Khởi động mềm, biến tần và vấn đề tiết kiệm năng lượng
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 (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 (%) Quạt Bơm
90 0.78 0.80
80 0.70 0.64
70 0.59 0.49
60 0.46 0.38
50 0.32 0.28
40 0.22 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 trong hình 5a 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 (hình 6, 7) 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 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 SUẨT - 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 6.
Hình 6: Đặc tuyến công suất-lưu lượng của quạt
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.
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 7.
Hình 7: Đặc tuyến công suất-lưu lượng của bơm
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 (Z/HMT) khác nhau ta có thể sử dụng họ đường cong trên hình 8 để tính công suất.
Hình 8: Đặc tuyến công suất-lưu lượng hệ biến tần-van
Ngoài ra, cần phải tính đến sự thay đổi của hiệu suất động cơ theo tốc độ quay. Để xác định hiệu suất của động cơ tại một tốc độ xác định, có thể sử dụng đồ thị hiệu chỉnh hiệu suất theo tốc độ như trên hình 9.
Hình 9: Hiệu suất động cơ phụ thuộc vào tốc độ
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:
với:
PN và IN: công suất và dòng định mức động cơ
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 hình 6, 7)
Hiển nhiên, công suất phản kháng tiêu thụ là:
Q = P x tanw
Trong trường hợp sử dụng biến tần, công suất tiêu thụ được tính theo công thức:
với:
f2(W): hàm công suất theo lưu lượng của bơm và quạt (các đường cong ứng với điều khiển bằng biến tần trên đồ thị hình 6, 7, 8);
f3(W): hàm hiệu suất động cơ theo tốc độ (hình 9);
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 2.1 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.
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.
Tìm kiếm hiệu quả kinh tế tổng thể
Ngày nay hiệu quả kinh tế thường hiếm khi được đo lường ở mức độ thiết bị riêng lẻ mà xu hướng là đánh giá trên toàn dây chuyền công nghệ hoặc thậm chí trên tổng chi phí sở hữu của cả hệ thống. Như vậy, vấn đề tiết kiệm điện năng phải được xem xét gắn liền với việc đảm bảo độ tin cậy của dây chuyền sản xuất, giảm thiểu chi phí vận hành và quản lí.
Do đó, trong việc lựa chọn các thiết bị thành phần của hệ thống, xu hướng thiết kế hiện đại không chỉ tính đến các vấn đề phân phối điện mà còn cả các chức năng tự động hóa phối hợp các nhóm thiết bị và khả năng giao tiếp ở cấp độ hệ thống: giám sát từ xa, điều khiển từ xa và quản lí từ xa.
Những tiến bộ công nghệ gần đây đem lại những chức năng mới hỗ trợ vận hành nhờ ứng dụng tiêu chuẩn Ethernet và công nghệ Web. Ví dụ từ máy tính ở văn phòng nhân viên vận hành có thể truy cập đến trang Web hiển thị mô hình động của hệ thống với rất nhiều thông số vận hành (tốc độ, lưu lượng, trạng thái thiết bị), cho phép chẩn đoán và điều chỉnh từ xa ngay cả trong trường hợp có sự cố như trên hình 10.
Hình 10: Giám sát và điều khiển biến tần trên nền Web
Điều hiển nhiên là việc giám sát được đơn giản hóa, tính liên tục của hệ thống được nâng cao và chi phí quản lí giảm thiểu.
Kết luận:
Nếu chỉ để giải quyết vấn đề khởi động và dừng động cơ công suất lớn, khởi động mềm là giải pháp kinh tế nhất. Sử dụng biến tần ngoài việc cải thiện khả năng điều khiển của hệ thống còn có thể đem lại hiệu quả tiết kiệm điện năng đáng kể cho các ứng dụng có tải biến đổi theo tốc độ.
Việc nắm vững đặc điểm của các ứng dụng, phương pháp tính toán, tận dụng các chức năng tự động hóa là yếu tố then chốt để sử dụng hợp lí biến tần và khởi động mềm nhằm đạt được hiệu quả tối ưu trong vận hành.
NGUYỄN XUÂN LỘC
HP: 0985.966.907
MAIL:
nguyenxuan.loc@dhi.com.vn
giúp em vói các bác ơi
EM đang là sinh viên. em van mơ hồ về biến tần ko biết nhiều về nóvậy bác nào có tài liệu gì chỉ cho em với.tên sách cũng dược
Automatic to Develop
Inverter & Softstarter Danfoss
