Biến tần, khởi động mềm và tiết kiệm năng lượng 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 v à giảm thiểu việc tổn hao áp suất. Với tốc độ phát triển nhanh của ngành điện tử và tự động hóa, biến tần và kh ởi động mềm ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chúng được sử dụng trong các quá tr ình công nghiệp để cải thiện khả năng điều khiển nhằm nâng cao chất lượng, tăng năng suất v à 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 v à 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. B ài viết này muốn phân tích rõ hơn bản chất vật lí của vấn đề tiết kiệm điện năng nhờ các thiết bị nói tr ên 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 v òi 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 th ế các điều khiển sao - tam giác truyền thống và rất thích hợp cho các ứng dụng bơm/ quạt li tâm để hạn chế d òng 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 ph ù 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 v à 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 l à bi ến 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 n ày. Ch ức năng tiết kiệm điện năng của khởi động mềm, nếu có, thực chất là nh ằm 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 l à tổn hao cơ (ma sát và thông gió). Như vậy, với động cơ có hiệu suất 95%, điện năng tiết kiệm được tối đa l à 2.5%. Theo k ết 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 vi ệc. 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 m à việc tiết kiệm điện năng có thể cần tính đến như máy nén khí và băng tải, chu tr ình 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 ti êu 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 d ù nhiều nhà sản xuất giới thiệu chức năng tiết kiệm điện năng của khởi động mềm, thực tế rất khó đánh giá v à hiệu quả kinh tế khi đưa vào vận h ành 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 h ình. 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 l àm 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 n ày làm, áp suất tạo ra bởi bơm lớn hơn áp suất cần thiết, lưu chất tăng vận tốc và lưu lượng tăng. Ở b ên phải điểm làm việc, áp suất bơm tạo ra nhỏ hơn áp suất cần thiết lưu lượng giảm. Tại điểm l àm việc, áp suất bơm cân bằng với áp suất hệ thống yêu cầu, lưu chất đạt đến vận tốc ổn định. Trong các hệ thống điều khiển lưu lượng bằng van, đặc tính của hệ thống thủy lực thay đổi theo vị trí của van. Điểm vận hành sẽ dịch chuyển trên đường đặc tính bơm tùy theo lưu lượng yêu cầu. Ngược lại, khi sử dụng biến tần để điều tiết lưu lượng, đặc tính bơm sẽ thay đổi và điểm l àm việc sẽ dịch chuyển dọc theo đường đặc tính của hệ thống thủy lực như hình 1. Hình 1: 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 2. So sánh diện tích này ở hai phương thức điều khiển với cùng m ột 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 2: 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 n ày cũng tuân thủ những nguyên tắc điều khiển lưu lượng và cơ chế tiết kiệm điện năng như đã xét ở phần trên. Hình 2 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. Ngoài ra biến tần còn giúp giảm dòng khởi động mà mômen khởi động lớn. . 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. Biến tần, khởi động mềm và tiết kiệm năng lượng Biến tần kết hợp động cơ không đồng bộ có thể thay thế giải