Biến tần cuộc cách mạng điều khiển động cơ điện

Hiện nay, trong sản xuất công nghiệp cũng như các ngành dịch vụ như kinh doanh khách sạn hay toà nhà văn phòng, các động cơ điện chiếm một tỷ lệ rất lớn trong số các thiết bị tiêu thụ điện.
Theo những khảo sát của hiệp hội Copper (International Copper Association) và những nghiên cứu gần đây về tình hình tiêu thụ năng lượng trong những khu vực kinh tế này thì có đến trên 50% năng lượng được tiêu thụ bởi các động cơ điện. Thống kê điện năng tiêu thụ trong các quá trình sản xuất và các toà nhà hiện đại thì đã có 72% điện năng được tiêu thụ là dùng để chạy các động cơ. Trong đó 63% là được áp dụng cho các loại bơm và quạt gió. Gần hai phần ba năng lượng điện sử dụng trong công nghiệp là để cung cấp cho các động cơ nên tiết kiệm điện cho các ứng dụng truyền động điện luôn là vấn đề thời sự.

Các thống kê cũng cho thấy, điều khiển động cơ điện bằng biến tần (variable frequency drive –VFD hay Variable Speed Drive-VSD) có thị phần lớn nhất trong các giải pháp tiết kiệm điện.

1. Thị trường VFD toàn cầu

Hình 1: a. Thị phần bộ biến tần theo châu lục    b. Thị phần bộ biến tần theo quốc gia

Nhìn vào biểu đồ hình 1, có thể các quốc gia thiếu nguồn năng lượng như Trung Quốc và Nhật  là thị trường lớn cho VFD, kéo theo thị trường    châu Á-Thái Bình Dương chiếm trên 60% VFD toàn cầu.

Hình 2: Dải công suất sử dụng biến tần sử dụng các VFD

Phân bổ các loại biến tần theo dải công suất có thể thấy ở H. 2

Từ hình 2, có thể thấy xu thế thị trường ở các dải công suất 10-99 KW và trên 500KW ngày càng bán chạy, bởi lẽ đây là nhóm có tỷ lệ sử dụng cao trong bơm, quạt, máy nén công nghiệp.

Ở các xí nghiệp, nhà máy đều có các thiết bị hút thổi gió, khói, hơi nước... có sử dụng động cơ ba pha xoay chiều làm động cơ sơ cấp, các thiết bị làm mát (điều hoà trung tâm), máy bơm nước...

2. Biến tần có thể tiết kiệm được bao nhiêu điện năng?

Không phải chỗ nào VFD cũng có thể giảm túi tiền điện năng. Có người cho rằng sử dụng biến tần không những không tiết kiệm điện mà còn phải tiêu tốn thêm điện cho biến tần. Nhưng cũng có ý kiến cho rằng muốn tiết kiệm điện cho động cơ điện thì phải sử dụng biến tần. Theo quan điểm thứ hai này, có những lãnh đạo doanh nghiệp thậm chí cả lãnh đạo một trong những tập đoàn công nghiệp lớn của Nhà nước từng ra chỉ thị rằng “để tiết kiệm năng lượng cần trang bị biến tần cho tất cả các động cơ đang hoạt động”. Vậy hai quan điểm này, quan điểm nào đúng, quan điểm nào sai? Mặc dù hiệu suất là khá cao thì bản thân biến tần là thiết bị điện tử nên nó cũng phải tiêu hao năng lượng và do tổn thất của các thiết bị biến đổi bán dẫn nên hiệu suất của nó không thể đạt tới 100% được. Hơn nữa khi lắp đặt biến tần ta sẽ phải tiêu hao năng lượng cho các thiết bị phụ như điều hòa không khí, quạt thông gió... Thực tế đã có những doanh nghiệp sau khi trang bị biến tần thì không những không giảm mức tiêu hao điện năng mà còn làm tăng thêm chi phí trên hóa đơn tiền điện hàng tháng.  Qua thực tế có thể nhận thấy biến tần được sử dụng hiệu quả trong các trường hợp sau:

Hình 3. Tiết kiệm điện năng khi dùng VFD, so với trường hợp đối chứng

- Với các công nghệ cần điều khiển tốc độ hoặc momen động cơ, sử dụng biến tần hiệu quả hơn các phương pháp điều khiển khác như điều khiển điện áp, điều khiển điện trở rotors,…

- Với các trường hợp không có yêu cầu điều khiển, điều chỉnh gì (động cơ quay với một tốc độ định mức) thì nói chung việc ứng dụng biến tần sẽ không hiệu quả
Một thử nghiệm quy mô lớn ở châu Âu cho thấy VFD có thể tiết kiệm 24-78% điện năng, tùy vào điều kiện phụ tải và yêu cầu công nghệ/1/

3. Biến tần tiết kiệm điện năng bằng cách nào

Trong quá trình sản xuất, lưu lượng của các thiết bị bơm, quạt, máy nén... 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,  lý tưởng nhất là điều khiển tốc độ quay của động cơ phụ thuộc vào tần số. Đối với các hệ truyền động loại bơm và quạt, công suất đòi hỏi của hệ thống tỉ lệ với lập phương của tốc độ quay và cũng là tỉ lệ với lập phương của lưu lượng.

Trước năm 2000, VFD là loại thiết bị rất đắt tiền, chỉ có các hộ tiêu thụ cao cấp  dùng với công suất nhỏ. Khoảng 15 năm gần đây, rào cản về trình độ công nghệ này đã bị tháo bỏ, các nước có nền kỹ nghệ tiền tiến đã chế tạo được các máy biến tần công suất lớn, và ngay lập tức đã được áp dụng vào sản xuất, giải quyết được vấn đề điều chỉnh tốc độ của các động cơ ba pha xoay chiều và đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế.

Hình 4: Giải thích cơ chế điều tốc để tiết kiệm điện của VFD

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại. Qua tính toán với các dữ liệu thực tế, với các chi phí thực tế thì với một động cơ sơ cấp khoảng 100 kW, thời gian thu hồi vốn đầu tư cho một bộ biến tần là khoảng từ 3 tháng đến 6 tháng.

Hiện nay ở Việt Nam, đã có một số xí nghiệp sử dụng máy biến tần này và đã có kết quả rõ rệt. Với giải pháp tiết kiệm năng lượng bên cạnh việc nâng cao tính năng điều khiển hệ thống, các bộ biến tần hiện nay đang được coi là một ứng dụng chuẩn cho các hệ truyền động cho bơm và quạt.

Nhờ tính năng kỹ thuật cao với công nghệ điều khiển hiện đại nhất (điều khiển tối ưu về năng lượng) các bộ biến tần đang và sẽ làm hài lòng nhiều nhà đầu tư trong nước, trong khu vực và trên thế giới.

Nguyên lý làm việc của bộ biến tần khá đơn giản. Hệ thống điện áp xoay chiều ba pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tùy theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, sự biến đổi tần số và điện áp phải tuân theo một luật nhất định tùy 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, 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 2 của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mômen cũng lại là hàm bậc 2 của điện áp. Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.

Hình 5: Biểu đồ tính toán tối ưu của bộ điều khiển thông minh trong VFD

Kết quả các phân tích  của hệ điều khiển thông minh diễn ra với các thuật toán khác nhau ở các hãng chế tạo khác nhau. Có thể tóm tắt vài kết quả như sau:

Bảng 1: Kết quả điều chỉnh đặc tính bơm/2/

Bảng 2: Kết quả điều chỉnh công suất bơm theo lưu lượng/2/

Kết quả cuối cùng: công suất trung bình của động cơ bơm tính với các thay đổi đồ thị phụ tải theo ngày
P1,avg = P1,100% + 0.15P1,75% + 0.35P1,50% + 0.44P1,25% ≈ 6.1kW

Ngoài ra, biến tần đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. 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.

4. Các ứng dụng ban đầu ở Việt Nam về VFD

Thông thường hệ thống điều hòa chiếm khoảng 80% lượng tiêu thụ điện năng của một khách sạn nhưng khi sử dụng giải pháp tiết kiệm điện năng với biến tần, chỉ số này giảm từ 45% - 50%. Mức đầu tư ban đầu là 45.000 USD, sau 03 tháng vận hành tiết kiệm được 120.000 kwh tương đương 11.000 USD. Như vậy thời gian hoàn vốn chỉ mất khoảng 12 tháng./3/

Đối với nhà máy Bia rượu nước giải khát Hà Nam, trong tổng mức chi phí/ đơn vị sản phẩm thì chi phí về điện năng chiếm 37% nhưng sau khi sử dụng VFD, chi phí điện năng giảm từ 12% - 15%. Đầu tư cho hệ thống làm lạnh của nhà máy mất 710.000.000 VNĐ ngược lại tiết kiệm được 10.000 - 12.000VND/ 1000 lít sản phẩm, tương đương với việc có thể hoàn vốn sau 18 tháng./3/
Tại khu vực Nhà máy sợi Hòa Thọ, ở đây có 2 máy nén công suất 110 kW vận hành luân phiên 12 giờ/ngày. Đây là 2 máy đã xuống cấp chạy rất tốn điện. Để khắc phục, đơn vị đã lắp đặt biến tần điều khiển động cơ máy nén khí giúp tiết kiệm 172.588 kWh, tương đương 20% điện năng cho khu vực này.

Công ty còn thực hiện một số giải pháp khác như lắp đặt hệ thống biến tần điều khiển động cơ quạt hút, quạt đẩy 55 kW tại buồng điều không; lắp đặt thiết bị Sewsaver cho máy may; lắp biến tần điều khiển động cơ 22 kW của máy nhuộm; lắp biến tần điều khiển cho nhánh ống Mutara và giải pháp lắp biến tần điều khiển động cơ 11 kW của máy nhuộm; cải tiến hệ thống đầu mối sợi con, cắt giảm từ 3 - 4 tụ bù tự động ở Nhà máy Sợi nhằm giảm tổn thất do chạy không tải.

Nhờ việc áp dụng các giải pháp biến tần này, mỗi tháng công ty tiết kiệm được 8.196 kWh.