Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật biến tần vào tiết giảm năng lượng điện ở các hệ truyền động điện bơm, quạt gió và máy nén trong nhà máy công nghiệp và tòa nhà cao tầng

Tổng quan chuyển đổi cấu trúc hệ TĐĐ bơm, quạt gió và máy nén (viết chung là máy) khi sử dụng kỹ thuật biến tần ...

Qua thực tế khảo sát và tư vấn cho các Chủ đầu tư cũng như các Doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực dịch vụ khoa học-kỹ thuật về ứng dụng kỹ thuật biến tần trong các hệ truyền động điện máy nhằm mục tiêu tiết giảm năng lượng điện tiêu thụ, tác giả đưa ra một số dạng phổ biến của các hệ TĐĐ máy tại các nhà máy công nghiệp và toà nhà cao tầng hiện nay và sự chuyển đổi chúng sang dùng biến tần (kết hợp PLC và kỹ thuật điện tử khác với những hệ thống nhiều động cơ điện) như các hình 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8.

Hình 1 là sự chuyển đổi có đặc điểm: - Định tần số định mức cho biến tần cao hơn tần số nguồn điện lưới;

- Chọn công suất của động cơ ĐC2 nhỏ hơn công suất động cơ ĐC1. Nhưng khi thực hiên điều này cần chú ý giá trị tần số mong muốn phải đảm bảo độ bền cơ học của động cơ. Ví dụ: với động cơ dùng nguồn điện có tần số 50Hz và tốc độ định mức 1500v/p thì chỉ được phép đặt tần số ở biến tần sao cho tốc độ không được vượt quá 3000v/p (thực tế nên định giá trị tần số sao cho tốc độ động cơ nằm trong khoảng dưới 2100v/p là hợp lý cho cả bảo đảm độ bền cơ và tiết giảm năng lượng, với hệ thiết kế mới thì đơn giản chỉ là tính chọn công suất động cơ phù hợp với tần số định đặt cho biến tần và công suất tải yêu cầu);

- Năng lượng điện tiêu thụ có thể giảm được khoảng 5-10%. Bản chất vật lý của việc tiết giảm được năng lượng điện tiêu thụ là do mức tiêu hao năng lượng điện cho bản thân động cơ điện (động cơ công suất càng lớn thì mức tiêu hao đó càng lớn và ngược lại);

- Trong thực tế, sự chuyển đổi như hình 1 thường chỉ áp dụng ở hệ có một động cơ (công suất nhỏ<5kW) phù hợp về kinh tế cho việc thay động cơ công suất nhỏ hơn chạy với tốc độ lớn hơn động cơ cũ, mức tiêu thụ Q hầu như không thay đổi trong suốt thời gian hệ hoạt động và thời gian hoạt động của hệ do người vận hành quyết định;

- Ví dụ ứng dụng: các hệ quạt thông gió trong xưởng công nghiệp, bơm nước lên bể-tháp chứa (với áp lực đầu vào ổn định) có công suất nhỏ ;...

Hình 2 là sự chuyển đổi có đặc điểm:

- Định tần số định mức cho biến tần giống sơ đồ hình 1;

- Định các trị số để đảm bảo biến tần khởi động lại động cơ dẫn động tương ứng với các trường hợp Hmin (áp lực thấp nhất của dòng khí hoặc dòng chất lỏng) hoặc hmin (mức chất lỏng thấp nhất, tương ứng trường hợp bơm chất lỏng vào bồn-bể-tháp...);

- Định các trị số để đảm bảo biến tần dừng động cơ dẫn động tương ứng với các trường hợp Hmax (áp lực lớn nhất của dòng khí hoặc dòng chất lỏng) hoặc hmax (mức chất lỏng cao nhất, tương ứng trường hợp bơm chất lỏng vào bồn-bể-tháp...); có thể thay động cơ ĐC2 với công suất nhỏ hơn ĐC1;

- Năng lượng điện tiêu thụ có thể tiết giảm trong trường hợp này vào khoảng 10-15% phụ thuộc vào tần số định mức ở biến tần, công suất động cơ ĐC2 trong trường hợp thay động cơ và chu kỳ khởi động-dừng động cơ,.... Sự chuyển đổi hệ thống này phù hợp với hệ một động cơ;

- Khả năng ứng dụng: các hệ thống tự động bơm nước lên bể-tháp chứa, cung cấp khí nén có công suất nhỏ.

Với các nhà máy công nghiệp (ví dụ các nhà máy cấp nước, sản xuất phân bón,... chẳng hạn) thì đặc biệt chú ý:

- Các động cơ điện dẫn động đều là các động cơ có công suất thấp nhất cũng vài chục KW (vì vậy chủ yếu sử dụng phương pháp khởi động sao/tam giác) và có thể tới vài trăm KW dùng điện áp 6kV;

-  Một đặc điểm nữa phải kể đến là một hệ thống (ví dụ hệ thống quạt gió trong công đoạn tạo khí của nhà máy sản xuất phân bón, các trạm bơm nước thô hay nước sạch của các nhà máy cấp nước,...) đều có vài động cơ điện dẫn động (thường tối thiểu là 2 trở lên) và hệ thống các van (có thể là van cơ hoặc van cơ-điện-thuỷ lực) đi kèm phục vụ việc: phối hợp sự hoạt động cuả các máy; điều chỉnh lưu lượng-áp lực; sửa chữa một hệ “con” (được hiểu là một động cơ dẫn động với máy tương ứng cùng các van đi kèm) mà không cần dừng cả hệ thống (cô lập hệ “con” bằng cách đóng kín hoàn toàn các van của hệ đó).

- Vì vậy, khi đặt vấn đề tiết giảm năng lượng điện tiêu thụ cần phải xuất phát trên quan điểm toàn hệ thống. Nghĩa là phải đầu tư-nâng cấp đồng bộ về ứng dụng biến tần cho tất cả các động cơ trong hệ thống và tập trung điều khiển các biến tần đó về một thiết bị như PLC chẳng hạn và phải đảm bảo giữ nguyên hoặc nâng cấp các van điều tiết đã có (vấn đề này sẽ được đề cập chi tiết trong bài kỳ sau, ở đây chỉ lưu ý bạn đọc là không được dỡ bỏ các van khi áp dụng biến tần vào hệ thống như trong một bài viết đăng trên tạp chí tự động hoá ngày nay đã đề cập là chưa chính xác cho các hệ thống công nghiệp).

Trong trường hợp này, các sơ đồ cơ bản về việc chuyển đổi cấu trúc thực hiện tiết giảm năng lượng điện tiêu thụ như các hình 3; 4; 5; 6; 7; 8.

Hình 3 là sự chuyển đổi có đặc điểm:

- Hệ cũ có các động cơ ĐC1 khởi động sao/tam giác và ổn định H thông qua xoay (bằng điện hoặc bằng tay) van điều chỉnh áp lực-lưu lượng;

- Khi chuyển đổi sang dùng biến tần thì việc ổn định H thông qua tự điều chỉnh tốc độ động cơ dẫn động ĐC1 và góc mở van đầu ra (trong trường hợp các van là van cơ-điện hoặc cơ-điện-thuỷ lực) hoặc tự điều chỉnh tốc độ động cơ dẫn động kết hợp xoay các van cơ (trong trường hợp này chất lượng ổn định không cao và mức tiết giảm năng lượng điện thấp hơn trường hợp trước);

- Xác định các hệ số của luật điều khiển PI hoặc PID (luật PI hay PID được tích hợp trong bộ điều khiển riêng hay trong biến tần, hiện nay hầu như đã được các hãng sản xuất biến tần tích hợp sẵn trong biến tần);

- Các biến tần có thể quan hệ với nhau (trực tiếp hoặc qua PLC) hoặc độc lập trong hệ thống có nhiều hệ “con”;

-  Năng lượng điện tiêu thụ có thể tiết giảm từ 25-30% hoặc hơn nữa (đến 50%) tuỳ thuộc vào giá trị H cần ổn định nhỏ hơn giá trị tối đa là bao nhiêu và hệ thống có bao nhiêu hệ “con”.

- Khả năng ứng dụng: các hệ thống bơm nước thô, nước sạch, cung cấp khí nén trong các nhà máy công nghiệp;

- Những đặc điểm kỹ thuật chính khi thực hiện chuyển đổi của dạng hệ này sẽ được nêu rõ hơn trong bài kỳ sau.

Hình 4 là sự chuyển đổi có đặc điểm:

- Hệ cũ (không dùng biến tần) có điều chỉnh và ổn định cột áp H trên đường ống chính nhờ thay đổi tốc độ quay của các máy bằng cách thay đổi độ trượt các khớp nối mềm (thường dùng khớp từ);

- Với hệ thống một động cơ: không cần dùng PLC và màn hình điều khiển; xác định các hệ số (số hệ số cần xác định phụ thuộc từng trường hợp cụ thể) của luật điều khiển PI hoặc PID (đã có trong biến tần) để Tự động ổn định cột áp (khí hoặc chất lỏng) thông qua tự điều chỉnh tốc độ động cơ dẫn động và góc mở van. Năng lượng điện tiêu thụ trong trường hợp này có thể giảm khoảng 20-25%.

-  Với hệ thống nhiều động cơ (ví dụ: hệ thống bơm nước thô và nước sạch của các nhà máy cấp nước chẳng hạn, hệ thống quạt gió trong công đoạn tạo khí trong các nhà máy sản xuất thuộc ngành công nghiệp hoá chất như sản xuất phân đạm từ nguồn nguyên liệu là than): Do đặc điểm dòng chất lỏng hoặc khí do từng bơm hoặc từng quạt gió tạo ra đều đi vào một đường ống chính và sự làm việc đồng thời hay xen kẽ hay...các bơm hoặc quạt gió phụ thuộc vào việc sử dụng chất lỏng hoặc khí nhiều hay ít trong các khoảng thời gian khác nhau trong ngày, mà trên đường ống đầu ra của từng bơm hoặc quạt gió đều bố trí một van hoặc hai van (các van này thường có động cơ điện xoay chiều thực hiện việc xoay van qua bộ truyền cơ khí có tỷ số truyền cao hoặc xoay van bằng thuỷ lực mà động cơ điện xoay chiều đóng vai trò dẫn động bơm dầu) điều khiển bằng điện hoặc có thể thêm chế độ thao tác bằng tay) để đảm bảo mọi chế hoạt động chung của toàn hệ thống cũng như của hệ “con”. Chính vì vậy, mà còn có hệ thống điều khiển các van đó sao cho phù hợp với mọi chế độ hoạt động (kể cả chế độ ngừng một hệ “con” nào đó để sửa chữa mà không cần ngừng các hệ “con” khác) để đảm bảo mục đích ổn định cột áp dòng chất lỏng hoặc khí. Muốn vậy, khi đưa kỹ thuật biến tần vào mục đích tiết giảm năng lượng điện tiêu thụ thì phải dùng cả PLC và màn hình điều khiển; trong trường hợp cần nâng cấp cao hơn thì dùng thêm hệ máy tính; lập trình và cài đặt các chế độ làm việc của hệ thống thông qua PLC; việc điều khiển hệ thống được thực hiện từ màn hình điều khiển hoặc từ máy tính. Hệ thống càng nhiều động cơ thì khả năng tiết giảm năng lượng điện tiêu thụ càng cao và có thể đạt đến 40% với những hệ có tới 4 hoặc 5 động cơ điện.

- Khả năng ứng dụng: Sự chuyển đổi hệ thống này phù hợp với hệ tối thiểu có hai động cơ như: hệ thống bơm nước thô, nước sạch trong các này máy cấp nước; hệ thống quạt gió trong công đoạn tạo khí của các nhà máy sản xuất phân đạm từ nguyên liệu than; hệ thống cung cấp khí nén cho các nhà máy công nghiệp dệt (những đặc điểm kỹ thuật cần lưu ý khi chuyển đổi dạng hệ này sẽ được nêu kỹ hơn trong bài kỳ sau).

Hình 5 là sự chuyển đổi có đặc điểm:

- Hệ cũ dùng khởi động mềm: Vai trò của khởi động mềm là để: Nâng cao chất lượng khởi động thay vì khởi động sao/tam giác cho động cơ dẫn động máy; Bảo vệ tránh chạy không tải, khi mất pha hoặc ngược pha, quá tải động cơ, kẹt cơ khí; Giảm tác hại do quá trình quá độ động học của lưu chất như triệt sự va đập nước khi khởi động/dừng; Giảm ảnh hưởng của nguồn điện cung cấp (dòng đỉnh và sụt áp khi khởi động). Tuy nhiên khởi động mềm lại không thể điều khiển tốc độ động cơ điện được, vì vậy vẫn thay thế khởi động mềm bằng biến tần để tiết giảm năng lượng điện tiêu thụ khi hệ hoạt động và vẫn giữ được các ưu điểm cơ bản của khởi động mềm. Khả năng tiết giảm năng lượng điện tiêu thụ trong trường hợp này cũng đáng kể (khoảng 12-15%).

- Với những hệ cũ đã sử dụng thiết bị biến đổi điện áp để cung cấp nguồn cho động cơ dẫn động máy thì khả năng tiết giảm năng lượng điện là thấp nhất do hệ cũ đã ứng dụng kỹ thuật điều khiển điện tử và kỹ thuật điện tử công suất hiện đại vào việc điều khiển tốc độ động cơ dẫn động phù hợp với nhu cầu tiêu thụ. Khả năng tiết giảm năng lượng điện tiêu thụ <5% có thể được chủ yếu dựa trên việc nâng cấp điều khiển dùng PLC và điều này thể hiện rõ trong hệ có tối thiểu hai động cơ. Các đặc điểm khác tương tự chuyển đổi cấu trúc ở hình 3.
Hình 6 là sự chuyển đổi có đặc điểm:

- Hệ cũ điều chỉnh và ổn định cột áp H bằng phương pháp thay đổi đặc tính máy và đặc tính đường ống chính (phương pháp thứ ba) dựa trên kỹ thuật thay đổi dòng trong rôto dây quấn của động cơ dẫn động và góc mở các van. Tuy nhiên năng lượng điện tiêu thụ sẽ lớn do tồn tại khối điện trở công suất tại rôto dây quấn của động cơ dẫn động;

- Các đặc điểm khác của hệ sau khi chuyển đổi giống hệ hình 5;

- Hệ cũ kiểu này rất ít gặp trong thực tế.

Trong thực tế: với những hệ có nhiều động cơ và các van điều chỉnh áp lưc là loại van cơ. Để giảm vốn đầu tư có thể sử dụng sự chuyển đổi chỉ thuần sử dụng biến tần như hình 7 và hình 8:

Hình 7 được gọi là chuyển đổi dùng mạng biến tần kiểu Master/Slave, có đặc điểm:

- Một biến tần đóng vai trò Chủ và các biến tần còn lại đóng vai trò Tớ;

- Các động cơ dẫn động cùng quay với một tốc độ ở mọi thời điểm hoạt động của hệ;

- Khả năng tiết giảm năng lượng điện tiêu thụ phụ thuộc vào cấu trúc cụ thể của từng hệ cũ; mối quan hệ Chủ/Tớ được thực hiện bởi Card giao tiếp; van có thể là van cơ, hoặc van cơ-điện-thuỷ lực;

- Khả năng ứng dụng: phù hợp với hầu hết các hệ thống bơm nước thô, nước sạch, hệ thống quạt gió,…trong các nhà máy công nghiệp.

Hình 8 được gọi là chuyển đổi dùng mạng biến tần ứng dụng điều khiển Cascade, có đặc điểm:

- Loại bỏ PLC và màn hình điều khiển mà vẫn đảm bảo kết nối SCADA;

- Chỉ có một động cơ được tự động điều chỉnh tốc độ để giảm năng lượng điện tiêu thụ, các động cơ còn lại được đưa vào hay loại ra khỏi hệ thống một cách tự động và khi đưa vào hệ thống luôn chạy với tốc độ định mức. Việc điều khiển các động cơ được thực hiện bởi controller card; van có thể là van cơ, hoặc van cơ-điện-thuỷ lực;

- Khả năng ứng dụng: ít dùng vì mức tiết giảm năng lượng điện là không cao.

Khi sử dụng chuyển đổi theo hai kiểu này thì tính linh hoạt, mềm dẻo trong điều khiển,…là hạn chế so với dùng PLC và màn hình điều khiển.

Với những hệ thống TĐĐ nhiều động cơ, việc sử dụng: biến tần + PLC + PC + màn hình điều khiển hoặc mạng biến tần Cascade mở ra hướng “tự động hoá” sản xuất và quản lý, đó là:

- Tạo ra khả năng giám sát và điều khiển từ một vị trí, rất phù hợp với nhà máy công nghiệp hiện đại và toà nhà cao tầng;

- Thiết lập tầng quản lý doanh nghiệp (cập nhật các thông số liên quan đến quản trị kinh doanh);

- Cơ sở cho khả năng điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ xa quá trình sản xuất thông qua mạng Internet

--------------------

Theo Tự động hóa ngày ngay