Giải pháp tiết kiệm năng lượng

 

 

1. Khái quát chung về các vấn đề tồn tại của tiết kiệm điện năng dùng biến tần cho hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ.

 

Triển khai chủ chương, chính sách tiết kiệm điện năng của Nhà nước đã mang lại những kết quả khả quan, nhưng cũng để lại những tồn tại không nhỏ, nếu không có tổng kết kinh nghiệm rút ra các bài học để triển khai tiếp sẽ dẫn đến những phản ứng không tốt từ các doanh nghiệp. Trong nội dung bài báo này một phần nào giải đáp các thắc mắc của các doanh nghiệp rất sợ biến tần và coi nó là “tội đồ”. Có nhiều vấn đề kỹ thuật tồn tại trong thực tế sản xuất, trong nội dung bài báo dẫn ba trường hợp điển hình trong tiết kiệm điện năng của hệ biến tần-động cơ không đồng bộ như:

i. Biến tần không tiết kiệm điện năng mà lại làm tăng chí phí điện năng. Ở một nhà máy xi măng lò đứng ở miền núi, mặc dù nhà máy nhỏ lại ở miền núi nhưng cũng tích cực tham gia chương trình tiết kiệm điện năng. Được một nhà “khoa học” ở Hà Nội lên giúp đỡ, tư vấn đặt biến tần cho quạt FD cho lò nung. Thay hệ cũ động cơ chạy tốc độ định mức, điều chỉnh gió thông qua tấm chắn (Dumper), bằng hệ mới chạy dùng biến tần điều khiển gió bằng điều chỉnh tốc độ động cơ. Sau khi lắp chạy đánh giá điện năng tiêu thụ tăng 110% so với trước. Vấn đề này xảy ra không chỉ ở các công ty nhỏ mà có nhiều công ty lớn cũng mắc phải.

ii. Biến tần được lắp đặt để tiết kiệm điện năng thì chưa tiết kiệm điện năng đã bị hỏng. Có tổng công ty ở miền Đông Bắc, sau khi tiến hành sử dụng biến tần để tiết kiệm năng lượng một thời gian, nhiều biến tần hỏng . Ông tổng giám đốc gom lại thành “bãi tha ma biến tần” để làm bài học tiết kiệm năng lượng.
Biến tần “đánh hỏng động cơ”. Có một công ty kiện đơn vị lắp đặt biến tần rằng động cơ của nhà máy đang chạy với lưới thì không sao, lắp biến tần để chạy thì động cơ bị cháy.

iii. Biến tần gây mất ổn định hệ điều khiển. Có một nhà máy nhiệt điện nhỏ có lắp biến tần cho quạt hút ID (điều chỉnh áp suất âm buồng đốt) để tiết kiệm điện năng (thay cho hệ cũ là động cơ chạy ở tốc độ định mức điều khiển áp suất dùng Dumper, dùng hệ mới chạy biến tần điều khiển áp suất bằng điều chỉnh tốc độ động cơ). Sau khi lắp đặt có hiệu quả tiết kiệm điện năng, nhưng áp suất lò dao động làm tăng lượng than cấp cho lò. Hiện tượng này cũng xảy ra ở các công ty xi măng, khi lắp biến tần cho quạt hút cho lò hoặc quạt phân ly cho các máy nghiền.

Còn nhiều “chiến tích” của biến tần trong nhiều cơ sở sản xuất khác, điều này làm cho một số doanh nghiệp sợ và rất sợ biến tần.

Vậy có phải Inverter là “tội đồ” trong tiết kiệm điện năng không? Có thể trả lời ngay là không. Vì sao nó bị gán là “tội đồ”? Trả lời không cần suy nghĩ nhiều đó là do con người, cụ thể như sau:

– Đầu tiên phải kể đến một số công ty bán hàng lợi dụng chủ trương tiết kiệm điện năng để bán lắp đặt biến tần cho các cơ sở sản xuất, không tính toán hiệu quả và bất chấp hậu quả của nó để lại. Đội ngũ đi lắp đặt biến tần của các công ty này chưa có đủ trình độ nghiệp vụ nên khi gặp khó khăn thì không khắc phục được, để tồn tại cho cho khách hàng.

– Kế tiếp là khi triển khai tiết kiệm năng lượng chưa chuẩn bị đầy đủ kiến thức về sử dụng biến tần để tiết kiệm điện năng cho các cơ sở sản xuất như tài liệu hướng dẫn tiết kiệm điện năng khi sử dụng biến tần cho các cơ sở sản xuất còn chưa đầy đủ và chính xác.

Trong phạm vi bài báo này các tác giả đưa ra tóm tắt  kiến thức cơ bản về trang bị biến tần với mục đích tiết kiệm điện năng để “bảo vệ” biến tần, từ đó chỉ ra những sai sót xảy ra trong ba trường hợp nêu trên để rút kinh nghiệm.

 

2. Phân tích cân bằng công suất trong hệ truyền động điện (TĐĐ)

Hệ truyền động điện là hệ biến đổi năng lượng: Điện năng – Cơ năng, nó cần phải đảm bảo cân bằng năng lượng trong các chế độ làm việc (H1). Xét về mặt cân bằng công suất ở chế độ động cơ, hệ truyền động được phân chia thành hai loại: Loại hệ TĐĐ tự cân bằng công suất (H1a) và hệ TĐĐ cần phải điều khiển để đảm bảo cân bằng công suất (H1b).

H1a. Hệ tự cân bằng công suất trong hệ truyền động điện xoay chiều KĐB.	H1b. Hệ cần điều khiển để cân bằng công suất trong hệ truyền động điện xoay chiều KĐB.

Hệ TĐĐ tự cân bằng công suất có đặc điểm làm việc không cần điều chỉnh tốc độ động cơ làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên. Động cơ nối trực tiếp với lưới điện. Khi công suất cơ yêu cầu thay đổi (mô men tải thay đổi), mô men động cơ thay đổi cân bằng với mô men tải (H2).

H2. Đặc tính làm việc của hệ truyền động tự cân bằng công suất.

Loại truyền động này phổ biến nhất trong sản xuất nếu tính về số lượng nó chiếm tới 80% trong các hệ TĐĐ, như các hệ truyền động chính cho máy nghiền, băng tải, bơm, quạt… Đặc biệt loại công suất lớn như các máy nghiền đá, nghiền liệu, nghiền than, nghiền xi măng (công suất thường từ 1MW đến 6MW). Để tiết kiệm điện năng, không dùng biến tần được mà ta phải dùng phương pháp điều khiển vận hành (sẽ trình bày ở nội dung bài báo khác).

Hệ TĐĐ yêu cầu điều khiển cân bằng công suất, trong thực tế chia ra làm hai loại điều chỉnh: Điều chỉnh công suất tổn thất và điều chỉnh công suất đầu vào .
Điều chỉnh công suất tổn thất: Bản chất của phương pháp này là động cơ nối trực tiếp vào lưới điện và nhận 100% công suất điện từ lưới, để đảm bảo cân bằng công suất với tải, ta phải tạo ra phần công suất tổn thất có thể điều chỉnh được, ta có biểu thức (1):

Trong đó:

H3. Điều khiển cân bằng công suất bằng phương pháp tổn thất.	H4. Điều khiển cân bằng công suất bằng tổn thất điện của động cơ KĐB  rô-to dây quấn.

Có hai phương pháp tạo tổn thất (tổn thất điện và tổn thất cơ):

– Đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, tổn thất được tạo nên ở mạch rotor H4 (tổn thất điện), công suất tổn thất được thay đổi bằng thay đổi giá trị điện trở phụ rotor.

– Đối với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, công suất tổn thất được tạo bởi tổn thất cơ.

Trên H5 cho máy bơm dùng van bypass, H6 cho quạt dùng Dumper, điều chỉnh công suất tổn thất bằng điều chỉnh góc mở van hoặc Dumper.

Đối với hệ truyền động H5, cần điều khiển lưu lượng theo yêu cầu công nghệ, người ta bố trí van bypass để rẽ một phần lưu lượng hồi về, lúc đó công suất động cơ tiêu thụ 100% nhưng công suất tải chỉ cần 60%, như vậy hao phí mất 40% tổn thất cơ.

H5. Điều khiển cân bằng công suất bằng phương pháp tổn thất cơ cho truyền động bơm nước có van by-pass	H6a. Điều khiển cân bằng công suất bằng phương pháp tổn thất cho truyền động quạt gió sử dụng Dumper.

Hệ truyền động H6 để điều khiển lưu lượng gió, ta dùng tấm chắn tăng trở lực đường ống (tăng sụt áp), lúc đó công suất động cơ vẫn tiêu thụ 100%, công suất tải chỉ cần 60%, hao phí mất 40% tổn thất cơ. Trên H6b phần gạch chéo biểu thị cho phần bị công suất tổn thất.

Phương pháp điều chỉnh tổn thất có hiệu suất truyền động phụ thuộc vào hiệu suất động cơ, hiệu suất phần cơ và phụ thuộc vào lượng công suất tổn thất điều chỉnh. Chính thành phần công suất tổn thất điều chỉnh này làm cho hiệu suất truyền động rất thấp, hiệu suất truyền động tỷ nghịch với độ rộng vùng điều chỉnh suất tải  η ~1/Dp, nếu càng điều chỉnh sâu công suất tải thì hiệu suất càng thấp điều đó có nghĩa năng lượng điện bị hao phí nhiều.

Phương pháp điều chỉnh tổn thất này đơn giản, dễ vận hành và  tồn tại 50÷60 năm qua. Có hai yếu tố để nó tồn tại thời gian lâu là do giá năng lượng thời kì đó còn rẻ và quan trọng là công nghiệp chế tạo biến tần chưa phát triển, đặc biệt là biến tần trung thế công suất lớn mới được thương phẩm gần chục năm nay.

H6b. Đặc tính điều chỉnh.	H7. Điều khiển cân bằng công suất bằng phương pháp điều chỉnh công suất đầu vào.

Điều khiển cân bằng công suất bằng phương pháp điều chỉnh công suất đầu vào cấp cho động cơ.

Trên H7 biểu diễn nguyên tắc  điều chỉnh công suất đầu vào cấp cho động cơ để đảm bảo cân bằng công suất Điện – Cơ, khi tải có yêu cầu công suất (mô men tải và tốc độ làm việc) thì công suất đầu vào sẽ điều chỉnh  theo (2).

Để thực hiện điều chỉnh công suất đầu vào cấp cho động cơ ta cần bộ biến đổi công suất, đó là bộ biến tần. Bộ biến tần hiện nay phần lớn là biến tần Tranzistor IGBT ở cấp điện áp hạ thế và trung thế H8a. Tần số đầu ra f2 của biến tần xác định tốc độ làm việc, mô men động cơ sinh ra để đáp ứng cho mô men tải. Như vậy động cơ sẽ làm việc trên đặc tính cơ điều chỉnh H8b.

H8a. Điều khiển cân bằng công suất sử dụng biến tần.	H8b. Đặc tính hệ truyền động điện xoay chiều KĐB điều khiển tần số dùng biến tần

Như vậy biến tần được ứng dụng để tiết kiệm điện năng chỉ cho hệ TĐĐ cần điều khiển cân bằng công suất, đó là điều kiện cần. Tuy nhiên, để ứng dụng biến tần với mục đích tiết kiệm điện còn phải xem xét nhiều vấn đề liên quan tới hiệu quả, an toàn và chất lượng hệ điều khiển.Vì vậy khi thực hiện dự án tiết kiệm điện dùng biến tần cần tính toán đảm bảo tiết kiệm điện năng.

 

3. Tóm tắt các bước để xác định trang bị biến tần cho hệ TĐĐ phục vụ tiết kiệm điện năng

Bước 1 – Xác định điều kiện cần để áp dụng biến tần cho hệ TĐĐ xoay chiều KĐB: Như mục 2 đã phân tích hệ truyền động cần điều khiển cân bằng công suất thì mới cần biến tần để điều khiển công suất đầu vào, từ đó sẽ tiết kiệm được điện nằng. Như vậy trường hợp (i) công ty xi măng lò đứng áp dụng biến tần là đáp ứng điều kiện cần. Hệ truyền động quạt cũ của nhà máy có điều khiển cân bằng công suất theo phương pháp điều khiển công suất tổn thất cơ (điều chỉnh tấm chắn như H6).

Ngược lại, nếu lắp đặt biến tần cho các hệ truyền động tự cân bằng công suất là không đúng, sẽ gây thêm tổn thất điện năng.

Bước 2 – Tính sơ bộ % công suất tiết kiệm được.
Từ công thức (2) ta có thể tính được % công suất tiết kiệm được:

là tổng tổn thất bao gồm tổn thất: động cơ, cơ cấu cơ khí (lấy từ catalog- đặc tính thiết bị η(P)) và bộ biến tần (thường lấy từ catalog, cỡ khoảng 10%).

Để tính sơ bộ công suất tiết kiệm được, ta cần đo công suất P tải tiêu thụ của tải và tính sơ bộ công suất tổn thất: Của động cơ, cơ cấu cơ khí (khớp nối hay hộp số…), công suất tổn thất bộ biến đổi dự định lắp. Công suất tiêu thụ thực của tải khó xác định nên có thể đo và tính qua các đại lượng vật lý (áp suất và lưu lượng đối với quạt và bơm). Giả sử tính công suất có thể tiết kiệm được cho hai trường hợp H5 và H6, ta có thể ước lượng công suất tải một cách đơn giản là thông qua giá trị góc mở của van hoặc Dumper. Với giả thiết đặc tính lưu lượng tỷ lệ tuyến tính với góc mở, áp suất đầu bơm hoặc quạt không đổi, thì % công suất tải có thể gần đúng với % góc mở van. Thí dụ khi quan sát góc mở thường vận hành xung quanh 60%, có thể ước lượng công suất tiết kiệm gần đúng là 40% – % (tổng công suất tổn thất). Thường % tổng tổn thất khoảng (30 %) trong đó tổn thất bộ biến đổi 10% và tổn thất cơ và động cơ là 20%. Như vậy công suất tiết kiệm được gần đúng có thể là 10%.

Đối với nhà máy xi măng (trường hợp i) khi khảo sát khi chưa lắp biến tần là góc mở van α=85%. Như vậy câu trả lời cho nhà máy xi măng là không đặt được vì có công suất tính toán tiết kiệm sơ bộ là – (15%), tức là khi đặt biến tần sẽ tăng tiêu thụ 110% so với khi lắp đặt biến tần.

Bước 3 – Tính giá trị kinh tế khi trang bị biến tần.

Bước 2 chỉ tạm được sơ bộ công suất tiết kiệm điện khi lắp biến tần. Nhưng để quyết định đặt biến tần cần phải tính điện năng tiết kiệm được, từ đó tính hiệu quả kinh tế để ra quyết định có thực hiện lắp đặt biến tần.

Tính điện năng tiết kiệm: Đầu tiên ta phải xây dựng đồ thị phụ tải theo ca, ngày, tháng, mùa, năm… (theo H9). Theo công thức (3), tính tổng năng lượng điện tiêu thụ

H9. Đồ thị phụ tải để tính toán năng lượng tiêu thụ

Từ đó tính được tổng điện năng tiêu thụ (kWh) trong năm, từ đó tính lượng điện năng tiết kiệm được và tính được lợi nhuận tiết kiệm trong một năm và thời gian thu hồi vốn.

Bước 4 – Thiết kế chi tiết và triển khai cho hệ điều khiển.

Khi đã khẳng định lăp đặt biến tần cần phải thưc hiện thiết kế chi tiết và triển khai gồm các bước:

Chọn biến tần

Đầu tiên là phải chọn biến tần, cần phải chọn đúng, rất nhiều công trình chọn biến tần theo công suất động cơ ghi trên max là không đầy đủ có thể dẫn đến chọn sai. Phải có tư vấn xác định công suất biến tần cho từng trường hợp cụ thể. Nếu chọn sai có thể gây quá tải biến tần có thể xảy ra sự cố… gây hỏng biến tần sau một thời gian vận hành (lý giải cho trường hợp ii).

Thiết kế sơ đồ nguyên lý điện, thiết kế lắp ráp tủ điện và đi dây cáp.

Thiết kế kết nối điều khiển truyền động điện với điều khiển quá trình (thường dùng chung controller với hệ điều khiển nhà máy).

Hệ điều khiển có hai phần điều khiển lôgic và điều khiển truyền động điện kết hợp với điều khiển quá trình. Điều khiển lôgic phải đảm bảo điều khiển liên động kết nối với hệ điều khiển nhà máy (điều khiển liên động khởi động, điều khiển lôgic vận hành, điều khiển liên động bảo vệ, dừng và dừng khẩn cấp…).

Khi kết nối điều khiển truyền động điện với điều khiển quá trình, cần lưu ý hệ truyền động biến tần-động cơ lúc này đóng vai trò là cơ cấu chấp hành thay cho cơ cấu chấp hành cũ (van hoặc dumper). Đáp ứng hệ truyền động điện thuộc loại chậm so với van hoặc dumper, nếu quá trình cần điều khiển là chậm (như quá trình nhiệt) thì dùng điều khiển hệ truyền động là phù hợp. Nếu quá trình đáp ứng nhanh như áp suất hoặc mức thì hệ điều khiển truyền động không phù hơp, lúc đó cần điều khiển phối hợp với hệ cũ (van hoặc dumper). Khi kết hợp điều khiển truyền đồng điện và điều khiển van hoặc dumper cần tính thêm tổn thất van hoặc dumper. Điều này lý giải tại sao biến tần lại gây mất ổn định hệ thống (iii).

Phần lớn các công trình lắp đặt biến tần hay bỏ sót phần điều khiển lôgic, hoặc ghép nối không đầy đủ. Những thiếu xót về thiết kế điều khiển lôgic gây ra mất an toàn cho thiết bị có thể dẫn đến gây sự cố. Nhiều công trình lắp đặt biến tần, cán bộ kỹ thuật không có kết nối điều khiển truyền động với điều khiển quá trình hoặc thiết kế điều khiển không đúng gây ra dao động ảnh hưởng tới hệ điều khiển và tự động hóa của nhà máy.

Thiết kế lắp đặt hệ

Phải tuân thủ các yêu cầu lắp đặt biến tần (tất cả các hãng đều có hướng dẫn). Lưu ý: Các động cơ đang dùng thường có cấp cách điện B khi nối với biến tần không đáp ứng đúng yêu câu cấp cách điện (cấp F). Nếu để nguyên động cơ cũ nối với biến tần có thể dẫn đến hỏng biến tần hoặc hỏng động cơ (đây là một trong các lý do có “bãi tha ma biến tần”). Phải có giải pháp khắc phục động cơ trước khi lắp đặt (theo hướng dẫn của hãng cấp biến tần). Khi lắp chú ý chọn cáp cho đúng kỹ thuật, thực hiện đủ nối tiếp địa, chống nhiễu…
Trên đây chỉ tóm lược các đầu mục các bước cần thực hiện, nên khi triển khai cần phải chi tiết hóa các đầu mục nhiệm vụ trên.

 

4. Kết luận

Biến tần là một bộ biến đổi công suất có vai trò điều khiển công suất cấp cho đồng cơ xoay chiều để cân bằng với công suất tải. Biến tần là một công cụ hiệu quả cho ứng dụng tiết kiệm điện năng. Tuy nhiên, nếu không khảo sát, tính toán, thiết kế, lắp đặt đúng kĩ thuật thì sẽ gây ra hậu quả không tốt cho hệ thống. Vì vậy, không được gán biến tần là “tội đồ” trong tiết kiệm điện năng. Hi vọng, qua nội dung giới hạn của bài báo sẽ góp một phần nhỏ cho việc sử dụng hiêu quả biến tần trong tiết kiệm điện năng. Nếu cần thêm chi tiết, có thể liên hệ với tập thể tác giả.