Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Khoa : Điện – Điện Tử

----------

Môn học : Kiểm Toán & Tiết Kiệm Điện Năng

Giảng viên : Lê Tấn Thanh Tùng

Giải pháp dùng biến tần để tiết kiệm năng lượng trong hệ thống Bơm Quạt

Lê Minh Quốc Khánh 11151041

Đinh Hữu Kiên 11151044

Nguyễn Thành Nam 11151049

TP. Hồ Chí Minh

2014

Giải Pháp Dùng Biến Tần Để Tiết Kiệm Năng Lượng Trong Hệ Thống Bơm Quạt  

I/ Giới thiệu chung

    Ở các xí nghiệp, nhà máy và ở các nhà máy điện đều có các thiết bị hút thổi gió, khói, hơi nước, hệ thống bơm nước...có sử dụng động cơ ba pha xoay chiều làm động cơ sơ cấp. Tại các xí nghiệp khác, thường là các thiết bị làm mát ( điều hoà trung tâm ), máy bơm nước...Trong quá trình sản xuất, lưu lượng của các thiết bị này luôn cần thay đổi để phù hợp với nhu cầu cụ thể về sản xuất của xí nghiệp, nhà máy.... Với động cơ sơ cấp là các động cơ xoay chiều ba pha, việc điều chỉnh lưu lượng của các thiết bị này là khó khăn vì như ta đã biết, lưu lượng của các môi chất thông qua thiết bị là phụ thuộc vào tốc độ qua của động cơ sơ cấp.       Với cấu tạo của các động cơ xoay chiều ba pha truyền thống thì tốc độ quay của động cơ coi như không đổi với hệ thống lưới điện xoay chiều có tần số công nghiệp f = 50Hz thông qua quan hệ f="p.n/60" - trong đó p là số đôi cực của động cơ, và n là tốc độ quay. Với quan hệ này, tốc độ quay của động cơ chỉ còn phụ thuộc vào tần số của lưới điện. Vì vậy để thực hiện thay đổi được lưu lượng, điều tốt nhất là thay đổi tốc độ động cơ sơ cấp, có nghĩa là cần thay đổi tần số của lưới điện.       Có nhiều cách để điều khiển lưu lượng của hệ thống bơm như sử dụng van tiết lưu, đường tuần hoàn, sử dụng nhiều bơm… Tuy nhiên cách hiệu quả nhất để đáp ứng nhu cầu sử dụng và hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng là sử dụng biến tấn để điều khiển lưu lượng bơm.

II/ Các giải pháp tiết kiệm điện trong hệ thống bơm quạt

Thay thế động cơ tiêu chuẩn bằng động cơ có hiệu suất cao.

Bù công suất phản kháng để nâng cao hệ số công suất cos(phi)

Sử dụng biến tần

Thay thế động cơ non tải bằng động cơ có công suất nhỏ phù hợp với tải

Tăng cường bảo trì

III/Giải pháp biến tần cho bơm, quạt         

  Lưu lượng của các thiết bị này phụ thuộc vào tốc độ của động cơ sơ cấp, mà tốc độ này lại phụ thuộc vào tần số của nguồn điện. Vì vậy với một động cơ sơ cấp đã có, việc điều chỉnh tốc độ dễ dàng thực hiện được nhất là thay đổi tần số của nguồn điện. Giải pháp cho vấn đề trên chính là sử dụng biến tần để thay thế cho các van. 

     Khi vận hành động cơ của bơm, quạt hoạt động hết 100% công suất, trong giờ cao điểm hệ thống hoạt động 100% công suất nhưng trong giờ thấp điểm công suất cần thiết để hoạt động nhỏ mà động cơ vẫn hoạt động hết công suất điều này gây lãng phí. 

    Giải pháp để giải quyết bài toán này là thay đổi tốc độ động cơ cho phù hợp với từng quá trình sản xuất  nhưng vẫn đáp ứng được yêu cầu của người sử dụng. 

    Với động cơ phục vụ cho ngành nước sạch thì trong giờ cao điểm hoạt động hết công suất nhưng trong giờ thấp điểm sẽ hoạt động với công suất nhỏ đủ duy trì áp lực trên đường ống. 

    Với động cơ của máy ép dầu thì trong quá trình có tải động cơ hoạt động tối đa, trong quá trình chờ ép thì hầu như động cơ không hoạt động. Do đó việc sử dụng biến tần tiết kiệm năng lượng cho hệ thống bơm, quạt đã mang lại hiệu quả kinh tế lớn với chi phí đầu vào không quá lớn. 

   Với việc sử dụng biến tần và các thiết bị phụ trợ mang lại  hiệu quả cao: tiết kiệm chi phí năng lượng, bảo vệ động cơ trong quá trình làm việc, nâng cao tuổi thọ các thiết bị cơ khí, quá trình khởi động và dừng mềm giúp nâng cao tuổi thọ hệ thống, an toàn với người sử dụng. Qua quá trình đo, giám sát hệ thống có thể dễ dàng nhận thấy tiết kiệm tới 40% năng lượng.  

Hình ảnh ứng dụng lắp đặt biến tần

             

   

 Hệ thống biến tần lắp ổn định lưu lượng nước

   

 

 

Biến tần cho quạt gió,   hệ thống bơm cấp nước 

Nguyên lý làm việc của biến tần

Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

 

Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ.Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của điện áp.Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.

Khả năng tiết kiệm điện của động cơ không đồng bộ khi lắp bộ biến tần

Việc sử dụng biến tần làm cân bằng giữa công suất điện đầu vào và phụ tải nên đem lại lợi ích đáng kể cho người dùng , đem lại chi phí vận hành thấp , đặc biệt đối với phụ tải là động cơ bơm , động cơ quạt li tâm..

Động cơ bơm , quạt li tâm ... là những thiết bị mà phụ tải luôn thay đổi , dùng những phương án điều chỉnh cổ điển như mở van... sẽ gây tiếng ồn đối với động cơ mang tải nặng , gây ra tổn thất , chắc chắn gây ra tổn hao công suất , mà phụ tải là động cơ bơm , quạt là chủ yếu .

Khi phụ tải là những thiết bị động cơ bơm , động cơ quạt li tâm ... thì luôn có thông số : cột áp , lưu lượng , công suất điện , dựa vào luật đồng dạng .

P: công suất động cơ

N: tốc độ động cơ

Q: lưu lượng nước

K: hằng số

H: áp lực

: Hiệu suất động cơ

Các quan hệ về bơm như sau :

Ta thấy lưu lượng tỉ lệ bậc nhất với tốc độ , cột áp tỉ lệ bậc 2 với tốc độ , công suất tỉ lệ bậc 3 với tốc độ .

Từ luật đồng dạng của động cơ ta thất khi động cơ hoạt động sia lệch so với tải nếu điều chỉnh bằng phương pháp mở van thì không ưu việt hơn so với phương án điều chỉnh tốc độ bằng biến tần .

Vì vậy khi giảm Q thì P nhất định sẽ giảm để làm được điều đó ta dùng biến tần

Qua phân tích trên khi sử dung bộ biến tần cho động cơ thì sẽ nhanh thu hồi vốn nhờ lợi nhuận về điện năng mà biến tần mang lại.

Nhờ khả năng điều chỉnh tốc độ:

Nếu ta gọi:

N1: là tốc độ định mức động cơ

N2: là tốc độ động cơ sau khi lắp bei61n tần và điều chỉnh phù hợp với tải

P: Là công suất của động cơ

Thì phần trăm tốc độ của động cơ là k=N 2N 1

.100 %

Điện năng của động cơ tiêu tốn trong khoảng thời gian T khi chưa lắp biến tần là:

A1=P.T

Điện năng của động cơ tiêu tốn trong khoảng thời gian T khi lắp biến tần là:

A2=P.(k)2.T

Điện năng tiết kiệm được trong khoảng thời gian T ∆A=A1-A2

Khoảng tiền tiết kiệm được C=∆A.giá 1kWh

Thời gian hoàn vốn: T=K/∆A.12

Với k là chi phí đầy tư mua biến tần .

So sánh điều khiển bơm , quạt bằng van tiết lưu và bằng biến tần

Điều khiển theo kiểu truyền thống Điều khiển qua biến tần Bơm quạt sẽ được cấp nguồn trực tiếp

Bơm quạt được cấp nguồn qua biến tần

Bơm quạt luôn hoạt động ở chế độ định mức

Bơm có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau tuỳ thuộc vào yêu cầu

Việc thay đổi lưu lượng thông thường dùng van tiết lưu ( tải bơm ) , thay đổi độ đóng mở của cánh chắn gió ( tải quạt )

Việc thay đổi lưu lượng được thực hiện thông qua việc thực hiện thay đổi tốc độ động cơ

Tăng trở kháng đường ống Không còn tổn thất năng lượng trên valve như kiểu truyền thống

Lưu lượng giảm nhưng công suất tiêu hao giảm rất ít

Bơm cũng không phải sinh ra công suất trên trục lớn hơn nhu cầu thực tế để chống lại sức càn trên valve .

Ví 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 công suất và tốc độ động cơ (với tải bơm quạt) là:

Nếu 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.

Kết luận

Sử dụng biến tần có tiềm năng lớn về tiết kiệm điện. Tiết kiệm điện không chỉ giảm khoản tài chính phải dành để trả cho hóa đơn điện mà còn góp phần giảm tải cho hệ thống cung cấp điện.

Biến tần cho phép điều khiển hệ thống và thiết bị máy móc hoạt động ở điểm làm việc tối ưu tương ứng với điều kiện vận hành và phụ tải thực. Do vậy hệ thống bơm quạt luôn hoạt động với hiệu suất cao tiết kiệm năng lượng.

Với việc sử dụng biến tần , công việc thiết kế và lắp đặt trở nên đơn giản hơn , giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống.

Khả năng tiết kiệm điện qua việc sử dụng biến tần cho một hệ thống phụ thuộc vào thiết kế và các đặc tính kỹ thuật của hệ thống hay thiết bị đó, đối với các hệ thống bơm, quạt thì khả năng tiết kiệm có thể đạt 30% hoặc cao hơn.