2 với Ht là thành phần tĩnh của cột áp toàn phần, có thể mang dấu dƣơng hoặc âm tuỳ thuộc sự quan hệ giữa cột áp toàn phần của đƣờng ống chính với cột áp toàn phần của máy (trong bài chỉ xét với dấu dƣơng là tƣơng ứng với chiều của hai cột áp ngƣợc nhau) và có cách tính khác nhau tuỳ thuộc vào máy là bơm, quạt gió hay máy nén; kđ là hệ số cản thuỷ khí động lực hoặc khí động lực trên đƣờng ống, mà một trong những tác nhân chính gây ra kđ là góc mở của van (có thể là van cơ, hoặc van cơ-điện, hoặc van cơ-điện-thuỷ lực đƣợc bố trí trên đƣờng ống đầu ra của bơm,
quạt gió và máy nén) hoặc cửa gió.
Nhƣ vậy, có thể dễ dàng có nhận xét:
- Điểm làm việc “cột áp” (hay còn có thể gọi là điểm làm việc “lƣu lƣợng”) của máy là giao điểm giữa đƣờng cong đặc tính máy ở một tốc độ nào đó với đƣờng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
50
cong đặc tính cột áp của máy (hình 3.1);
- Điểm làm việc “công suất” của máy là giao điểm giữa đƣờng đặc tính máy ở một tốc độ nào đó với đƣờng cong đặc tính công suất của máy (hình 3.2); - Điểm làm việc của hệ thống (hệ thống đƣợc hiểu là gồm máy cùng các đƣờng ống chính tƣơng ứng) là giao điểm giữa đƣờng cong đặc tính máy với đƣờng cong đặc
tính đƣờng ống chính (hình 3.2);
- Việc điều chỉnh năng suất của máy (tức điều chỉnh điểm làm việc của hệ thống)
đƣợc thực hiện bởi ba phƣơng pháp:
+ Phƣơng pháp thứ nhất: Thay đổi đặc tính đƣờng ống chính bằng cách thay đổi góc mở của van (hoặc cửa gió ) tức thay đổi hệ số kđ. Phƣơng pháp này thích hợp cho hệ thống có tốc độ động cơ dẫn động bơm, quạt gió và máy nén không đổi; + Phƣơng pháp thứ hai: Thay đổi đặc tính của máy trên đƣờng ống chính bằng cách thay đổi tốc độ của động cơ dẫn động máy. Sự thay đổi tốc độ đó có thể là có cấp hoặc vô cấp, hiện nay việc thay đổi tốc độ vô cấp bằng cách sử dụng biến tần là ƣu
việt nhất;
+ Phƣơng pháp thứ ba: Phối hợp cả hai phƣơng pháp trên với chú ý sử dụng thay đổi tốc độ và góc mở của van hoặc quạt gió theo vô cấp. Phƣơng pháp này thích hợp để tạo ra sự ổn định của giao điểm giữa hai đƣờng đặc tính (đặc tính máy và đặc tính đƣờng ống chính) luôn nằm trên đƣờng đẳng áp hoặc đẳng lƣu (đƣờng số 3 và số 4 trên hình 3. 2). Để thực hiện phƣơng pháp này một cách tốt nhất phải sử dụng van hoặc cửa gió có điều khiển (dùng loại van hoặc cửa gió có động cơ điện
dẫn động).
Các chế độ làm việc trong chế độ xác lập của máy trên đƣờng ống chính có dạng nhƣ hình 3.3.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
51
Hình 3.3. Chế độ làm việc
Từ hình3.3, dễ dàng:
- Xác định đƣợc dải điều chỉnh tốc độ động cơ dẫn động bơm, quạt gió và máy nén từ các giá trị cực đại và cực tiểu của cột áp và lƣu lƣợng, theo biểu thức: D = nmax/nmin = Qmax/Qmin = (Hmax/Hmin)1/2. Trong đó: các giá trị Hmax và Qmax cho bơm, quạt gió và máy nén làm việc trên đƣờng ống chính khi Ht =0, đƣợc xác định bởi giao điểm giữa đƣờng cong đặc tính máy ở tốc độ nđm (coi bằng ùmax khi điều chỉnh tốc độ về phía nhỏ hơn định mức để tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ) với đƣờng cong đặc tính (số 1)đƣờng ống chính (điểm A); các giá trị Hmin và Qmin, đƣợc xác định bởi giao điểm giữa đƣờng đặc tính đƣờng ống chính (đƣờng số 2) với đƣờng đặc tính máy ở tốc độ nmin (điểm B); các giá trị Hmax và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
52
Qmax khi tồn tại thành phần cột áp tĩnh Ht, đƣợc xác định bởi giao điểm giữa đƣờng cong đặc tính máy ở tốc độ ùđm với đƣờng cong đi qua điểm B (đƣờng nét đứt), đó là điểm C.
- Nhận biết đƣợc điểm làm việc của hệ thống khi máy chạy với tốc độ không đổi và thay đổi năng suất của hệ thống bằng cách thay đổi hệ số cản kđ (có thể là chủ động do thay đổi góc mở của van hoặc cửa gió trên đƣờng ống hoặc bị động do sự thay đổi ngẫu nhiên mức tiêu thụ lƣu lƣợng). Đó là các điểm di chuyển trên đƣờng cong đặc tính máy ở tốc độ nđm hoặc ở tốc độ khác mà máy đang chạy;
- Nhận biết đƣợc điểm làm việc của hệ thống khi thay đổi năng suất của hệ thống bằng cách thay đổi đặc tính máy bởi việc thay đổi tốc độ động cơ dẫn động. Đó là các điểm làm việc di chuyển trên các đƣờng cong số 1 hoặc số 2 tƣơng ứng với tốc độ động cơ dẫn động;
- Muốn ổn định lƣu lƣọng trên đƣờng ống chính cần phải thay đổi tốc độ động cơ dẫn động và hệ số giá kđ (hai sự thay đổi đó phải đảm bảo giao điểm giữa đƣờng cong đặc tính máy và đƣờng cong đặc tính đƣờng ống chính luôn nằm trên đƣờng đẳng lƣu Q = const) sao cho tƣơng ứng với sự thay đổi cột áp;
- Muốn ổn định áp lực trên đƣờng ống chính cần phải thay đổi tốc độ động cơ dẫn động và hệ số kđ (hai sự thay đổi đó phải đảm bảo giao điểm giữa đƣờng cong đặc tính máy và đƣờng cong đặc tính đƣờng ống chính luôn nằm trên đƣờng đẳng áp H = const) sao cho tƣơng ứng với sự thay đổi lƣu lƣợng (tức tƣơng ứng với nhu cầu tiêu thụ chất lỏng-chất khí ở từng thời điểm);
- Việc thay đổi giá trị cột áp hay lƣu lƣợng chỉ bằng cách thay đổi đặc tính đƣờng ống chính (trên thực tế, hầu hết các cơ sở sản xuất công nghiệp hiện nay áp dụng phƣơng pháp này bằng cách xoay các van) là không thể thực hiện đƣợc mục đích ổn định giá trị thay đổi đó;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
53
- Việc thay đổi giá trị cột áp hay lƣu lƣợng chỉ bằng cách thay đổi đặc tính máy là không thể thực hiện đƣợc mục đích ổn định giá trị thay đổi đó. Nhƣng với phƣơng pháp này mở ra khả năng “ổn định” cột áp hay lƣu lƣợng tại từng khoảng thời gian với dao động cột áp hay lƣu lƣợng cho phép bằng cách phối hợp với xoay các van.
Để hiểu khái quát khả năng tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ trong các hệ TĐĐ máy dùng biến tần, ta so sánh mức tiêu hao năng lƣợng ở hệ TĐĐ (dạng đơn giản nhất) dùng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc khi không và có dùng biến tần nhƣ hình 3.4
Hình 3.4. Chuyển đổi dùng biến tần trong truyền động điện
Với việc không sử dụng biến tần: Công suất động cơ ĐC1 đƣợc tính chọn ở chế độ tải định mức và tần số nguồn điện lƣới (thông thƣờng là 50Hz), các đặc tính quan trọng nhƣ H/Hđm = f(Q/Qđm) ; P/Pđm = f(Q/Qđm) thể hiện trên hình 1 chỉ ở
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
54
một tốc độ Uđm (điểm làm việc của hệ thống là điểm cố định hoặc di chuyển trên đƣờng cong đặc tính máy ở tốc độ Uđm trên hình 3a).
Với việc sử dụng biến tần: Từ các đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc trong hệ thứ 8 (xem bài kỳ trƣớc), dễ thấy một điều hiển nhiên là khi cài đặt tần số định mức ở biến tần sao cho tốc độ không tải của động cơ ĐC2 (hình 3.4) cao hơn của động cơ ĐC1 thì mô men trên trục động cơ ĐC2 sẽ tăng lên, bởi thế công suất Pmax cần phải tính ở tốc độ cực đại nmax, còn công suất định mức sẽ đƣợc tính ở tốc độ định mức theo biểu thức Pđm =Pmax*Uđm/Umax.
Theo biểu thức này, sẽ thấy với cùng một tải khi dùng biến tần với điều kiện cài đặt trên sẽ chọn đƣợc ĐC2 có công suất nhỏ hơn ĐC1 nhƣng vẫn đảm bảo đáp ứng đƣợc công suất cần thiết trên trục dẫn động máy (tức tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ đó thực hiện đƣợc), hoặc với hệ TĐĐ có sẵn sau khi chuyển đổi dùng biến tần (vẫn sử dụng ĐC1) thì do tính ƣu việt của biến tần (cài đặt quy luật điều khiển) sẽ vẫn thực hiện đƣợc tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ trong quá trình cần thay đổi và ổn định cột áp hoặc lƣu lƣợng (đƣợc hiểu là tập các giá trị thấp hơn giá trị tối đa cho phép tƣơng ứng với tốc độ định mức của động cơ dẫn động).
Việc thực hiện đƣợc tiết giảm năng lƣợng điện nhờ các quy luật điều khiển cài đặt trực tiếp vào biến tần hoặc thông qua PLC (trong các hệ thống phức tạp) có thể hiểu dễ dàng qua ví dụ sau:
Ví dụ: Dùng biến tần trong hệ TĐĐ quạt gió (loại máy cánh) có chức năng cấp khí lạnh (thuộc hệ điều hoà không khí trung tâm) vào một phòng nhƣ sau:
Ta biết rằng, để điều hoà không khí trong một phòng cần thực hiện việc điều chỉnh cấp khí lạnh (luồng khí lạnh) qua các cửa gió và để ổn định nhiệt độ trong phòng theo mức mong muốn có thể thực hiện theo 2 cách: hoặc chỉnh độ mở cửa gió hoặc điều chỉnh lƣu lƣợng khí lạnh vào phòng theo phƣơng pháp điều chỉnh áp lực dòng khí lạnh. Từ các đặc tính trên hình 3.1 và hình 3.2, cùng khả năng đáp ứng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
55
đƣợc các đặc tính đó của biến tần sẽ đƣa ra đƣợc các điểm làm việc của hệ thống và sự phụ thuộc giữa công suất và lƣu lƣợng của dòng khí do quạt gió tạo ra nhƣ hình 3.5
Hình 3.5. Đặc tính biến tần trong quạt gió
Trong hình 3.5:
- A là điểm làm việc của hệ thống tƣơng ứng với có lƣu lƣợng Q, áp suất H ở chế độ định mức. Trong thực tế: chế độ định mức phải đƣợc hiểu là chế độ ứng với tốc độ tối đa mà động cơ hoạt động không gây ra các sự cố do quá tốc độ, thông thƣờng nên chọn tốc độ tối đa cho phép chính bằng ùđm . Điều này có nghĩa, sử dụng biến tần để thay đổi tốc độ động cơ nên cài đặt tần số tối đa do biến tần tạo ra đúng bằng tần số nguồn điện lƣới;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
56
- B và C là điểm làm việc của hệ thống tƣơng ứng với lƣu lƣợng Q = 0,8Qđm ở chế độ sử dụng cách thay đổi góc mở cửa gió (hình 4a) và thay đổi tốc độ quay quạt gió (hình 4c) trong cả hai trƣờng hợp không và có áp lực tĩnh, nhằm mục đích điều hoà không khí (tƣơng ứng với sau khoảng thời gian nào đó, nhiệt độ trong phòng giảm xuống mức chỉ cần lƣu lƣợng khí lạnh vào bằng 0,8Qđm).
Từ các đặc tính trên hình 4, dễ nhận thấy: với hình 4a và hình 4b thì công suất tiêu thụ tại thời điểm xảy ra điểm làm việc B sẽ là P/Pđm ≈ 0,92; với hình 4c và hình 4d thì công suất tiêu thụ tại thời điểm xảy ra điểm làm việc B sẽ là khoảng P/Pđm ≈ 0,48 và tại điểm làm việc C sẽ là khoảng ≈ 0,62. Nhƣ vậy, khả năng tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ tại thời điểm xảy ra trƣờng hợp này ≈ 48% và ≈ 33%(nếu coi P/Pđm = 0,92 là 100%)
Một cách trực quan, từ các đặc tính trên suy ra khả năng tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ bởi hệ TĐĐ máy khi chuyển đổi sang dùng biến tần (giữ nguyên động cơ dẫn động) đƣợc mô tả trực quan nhƣ hình 5.
Hình 3.6. So sánh mức tiêu thụ công suất khi điều chỉnh H, Q theo hai phương pháp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
57
Từ hình 3.6, có nhận xét:
- Với những hệ luôn phải làm việc với điều kiện định mức (hay còn hiểu là tối đa cho phép) thì việc chuyển đổi dùng biến tần không tạo ra khả năng tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ nếu không dùng biện pháp thay động cơ dẫn động bởi động cơ dẫn động khác có công suất nhỏ hơn và tần số nguồn điện từ biến tần phải cao hơn tần số nguồn điện lƣới;
- Với những hệ có thời gian làm việc tạo lƣu lƣợng hoặc áp lực càng thấp so với thời gian làm việc tạo lƣu lƣợng hoặc áp lực tối đa thì khả năng tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ khi sử dụng biến tần càng cao;
- Với những hệ càng nhiều động cơ và mức tiêu thụ càng ngẫu nhiên (ví dụ: hệ thống điều hoà không khí các toà nhà cao tầng; các trạm bơm cung cấp nƣớc sạch; tạo khí trong các nhà máy công nghiệp,...) thì mức tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ càng lớn.
Nhƣ vậy, với một hệ TĐĐ máy cụ thể đang sử dụng trong sản xuất công nghiệp và phục vụ nhu cầu của các toà nhà cao tầng thì khi áp dụng kỹ thuật biến tần vào điều khiển tốc độ động cơ dẫn động sẽ tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ một cách đáng kể. Mức tiết giảm bao nhiêu % phụ thuộc vào: cấu trúc cụ thể của từng hệ thống cũ; cấu trúc chuyển đổi mới và các %Qđm hoặc các %Hđm trong các khoảng thời gian cụ thể tƣơng ứng (thƣờng thống kê theo từng tháng, 6 tháng hay 1năm tƣơng ứng với thời điểm ghi số điện tiêu thụ của bên bán điện). Hệ thống cũ càng nhiều động cơ, thời gian sử dụng các %Qđm (hoặc các %Pđm) dƣới 100% càng nhiều và các % đó càng thấp thì khả năng tiết giảm năng lƣợng điện tiêu thụ càng cao và ngƣợc lại. Qua thực tế kiểm nghiệm và các phƣơng pháp tính toán trên cơ sở khảo sát-thực nghiệm cụ thể, có thể thấy rằng: sau khi thiết lập đƣợc những