1. So sánh biến tần và bộ khởi động mềm. - việc lựa chọn thiêt bị để khởi đọng cho động cơ thường dựa trên các tiêu chi là hiệu quả, an toàn và tiết kiệm. thông thường thì biến tần và bộ khởi động mềm là lựa chọn hàng đầu, và vì đâu chúng lại được sử dụng rộng rãi như vậy. và so sánh giữa hai thiết bị này.+ Khởi động mềm, biến tần và vấn đề tiết kiệm năng lượng Với tốc độ phát triển nhanh của ngành điện tử và tự động hóa, biến tần và khởi động mềm ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chúng được sử dụng trong các quá trình công nghiệp để cải thiện khả năng điều khiển nhằm nâng cao chất lượng, tăng năng suất và tiết kiệm điện năng. Tuy nhiên, thực tế triển khai dự án tại nước ta cho thấy, trong nhiều trường hợp, có thể tiết kiệm điện năng bằng các thiết bị này chưa được hiểu và đánh giá đúng dẫn đến thiết kế lắp đặt sai mục đích và hiệu quả kinh tế trong vận hành bị hạn chế. + Các sách giáo khoa về truyền động điện rất ít đề cập đến vấn đề này trong khi tài liệu của nhà sản xuất thường chỉ cung cấp thông số, tính năng thiết bị. Bài viết này muốn phân tích rõ hơn bản chất vật lí của vấn đề tiết kiệm điện năng nhờ các thiết bị nói trên và trình bày phương pháp đánh giá hiệu quả thông qua khảo sát các ứng dụng điển hình về tiết kiệm điện năng là bơm và quạt. Khởi động mềm hay biến tần? + Với một trạm bơm tưới tiêu dù công suất lớn, để khởi động bơm vào chiều tối và dừng lúc bình minh thì chỉ cần khởi động mềm là đủ. Ngược lại, việc điều khiển các vòi phun của một đài nước dù nhỏ vẫn phải cần có biến tần để đạt được các hiệu ứng mỹ thuật động. Khởi động mềm tăng dần vận tốc động cơ đến tốc độ làm việc nhưng không thể giúp động cơ vận hành ở các vận tốc khác. Thiết bị điện tử công suất này thay thế các điều khiển sao - tam giác truyền thống và rất thích hợp cho các ứng dụng bơm/ quạt li tâm để hạn chế dòng khởi động. Đây là giải pháp kinh tế nhất để khởi động/ dừng động cơ công suất lớn nhờ: Giảm tác hại do quá trình quá độ động học của lưu chất như triệt sự va đập nước khi khởi động/ dừng bơm. Bảo vệ tránh chạy không tải, mất hoặc ngược pha, quá tải động cơ, kẹt cơ khí. Giảm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp (dòng đỉnh và sụt áp khi khởi động) Khả năng giao tiếp với mạng điều khiển. Biến tần thay đổi tần số điện áp cấp nguồn cho động cơ nhằm điều chỉnh tốc độ phù hợp với các yêu cầu của hệ truyền động. Giá trị “tốc độ tham chiếu” lấy từ bộ điều khiển quá trình (lưu lượng hay áp suất). Đây là bộ điều khiển loại PI và có thể tách rời hay tích hợp sẵn trong biến tần. Các tốc độ tham chiếu và chức năng “tăng tốc/ giảm tốc” đôi khi còn được sử dụng để vận hành theo các tín hiệu điều khiển logic. Ngoài các ưu điểm như khởi động mềm, biến tần còn có những tính năng ưu việt khác: Điều chỉnh lưu lượng và áp suất ở mức yêu cầu Hiệu suất cao hơn trong chế độ làm việc liên tục Tự động hóa hoàn toàn Tiết kiệm điện năng đáng kế Biến tần kết hợp động cơ không đồng bộ có thể thay thế giải pháp truyền thống sử dụng van điều khiển và cho phép tiết kiệm điện năng nhờ khả năng thay đổi tốc độ. Việc loại bỏ van tiết lưu sẽ đơn giản hóa đáng kể hệ thống đường ống và giảm thiểu việc tổn hao áp suất.

+ Như vậy, cả biến tần và khởi động mềm đều có thể thực hiện việc khởi động/ dừng động cơ tốt như nhau. Sự khác biệt cơ bản trong ứng dụng là biến tần có khả năng thay đổi tốc độ làm việc của động cơ nhưng khởi động mềm thì không thể. Khởi động mềm và tiết kiệm điện năng Về mặt công nghệ, có thể dễ dàng tích hợp vào khởi động mềm chức năng dịch lui pha của sóng điện áp để tiết kiệm điện năng khi động cơ làm việc ở chế độ nhẹ tải.

+Tuy nhiên, trên thực tế động cơ có thể tiêu tốn nhiều điện năng hơn khi sử dụng chức năng này. Chức năng tiết kiệm điện năng của khởi động mềm, nếu có, thực chất là nhằm vào việc cải thiện hiệu suất động cơ. Thực tế chế độ làm việc ảnh hưởng đến phân nửa tổn hao của động cơ, nửa kia là tổn hao cơ (ma sát và thông gió). Như vậy, với động cơ có hiệu suất 95%, điện năng tiết kiệm được tối đa là 2.5%. Theo kết quả thực nghiệm, để đạt được mức tiết kiệm trên, động cơ phải giảm xuống dưới 50% tải

trong ít nhất 25% khoảng thời gian của chu trình làm việc. Những thiết bị cần thiết phải tiết kiệm điện năng như quạt và bơm lại hiếm khi làm việc dưới 80% tải.

+ Trong những ứng dụng này, việc tiết kiệm điện năng thực sự chỉ đạt được bằng cách giảm tốc độ động cơ. Đối với những ứng dụng khác mà việc tiết kiệm điện năng có thể cần tính đến như máy nén khí và băng tải, chu trình vận hành thường có xu hướng buộc động cơ đột ngột quay lại trạng thái đầy tải. Việc áp toàn mômen tải lên trục động cơ lập tức như vậy có thể làm cho động cơ đang ở trạng thái non kích từ (để tiết kiệm điện năng) hút dòng lớn trong quá trình phục hồi mômen điện từ. Do đó, một phần hoặc tất cả điện năng được tiết kiệm trong lúc non tải sẽ tiêu hao trong quá trình quá độ này. Ngoài ra, để chức năng tiết kiệm điện năng hoạt động, chúng ta không thể sử dụng công tắc tơ nối tắt phần điện tử công suất trong khởi động mềm và do đó chịu thêm tổn hao và ảnh hưởng của hòa tần bậc cao. Thông thường khởi động mềm tiêu tán 3 watt cho mỗi ampe của dòng động cơ và cần phải trừ đi tổn hao này từ phần điện năng tiết kiệm được khi tính hiệu quả thực. Như vậy, mặc dù nhiều nhà sản xuất giới thiệu chức năng tiết kiệm điện năng của khởi động mềm, thực tế rất khó đánh giá và hiệu quả kinh tế khi đưa vào vận hành vẫn cần xem xét lại. + Biến tần và tiết kiệm điện năng Lĩnh vực có thể sử dụng biến tần để tiết kiệm điện năng là các hệ thống có mômen tải thay đổi theo tốc độ mà bơm và quạt ly tâm là những ứng dụng điển hình. Quan hệ giữa tải và vận tốc tuân theo luật đồng dạng: lưu lượng tỉ lệ bậc nhất, áp suất tỉ lệ bình phương, công suất tỉ lệ lập phương với vận tốc. Dưới đây, để làm rõ cơ chế tiết kiệm điện năng chúng ta sẽ khảo sát trường hợp bơm ly tâm.

I. GIỚI THIỆU GIẢI PHÁP DÙNG BIẾN TẦN TRONG CÔNG NGHIỆPVới tốc độ phát triển nhanh của ngành điện tử và tự động hóa, biến tần và khởi động mềm ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chúng được sử dụng trong các quá trình công nghiệp để cải thiện khả năng điều khiển nhằm nâng cao chất lượng, tăng năng suất và tiết kiệm điện năng. Tuy nhiên, thực tế triển khai dự án tại nước ta cho thấy, trong nhiều trường hợp, có thể tiết kiệm điện năng bằng các thiết bị này chưa được hiểu và đánh giá đúng dẫn đến thiết kế lắp đặt sai mục đích và hiệu quả kinh tế trong vận hành bị hạn chế. Các sách giáo khoa về truyền động điện rất ít đề cập đến vấn đề này trong khi tài liệu của nhà sản xuất thường chỉ cung cấp thông số, tính năng thiết bị. Bài viết này muốn phân tích rõ hơn bản chất vật lí của vấn đề tiết kiệm điện năng nhờ các thiết bị nói trên và trình bày phương pháp đánh giá hiệu quả thông qua khảo sát các ứng dụng điển hình về tiết kiệm điện năng là bơm và quạt. Khởi động mềm hay biến tần? Với một trạm bơm tưới tiêu dù công suất lớn, để khởi động bơm vào chiều tối và dừng lúc bình minh thì chỉ cần khởi động mềm là đủ. Ngược lại, việc điều khiển các vòi phun của một đài nước dù nhỏ vẫn phải cần có biến tần để đạt được các hiệu ứng mỹ thuật động. Khởi động mềm tăng dần vận tốc động cơ đến tốc độ làm việc nhưng không thể giúp động cơ vận hành ở các vận tốc khác. Thiết bị điện tử công suất này thay thế các điều khiển sao - tam giác truyền thống và rất thích hợp cho các ứng dụng bơm/ quạt li tâm để hạn chế dòng khởi động. Đây là giải pháp kinh tế nhất để khởi động/ dừng động cơ công suất lớn nhờ: • Giảm tác hại do quá trình quá độ động học của lưu chất như triệt sự va đập nước khi khởi động/ dừng bơm. • Bảo vệ tránh chạy không tải, mất hoặc ngược pha, quá tải động cơ, kẹt cơ khí. • Giảm ảnh hưởng đến nguồn cung cấp (dòng đỉnh và sụt áp khi khởi động) • Khả năng giao tiếp với mạng điều khiển. Biến tần thay đổi tần số điện áp cấp nguồn cho động cơ nhằm điều chỉnh tốc độ phù hợp với các yêu cầu của hệ truyền động. Giá trị “tốc độ tham chiếu” lấy từ bộ điều khiển quá trình (lưu lượng hay áp suất). Đây là bộ điều khiển loại PI và có thể tách rời hay tích hợp sẵn trong biến tần. Các tốc độ tham chiếu và chức năng “tăng tốc/ giảm tốc” đôi khi còn được sử dụng để vận hành theo các tín hiệu điều khiển logic. Ngoài các ưu điểm như khởi động mềm, biến tần còn có những tính năng ưu việt khác: • Điều chỉnh lưu lượng và áp suất ở mức yêu cầu • Hiệu suất cao hơn trong chế độ làm việc liên tục • Tự động hóa hoàn toàn • Tiết kiệm điện năng đáng kế Biến tần kết hợp động cơ không đồng bộ có thể thay thế giải pháp truyền thống sử dụng van điều

khiển và cho phép tiết kiệm điện năng nhờ khả năng thay đổi tốc độ. Việc loại bỏ van tiết lưu sẽ đơn giản hóa đáng kể hệ thống đường ống và giảm thiểu việc tổn hao áp suất. Như vậy, cả biến tần và khởi động mềm đều có thể thực hiện việc khởi động/ dừng động cơ tốt như nhau. Sự khác biệt cơ bản trong ứng dụng là biến tần có khả năng thay đổi tốc độ làm việc của động cơ nhưng khởi động mềm thì không thể. Khởi động mềm và tiết kiệm điện năng Về mặt công nghệ, có thể dễ dàng tích hợp vào khởi động mềm chức năng dịch lui pha của sóng điện áp để tiết kiệm điện năng khi động cơ làm việc ở chế độ nhẹ tải. Tuy nhiên, trên thực tế động cơ có thể tiêu tốn nhiều điện năng hơn khi sử dụng chức năng này. Chức năng tiết kiệm điện năng của khởi động mềm, nếu có, thực chất là nhằm vào việc cải thiện hiệu suất động cơ. Thực tế chế độ làm việc ảnh hưởng đến phân nửa tổn hao của động cơ, nửa kia là tổn hao cơ (ma sát và thông gió). Như vậy, với động cơ có hiệu suất 95%, điện năng tiết kiệm được tối đa là 2.5%. Theo kết quả thực nghiệm, để đạt được mức tiết kiệm trên, động cơ phải giảm xuống dưới 50% tải trong ít nhất 25% khoảng thời gian của chu trình làm việc. Những thiết bị cần thiết phải tiết kiệm điện năng như quạt và bơm lại hiếm khi làm việc dưới 80% tải. Trong những ứng dụng này, việc tiết kiệm điện năng thực sự chỉ đạt được bằng cách giảm tốc độ động cơ. Đối với những ứng dụng khác mà việc tiết kiệm điện năng có thể cần tính đến như máy nén khí và băng tải, chu trình vận hành thường có xu hướng buộc động cơ đột ngột quay lại trạng thái đầy tải. Việc áp toàn mômen tải lên trục động cơ lập tức như vậy có thể làm cho động cơ đang ở trạng thái non kích từ (để tiết kiệm điện năng) hút dòng lớn trong quá trình phục hồi mômen điện từ. Do đó, một phần hoặc tất cả điện năng được tiết kiệm trong lúc non tải sẽ tiêu hao trong quá trình quá độ này. Ngoài ra, để chức năng tiết kiệm điện năng hoạt động, chúng ta không thể sử dụng công tắc tơ nối tắt phần điện tử công suất trong khởi động mềm và do đó chịu thêm tổn hao và ảnh hưởng của hòa tần bậc cao. Thông thường khởi động mềm tiêu tán 3 watt cho mỗi ampe của dòng động cơ và cần phải trừ đi tổn hao này từ phần điện năng tiết kiệm được khi tính hiệu quả thực. Như vậy, mặc dù nhiều nhà sản xuất giới thiệu chức năng tiết kiệm điện năng của khởi động mềm, thực tế rất khó đánh giá và hiệu quả kinh tế khi đưa vào vận hành vẫn cần xem xét lại. Biến tần và tiết kiệm điện năng Lĩnh vực có thể sử dụng biến tần để tiết kiệm điện năng là các hệ thống có mômen tải thay đổi theo tốc độ mà bơm và quạt ly tâm là những ứng dụng điển hình. Quan hệ giữa tải và vận tốc tuân theo luật đồng dạng: lưu lượng tỉ lệ bậc nhất, áp suất tỉ lệ bình phương, công suất tỉ lệ lập phương với vận tốc. Dưới đây, để làm rõ cơ chế tiết kiệm điện năng chúng ta sẽ khảo sát trường hợp bơm ly tâm. Trạng thái làm việc của hệ thống bơm có thể biểu diễn trên đồ thị lưu lượng - áp suất như hình 1: chế độ làm việc xác lập là giao điểm của đường cong đặc tính bơm và đặc tính hệ thống thủy lực. Ở bên trái điểm này làm, áp suất tạo ra bởi bơm lớn hơn áp suất cần thiết, lưu chất tăng vận tốc và lưu lượng tăng. Ở bên phải điểm làm việc, áp suất bơm tạo ra nhỏ hơn áp suất cần thiết lưu lượng giảm. Tại điểm làm việc, áp suất bơm cân bằng với áp suất hệ thống yêu cầu, lưu chất đạt đến vận tốc ổn định.

Hình 1: Chế độ xác lập của hệ thống Trong các hệ thống điều khiển lưu lượng bằng van, đặc tính của hệ thống thủy lực thay đổi theo vị trí của van như trên hình 2. Điểm vận hành sẽ dịch chuyển trên đường đặc tính bơm tùy theo lưu lượng yêu cầu.

Hình 2: Điều chỉnh lưu lượng bằng van Ngược lại, khi sử dụng biến tần để điều tiết lưu lượng, đặc tính bơm sẽ thay đổi và điểm làm việc sẽ dịch chuyển dọc theo đường đặc tính của hệ thống thủy lực như hình 3.

Hình 3: Điều chỉnh lưu lượng bằng biến tần Tại mỗi điểm làm việc, công suất tiếp nhận bởi lưu chất có thể tính bằng tích của áp suất và lưu lượng và biểu diễn bởi diện tích hình chữ nhật gạch chéo trên hình 4. So sánh diện tích này ở hai phương thức điều khiển với cùng một lưu lượng làm việc dễ dàng nhận thấy công suất bơm cần phải phát động trong trường hợp sử dụng biến tần là ít hơn đáng kể khi lưu lượng nhỏ hơn giá trị định mức của hệ thống. Áp suất khi đó được giảm theo lưu lượng nhờ vậy tránh tiêu phí năng lượng do tổn thất áp suất như trong trường hợp điều khiển bằng van.

Hình 4: Công suất tiêu thụ ở lưu lượng thấp thể hiện ưu điểm của điều khiển biến tần Hệ thống quạt và máy nén khí ly tâm có các đường đặc tính áp suất - lưu lượng có dạng tương tự như hệ thống bơm. Các hệ thống này cũng tuân thủ những nguyên tắc điều khiển lưu lượng và cơ chế tiết kiệm điện năng như đã xét ở phần trên. Hình 5 là ví dụ về việc áp dụng biến tần (VFD - Variable Frequency Drive) cho bơm và quạt trong hệ thống điều hòa thông gió (HVAC) cho cao ốc nhằm giải quyết bài toán tiết kiệm điện năng.

Hình 5: Ứng dụng biến tần cho hệ thống HVAC 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 đayy 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 = 18750kWh30kW x (0.9)3 x 1250h = 19200kWh30kW x (0.8)3 x 625h = 4050kWhTổng cộng: 42000kWhNhư 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 Bơm90 0.78 0.8080 0.70 0.6470 0.59 0.4960 0.46 0.3850 0.32 0.2840 0.22 0.20Giả 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.

Hệ thống bơm nước cho khu công nghiệp,các trung cư nhà cao tầng,…không đòi hỏi về vấn đề lưu lượng nhưng yêu câu đặt ra là phải giải quyết được việc ổn định áp suất ?Lý do: bình thường khi không vào các giờ cao điểm dùng nước của các hộ thì áp suất đường ống tăng cao,ngược lại sẽ giảm mạnh --> cần giữ cho áp suất ổn định.

Hoạt động : bơm chính sẽ khởi động ( theo các bước an toàn :làm đầy đường ống,khởi động mềm,…). Khi áp suất giảm, tím hiệu áp suất từ trên đường ống sẽ phản hồi về Card Pump --> điều khiển đóng bơm. Tương tự nếu vẫn chưa đủ áp suất thì bơm tiếp theo sẽ được đóng…. Sự thay đổi áp suất sẽ được biến tần xử lý thông qua việc thay đổi tốc độ bơm chính.

PHƯƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN DÙNG BIẾN TẦN ABB CHO CÁC LOẠI TẢI BƠM QUẠT SỬ DỤNG BIẾN TẦN1. Vấn đề điều khiển lưu lượng của bơmĐiều khiển theo kiểu truyền thống:• Bơm, quạt sẽ được cấp nguồn trực tiếp• Bơm, quạt luôn hoạt động ở chế độ định mức.• Việc thay đổi lưu lượng thông thường dùng van tiết lưu (tải bơm), thay đổi độ đóng mở của cánh chắn gió (tải quạt).--> Nhận xét:

• Tăng trở kháng đường ống• Lưu lượng giảm nhưng công suất tiêu hao giảm rất ítVí dụ: khi ta dùng valve tiết lưu để giảm lưu lượng bơm xuống còn 80% so với định mức. Theo bình thường thì với 20% lưu lượng giảm đi thì công suất tiêu tốn cũng giảm đi một lượng đáng kể, nhưng cụ thể ở đây chỉ năng lương tiêu tốn là khoảng 95% (chỉ giảm 5% công suất trên 20% lưu lượng giảm).Điều khiển qua biến tần:• Bơm, quạt được cấp nguồn qua biến tần.• Bơm có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu.• Việc thay đổi lưu lượng được thực hiện thông qua việc thay đổi tốt độ động cơ.--> Nhận xét: • Không còn tổn thất năng lượng trên valve như kiểu truyền thống.• Bơm cũng không phải sinh ra công suất trên trục lớn hơn nhu cấu thực tế để chống lại sức càn trên valve.Ví dụ: khi dùng biến tần điều khiển bơm,nếu ta muốn giảm lưu lượng xuống 80% so với định mức.Ta chỉ cần điều chỉnh biến tần để giảm tốc độ động cơ xuống.Quan hệ giữa moment tải và tốc độ động cơ (với tải bơm quạt) là:M=n2Công suất: P=M*n-->P≈ n3Nếu ta giảm tốc độ xuống còn 80% (0.8)Thì công suất chỉ cần bằng (0.8)3 ≈ 0.5Điều này cho ta thấy rằng bơm sẽ chỉ hoạt động với 50% công suất định mức là có thể đạt được 80% lưu lượng -->tiết kiệm điện.

2.Đặc tính của bơm:Là mối quan hệ giữa áp suất và lưu lượng

Họ đặc tính của bơm khi tốc độ bơm thay đổi

a. Đặc tính làm việc của tải bơm quạt: Điểm làm việc của bơm là giao điểm của đường cong của bơm và đường cong của hệ thốngTa xét động cơ có tốc độ định mức là n= 1480 RPM • Dùng van tiết lưu thay đổi lưu lượng

• Dùng biến tần thay đổi tốc độ bơm

4. Tính toán công suất bơmCông suất bơm được tính bằng tích của lưu lượng nhân với áp suất. Đây chính là diện tích trên đường đặc tuyến. Ta có công thức tính công suất như sau: xét lưu lượng Q tính theo (m¬¬3 /s) P = (d * H * Q) / kvới,d: khối lượng riêng của chất được bơm (kg/m3)H: độ cao cột áp cần bơm (m)Q :lưu lượng bơm (m3/s)k : tỷ số giữa công suất đầu ra với công suất trên trục của bơmSo sánh công suất cho một lưu lượng cố định khi dùng valve tiết lưu và khi dùng biến tần điều chỉnh tốc độ bơm.Dùng valve tiết lưu:Động cơ luôn chạy với công suất định mức,việc thay đổi lưu lượng thông qua việc thay đổi độ mở cánh chắn gió( tải quạt) hoặc thay đổi độ đóng mở của valve (tải bơm). Điều này sẽ gây tổn hao năng lượng khi chạy ở lưu lượng thấp (tải bơm) và chạy non tải (tải quạt).Dùng biến tần:• Toàn bộ hệ thống bơm quạt sẽ được điều khiển thông qua biến tần.• Áp suất của toàn hê thống không đổi với mọi lưu lượng (cảm biến áp suất trên đường ống phản hồi thông số về cho biến tần). • Với phương pháp điều khiền U/f, điều khiển vector, do đó tốc độ có thể thay đổi một cách linh hoạt.• Dòng khởi động được hạn chế sẽ không gây sụt áp khi khởi động sẽ không ảnh hưởng đến các thiết bị khác.• Quá trình stop, start được mềm hóa nên giảm tổn hại cho động cơ về mặt cơ khí, cho hệ truyền động cũng như về mặt điện. Chi phí bảo

dưỡng giảm.• Không giới hạn số lần khởi động .• Tiết kiệm năng lượng khi tải thay đổi liên tục.• Có các chức năng bảo vệ: quá áp, thấp áp, quá nhiệt,bảo vệ nhiệt động cơ, bảo vệ ngắn mạch,đảo pha, kẹt rotor,…• Có tính năng làm đầy đường ống: khởi động bơm từ từ với thời gian cài đặt, tránh gây rung đường ống và sự thay đổi áp suất đột ngột,… ảnh hưởng xấu cho hệ thống.

Ảnh hưởng của phần công suất hao phí là do : tràn, sủi bọt khí, tăng nhiệt chất lỏng

Chuyển đổi nhiều bơm:

Giải thích : Pump Switching CardHệ thống bơm nước cho khu công nghiệp,các trung cư nhà cao tầng,…không đòi hỏi về vấn đề lưu lượng nhưng yêu câu đặt ra là phải giải quyết được việc ổn định áp suất ?Lý do: bình thường khi không vào các giờ cao điểm dùng nước của các hộ thì áp suất đường ống tăng cao,ngược lại sẽ giảm mạnh --> cần giữ cho áp suất ổn định.Hoạt động : bơm chính sẽ khởi động ( theo các bước an toàn :làm đầy đường ống,khởi động mềm,…). Khi áp suất giảm, tím hiệu áp suất từ trên đường ống sẽ phản hồi về Card Pump --> điều khiển đóng bơm. Tương tự nếu vẫn chưa đủ áp suất thì bơm tiếp theo sẽ được đóng…. Sự thay đổi áp suất sẽ được biến tần xử lý thông qua việc thay đổi tốc độ bơm chính.