PHÂN TÍCH TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG MÁY NÉN KHÍ

Trong hệ thống đường ống cung      cấp khí, đối tượng điều khiển cơ bản  nhất là lưu lượng. Nhiệm vụ cơ bản nhất  của hệ thống đường ống cung cấp khí  nén  là đáp ứng nhu cầu của người dùng  về lưu lượng. Hiện tại có hai chế độ điều  khiển lưu lượng khí: chế độ điều khiển  cung cấp khí lúc có tải/ không  tải và chế độ điều khiển tốc độ.

Chế độ điều khiển cung cấp khí có tải/ không tải

Chế độ này đề cập đến việc kiểm soát không khí đầu vào qua van cửa vào. Có nghĩa là khi áp suất đạt đến giới hạn trên, van cửa vào sẽ đóng và máy nén sẽ đi vào trạng thái hoạt động không tải, khi áp suất đạt dưới hạn dưới, van cửa vào sẽ mở và máy nén sẽ đi vào trạng thái hoạt động có tải.

Máy nén khí không cho phép tình trạng hoạt động có tải trong thời gian dài, công suất định mức của motor được chọn theo nhu cầu thực tế lớn nhất và thông thường được thiết kế dư tải. Các thiết bị khởi động chịu sự hao mòn lớn và đó là nguyên nhân làm cho tuổi thọ motor giảm, do đó sẽ nặng về công việc bảo trì. Mặc dù phương pháp giảm điện áp đã được áp dụng, dòng khởi động vẫn còn rất lớn, nó có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của lưới điện và ảnh hưởng đến sự hoạt động an toàn của các thiết bị tiêu thụ điện khác. Hơn nữa, trong mọi trường hợp sự hoạt động là liên tục và động cơ của máy nén khí không được hỗ trợ điều chỉnh tốc độ, do đó sự thay đổi áp suất và lưu lượng không được dùng trực tiếp để giảm tốc độ và điều chỉnh công suất đầu ra cho phù hợp, và motor không cho phép khởi động thường xuyên, đó là nguyên nhân làm cho motor vẫn còn chạy không tải trong khi lượng khí tiêu thụ rất nhỏ, làm tiêu tốn một lượng lớn điện năng.

Chế độ có tải/không tải thường xuyên là nguyên nhân thay đổi áp suất trong toàn bộ đường ống, và áp suất làm việc không ổn định sẽ giảm tuổi thọ của máy nén khí. Mặc dù đã có một vài điều chỉnh cho máy nén khí (chẳng hạn như điều chỉnh van, điều chỉnh tải) ngay cả trong trường hợp lưu lượng ít, lượng điện tiêu thụ giảm xuống cũng không đáng kể do motor quay liên tục.

Chế độ điều khiển tốc độ quay motor

Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi tốc độ quay của máy nén khí, trong khi vẫn giữ cho van mở không thay đổi (thường là duy trì mở tối đa). Khi tốc độ quay của máy nén khí thay đổi, các đặc tính khác cũng thay đổi cùng với hệ thống nén khí, trong khi lực cản đường ống không đổi.

Với chế độ điều khiển như vậy, công nghệ thay đổi tần số được dùng để thay đổi tốc độ quay motor của máy nén khívà máy nén khí sẽ thay đổi lưu lượng theo nhu cầu tiêu thụ thực tế. Như vậy, hệ thống cung cấp khí có thể đạt được hiệu quả cao nhất đồng thời tiết kiệm điện. Nguyên tắc cơ bản của biến tần là sự chuyển đổi điện AC-DC-AC và có thể cho ra điện áp có tần số thay đổi theo yêu cầu của người dùng. Tốc độ quay của motor là tỉ lệ tuyến tính với tần số, do đó điện áp xoay chiều ở ngõ ra với tần số điều chỉnh được bởi biến tần có thể đáp ứng cho điện áp motor của máy nén khí, do đó tiện lợi cho việc thay đổi tốc độ quay của máy nén khí.

Nguyên lý tiết kiệm điện của việc cung cấp khí với áp suất không đổiNhư đã nói ở trên, lưu lượng là đối tượng điều khiển cơ bản của một hệ thống cung cấp khí. Lưu lượng khí cần thiết phải đáp ứng được lưu lượng tiêu thụ khí bất cứ lúc nào. Trong một hệ thống cung cấp khí, áp suất trong đường ống dự trữ có thể chỉ ra mối quan hệ giữa công suất cung cấp và nhu cầu tiêu thụ khí.
Nếu lưu lượng cung cấp > lưu lượng tiêu thụ làm áp suất bên trong đường ống sẽ tăng lên.
Nếu lưu lượng cung cấp < lưu lượng tiêu thụ làm áp suất bên trong đường ống sẽ giảm xuống.
Nếu lưu lượng cung cấp = lưu lượng tiêu thụ làm áp suất bên trong đường ống sẽ giữ nguyên không thay đổi.
Do đó, nếu áp suất trong đường ống là không đổi, lượng cung cấp khí chỉ cần đáp ứng đủ lượng khí tiêu dùng. Đây là mục đích của một hệ thống cung cấp khí với áp suất không đổi.

Hệ thống VVF xem áp suất đường ống như  là một đố tượng điều khiển, một cảm biến áp suất ở cửa ra của đường ống sẽ chuyển áp suất của bình chứa thành tín hiệu điện, gửi tín hiệu đến hệ thống điều chỉnh PID, so sánh nó với áp suất đặt, tiến hành tính toán theo kiểu điều khiển PID căn cứ theo độ lớn của sự sai lệch, phát ra một tín hiệu điều khiển để điều khiển điện áp ngõ ra và tần số của biến tần, điều chỉnh tốc độ quay của motor, như vậy áp suất thực sự được giữ không đổi và giữ cố định trong toàn thời gian. Thêm vào đó, khi sử dụng giải pháp này, biến tần có thể khởi động mềm cho motor của máy nén khí từ lúc đứng yên cho đến lúc tốc độ quay ổn định, ngăn ngừa sự ảnh hưởng của dòng điện lớn trong lúc máy nén khí khởi động. Ở điều kiện bình thường, máy nén khí hoạt động theo chế độ điều khiển VVF. Đột nhiên biến tần bị lỗi, quá trình sản xuất không cho phép sự trì hoãn của máy nén khí, vì vậy hệ thống cơ cấu chức năng chuyển đổi giữa nguồn điện lưới và biến tần. Theo cách này, khi biến tần bị lỗi, nguồn điện lưới có thể lập tức cung cấp nguồn thông qua contactor, như vậy máy nén khí có thể hoạt động bình thường như thường lệ.

Toàn bộ qua trình điều khiển như  sau:

Nhu cầu tiêu thụ khí tăng lên -> áp suất trên đường ống giảm -> sự chênh lệch giữa áp suất cài đặt và giá trị hồi tiếp tăng lên -> PID ngõ ra tăng lên -> tần số ngõ ra của biến tần tăng lên -> tốc độ quay của motor máy nén khí tăng lên -> lưu lượng khí cung cấp tăng lên ->  áp suất đường ống giữ ổn định.

Xin lưu ý rằng PID của biến tần không kiểm soát sự điều chỉnh trong giới hạn dung sai áp suất , tức là tần số ngõ ra được giữ không thay đổi.

Ở hình vẽ trên, “nguồn cung cấp chính” và “tiết kiệm năng lượng” được contactor chỉ định là nguồn cấp cho motor máy nén khí. Như vậy, có hai tùy chọn chế độ hoạt động cho “hoạt động nguồn điện chính” và “hoạt động tiết kiệm năng lượng”. Ở chế độ hoạt động nguồn điện chính, biến tần không làm việc và toàn bộ hệ thống khởi động/dừng bằng tay.và hoạt động ở tần số điện lưới theo phương pháp ban đầu. Trong khi ở chế độ hoạt động tiết kiệm năng lượng, máy nén khì được điều khiển trực tiếp bằng biến tần và hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay motor máy nén khí theo lượng khí tiêu thụ, để các bồn chứa duy trì một lượng áp suất không.

Những đề phòng khi phối hợp xây dựng lại máy nén khí có sử dụng biến tần

- Một máy nén khí thì kéo theo tải có quán tính lớn. đặc trưng đó là nguyên nhân dễ gây nên bảo vệ  quá dòng của biến tần ở chế độ V/f lúc khởi động. Khuyến khích sử dụng một biến tần sensor less vector có moment khởi động cao, để đảm bảo tính liên tục cung cấp khí và sự hoạt động ốn định của thiết bị.

- Một máy nén khí cho phép hoạt động ở tần số thấp trong một thời gian dài. Nếu máy nén khí quay ở tốc độ quá thấp, sự hoạt động ổn định của máy nén khí bị giảm, mặt khác dầu bôi trơn không đủ làm sự mài mòn diễn ra nhanh. Vì vậy, giới hạn dưới cho tần số hoạt động không được thấp hơn 20Hz.

- Để có hiệu quả trong việc loại bỏ những thành phần sóng hài bậc cao trong dòng điện ngõ ra của biến tần và giảm bớt nhiễu do sóng điện từ gây ra, đề nghị lắp thêm một bộ lọc nhiễu để giảm bớt tiếng ồn và sự tăng nhiệt độ của motor và làm cho motor hoạt động ốn định hơn.