Nếu hai động cơ giống hệt nhau hoạt động ở tần số nguồn 50Hz, một động cơ sử dụng biến tần, động cơ còn lại thì không, tốc độ và mô-men xoắn đều ở trạng thái định mức của động cơ, thì biến tần có thể tiết kiệm điện năng không? Có thể tiết kiệm được bao nhiêu?
Trả lời: Trong trường hợp này, bộ biến tần chỉ có thể cải thiện hệ số công suất chứ không thể tiết kiệm điện.
1. Chuyển đổi tần số không thể tiết kiệm điện ở mọi nơi và có nhiều trường hợp chuyển đổi tần số không nhất thiết tiết kiệm điện.
2. Là một mạch điện tử, bản thân bộ biến tần cũng tiêu thụ điện năng (khoảng 2-5% công suất định mức)
3. Thực tế là bộ biến tần hoạt động ở tần số điện lưới và có chức năng tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, điều kiện tiên quyết của ông là:
Đầu tiên, bản thân thiết bị có chức năng tiết kiệm năng lượng (hỗ trợ phần mềm), phù hợp với yêu cầu của toàn bộ hệ thống hoặc quy trình;
Thứ hai, hoạt động liên tục trong thời gian dài.
Hơn nữa, tiết kiệm điện hay không cũng chẳng quan trọng. Nếu nói rằng biến tần hoạt động tiết kiệm điện mà không cần bất kỳ điều kiện tiên quyết nào thì đó là sự phóng đại hoặc đầu cơ thương mại. Hiểu rõ toàn bộ câu chuyện, bạn sẽ khéo léo sử dụng nó để phục vụ mình. Hãy chắc chắn chú ý đến tình hình và điều kiện sử dụng để áp dụng đúng cách, nếu không sẽ mù quáng làm theo, dễ dàng tin tưởng và bị lừa.
Chúng ta thường có những quan niệm sai lầm sau đây khi sử dụng bộ biến tần:
Quan niệm sai lầm 1: Sử dụng biến tần có thể tiết kiệm điện
Một số tài liệu cho rằng bộ biến tần là sản phẩm điều khiển tiết kiệm năng lượng, tạo ấn tượng rằng việc sử dụng bộ biến tần có thể tiết kiệm điện.
Trên thực tế, lý do tại sao biến tần có thể tiết kiệm điện là vì chúng có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ điện. Nếu biến tần là sản phẩm điều khiển tiết kiệm năng lượng, thì tất cả các thiết bị điều khiển tốc độ cũng có thể được coi là sản phẩm điều khiển tiết kiệm năng lượng. Biến tần chỉ hiệu suất và hệ số công suất cao hơn một chút so với các thiết bị điều khiển tốc độ khác.
Việc bộ biến tần có thể tiết kiệm điện năng hay không được xác định bởi đặc tính điều chỉnh tốc độ của tải. Đối với các tải như quạt ly tâm và bơm ly tâm, mô-men xoắn tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ và công suất tỷ lệ thuận với lập phương tốc độ. Miễn là lưu lượng van điều khiển ban đầu được sử dụng và nó không hoạt động ở tải đầy đủ, việc chuyển sang hoạt động điều chỉnh tốc độ có thể đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng. Khi tốc độ giảm xuống 80% so với ban đầu, công suất chỉ bằng 51,2% so với ban đầu. Có thể thấy rằng việc áp dụng bộ biến tần trong các tải như vậy có hiệu quả tiết kiệm năng lượng đáng kể nhất. Đối với các tải như máy thổi Roots, mô-men xoắn không phụ thuộc vào tốc độ, tức là tải mô-men xoắn không đổi. Nếu phương pháp ban đầu là sử dụng van thông hơi để giải phóng lượng khí dư để điều chỉnh lượng khí được thay đổi thành hoạt động điều chỉnh tốc độ, thì cũng có thể đạt được hiệu quả tiết kiệm năng lượng. Khi tốc độ giảm xuống 80% giá trị ban đầu, công suất đạt 80% giá trị ban đầu. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng nhỏ hơn nhiều so với ứng dụng trong quạt ly tâm và bơm ly tâm. Đối với tải công suất không đổi, công suất không phụ thuộc vào tốc độ. Tải công suất không đổi trong nhà máy xi măng, chẳng hạn như cân băng tải, sẽ làm chậm tốc độ băng tải khi lớp vật liệu dày trong điều kiện lưu lượng nhất định; khi lớp vật liệu mỏng, tốc độ băng tải tăng lên. Việc sử dụng biến tần trong những tải như vậy không thể tiết kiệm điện.
So với hệ thống điều khiển tốc độ DC, động cơ DC có hiệu suất và hệ số công suất cao hơn động cơ AC. Hiệu suất của bộ điều khiển tốc độ DC kỹ thuật số tương đương với bộ biến tần, thậm chí còn cao hơn một chút so với bộ biến tần. Vì vậy, cả về lý thuyết lẫn thực tế, việc cho rằng sử dụng động cơ không đồng bộ AC và bộ biến tần tiết kiệm điện hơn so với sử dụng động cơ DC và bộ điều khiển DC là không đúng.
Quan niệm sai lầm thứ 2: Việc lựa chọn công suất của bộ biến tần dựa trên công suất định mức của động cơ
So với động cơ điện, giá thành của biến tần tương đối đắt nên việc giảm công suất của biến tần một cách hợp lý mà vẫn đảm bảo hoạt động an toàn và tin cậy là rất có ý nghĩa.
Công suất của bộ biến tần đề cập đến công suất của động cơ không đồng bộ AC 4 cực mà nó phù hợp.
Do số cực khác nhau của động cơ có cùng công suất, nên dòng điện định mức của động cơ thay đổi. Khi số cực trong động cơ tăng lên, dòng điện định mức của động cơ cũng tăng theo. Việc lựa chọn công suất của biến tần không thể dựa trên công suất định mức của động cơ. Đồng thời, đối với các dự án cải tạo ban đầu không sử dụng biến tần, việc lựa chọn công suất của biến tần không thể dựa trên dòng điện định mức của động cơ. Điều này là do việc lựa chọn công suất của động cơ điện cần xem xét các yếu tố như tải tối đa, hệ số dư thừa và thông số kỹ thuật của động cơ. Thông thường, phần dư thừa lớn và động cơ công nghiệp thường hoạt động ở mức 50% đến 60% tải định mức. Nếu công suất của biến tần được lựa chọn dựa trên dòng điện định mức của động cơ, sẽ có quá nhiều biên độ còn lại, dẫn đến lãng phí kinh tế và do đó không cải thiện được độ tin cậy.
Đối với động cơ lồng sóc, việc lựa chọn công suất biến tần nên dựa trên nguyên tắc dòng điện định mức của biến tần lớn hơn hoặc bằng 1,1 lần dòng điện hoạt động bình thường tối đa của động cơ, điều này có thể tiết kiệm chi phí tối đa. Trong các điều kiện như khởi động tải nặng, môi trường nhiệt độ cao, động cơ dây quấn, động cơ đồng bộ, v.v., công suất biến tần nên được tăng lên phù hợp.
Đối với các thiết kế sử dụng biến tần ngay từ đầu, việc lựa chọn công suất biến tần dựa trên dòng điện định mức của động cơ là điều dễ hiểu. Điều này là do công suất biến tần không thể được lựa chọn dựa trên điều kiện vận hành thực tế tại thời điểm đó. Tất nhiên, để giảm chi phí đầu tư, trong một số trường hợp, công suất biến tần có thể không chắc chắn lúc đầu, và sau khi thiết bị đã vận hành được một thời gian, có thể lựa chọn dựa trên dòng điện thực tế.
Trong hệ thống nghiền thứ cấp của một nhà máy xi măng có đường kính 2,4m × 13m tại một công ty xi măng ở Nội Mông, có một máy chọn bột hiệu suất cao N-1500 O-Sepa do trong nước sản xuất, được trang bị động cơ điện model Y2-315M-4 có công suất 132kW. Tuy nhiên, bộ biến tần FRN160-P9S-4E được chọn, phù hợp với động cơ 4 cực có công suất 160kW. Sau khi đưa vào vận hành, tần số làm việc tối đa là 48Hz và dòng điện chỉ là 180A, nhỏ hơn 70% dòng điện định mức của động cơ. Bản thân động cơ có công suất dư đáng kể. Và thông số kỹ thuật của bộ biến tần lớn hơn một cấp so với thông số kỹ thuật của động cơ dẫn động, điều này gây ra lãng phí không cần thiết và không cải thiện độ tin cậy.
Hệ thống cấp liệu của máy nghiền đá vôi số 3 tại Nhà máy Xi măng An Huy Sào Hồ sử dụng bộ cấp liệu dạng tấm 1500x12000, động cơ dẫn động sử dụng động cơ AC Y225M-4, công suất định mức 45kW, dòng điện định mức 84,6A. Trước khi chuyển đổi tần số điều chỉnh tốc độ, qua thử nghiệm cho thấy khi bộ cấp liệu dạng tấm dẫn động động cơ bình thường, dòng điện ba pha trung bình chỉ đạt 30A, chỉ bằng 35,5% dòng điện định mức của động cơ. Để tiết kiệm chi phí đầu tư, chúng tôi đã lựa chọn biến tần ACS601-0060-3, có dòng điện định mức 76A, phù hợp với động cơ 4 cực có công suất 37kW, đạt hiệu suất tốt.
Hai ví dụ này minh họa rằng đối với các dự án cải tạo ban đầu không sử dụng biến tần, việc lựa chọn công suất của biến tần dựa trên điều kiện vận hành thực tế có thể giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư.
Quan niệm sai lầm thứ 3: Động cơ điện nói chung chỉ có thể hoạt động ở tốc độ giảm khi sử dụng bộ biến tần dưới tốc độ truyền định mức của chúng
Lý thuyết cổ điển cho rằng giới hạn trên của tần số của động cơ vạn năng là 55Hz. Điều này là do khi tốc độ động cơ cần được điều chỉnh cao hơn tốc độ định mức để vận hành, tần số stato sẽ tăng cao hơn tần số định mức (50Hz). Tại thời điểm này, nếu vẫn tuân theo nguyên lý mô-men xoắn không đổi để kiểm soát, điện áp stato sẽ tăng vượt quá điện áp định mức. Vì vậy, khi phạm vi tốc độ cao hơn tốc độ định mức, điện áp stato phải được giữ không đổi ở điện áp định mức. Tại thời điểm này, khi tốc độ/tần số tăng lên, từ thông sẽ giảm, dẫn đến giảm mô-men xoắn ở cùng một dòng điện stato, làm mềm các đặc tính cơ học và giảm đáng kể khả năng quá tải của động cơ.
Từ đó, có thể thấy rằng giới hạn trên của tần số của động cơ vạn năng là 55Hz, đây là điều kiện tiên quyết:
1. Điện áp stato không được vượt quá điện áp định mức;
2. Động cơ đang hoạt động ở công suất định mức;
3. Tải mô-men xoắn không đổi.
Trong tình huống trên, lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh rằng nếu tần số vượt quá 55Hz, mô-men xoắn của động cơ sẽ giảm, đặc tính cơ học sẽ mềm hơn, khả năng quá tải sẽ giảm, lượng tiêu thụ sắt sẽ tăng nhanh và quá trình nóng lên sẽ nghiêm trọng.
Tác giả tin rằng điều kiện vận hành thực tế của động cơ điện cho thấy động cơ đa năng có thể được tăng tốc thông qua bộ biến tần. Liệu có thể tăng tốc độ biến tần không? Có thể tăng bao nhiêu? Điều này chủ yếu được xác định bởi tải trọng mà động cơ điện kéo. Trước hết, cần xác định tốc độ tải là bao nhiêu? Thứ hai, cần hiểu rõ đặc tính tải và tính toán dựa trên tình hình cụ thể của tải. Phân tích tóm tắt như sau:
1. Trên thực tế, đối với động cơ vạn năng 380V, khi điện áp stato vượt quá 10% điện áp định mức, động cơ vẫn có thể hoạt động trong thời gian dài mà không ảnh hưởng đến cách điện và tuổi thọ của động cơ. Điện áp stato tăng, mô-men xoắn tăng đáng kể, dòng điện stato giảm và nhiệt độ cuộn dây giảm.
2. Tỷ lệ tải của động cơ điện thường là 50% đến 60%
Thông thường, động cơ công nghiệp hoạt động ở mức 50% đến 60% công suất định mức. Theo tính toán, khi công suất đầu ra của động cơ đạt 70% công suất định mức và điện áp stato tăng 7%, dòng điện stato giảm 26,4%. Lúc này, ngay cả khi điều khiển mô-men xoắn không đổi và sử dụng biến tần để tăng tốc độ động cơ lên 20%, dòng điện stato không những không tăng mà còn giảm. Mặc dù tổn thất sắt của động cơ tăng mạnh sau khi tăng tần số, nhưng nhiệt lượng tỏa ra không đáng kể so với lượng nhiệt giảm do dòng điện stato giảm. Do đó, nhiệt độ của cuộn dây động cơ cũng sẽ giảm đáng kể.
3. Có nhiều đặc điểm tải khác nhau
Hệ thống truyền động động cơ điện phục vụ tải, và các tải khác nhau có các đặc tính cơ học khác nhau. Động cơ điện phải đáp ứng các yêu cầu về đặc tính cơ học của tải sau khi tăng tốc. Theo tính toán, tần số hoạt động tối đa cho phép (fmax) đối với tải mô-men xoắn không đổi ở các mức tải khác nhau (k) tỷ lệ nghịch với mức tải, tức là fmax = fe/k, trong đó fe là tần số công suất định mức. Đối với tải công suất không đổi, tần số hoạt động tối đa cho phép của động cơ điện nói chung chủ yếu bị giới hạn bởi độ bền cơ học của rô-to và trục động cơ. Tác giả tin rằng nhìn chung nên giới hạn tần số này trong phạm vi 100Hz.
Ví dụ ứng dụng:
Băng tải gầu xích trong một nhà máy nào đó có tải mô-men xoắn không đổi và do sản lượng tăng nên tốc độ động cơ của nó cần tăng 20%. Mô hình động cơ là Y180L-6, có công suất định mức 15kW, điện áp định mức 380V, dòng điện định mức 31,6A, tốc độ định mức 980 vòng / phút, hiệu suất 89,5%, hệ số công suất 0,81, dòng điện hoạt động 18-20A, công suất hoạt động tối đa 7,5kW trong điều kiện bình thường và tỷ lệ tải là 50%. Sau khi lắp đặt biến tần CIMR-G5A4015, tần số hoạt động là 60Hz, tốc độ tăng 20%, điện áp đầu ra tối đa của biến tần được đặt thành 410V, dòng điện hoạt động của động cơ là 12-15A, giảm khoảng 30% và nhiệt độ của cuộn dây động cơ giảm đáng kể.
Quan niệm sai lầm thứ 4: Bỏ qua các đặc tính vốn có của bộ biến tần
Việc gỡ lỗi biến tần thường do nhà phân phối thực hiện và sẽ không có vấn đề gì. Việc lắp đặt biến tần tương đối đơn giản và thường do người dùng tự thực hiện. Tuy nhiên, một số người dùng không đọc kỹ hướng dẫn sử dụng biến tần, không tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu kỹ thuật về cấu tạo, bỏ qua các đặc tính của bản thân biến tần, đánh đồng nó với các linh kiện điện tử thông thường, hành động dựa trên giả định và kinh nghiệm, tiềm ẩn nguy cơ hỏng hóc và tai nạn.
Theo hướng dẫn sử dụng của bộ biến tần, cáp kết nối với động cơ phải là cáp có vỏ bọc hoặc cáp bọc thép, tốt nhất là đặt trong ống kim loại. Các đầu cáp cắt phải càng gọn gàng càng tốt, các đoạn không có vỏ bọc phải càng ngắn càng tốt và chiều dài cáp không được vượt quá một khoảng cách nhất định (thường là 50m). Khi khoảng cách đấu dây giữa bộ biến tần và động cơ dài, dòng điện rò rỉ sóng hài lớn từ cáp sẽ ảnh hưởng xấu đến bộ biến tần và các thiết bị xung quanh. Dây nối đất trả về từ động cơ được điều khiển bởi bộ biến tần phải được kết nối trực tiếp với cực nối đất tương ứng của bộ biến tần. Không nên dùng chung dây nối đất của bộ biến tần với máy hàn và thiết bị điện, và nên càng ngắn càng tốt. Do dòng điện rò rỉ do bộ biến tần tạo ra, nếu đặt quá xa điểm nối đất, điện thế của cực nối đất sẽ không ổn định. Diện tích tiết diện tối thiểu của dây nối đất của bộ biến tần phải lớn hơn hoặc bằng diện tích tiết diện của cáp nguồn. Để tránh hoạt động sai do nhiễu, cáp điều khiển nên sử dụng dây xoắn có vỏ bọc hoặc dây xoắn đôi có vỏ bọc. Đồng thời, cẩn thận không để cáp mạng có vỏ bọc chạm vào các đường tín hiệu và vỏ thiết bị khác, và quấn băng cách điện. Để tránh bị ảnh hưởng bởi nhiễu, chiều dài của cáp điều khiển không được vượt quá 50m. Cáp điều khiển và cáp động cơ phải được đặt riêng biệt, sử dụng khay cáp riêng biệt và giữ khoảng cách càng xa càng tốt. Khi hai cáp phải giao nhau, chúng phải được đặt theo chiều dọc. Tuyệt đối không đặt chúng vào cùng một đường ống hoặc khay cáp. Tuy nhiên, một số người dùng đã không tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu trên khi đặt cáp, dẫn đến thiết bị hoạt động bình thường trong quá trình gỡ lỗi riêng lẻ nhưng lại gây nhiễu nghiêm trọng trong quá trình sản xuất bình thường, khiến thiết bị không thể hoạt động.
Nếu đồng hồ đo nhiệt độ không khí thứ cấp của một nhà máy xi măng đột nhiên hiển thị các chỉ số bất thường: giá trị hiển thị thấp đáng kể và dao động mạnh. Trước đó, đồng hồ vẫn hoạt động rất tốt. Đã kiểm tra cặp nhiệt điện, bộ truyền nhiệt và các thiết bị phụ trợ, không phát hiện thấy vấn đề gì. Vậy vấn đề nào liên quan? Khi thiết bị được di chuyển đến một điểm đo khác, nó hoạt động hoàn toàn bình thường. Tuy nhiên, khi các thiết bị tương tự từ các điểm đo khác được thay thế tại đây, hiện tượng tương tự cũng xảy ra. Sau đó, người ta phát hiện ra rằng một bộ biến tần mới đã được lắp đặt trên động cơ của quạt làm mát số 3 trong bộ làm mát ghi lò, và chỉ sau khi bộ biến tần được đưa vào sử dụng, đồng hồ đo nhiệt độ không khí thứ cấp mới hiển thị các chỉ số bất thường. Hãy dừng bộ biến tần và ngay lập tức khôi phục đồng hồ đo nhiệt độ không khí thứ cấp về mức bình thường; Khởi động lại bộ biến tần, đồng hồ đo nhiệt độ không khí thứ cấp lại hiển thị các chỉ số bất thường. Sau nhiều lần thử nghiệm lặp lại, người ta xác định rằng nhiễu từ bộ biến tần là nguyên nhân trực tiếp gây ra hiện tượng bất thường trên đồng hồ đo nhiệt độ không khí thứ cấp. Quạt là một quạt thông gió ly tâm, ban đầu sử dụng van để điều chỉnh lưu lượng khí, nhưng sau đó đã được chuyển sang điều chỉnh tốc độ tần số thay đổi để điều chỉnh lưu lượng khí. Do lượng bụi lớn và môi trường khắc nghiệt tại công trường, bộ biến tần được lắp đặt tại phòng điều khiển MCC (Trung tâm điều khiển động cơ). Để thuận tiện cho việc thi công, bộ biến tần được kết nối với mặt dưới của tiếp điểm chính của quạt và cáp ra của bộ biến tần sử dụng cáp nguồn của động cơ quạt. Cáp nguồn của động cơ quạt là cáp bọc thép không thép, cách điện PVC và được đặt song song với cáp tín hiệu đo nhiệt độ không khí thứ cấp ở các lớp cầu khác nhau của cùng một rãnh cáp. Có thể thấy rằng chính vì cáp ra của bộ biến tần không sử dụng cáp bọc thép hoặc được đặt xuyên qua ống sắt nên mới xảy ra hiện tượng nhiễu. Bài học này cần đặc biệt chú ý đến các dự án cải tạo ban đầu không sử dụng bộ biến tần.
Việc bảo trì biến tần hàng ngày cũng cần đặc biệt lưu ý. Một số thợ điện ngay lập tức bật biến tần để bảo trì ngay khi phát hiện sự cố và làm nó nhảy. Điều này rất nguy hiểm và có thể gây ra tai nạn điện giật. Lý do là ngay cả khi biến tần không hoạt động hoặc nguồn điện đã bị ngắt, vẫn có thể có điện áp trên đường dây nguồn, cực DC và cực động cơ của biến tần do sự hiện diện của tụ điện. Sau khi ngắt công tắc, cần đợi vài phút để biến tần xả hoàn toàn trước khi bắt đầu hoạt động. Một số thợ điện thường tiến hành kiểm tra cách điện ngay lập tức trên động cơ được dẫn động bởi hệ thống biến tần bằng bàn rung khi họ nhận thấy hệ thống nhảy, để xác định xem động cơ có bị cháy hay không. Điều này cũng rất nguy hiểm, vì nó có thể dễ dàng khiến biến tần bị cháy. Do đó, trước khi ngắt kết nối cáp giữa động cơ và biến tần, không được thực hiện kiểm tra cách điện trên động cơ cũng như trên cáp đã được kết nối với biến tần.