Biến tần là thành quả của sự phát triển kỹ thuật vi điều khiển và kỹ thuật bán dẫn. Biến tần có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau nhưng biến tần đạt được hiệu quả cao nhất trong ứng dụng điều khiển vô cấp tốc độ động cơ để đáp ứng các yêu cầu về công nghệ. Tùy vào việc ứng dụng biến tần trong những lĩnh vực điều khiển khác nhau mà hiệu quả của nó mang lại cho người ứng dụng thể hiện ở các mặt khác nhau.

 

Tổng quan về biến tần và điều khiển vô cấp tốc độ động cơ:

Nguyên lý làm việc của bộ biến tần khá đơn giản. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều một pha hay ba pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn một chiều. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện (tụ DC link). Nhờ vậy, hệ số công suất cos(j) của hệ biến tần có giá trị không phụ thuộc vào tải và bằng ít nhất là 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xuay chiều ba 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 chỉnh độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn công suất 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.

 

Hình 1: Nguyên lý của biến tần

 

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.

Tiếp đây chúng ta sẽ đi sâu phân tích tính toán hiệu quả kinh tế của việc sử dụng biến tần vào nhà máy nước.

Phương án đưa biến tần vào nhà máy nước Sân Bay Đà Nẵng:

Hệ thống mới trang bị cho nhà máy nước có 2 bơm cấp nước sinh hoạt công suất mỗi bơm 185KW, với công suất thiết kế là 30 000 khối/ngày. So với nhu cầu thực tế thì công suất thiết kế đã vượt hơn rất nhiều.

Như vậy tránh thất thoát và tiết kiệm điện năng, chúng tôi đề xuất phương án sử dụng hệ thống điều khiển tự động giữ áp suất cố định trên đường ống bằng cảm biến áp suất và biến tần điều khiển công suất động cơ nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng.

1. Biến tần LS được sử dụng cho động cơ 185kW, công suất tiêu thụ của động cơ sẽ được biến tần điều chỉnh cho phù hợp với nhu cầu phụ tải. Động cơ thứ hai sẽ sử dụng chạy nền nếu sau này phụ tải phát triển lớn lên.

2. Một sensor áp suất được đưa vào đầu ra nước cấp của Nhà máy để đo áp lực nước đưa về hệ thống điều khiển.

3. Hệ thống điều khiển là 01 PLC - S7 224XP (SIEMENS), đảm bảo cho việc tự động hoá hoàn toàn quá trình bơm cấp nước của Nhà máy.

4. Vận hành hệ thống thông qua màn hình vận hành TD200.

5. Các mạch động lực cũng như mạch tín hiệu của hệ thống mới sẽ được đấu nối với hệ thống cũ mà không làm thay đổi chức năng cũng như hoạt động của hệ thống điều khiển đã được lắp đặt ban đầu.

Hoạt động của hai hệ thống như sau:

Hệ thống cũ được sử dụng như hệ thống điều khiển bằng tay, là hệ thống điều khiển dự phòng khi hệ thống mới lắp biến tần có sự cố.

Việc chuyển đổi giữa hai chế độ tự động và bằng tay được thực hiện bằng các công tắc chuyển đổi vị trí, và bằng cách cài đặt trên màn hình vận hành TD200.

Hệ thống mới và cũ sẽ được đấu nối đảm bảo chính xác, và vận hành an toàn trong mọi tình huống. Đảm bảo tính an toàn cao nhất của cả hệ thống.

Biểu đồ sau minh họa hoạt động của hệ thống mới:

Như vậy với việc đưa biến tần vào hệ thống sẽ hoạt động bám sát theo đúng thực tế lưu lượng phụ tải, do vậy sẽ giảm đáng kể năng lượng tiêu hao không cần thiết vào các giờ phụ tải thấp điểm.

Các tính toán cụ thể về hiệu quả kinh tế:

Tiếp đây chúng ta sẽ tính toán so sánh mức năng lượng tiết kiệm được khi đưa hệ thống mới vào hoạt động.
Tính toán so sánh điện năng tiêu thụ cho động cơ bơm công suất 185KW.

Lưu lượng phụ tải trung bình một ngày : 25 000 m khối/ngày.

(Lấy theo bảng tổng hợp báo cáo tình hình sản xuất nước tháng 3 năm 2005)

Lưu lượng định mức bơm một ngày : 30 000 m khối/ngày.

Sử dụng phần mềm tính toán tiết kiệm điện năng của SIEMENS.
(Phụ lục kèm theo).

Theo tính toán trên, với phương pháp sử dụng biến tần.

Giả sử rằng thời điểm giá điện là: 1500VND/kWh.

Sau một năm hoạt động hệ thống mới sẽ tiết kiệm được một khoản tiền là:

76 092,23 USD, tức khoảng 1 209 000 000 triệu đồng.

Dự trù kinh phí đầu tư cho hệ thống gồm biến tần và PLC khoảng

18 400 USD, tức là khoảng 294 000 000 triệu đồng

Thời gian thu hồi vốn là khoảng: 2 tháng.

Như vậy , với việc đầu tư hệ thống trên, thời gian thu hồi vốn là 2 tháng.

Ngoài hiệu quả kinh tế rất lớn, các lợi ích khác khi sử dụng biến tần có thể tóm gọn trong một số điểm sau:

1. Bộ biến tần làm việc theo nguyên tắc thay đổi tần số (cùng với thay đổi điện áp) nên luôn đảm bảo mômen khởi động đủ vượt tải ngay cả khi ở tốc độ rất thấp. Trong khi đó, dòng điện đưa vào động cơ không tăng, do phối hợp giữa điện áp và tần số để giữ cho từ thông đủ sinh mômen. Dòng khởi động lớn nhất của hệ truyền động biến tần chỉ bằng dòng định mức. Chính vì vậy không làm sụt áp lưới khi khởi động, đảm bảo các ứng dụng khác không bị ảnh hưởng.

2. Do quá trình khởi động được mềm hoá nên các chi tiết cơ khí của hệ truyền động như băng tải, các khớp nối, các vòng bi, ổ đỡ trong hệ thống sẽ ít bị mòn hay gẫy vỡ. Các chi tiết vòng đệm, các đồng hồ áp lực hay lưu lượng, ... đặt trên đường ống dẫn sẽ được đảm bảo tuổi thọ cao. Vì vậy, chi phí cho bảo trì bảo dưỡng hệ thống giảm đáng kể.

3. Hệ số công suất cos(j) luôn được giữ ở 0.96. Điều này đảm bảo cho lưới điện có hiệu suất sử dụng cao và giảm chi phí cho hệ thống bù công suất phản kháng.

4. Đảm bảo chế độ điều khiển liên tục, phù hợp tuyệt đối với đòi hỏi của công nghệ về lưu lượng và áp suất. Điều này làm tăng chất lượng của quá trình.

5. Tạo khả năng tự động hoá hệ thống, nhờ bộ PID tích hợp sẵn bên trong dùng cho điều khiển vòng kín; cổng giao tiếp với hệ thống tự động hoá RS485 có sẵn trên bộ biến tần tạo khả năng ghép nối và điều khiển hệ truyền động từ xa dễ dàng.

Phương án thiết kế và nguyên lý hoạt động:

- PLC S7-200: bộ điều khiển trung tâm, nó xử lý các tín hiệu thu thập về từ hệ thống để điều khiển các động cơ. Các động cơ được điều khiển chạy thông qua biến tần và các contactor.

- Converter (biến tần): điều khiển trơn tốc độ động cơ. Với biến tần thì động cơ chạy với hiệu suất rất cao ngay cả khi hoạt động ở tốc độ thấp. Biến tần sẽ làm cho hệ thống hoạt động tiết kiệm năng lượng điện so với cách hoạt động cũ của trạm.

- Đầu đo áp suất: mục đích để đo áp suất mạng. Với tín hiệu đo được từ đầu đo áp suất đưa về PLC xử lý điều khiển tốc độ bơm. Với đầu đo này PLC sẽ giám sát được áp suất nước trên mạng.

- Màn hình hiển thị TD-200: dùng để cài đặt các chế độ hoạt động của trạm, cài áp suất mạng... Ngoài ra, trên màn hình còn hiển thị áp suất đo được trên đường ống mạng.

 Nguyên lý hoạt động:

Với thiết kế này, hệ thống sẽ tự động giám sát áp suất nước trên đường ống mạng và điều khiển ngược lại để đảm bảo giữ đúng áp suất theo yêu cầu. PLC sẽ điều khiển áp suất nước trên đường ống mạng theo đồ thị phụ tải ngày, tức là hệ thống sẽ điều khiển áp suất theo thời gian thực. Hệ thống điều khiển tự động này một số chức năng chính sau:

- Đo lường: do đầu đo áp suất đo lường và chuyển đổi để đưa về CPU của S7-200.

- Xử lý thông tin: bộ điều khiển trung tâm sẽ đảm nhiệm vấn đề này.

- Điều khiển: S7-200 sẽ phối hợp với biến tần làm việc này theo yêu cầu.

- Giám sát: S7-200 sẽ kết đầu đo áp suất để giám sát hệ thống hoạt động.

- Giao tiếp giữa người vận hành và thiết bị: do màn hình hiển thị TD-200 thực hiện.

Đặt biệt:

- Hệ thống có thể chuyển đổi qua lại giữa các motor bơm chạy với biến tần nhằm mục đích nâng cao tuổi thọ bơm, phục vụ bảo trì bảo dưỡng mà không làm gián đoạn sản xuất. Việc chuyển đổi có thể thực hiện bằng cách cài đặt trên màn hình TD200.

- Đồng thời để cho phép mở rộng và phát triển phụ tải sau này, hệ thống có thể sử dụng cùng lúc hai bơm nếu cần. Bơm thứ hai sẽ đươc tự động đóng chạy trực tiếp thông qua côngtắctơ như là một bơm nền và bơm có biến tần sẽ chạy điều chỉnh đỉnh cho phù hợp với phụ tải. Hoạt động của hệ thống như biểu đồ minh hoạ ở trên.