BIẾN TẦN – GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG HIỆU QUẢ

Một đặc điểm chung của các nhà máy, xí nghiệp là sử dụng rất nhiều động cơ bơm, quạt và các động cơ truyền động có tải cần sự thay đổi tốc độ.

Đối với các động cơ bơm quạt, trong quá trình sản xuất, lưu lượng của các thiết bị này luôn cần thay đổi để phù hợp với nhu cầu cụ thể về sản xuất của xí nghiệp, nhà máy.... 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 như ta đã biết, lưu lượng của dòng khí, môi chất thông qua thiết bị là phụ thuộc vào tốc độ qua 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 f=p.n/60 - 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 .

Theo các công nghệ truyền thống trước đây mới chỉ thực hiện được việc biến tần ở các tần số cao, với công suất nhỏ trong kỹ nghệ truyền thanh và truyền hình. Còn với tần số công nghiệp và với công suất lớn hàng trăm kilô wat thì chưa thực hiện được. Do rằng trước đây 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 đối với hệ thống quạt. Đối với hệ thống bơm thông thường có 3 phương pháp điều chỉnh như sau: sử dụng van tiết lưu, sử dụng by-pass, điều khiển on-off . Đối với các động cơ truyền động có tải cần sự thay đổi tốc độ việc điều chỉnh thường là thay đổi tỷ số truyền thông qua thay đổi đượng kính trục puli.

Việc điều chỉnh theo các phương pháp nói trên tuy có đem lại hiệu quả về về mặc kỹ thuật nhưng không kinh tế vì động cơ vẫn làm việc gần như không thay đổi, lượng điện tiêu thụ không giảm được bao nhiêu.

Cho đến nay, rào cản về trình độ công nghệ này đã bị tháo bỏ, các nước có nền kỹ nghệ tiền tiến đã chế tạo được các máy biến tần công suất lớn, và ngay lập tức đã được áp dụng vào sản xuất, giải quyết được vấn đề điều chỉnh tốc độ của các động cơ ba pha xoay chiều và đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế.

Ở đây xin bàn về hệ thống bơm quạt, như đã biết ở trên, lưu lượng của các thiết bị này phụ thuộc vào tốc độ của động cơ sơ cấp, mà tốc độ này lại phụ thuộc vào tần số của nguồn điện. Vì vậy với một động cơ sơ cấp đã có, việc điều chỉnh tốc độ dễ dàng thực hiện được nhất là thay đổi tần số của nguồn điện. Giải pháp cho vấn đề trên chính là sử dụng biến tần để thay thế cho các van hoặc lá chắn.

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:

Q ≈ n

M ≈ n²

Trong khi đó, công suất đòi hỏi của hệ thống lại bằng tích số giữa mômen và tốc độ quay: 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 ≈ Q³

Do đó một sự thay đổi nhỏ tốc độ vòng quay sẽ làm thay đổi lớn đến công suất tiêu thụ cho động cơ.

Việc điều chỉnh đầu ra (v.d lưu lượng) của bơm/quạt được thực hiện ngay tại đầu vào là nguồn sinh ra lưu lượng, cũng chính là thông qua điều chỉnh tốc độ của động cơ truyền động bơm/quạt ấy. Khi không phải dùng van (hoặc để các van sẵn có mở tối đa) đương nhiên sẽ không còn tổn thất trên van. Động cơ cũng không phải sinh công suất cơ trên trục lớn hơn nhu cầu thực để thắng sức cản trên các van.

Trong hình vẽ là đường đặc tính năng lượng - lưu lượng của bộ biến tần so sánh với bộ điều khiển van đầu vào và đầu ra. Theo hai đường đặc tính trên, chúng ta luôn thấy đường biểu diễn năng lượng cho hệ thống khi dùng biến tần (Micromaster) để điều khiển nằm thấp hơn rất nhiều so với đặc tính van, nhất là khi lưu lượng ra điều chỉnh xuống giá trị phần trăm thấp. Như trên hình vẽ, nếu giảm lưu lượng đi 20% thì năng lượng tiêu thụ sẽ giảm gần 50% trong trường hợp sử dụng biến tần. Còn khi sử dụng phương pháp điều khiển van thì năng lượng tiêu thụ giảm chỉ 2-3%.

Hình: Đặc tính năng lượng – lưu lượng cho van điều khiển đầu vào và đầu ra

Vậy bộ biến tần làm việc như thế nào?

Nguyên lý làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện (tụ DC link). Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96.

Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp.

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại. Chính vì vậy, năng lượng tiêu thụ cũng xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.

Hiện nay ở Việt nam đã có một số xí nghiệp sử dụng máy biến tần này và đã có kết quả rõ rệt, khả năng tiết kiệm cao, thời gian hoàn vốn khá thấp.

Với giải pháp tiết kiệm năng lượng bên cạnh việc nâng cao tính năng điều khiển hệ thống, các bộ biến tần hiện nay đang được coi là một ứng dụng chuẩn cho các hệ truyền động cho bơm và quạt và các động cơ truyền động có tải cần sự thay đổi tốc độ.

Nhờ tính năng kỹ thuật cao với công nghệ điều khiển hiện đại nhất (điều khiển tối ưu về năng lượng) các bộ biến tần đang và sẽ làm hài lòng nhiều nhà đầu tư trong nước, trong khu vực và trên thế giới.