Tiết Kiệm Năng Lượng Với Biến Tần

 

Liên Minh Châu Âu (EU) sắp ban hành quy định mới về kiểm soát hiệu quả trong hệ thống điều khiển. Quy định mới này hiện vẫn đang trong quá trình thảo luận nên chưa có bất cứ thông tin chính thức nào. Mặc dù quá trình xem xét hiện nay đang bị đình trệ, nhưng các tiêu chuẩn kỹ thuật đều áp dụng theo các quy định 50598-1 và EN 50598-2. Với mục tiêu, Biến tần (Inverter) sẽ phải được phân loại thành các lớp hiệu suất tiêu thụ năng lượng giống như phân loại trên động cơ điện. Như vậy đến một thời điểm nào đó, một số các dòng Biến tần (Inverter) với  tiêu chuẩn thấp, sẽ bị nghiêm cấm cung cấp cho thị trường Châu Âu (EU). Các nhà sản xuất Biến tần (Inverter) sẽ phải cung cấp thông tin chi tiết về các loại tổn hao để khách hàng có thể đánh giá được hiệu suất năng lượng cho từng ứng dụng.

Trước khi quy định mới này có hiệu lực, khách hàng nên quan tâm và tìm hiểu thêm, để từ đó có thể đánh giá được hiệu suất năng lượng của từng loại thiết bị hoặc hệ thống. Trong bài viết này, chúng ta xem xét một số vấn đề cơ bản về hiệu suất của hệ thống điều khiển và một số vấn đề phát sinh về các tiêu chuẩn và quy định mới sắp được công bố.

Một trong những lý do sử dụng biến tần là để điều chỉnh tốc độ của động cơ sao cho phù hợp với yêu cầu công nghệ, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng. Điều này đặc biệt có ích trong các ứng dụng dịch chuyển chất lưu (gas và chất lỏng), do công suất tiêu thụ tỷ lệ với lũy thừa ba của lưu lượng dòng chảy, do đó chỉ cần giảm 1 phần nhỏ lưu lượng dòng chảy là sẽ dẫn đến một sự tiết kiệm đáng kể năng lượng tiêu thụ. Các phương pháp giảm lưu lượng khác như dùng van chặn, van hồi ... đều dẫn tới việc lãng phí năng lượng điện. Ý tưởng này phổ biến tới mức không cần phải viết thêm về nó nữa, đã có rất nhiều hướng dẫn hữu dụng khắp nơi (vd: reference 1 & 2). Tuy nhiên, khi nói tới các quy định sắp được ban hành, sẽ rất có ích nếu chúng ta xem xét lại một vài nguyên tắc, chủ yếu là để giữ cho tầm ảnh hưởng của các quy định và tiêu chuẩn trong một tầm nhìn tổng quát.

Tổn thất điện năng trên Biến tần (Inverter)

Biểu đồ dưới đây (không theo tỉ lệ chính xác) thể hiện một cách sơ lược sự tiêu thụ năng lượng trong ứng dụng biến tần. Khi sử dụng yếu tố thất thoát thay vì yếu tố tiết kiệm, các chỉ số sẽ được thể hiện rõ ràng một cách rõ nhất. Ở tất cả các giai đoạn, sẽ luôn có một phần năng lượng bị hao phí trong những thiết bị liên quan, và thường được thể hiện theo một tỉ lệ % so với định mức.

Phần năng lượng bị mất đi được chuyển thành nhiệt vào không khí xung quanh. Thỉnh thoảng,  phần nhiệt này sẽ được tận dụng, nhưng thường thì đây là một sự lãng phí, và có thể gây ra chi phí phụ khi phải lắp đặt hệ thống thông gió và làm mát. Những thất thoát trong thực tế thường biến đổi một cách đáng kể qua hàng loạt ứng dụng khác nhau, nhưng ở Bảng 1 chúng ta sẽ thấy một phân tích chi tiết điển hình cho ứng dụng quạt gió, hoạt động ở mức tối đa. Chú ý rằng ở mỗi khâu, sự hao phí là một hàm liên quan đến đầu ra và đến các khâu khác.

Trong ví dụ trên, hiệu suất tổng thể là khoảng 56.6%. Phần thất thoát lớn nhất nằm ở thiết bị truyền động (Actuator), và con số thất thoát 30% là điển hình cho một hệ thống quạt khí động. Khí là một chất lưu rất khó được dịch chuyển một cách có hiệu quả, một máy bơm hiện đại cũng phải thất thoát tối thiểu là 10%. Tất cả những thất thoát này có thể được giảm thiểu bằng việc cải tiến công nghệ, cải tiến các thiết kế hiệu quả hơn và bắt buộc phải theo những tiêu chuẩn quy định.

Lưu ý rằng Biến tần (AC Drive) chiếm phần thất thoát ít nhất và đây chính là thực tế trong phần lớn các ứng dụng. Thất thoát chỉ 3% là không đáng kể so với những phần khác .Các loại Biến tần (Inverter) đời mới hiện nay có lượng thất thoát rất thấp, một trong những nguyên nhân chính là do sự đòi hỏi những thiết bị có kích thước nhỏ gọn, từ đó các bộ phận làm mát (quạt và bộ tản nhiệt) sẽ cần phải giảm thiểu kích cỡ, vì thế lượng thất thoát cũng bị giảm thiểu theo. Năng lượng qua Biến tần (Inverter) vẫn bao gồm tất cả các thất thoát khác, vì vậy 3% thất thoát là của bản thân Biến tần (Inverter), nếu dựa trên tổn thất của toàn bộ hệ thống thì tổn thất trên biến tần (Inverter) chiếm 5.1%. Việc sử dụng Biến tần (Inverter) phù hợp có thể giúp chúng ta giảm được tổn thất cho cả trên các phần khác, kết quả tiết kiệm được sẽ lớn hơn rất nhiều so với phần bị thất thoát trên bản thân Biến tần (Inverter). Tuy nhiên, Chúng ta cần phải xem xét tới trạng thái và nguyên lý hoạt động chứ không chỉ là trạng thái phụ tải lớn nhất.

Kiểm soát và thất thoát

Những giá trị tổn thất ở trên là những số liệu điển hình đối với tải định mức của mỗi thiết bị. Do vậy, các giá trị này chỉ hữu dụng với các hệ thống được vận hành ở công suất tối đa. Nhiều hệ thống phần lớn thời gian hoạt động dưới mức tải định mức, do yêu cầu công nghệ thì thay đổi liên tục trong khi những hệ thống thì bắt buộc phải được thiết kế để chạy ở mức tối đa. Hơn nữa, ta thường đánh giá hệ thống thông qua công suất ngõ ra tối đa, vì vậy các nhà sản xuất thường thiết kế "dư" để tránh rủi ro bị khách hàng từ chối hệ thống nếu nó không đạt được chỉ tiêu đầu ra khi chạy thử. Vì vậy, cần thiết phải có một hệ thống điều khiển để có thể điều chỉnh được công suất đầu ra.. Việc sử dụng công nghệ điều khiển nào sẽ quyết định đến hiệu suất của hệ thống. Ví dụ, dùng Damper chắn gió để điều chỉnh lưu lượng ngõ ra sẽ dẫn tới lãng phí lớn, bởi nó làm tăng áp suất phía trước Damper làm cho các thành phần khác sử dụng năng lượng nhiều hơn. Trong trường hợp này, sử dụng Biến tần (Inverter) để điều khiển giảm tốc độ động cơ là phương pháp lý tưởng nhất.

Hiệu suất của tất cả các thành phần đều thay đổi theo tải. Có nhiều dạng khác nhau, nhưng nhìn chung những thất thoát thuộc một trong các dạng sau:

 - Thất thoát là cố định và không phụ thuộc vào đầu ra. Nó làm giảm một phần hiệu suất.

- Thất thoát là tỷ lệ và không ảnh hưởng đến hiệu suất.

- Thất thoát tăng (vd: tăng bình phương) và gây suy giảm hiệu suất toàn bộ tải.

Như vậy, kết quả là chúng ta phải tìm điểm hoạt động để hiệu suất đạt được là tối ưu, ví dụ đối với động cơ điện không đồng bộ thông thường, điểm này nằm ở mức khoảng 80% công suất định mức. Nếu vận hành ở công suất cao hơn thì hiệu suất sẽ bị giảm, ở công suất thấp hơn hiệu suất cũng sẽ bị giảm đi mặc dù lượng thất thoát thực tế của nó có giảm.

Tổn thất điện năng trong hệ thống biến tần.

Sau khi tóm tắt tổng quan hiện trạng, chúng ta có thể xem xét chi tiết hơn về hệ thống điều khiển:  Biến tần (Inverter) + động cơ điện. Đầu ra của hệ thống là công suất cơ tại trục động cơ điện, liên quan đến Moment và Tốc độ (Speed). Cả động cơ và Biến tần (Inverter) đều có những yếu tố thất thoát phụ thuộc vào Torque và Tốc độ (Speed). Bảng 2 sẽ tóm tắt những chi tiết này. Để hiểu một cách đơn giản, chúng ta sẽ xem như cường độ dòng điện (Ampe) tỉ lệ thuận với Moment, bỏ qua dòng điện từ hóa trong động cơ.

Chúng ta phải xem xét ảnh hưởng của Moment và Tốc độ (Speed) theo cách vừa riêng biệt và vừa liên quan với nhau. Tổn hao đồng trong động cơ gần như ảnh hưởng toàn bộ đến Moment, dưới bất cứ Tốc độ (Speed) nào, và điều này cũng đúng đối với bộ phận nghịch lưu trên Biến tần (Inverter). Mặt khác, các tổn thất trong bộ phận chỉnh lưu đầu vào của Biến tần (Inverter) hoàn toàn ảnh hưởng đến công suất ngõ ra (Output Power), như đã nói ở trên công suất ngõ ra (Output Power) bao gồm Moment và Tốc độ (Speed).

Bức tranh tương đối phức tạp này có thể được đơn giản hóa khi một loại tải nhất định được xem xét dựa trên sự liên quan giữa Tốc độ (Speed) và Moment. Ví dụ đối với Quạt (Fan) hoặc Bơm (Pump) đơn giản thì áp suất (Pressure) sẽ tỷ lệ với bình phương của lưu lượng (Flow), Moment tỷ lệ với bình phương của Tốc độ (Speed). Ngược lại, ví dụ đối với Băng tải (Conveyor) sẽ có Moment không phụ thuộc vào Tốc độ (Speed), mà nó phụ thuộc vào tải hệ thống. Hai loại tải này được biết rộng rãi trong những ứng dụng của Biến tần (Inverter) với tên gọi là "tải có Moment thay đổi (Variable Torque )" và "tải có Moment không đổi (Constant Torque)".

Tương tự như vậy, có những tổn thất trong Biến tần (Inverter) và động cơ được phân loại riêng biệt, có những loại tổn thất khác thực chất là sự kết hợp của cả hai. Những yếu tố chính là:

- Thông lượng từ thông, được điều khiển bởi Biến tần (Inverter) và đặt lên động cơ, gây ra tổn thất từ hóa (cũng tương tự, luôn có một thông lượng từ thông tối ưu ứng với bất kỳ 1 điểm vận hành nào)

- Biến tần (Inverter) với nguyên lý băm xung và điều tiết độ rộng xung (PWM) khi nghịch lưu là nguyên nhân gây tăng tổn thất năng lượng cho động cơ.

- Hệ số công suất của động cơ sẽ gây ra một phần tổn hao trên Biến tần (Inverter) do dòng điện phản kháng.

Tiêu chuẩn về hiệu suất của Biến tần (Inverter) sẽ chỉ đề cập tới tổn thất trên chính bản thân Biến tần (Inverter), trong điều kiện tải định mức. Ví dụ khi tuân theo tiêu chuẩn này, các nhà sản xuất Biến tần (Inverter) phải chọn bộ nghịch lưu sao cho tối ưu hóa thất thoát trong Biến tần (Inverter). Do vậy dựa vào các tiêu chuẩn này, các kỹ sư thiết kế hệ thống có thể tính toán và điều chỉnh các tổn thất của toàn bộ hệ thống ứng với điều kiện hoạt động thực tế.

Tóm tắt lại, dựa trên tiêu chuẩn đặt ra, các nhà sản xuất biến tần và thiết bị điều khiển phải cung cấp những thông tin sau:

- Cấp hiệu suất cho sản phẩm, trong khoảng từ IE0 tới IE2, thể hiện tổn thất tại điểm ứng với dòng điện tạo ra torque định mức và 90% của tần số đầu ra định mức. Tần số chuyển đổi PWM được cố định ở 4 kHz với công suất tới 90kW và 2 kHz cho công suất trên 90kW. Cấp hiệu suất IE1 được định nghĩa còn phụ thuộc vào công suất của biến tần, đối với các công suất từ 5kw - 75kw thì giá trị thất thoát quy định bằng khoảng 5% so với công suất ngõ ra. Đối với cấp IE2 thì nó bằng khoảng 1 nửa so với IE1.

Bảng dữ liệu năng lượng thất thoát thể hiện ở 9 điểm tương ứng với dòng điện- moment và tốc độ như bên dưới:


Mục đích của bảng trên là giúp cho người sử dụng đánh giá được lượng tổn hao thất thoát cho ứng dụng của họ, tương ứng với các điểm vận hành khác nhau.
Nhiều khả năng quy định sẽ nghiêm cấm việc bán các loại Biến tần (Inverter) cấp IE0 ở Châu Âu (EU), và có thể trong tương lai cấm luôn phân loại IE1. Tiêu chuẩn này còn mang theo những điều khoản cho các phân loại khác ngoài IE2 trong tương lai, nhưng hiện tại ta không bàn đến.

CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT THỰC ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU SUẤT CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN - BIẾN TẦN

Hiểu về quá trình.

Để tối ưu hóa tiết kiệm năng lượng, yêu cầu quan trọng nhất là thiết kế các hàm điều khiển sao cho quá trình ngõ ra là tối ưu, sao cho nó đáp ứng vừa đủ và không được vượt quá yêu cầu. Như vậy yêu cầu cơ bản đối với người thiết kế hệ thống là phải hiểu tường tận về toàn bộ yêu cầu quá trình công nghệ, để đảm bảo điều khiển Tốc độ (Speed) và Moment động cơ một cách phù hợp nhất. Quay trở lại ví dụ trong bảng 1 ta thấy rằng tổn thất trong Biến tần (Inverter) và động cơ là 20.7%, tổn thất ở cơ cấu truyền trung gian (hộp số, dây đai ... ) là 56%. Đối với động cơ tiêu chuẩn IE3 khoảng 7.5Kw thì tổn thất là 10%, gần như không thể thay đổi. Phần tổn thất trên biến tần thì gần như không đáng kể so với toàn hệ thống.

Với yêu cầu giảm thiểu tối đa thất thoát cho hệ thống, chúng ta hãy xem 1 thiết kế mới trong đó bỏ qua cơ cấu truyền trung gian ( hộp số, dây đai ... ), việc điều chỉnh tốc độ sẽ do Biến tần (Inverter) đảm nhiệm. Khi đó các thành phần thất thoát năng lượng trong bảng 1 sẽ là:

Hiệu suất được cải thiện từ 56.5% lên 67,9% và thất thoát được giảm từ 76.7% xuống 47.3% của đầu ra.

Khi dùng Biến tần (Inverter) để điều chỉnh tốc độ động cơ khác với định mức, nó có thể kết hợp với các cảm biến ( ví dụ cảm biến áp suất, lưu lượng ... ) để điều khiển hệ thống vận hành ở tốc độ tối ưu.

Tối ưu hóa điều khiển động cơ - điều khiển từ thông

Tổn thất định mức ở động cơ 4 cực loại IE3 trong khoảng từ 14.5% đối với công suất 0.75kw đến 3.8% với công suất trên 185kw. Trong khoảng từ 5.5kw ~ 55Kw thì nó nằm ở mức khoảng 6%. Và điều này gần như không thể thay đổi để cải thiện gì thêm. Nó liên quan đến tổn hao trong dây dẫn (tổn hao đồng) khi dòng điện chạy qua và điều này là hiển nhiên. Cách tốt nhất có thể nâng cao hiệu suất đầy tải là sử dụng các động cơ nam châm vĩnh cửu có hệ số công suất (cosf) gần bằng 1, khi đó dòng điện sẽ nhỏ lại và tổn hao sẽ ít hơn.

Ở một mặt khác, chúng ta sẽ xem các tổn thất cố định trong động cơ, bởi vì trong thực tế ở phần lớn ứng dụng động cơ vận hành ở mức tải dưới định mức. Trong trường hợp này cường độ từ thông trong động cơ sẽ cao hơn so với mức yêu cầu cần thiết của tải, và loại tổn hao này (còn gọi là tổn hao sắt từ) có thể giảm được bằng cách giảm điện áp, từ đó giảm cường độ từ thông về vừa đúng với mức yêu cầu.

Đề minh chứng cho điều ở trên, ta lấy ví dụ cho một ứng dụng quạt chạy ở 50% tốc độ định mức và 25% moment định mức. Theo đó công suất chỉ là 12.5%. Tổn hao sắt là 2%, một tỉ lệ rất nhỏ. Tuy nhiên nếu tính theo 100% công suất thì tỷ lệ này tương ứng với 16% công suất tiêu thụ. Đối với ứng dụng này, ta có thể giảm điện áp xuống ở mức 50% mà vẫn đảm bảo dòng tải, như vậy kết quả là tổn hao giảm xuống chỉ còn 4% (so với 16% như lúc đầu). Nhìn qua thì nó tương đối nhỏ, tuy nhiên nó rất có ý nghĩa đối với hóa đơn tiền điện của khách hàng.

Phương pháp thông dụng điều khiển mật độ từ thông cho các ứng dụng Moment thay đổi (Variable Torque) đó là đặt tuyến V/F bậc 2, hệ số V/F sẽ quyết định mật độ từ thông trong động cơ. Cứ xem như quan hệ của tải là bậc 2, ví dụ Moment tỷ lệ với bình phương Tốc độ (Speed), và không có biến động tức thời ở tải, thì phương pháp này làm việc thực sự hiệu quả.

Đối với các ứng dụng moment không đổi (Constant Torque), thì phương pháp điều khiển đặc tuyến V/F khá hiệu quả. Nó hoạt động bằng cách đáp ứng điện áp theo dòng điện động cơ. Nó có ưu điểm là từ thông sẽ giảm tự động khi Moment tải giảm, không quan tâm tới đặc tuyến Moment / tốc độ (Speed) của tải. Tuy nhiên nó có nhược điểm là khi có sự tăng tải đột ngột, từ thông tăng quá nhanh sẽ dễ làm cho động cơ dừng hoạt động.

Tối ưu hóa điều khiển động cơ - tần số băm xung

Sự băm xung ở bộ phận nghịch lưu cũng là một nguyên nhân dẫn đến tổn hao trong động cơ, nó là cố định và không phụ thuộc vào tải. Tần số chuyển đổi càng cao thì tổn hao gây ra cho động cơ càng thấp, tuy nhiên lại tăng tổn hao trong chính Biến tần (Inverter). Tại điều kiện đầy tải, những nghiên cứu trong việc phát triển EN 50598-2 chỉ ra rằng đối với công suất 90Kw, các Biến tần (Inverter) cùng với các động cơ tiêu chuẩn IE3 có mức tổn thất tốt nhất ở tần số chuyển đổi 4 Khz. Đây là lý do các số liệu tiêu chuẩn đều lấy ở mức tần số này.

Hình 1 bên dưới thể hiện tổn thất của một động cơ và Biến tần (Inverter) khi thay đổi tần số chuyển đổi PWM, ở cả chế độ đầy tải và nửa tải.

Tần số chuyển đổi PWM tốt nhất khi vận hành đầy tải là 5Khz, và khi nửa tải là 7 Khz. Biến tần (Inverter) có thể đáp ứng tần số chuyển đổi PWM theo dòng tải động cơ nên có thể cải thiện được hiệu suất của hệ, và rất quan trọng trong các ứng dụng với phần lớn thời gian chạy ở tải dưới định mức.

Bình luận

Connect with us

Connect with us

Hỗ trợ trực tuyến