SỬ DỤNG BIẾN TẦN GIẢI PHÁP GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG SẢN XUẤT

PHẦN I : TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CỦA BIẾN TẦN

Vấn  đề sử dụng hợp  lý  và  tiết  kiệm  điện  đã  được Tập  đoàn Điện lực ViệtNam  tuyên truyền, vận động qua các phương  tiện  thông  tin đại chúng. Ở đây, chúng tôi muốn nêu một giải pháp cho các cơ sở sản xuất đang sử dụng các động cơ điện không đồng bộ công suất vừa và lớn :

            Hệ  thống  truyền động điện cho máy công  tác hoặc các dây  chuyền sản xuất phục vụ sản xuất nông nghiệp đã sử dụng phổ biến động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ loại roto lồng sóc hay còn gọi là động cơ cảm ứng. Động cơ không đồng bộ nói chung có nhiều ưu việt nhưng nếu sử dụng để điều khiển đơn giản ( khởi động trực tiếp hoặc khởi động sao tam giác )thì hệ tồn tại một số nhược điểm như:

- Dòng điện khởi động rất lớn, gấp 4 - 6 lần dòng điện định mức của động cơ, đặc biệt ở những máy  luôn có tải  thường  trực như máy bơm nước, quạt  ly tâm, máy nén khí, băng tải, máy nghiền búa...ảnh hưởng xấu tới những máy khác đang vận hành đồng thời và giảm tuổi thọ động cơ điện.

- Tốc độ  vòng quay của động cơ điện cảm ứng  chỉ được điều khiển  theo từng cấp (hữu

cấp); thông thường mỗi động cơ chỉ thay đổi được một trong các dãy tốc độ đồng bộ như:

3.000  -  1.500vg/ph;  1.500  -  1.000vg/ph; trong  khi đó  những  công nghệ sản xuất yêu cầu hệ  thống  truyền động cần được điều khiển tốc độ  liên tục (vô cấp) theo mô men và phụ tải thay đổi thì hệ truyền động điện trên không có khả năng đáp ứng.

Do sự phát  triển vượt bậc của kỹ  thuật vi điện tử và điện tử công suất nên ngày  càng có nhiều  loại  thiết bị  điều  khiển  động cơ  điện  không  đồng bộ với  các  chức năng  hoàn hảo mà “ biến tần AC ” là một điển hình.

 Nguyên lý làm việc:

Tốc độ đồng bộ (chưa  tính đến độ trượt s) của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

được tính: 

                       n = 60f/p (vg/ph).

Ở đây:   f - tần số lưới điện 50Hz (một số quốc gia trên thế giới có tấn số f = 60Hz);

              p - số cặp cực từ trên stato động cơ.

Vì vậy, dựa vào công thức tính (n), người ta có thể thay đổi tần số (f) ở nguồn vào động cơ, do đó tốc độ động cơ sẽ được thay đổi theo để đạt giá trị mong muốn, thiết bị này được gọi là bộ biến tần. Bộ biến tần phải thực hiện được các chức năng:

  - Biến đổi điện áp xoay chiều ba pha của nguồn điện vào  thành điện áp một chiều nhờ bộ

chỉnh lưu cầu ba pha; 

- Sau đó nhờ bộ nghịch lưu (INVERTER) sẽ đổi ngược lại thành điện áp xoay chiều ba pha

biến đổi theo phương pháp điều chế độ rộng của xung ;

Về ứng dụng: 

-  Điều  khiển  động cơ  không  đồng bộ  công suất từ  15  đến  trên 600kW với tốc  độ  khác nhau;

- Điều  chỉnh lưu lượng của bơm, lưu lượng không khí ở quạt ly tâm, năng suất máy, năng suất băng tải ....

- Ổn định lưu lượng,  áp  suất  ở mức cố định trên hệ  thống bơm nước,  quạt  gió, máy  nén khí ... cho dù nhu cầu sử dụng thay đổi;

- Điều khiển quá trình khởi động và dừng chính xác động cơ trên hệ thống băng tải ...

Biến tần AC công suất nhỏ từ 0,18 á 14 kW có thể sử dụng để điều khiển những máy công tác như: cưa gỗ, khuấy trộn, xao chè, nâng hạ ...

Với bơm và quạt ly  tâm  là những máy có mô men tải thay đổi theo tốc độ vòng quay như sau:

- Lưu lượng (m3/h) tỷ lệ bậc nhất với tốc độ, Q1/Q2 = n1/n2 ;

- Áp suất (Pa) tỷ lệ bình phương tốc độ, H1/H2 = (n1/ n2)²

- Công suất điện tiêu thụ (kW) tỷ lệ lập phương với tốc độ, P1/P2 = (n1/ n2)³

Ở đây: Q1, H1, P1 - lưu lượng, áp suất và công suất điện tương ứng với số vòng quay định

mức của động cơ ( n1= 2960, 1.460 vg/ph ...).

        Q2, H2, P2  - lưu lượng, áp suất, công suất điện ứng với tốc độ vòng quay được điều

chỉnh (n2

            Từ đó dễ dàng nhận  thấy, ở một số  trường hợp mà công nghệ sản xuất đòi hỏi phải điều chỉnh lưu lượng, áp suất ở động cơ máy bơm, hoặc quạt gió theo mức tải phù hợp với từng thời điểm khác nhau thì việc thay đổi tốc độ động cơ dẫn động được xem là thích hợp nhất, đặc biệt  tiết kiệm điện năng. Giải pháp này đã  thay  thế cho phương pháp cổ truyền  là khi cần thay đổi sự lưu thông chất lỏng hay chất khí phải thông qua góc mở các van ở đầu vào hoặc đầu ra của đường ống.

Công suất điện tiêu thụ tỷ lệ với bậc ba của tốc độ, vì thế giải phápứng dụng biến tần điều chỉnh tốc độ bơm là sự lựa chọn duy nhất cho khả năng  tiết kiệm điện rất cao so với động cơ  làm việc với tốc độ không đổi (100% nđm). 

Ví dụ: Thông số của động cơ bơm nước như sau: công suất định mức Pđm = P1 = 30kW,số

vòng quay định mức n1 = 2.960vg/ph. Khi cần điều chỉnh để giảm lưu lượng hoặc áp suất

bằng cách giảm tốc độ dưới định mức: n2 = 2.500vg/ph, thì công suất tiêu  thụ lúc này chỉ

còn: 

                  P2 = 30. (2.500/2.960)³ = 18kW,  (P2 = 60% Pđm)

Nếu máy vận hành ở chế độ ít tải trong thời gian t =15 h/ngày, điện năng có thể tiết kiệm

được so với không dùng biến tần : 

                 DA = 30.15 - 18.15 = 180kWh/ngày 

Hiệu quả khi sử dụng biến tần :

 - Hiệu suất làm việc của máy cao;

 - Quá trình khởi động và dừng động cơ rất êm dịu nên giúp cho  tuổi thọ của động cơ  và

các cơ cấu cơ khí dài hơn;

- An toàn, tiện lợi và việc bảo dưỡng cũng ít hơn do vậy đã giảm bớt số nhân công  phục vụ và vận hành máy ...

- Tiết kiệm điện năng ở mức tối đa trong quá trình khởi động và vận hành.

Ngoài ra, hệ thống máy có  thể kết nối với máy  tính ở  trung  tâm. Từ  trung tâm điều khiển nhân viên vận hành có thể thấy được hoạt động của hệ thống và các thông số vận hành (áp suất, lưu lượng,  vòng quay  ...),  trạng  thái  làm việc cũng như  cho phép điều  chỉnh,  chẩn đoán và xử lý các sự cố có thể xảy ra.

PHẦN II : GIỚI THIỆU HỆ ĐIỀU KHIỂN BƠM NƯỚC SẠCH DÙNG BIẾN TẦN   TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG

A : Cấu hình hệ thống và nguyên lý hoạt động:

Biểu đồ sau minh họa hoạt động điều khiển bơm :

Như vậy với việc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo đúng thực tế lưu lượng phụ tải, do vậy sẽ giảm đáng kể năng lượng tiêu hao không cần thiết vào các giờ phụ tải thấp điểm.

- PLC S7-200: bộ điều khiển trung tâm, nó xử lý các tín hiệu thu thập về từ hệ thống để điều khiển các động cơ. Các động cơ được điều khiển chạy thông qua biến tần và các contactor.

- Converter (biến tần): điều khiển trơn tốc độ động cơ. Với biến tần thì động cơ chạy với hiệu suất rất cao ngay cả khi hoạt động ở tốc độ thấp. Biến tần sẽ làm cho hệ thống hoạt động tiết kiệm năng lượng điện so với cách hoạt động cũ của trạm.

- Đầu đo áp suất: mục đích để đo áp suất mạng. Với tín hiệu đo được từ đầu đo áp suất đưa về PLC xử lý điều khiển tốc độ bơm. Với đầu đo này PLC sẽ giám sát được áp suất nước trên mạng.

- Màn hình hiển thị TD-200: dùng để cài đặt các chế độ hoạt động của trạm, cài áp suất mạng... Ngoài ra, trên màn hình còn hiển thị áp suất đo được trên đường ống mạng.

Nguyên lý hoạt động:

Với thiết kế này, hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên đường ống mạng và điều khiển ngược lại để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu. PLC sẽ điều khiển áp suất  nước trên đường ống mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức là hệ thống sẽ điều khiển áp suất theo thời gian thực. Hệ thống điều khiển tự động này một số chức năng chính sau:

- Đo lường: do đầu đo áp suất đo lường và chuyển đổi để đưa về CPU của S7-200.

- Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề này.

- Điều khiển: S7-200 sẽ phối hợp với biến tần làm việc này theo yêu cầu.

- Giám sát: S7-200 sẽ kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động.

- Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị: do màn hình hiển thị TD-200 thực hiện.

         - Hệ thống có thể chuyển đổi qua lại giữa các motor bơm chạy với biến tần nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng mà không làm gián đoạn sản xuất. Việc chuyển đổi có thể thực hiện bằng cách cài đặt trên màn hình TD200.

         - Đồng thời để cho phép mở rộng và phát triển phụ tải sau này, hệ thống có thể sử dụng cùng lúc hai bơm nếu cần. Bơm thứ hai sẽ đươc tự động đóng chạy trực tiếp thông qua côngtắctơ như là một bơm nền và bơm có biến tần sẽ chạy điều chỉnh đỉnh cho phù hợp với phụ tải. Hoạt động của hệ thống như biểu đồ minh hoạ ở trên.