Nghiên cứu tiết kiệm năng lượng trong hệ thống lạnh

-1-

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

HOÀNG THÀNH ĐẠT

NGHIÊN CỨU TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
TRONG HỆ THỐNG LẠNH

Chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THÀNH VĂN

Đà Nẵng –năm 2009


-2-

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

HOÀNG THÀNH ĐẠT

-3-

MỤC LỤC

Trang phụ bìa


-4-

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT


-5-

DANH MỤC CÁC BẢNG


-6-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ


-7-

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
Cuộc sống hiện đại hôm nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế
và khoa học kỹ thuật, nhu cầu về sử dụng năng lượng là rất lớn. Các nguồn
năng lượng dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí đốt thiên nhiên ngày càng cạn
kiệt. Vì vậy, ngoài việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng khác

như: năng lượng mặt trời, năng lượng hạt nhân, năng lượng gió, năng lượng
địa nhiệt, năng lượng sóng, năng lượng Biogas ... thì việc nghiên cứu và ứng
dụng các giải pháp tiết kiệm năng lượng là một trong những hướng quan
trọng trong kế hoạch phát triển kinh tế của thế giới.
Tiết kiệm năng lượng là một chính sách quan trọng của hầu hết các
quốc gia trên thế giới. Các nhà máy, xí nghiệp, các cơ quan sản xuất, kinh
doanh và sinh hoạt dân dụng ở nước ta đang sử dụng các hệ thống lạnh có
hiệu quả không cao và tổn thất nhiệt lớn. Nhiều hệ thống như: Các kho cấp
đông, trữ đông trong đông lạnh thủy sản, nông sản, các hệ thống sản xuất
nước đá, trong hệ thống làm bia, trong hệ thống điều hòa không khí, các máy
lạnh dân dụng, các nhà máy hóa lỏng khí...chi phí năng lượng lớn, sản phẩm
làm ra có giá thành cao, mất sức cạnh tranh với các sản phẩm trên thị trường
ảnh hưởng lớn đến hiệu quả kinh doanh và sản xuất.
Chính vì vậy chúng ta cần phải nghiên cứu tiết kiệm năng lượng trong
các hệ thống lạnh một cách có hiệu quả, giảm chi phí vận hành trong hệ thống
lạnh.
Người thực hiện
Hoàng Thành Đạt


-8-

2. Mục tiêu nghiên cứu:
-

Đưa ra các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống lạnh.

-

Tính toán cho các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống lạnh.

-

Tính được hiệu quả của việc tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống.

3. Nội dung nghiên cứu:
1. Nghiên cứu, các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong hệ thống lạnh.
2. Tính toán các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong hệ thống lạnh.
3. Nghiên cứu tính toán ứng dụng tiết kiệm năng lượng cho một số hệ
thống lạnh cụ thể.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu trong đề tài là nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm.
5. Tài liệu nghiên cứu:
- Tài liệu về truyền nhiệt
- Các tài liệu về thiết bị trao đổi nhiệt
- Tài liệu về tiết kiệm năng lượng
- Tài liệu về nhiệt động
- Các tài liệu về máy và thiết bị lạnh
- Các nguồn tài liệu từ Internet
5. Ý nghĩa thực tiễn:
Ứng dụng tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống lạnh công nghiệp và
trong dân dụng.
6. Bố cục luận văn:
Luận văn bao gồm 5 chương, không kể phần mở đầu
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
1.1 Chiến lược tiết kiệm năng lượng trên thế giới
1.2 Tình hình tiết kiệm năng lượng ở Việt Nam

-9-

1.3 Lợi ích của việc tiết kiệm năng lượng mang lại
CHƯƠNG II: NHỮNG GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG
HỆ THỐNG LẠNH
2.1. Tiết kiệm năng lượng đối với động cơ
2.2 Nâng cao hiệu suất của máy nén
2.3. Nâng cao hiệu quả của thiết bị ngưng tụ
2.4. Nâng cao hiệu quả của thiết bị bay hơi
2.5 Một số biện pháp khác
2.6 Giải pháp tiết kiệm trong hệ thống điều hòa
2.7 Biện pháp năng lượng bằng quản lý năng lượng
CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CÁC GIẢI PHÁP

TIẾT

KIỆM NĂNG LƯỢNG CHO CÁC HỆ THỐNG LẠNH
3.1. Tính toán tiết kiệm năng lượng đối với động cơ
3.2 Tính toán nâng cao hiệu suất của máy nén
3.3 Tính toán nâng cao hiệu suất của thiết bị bay hơi
3.4 Tính toán lắp đặt các bình trữ lạnh đối với các hệ thống lạnh gián tiếp
3.5 Tính toán tiết kiệm năng lượng trong hệ thống điều hòa không khí
CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỨNG DỤNG TIẾT KIỆM
NĂNG LƯỢNG CHO MỘT SỐ HỆ THỐNG LẠNH CỤ THỂ
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
5.1. Các kết luận
5.2. Khả năng ứng dụng của đề tài vào thực tế.
5.3. Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

-10-

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
1.1. Chiến lược tiết kiệm năng lượng trên toàn thế giới
Hiện nay trên thế giới đang và đã có những chiến lược cụ thể nhằm đánh thức tính
tự giác về việc tiết kiệm năng lượng trong mỗi con người chúng ta. Điển hình có
những hoạt động như: Quỹ quốc tế về bảo vệ thiên nhiên (WWF) vừa phát động
chiến dịch mang tên Giờ Trái đất trên toàn thế giới, nhằm kêu gọi 1 tỷ người ở
1.000 thành phố cùng tắt điện trong một giờ để góp phần ngăn chặn sự biến đổi khí
hậu. Hơn 3.400 các thành phố ở 88 quốc gia trên thế giới hôm 28-3 đã đồng loạt “tắt
đèn” trong một tiếng đồng hồ (từ 20h30 đến 21h30 giờ VN) để hưởng ứng Giờ Trái
đất. Gồm có (New Zealand, Thành phố Melbourne, Thành phố Sydney (Úc), Tại
đảo quốc Fiji quốc gia ở Thái Bình Dương, Sân vận động Tổ chim ở thủ đô Bắc
Kinh, Trung tâm tài chính Hồng Kông, lâu đài Hoàng gia ở thủ đô Stockholm (Thụy
Điển), thành phố Detroit, bang Ontario, CanadaSears tòa nhà chọc trời tại Chicago
(Mỹ), Tháp đôi Petronas một biểu tượng của thủ đô Kuala Lumpur,
Malaysia…v..v...).
- Hay như: Microsoft hiện đang mở rộng trụ sở với dự án lên đến 1 tỷ USD. Các
tòa nhà mới này sẽ trang bị các tính năng thân thiện với môi trường. Ví dụ, chúng sẽ
sử dụng hệ thống làm mát dưới sàn có thể tiết kiệm năng lượng do chỉ thổi khí lên
từ phía dưới sàn, hơn là làm mát từ trần nhà, phải tốn năng lượng cho việc đẩy khí
làm mát đi ngược lại chiều di chuyển của luồng khí nóng bốc lên trên. Các toà nhà
còn có hệ thống đèn chiếu sáng tự động bật lên khi có ai đó vào phòng và tự động
tắt khi không có ai trong phòng.
- Trong các chiến dịch khôi phục kinh tế của mình tổng thống Mỹ - Barack Obama
đã từng tuyên bố, các chính sách kinh tế mới của nước Mỹ là hướng vào chính sách
tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra còn những nghiên cứu mới nhằm tìm ra những năng
lượng mới.
- Ở Iceland khai thác sức nóng trong lòng đất không chỉ giúp Iceland giải quyết
được nhu cầu về năng lượng sạch và rẻ tiền, mà còn giúp nước này thu hút đầu tư

nước ngoài.


-11-

- Nước Đức đã có những nỗ lực tích cực trong việc bảo tồn năng lượng bằng những
thay đổi gần đây trong Luật Xây dựng, các tiêu chuẩn bảo tồn năng lượng trong xây
dựng, với sự phát triển của kiểu “ngôi nhà thụ động” (passive house) - một ngôi nhà
có hiệu quả về năng lượng và những ngôi nhà đó ra đời với mục tiêu chỉ tiêu thụ
dưới 1,5 lít dầu/m2/năm.
1.3 / Tình hình tiết kiệm năng lượng ở Việt Nam:
Ở Việt nam hiện nay, các khảo sát thực tế cho thấy tính hiệu quả của việc khai thác
và sử dụng năng lượng hiện đang còn ở mức khá thấp. Ví dụ, suất tiêu hao năng
lượng (kgOE/USD) trong lãnh vực công nghệ của Việt Nam cao hơn từ 2,4 đến 3,6
lần so với các nước trong khu vực. Tương tự trong phạm vi các tòa nhà chỉ số tiêu
thụ điện tính trên 1 m sàn cao hơn từ 30% đến 50% so với công trình cùng loại ở
các nước Châu Á có áp dụng các biện pháp tiết kiệm năng lượng.
Việc khai thác năng lượng không hiệu quả không chỉ gây ra các tổn thất kinh
tế, mà còn góp phần hủy hoại môi trường. Thật vậy theo số liệu thống kê, ở các
nước châu Âu để sản xuất ra 1kWh điện người ta thải vào môi trường 0,6kg CO2,
thành phần chủ yếu gây hiệu ứng nhà kính làm gia tăng nhiệt độ của bầu khí quyển.
Còn ở Việt Nam hàm lượng CO2 thải ra tính trên 1kWh điện sản xuất được chắc
chắn cao hơn.
- Hiện nay các cơ quan nhà nước, công ty,... và cả những hộ gia đình đang th ực

hiện tiết kiệm theo nghị quyết của chính phủ nói chung và nghành điện nói riêng.
Bằng cách có những quy định mang tính tự giác: tắt những thiết bị không cần thiết
trong thời gian làm việc và luôn tắt các thiết bị điện, điều hòa không khí...khi hết
giờ làm việc.
- Ngoài ra còn các chính sách nhà nước về tiết kiệm năng lượng, các chương trình

hỗ trợ tư vấn, kiểm toán năng lượng, các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong công
nghiệp, …đã cung cấp cho doanh nghiệp những giải pháp kỹ thuật cũng như những
chương trình hỗ trợ tài chính khi doanh nghiệp thực hiện tiết kiệm năng lượng.
- Nhà nước đã đưa ra rất nhiều chính sách và dự án lớn về phát triển ngành năng
lượng tái tạo mới thay thế cho nguồn năng lượng truyền thống. Ngoài ra thời gian


-12-

diễn ra sự kiện “Giờ Trái đất trên toàn thế giới” như đã nói ở trên Việt Nam chúng
ta cũng đã tham gia rất tích cực (Từ 20h30 đến 21h30, Hà Nội, Huế, Hội An, Khánh
Hòa, TP HCM, Cần Thơ cùng với gần 4.000 thành phố tại 88 quốc gia đã đồng loạt
tắt đèn và thiết bị điện không cần thiết).
Có thể nói, việc sử dụng điện ở nước ta còn rất lãng phí, trong khi đó các tài
nguyên quốc gia để sản xuất ra điện ngày càng cạn kiệt, vì vậy cần phải hết sức tiết
kiệm.
"Chúng ta phải ý thức được rằng, tiết kiệm điện là một việc làm thường xuyên và
liên tục, đặc biệt là trong tình hình khó khăn về nguồn điện như hiện nay thì tiết
kiệm điện là biện pháp tốt nhất để giảm thiểu tình trạng thiếu điện".
Tóm lại, cần có một chiến lược lâu dài và các giải pháp đồng bộ hơn từ cấp Nhà
nước đến cơ sở, có như vậy mới có thể thực hiện thành công Chương trình mục tiêu
quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, đảm bảo an ninh năng lượng
quốc gia trong giai đoạn hội nhập kinh tế quốc tế.
Việc khai thác năng lượng không hiệu quả không chỉ gây ra các tổn thất kinh
tế, mà còn góp phần hủy hoại môi trường. Thật vậy theo số liệu thống kê, ở các
nước châu Âu để sản xuất ra 1kWh điện người ta thải vào môi trường 0,6kg CO2,
thành phần chủ yếu gây hiệu ứng nhà kính làm gia tăng nhiệt độ của bầu khí quyển.
Còn ở Việt Nam hàm lượng CO2 thải ra tính trên 1kWh điện sản xuất được chắc
chắn cao hơn.
1.4 / Lợi ích của việc tiết kiệm năng lượng mang lại:

- Tiết kiệm năng lượng đồng nghĩa với việc tiết kiệm tiền chi phí đầu vào và như

vậy sẽ tiết kiệm được chi phí đầu ra, tăng sức cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời
góp phần cải thiện môi trường khí quyển. Một điều hiển nhiên mà ai cũng biết “Tiết
kiệm là quốc sách”, với vấn đề tiết kiệm năng lượng ngoài tầm vi mô là tiết kiệm
điện, tiết kiệm tiền nó còn là vấn đề quan tâm của xã hội hiện nay. Hàng ngày hàng
giờ trong mỗi chúng ta đang sử dụng năng lượng khác nhau để phục vụ cuộc sống
điện thắp sáng, xăng chạy xe, .... Nhưng chúng ta có biết rằng hoặc đôi khi chúng ta
cũng quên đi những hậu quả của nó sẽ làm cuộc sống ngày càng xấu đi. Xã hội sẽ
không còn phải cảnh báo rằng nguy hại của băng tan hay hiệu ứng nhà kính, trái đất


-13-

đang nóng dần lên nếu chúng ta biết tiết kiệm sử dụng đúng lúc đúng chỗ.


-14-

CHƯƠNG II
NHỮNG GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
TRONG HỆ THỐNG LẠNH
2.1 TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ
2.1.1 Lựa chọn thông số động cơ cho phù hợp
Đại đa số chúng ta có xu hướng chọn công suất động cơ quá lớn hơn yêu cầu
với ý tưởng là: để đảm bảo động cơ khỏe đối với phụ tải.
Đôi khi chúng ta nghĩ rằng công suất dư thừa chỉ là sự chênh lệch nhỏ trong
giá mua. Thật ra động cơ dư công suất (tức là chúng làm việc thấp hơn 50% tải định
mức ) là không kinh tế vì:
-

Chi phí mua động cơ cao hơn

-

Tiền điện tăng do hiệu suất động cơ giảm

Ví dụ: [1] trang 155 có phụ tải yêu cầu là 8,2 kW, hiện đang sử dụng động cơ của
Siemens 1LA2-207-2AA công suất định mức 37kW. Thời gian hoạt động trong
năm 6000 giờ, giá tiền điện trung bình 500đ/kWh. Thông số động cơ đang sử dụng
đinhmuc  90,5% và hệ số công suất cosφđm = 0,87. Rõ ràng kích thước động cơ quá

lớn so với phụ tải (chỉ bằng 22% so với công suất động cơ).
Ta hãy tính xem nếu dùng động cơ có công suất phù hợp với phụ tải (tra ở
cẩm nang động cơ của hãng Siemens 1LA2-207-2AA ) đó là động cơ công suất
11kW thì sẽ tiết kiệm mỗi năm được bao nhiêu tiền điện . Động cơ với Pđm = 11kW
- 160 M-ILA7-163-2AA có nhiệu suất định mức đinhmuc

 89% và hệ số cosφđm =

0,84
Đối với động cơ Pđm = 37kW gọi là P1
Công suất biểu kiến hệ tiêu thụ (do hiệu quả sử dụng thấp nên cosφđm = 0,62)
S1= P/cosφ1 = 8,2/0,62 = 13,2kVA
Tổn thất sắt trong động cơ 1 - P1
37.{(1/0,905) – 1}.0,3 = 1,165 kW
Tổn thất đồng trong động cơ 1 - P1


-15-

37.{(1/0,905) – 1}.0,7(13,22/42,53)2 = 0,263 kW
Tổng cộng: 1,165 + 0,263 = 1,428kW
Đối với động cơ Pđm = 11kW gọi là P11
Công suất biểu kiến hệ tiêu thụ (vì công suất động cơ phù hợp với phụ tải nên cosφ
= 0,84)
S11 = P/cosφ2 = 8,2/0,84 = 9,76kVA
Tổn thất sắt trong động cơ 2 - P11
11.{(1/0,89) – 1}.0,3 = 0,408 kW
Tổn thất đồng trong động cơ 2 - P1
37.{(1/0,89) – 1}.0,7(9,76/13,09)2 = 0,529 kW
Tổng cộng: 0,408 + 0,529 = 0,973kW
Do đó nếu sử dụng động cơ có kích cỡ phù hợp sẽ tiết kiệm được
ΔP = ΔP1 - ΔP11 = 1428 – 0,937 = 0,491kW
Tổn thất điện năng tiêu thụ được
ΔP.t = 0.491.6000h = 2946kWh
Tiền tiết kiệm được là: 2946 x 800 = 2356800đ
Nhưng thực tế chúng ta đã lãng phí rất nhiều trong quá trình vận hành.
- Một số thiết bị vì lý do nào đó, dự phòng hoặc tính sai nên động cơ thường
dư công suất chạy non tải nên ta cần tính toán chọn lại động cơ cho phù hợp.
- Chuyển sang khởi động sao-tam giác với các động cơ công suất lớn trên
5,5kW. Muốn hệ thống truyền động điện tự động làm việc đúng các chỉ tiêu kỹ
thuật, kinh tế và an toàn, cần chọn đúng động cơ điện.
Nếu chọn động cơ không phù hợp, công suất động cơ quá lớn, sẽ làm tăng
giá thành, giảm hiệu suất truyền động và giảm hệ số công suất cos
Ngược lại, nếu chọn động cơ có công suất quá nhỏ so với yêu cầu thì có thể
động cơ không làm việc được hoặc bị quá tải dẫn đến phát nóng quá nhiệt độ cho
phép gây cháy hoặc giảm tuổi thọ động cơ.
Khi chọn động cơ phải căn cứ vào trị số và chế độ làm việc của phụ tải; phải
xét đến sự phát nóng của động cơ lúc bình thường cũng như lúc quá tải.

-16-

Khi máy điện làm việc sẽ phát sinh các tổn thất P và tổn thất năng lượng P
công suất.
Tổn thất này sẽ đốt nóng máy điện. Nếu máy điện không có sự trao đổi nhiệt
với môi trường thì nhiệt độ trong máy điện sẽ tăng đến vô cùng và làm cháy máy
điện. Thực tế thì trong quá trình làm việc, máy điện có trao đổi nhiệt với môi trường
nên nhiệt độ trong nó chỉ tăng đến mội giá trị ổn định nào đó.
CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG VÀ CÁC BƯỚC CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Chỉ tiêu kỹ thuật
Động cơ được chọn phải thích ứng với môi trường làm việc:
Tuỳ theo môi trường: khô - ướt, sạch - bẩn, nóng - lạnh, hoá chất ăn mòn, dễ nổ, ...
mà chọn các động cơ kiểu: hở - kín, chống nước, chống hoá chất, chống nổ, nhiệt đới
hoá, ...
Động cơ được chọn phải thoả mãn điều kiện phát nóng khi làm việc bình thường
cũng như khi quá tải.
Động cơ được chọn phải đảm bảo tốc độ yêu cầu: tốc độ định mức, có điều chỉnh
tốc độ hay không, phạm vi điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh trơn hay điều chỉnh có cấp.
Chọn loại động cơ thông dụng hay động cơ có điều chỉnh tốc độ. Chọn loại động cơ
xoay chiều hay động cơ một chiều ...
Động cơ được chọn phải đảm bảo khởi động, hãm, đảo chiều tốt.
Chỉ tiêu kinh tế
Động cơ được chọn phải làm việc với hiệu suất kinh tế cao, vốn đầu tư bé, chi phí
vận hành thấp, bảo quản và sửa chữa thấp, sử dụng hết công suất.
2.1.2 Sử dụng bộ truyền dây coroa dẹt
- Dây V thường bị kéo ra và trơn nên gây ra tổn thất năng lượng
- Mức tiết kiệm phụ thuộc vào điều kiện của dây V khoảng 4-12%
2.1.3 Sử dụng bộ biến tần:

Các động cơ điện sử dụng rộng rãi đối với các bơm, quạt, máy nén trong các
hệ thống lạnh. Đa số các động cơ này là loại tiêu chuẩn, 3 pha kiểu cảm ứng AC
vận hành ở một tốc độ.


-17-

Bộ biến tần có giá thành giảm đáng kể trong những năm gần đây. Việc sử
dụng biến tần là phương thức hiệu quả năng lượng nhất cho đầu vào điều kiển bơm,
quạt và máy nén.
Trong cá hệ thống lạnh chúng được xem xét sử dụng cho các trường hợp sau:
- Các bơm, quạt, máy nén hiện đang được điều kiển chuyển mạch hay tiết lưu.
- Điều kiển lưu lượng qua bộ trao đổi nhiệt.
- Điều kiển các quạt của thiết bị ngưng tụ
- Nơi mà động cơ nhiều tốc độ đang được sử dụng
2.1.3.1 Nguyên lý làm việc
Biến tần 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 như: tiết kiệm năng lượng, khởi động mềm…
Nguyên lý làm việc của bộ biến tần khá đơn giản: Đầu tiên, nguồn điện xoay
chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn điện 1 chiều bởi bộ chỉnh
lưu cầu Diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosφ của biến tần đều không
phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0,96. Điện áp 1 chiều này lại được biến đổi
thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng thông qua hệ IGBT bằng phương pháp
điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của các công nghệ 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. Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra
có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tùy theo 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 do bản thân mô men cũng 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 chế
tạo theo công nghệ hiện đại.


-18-

Chính vì vậy, năng lượng tiêu thụ cũng xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ
thống. Với các hệ thống không sử dụng biến tần, chẳng những năng lượng tổn hao
đã gây ra lãng phí lớn, mà bản thân nó còn gây ra những tác hại không nhỏ cho hệ
thống. Các van bị mòn đi rất nhanh, các chi tiết cơ khí trên hệ thống bị chịu áp lực
nhiều hơn cần thiết, chóng mỏi và mau hỏng hơn. Như vậy, sẽ mất thêm chi phí cho
bảo trì hệ thống.
Khi hoạt động, bộ biến tần MM430 luôn chỉ điều khiển cho một bơm chính. Nếu
nhu cầu thực tế lớn hơn khả năng làm việc của nó, thì hệ thống sẽ lần lượt khởi
động các bơm dự phòng tiếp theo cho đến khi đáp ứng được yêu cầu. Quá trình khởi
động các bơm dự phòng này chỉ dùng duy nhất một bộ khởi động mềm.
Tính tiết kiệm năng lượng của biến tần được xây dựng trên cơ sở của việc
thông qua cảm biến nhiệt độ để quyết định chế độ bơm tối ưu, đảm bảo đáp ứng yêu
cầu thực tế của hệ thống, tức là khi công nghệ yêu cầu các mức lưu lượng khác
nhau, thì biến tần sẽ điều khiển cho động cơ của bơm hoặc quạt gió quay ở các tốc
độ khác nhau. Điều này sẽ giúp cho công suất tiêu thụ được giảm đi một cách đáng
kể. Vì vậy, lưu lượng đầu ra vừa phù hợp với yêu cầu thực tế, vừa không phải sử
dụng van để giải phóng năng lượng thừa...
Còn hệ thống điều khiển dùng van có điểm yếu ở chỗ, trường hợp yêu cầu
80% lưu lượng định mức, nó đã chiếm tới 96% công suất tiêu thụ danh định, trong
khi biến tần chỉ cần 52%, tức là hệ biến tần có thể tiết kiệm được 44% điện năng.

Mặc dù khi giảm lưu lượng ra, năng lượng tiêu thụ cũng giảm đi, nhưng tổn hao
trên các thiết bị khống chế như các van vẫn còn lớn.
Khi không dùng van (hoặc để các van sẵn có mở tối đa), đương nhiên sẽ
không còn tổn thất trên van, động cơ cũng không phải sinh công suất cơ trên trục
lớn hơn nhu cầu thực. Bộ biến tần làm việc theo nguyên tắc thay đổi tần số (cùng
với thay đổi điện áp) nên luôn đảm bảo mô men khởi động đủ vượt tải ngay cả khi ở
tốc độ rất thấp. Đồng thời dòng điện đưa vào động cơ không tăng, do phối hợp giữa
điện áp và tần số để giữ cho từ thông đủ sinh mô men. 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.


-19-

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 trên bộ biến
tần. Quá trình khởi động được mềm hoá nên các chi tiết cơ khí của hệ truyền động
sẽ ít bị mòn mỏi hay gãy vỡ, đảm bảo tuổi thọ cao. Vì vậy, chi phí cho bảo trì bảo
dưỡng hệ thống được giảm đáng kể.
Hệ số công suất cosφ luôn được giữ ở 0.96, điều này khiến cho lưới điện có
hiệu suất sử dụng cao và giảm chi phí cho hệ thống bù công suất phản kháng, đảm
bảo chế độ điều khiển liên tục, phù hợp tuyệt đối với đòi hỏi của công nghệ về lưu
lượng gió thổi. Tất cả những lợi ích trên đã làm tăng chất lượng của quá trình và tiết
kiệm năng lượng rất lớn.
Giải pháp này không chỉ hoạt động hiệu quả ở nhiều nước trên thế giới mà
hiện nay cũng đang được áp dụng tại Việt Nam rất nhiều.
2.1.3.2 MỘT VÀI LOẠI BIẾN TẦN:
Một số loại biến tần thông dụng

Model :3G3JE-A2004 : 0,4KW

Biến tần FX

Biến tần FUJI - FRENIC
Hình 3.1: Các loại biến tần thông dụng

Servo


-20-

- Hiện nay Siemens có 1 số dòng sản phẩm khá quen thuộc với thị trường như:
G110; MM420, MM430, MM440.
- Với dòng sản phẩm biến tần MM430 với dãy công suất rất lớn được thiết kế
chuyên dùng cho Bơm, Quạt với những tính năng PID, điều khiển phân tầng .Đạt
được hiệu quả rất cao trong ứng dụng đặc biệt là tiết kiệm năng lượng, giảm đáng
kể chi phí cho nhà máy.
- Song song bên cạnh dòng MICROMASTER (MM420, MM430, MM440)
Siemens cũng phát triển Dòng Biến tần SINAMICS(G110, G120, G130, G150)
- Hiện tại dòng biến tần Sinamic G110 khá thân thuộc với mọi người, được sử
dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong dân dụng.
- Hiện tại Siemens đã giới thiệu dòng sản phẩm mới Biến tần Sinamic G120 đáp
ứng tối đa nhu cầu của khách hàng. Sinamic G120 được thiết kế dạng modul hóa
đáp ứng tất cả các ứng dụng phức tạp, cho người sử dụng thêm nhiều lựa chọn hơn,
giảm chi phí và phù hợp nhất với nhu cầu sử dụng cũng như những tính năng mà
mình mong muốn.

2.1.3.3 Các ứng dụng của máy biến tần
- Điều chỉnh lưu lượng tiết kiệm năng lượng dùng để điều chỉnh trong các
động cơ kéo bơm, quạt, máy nén.

- Điều khiển các cấp tốc độ dùng trong điều khiển các hệ thống dệt may.
- Điều khiển dừng chính xác dùng trong các máy cắt vải cao su, máy cán cắt
tôn , các hệ thống cẩu trục.
- Cân bằng định lượng dùng trong nhà máy xi măng.
2.1.3.3 Các ưu điểm đem lại từ việc lắp bộ biến tần:
Giúp quá trình khởi động mềm hơn, tiêu thụ ít điện năng hơn và tuổi thọ của
máy do đó cũng tăng lên.
Có thể thay đổi vận tốc vòng vô cấp mà mô men xoán trên trục động cơ không thay
đổi.


-21-

Luôn cung cấp vừa đủ điện năng phù hợp với phụ tải thực của động cơ tại
từng thời điểm. Điều này giúp động cơ tiêu thụ điện năng một cách hợp lý hơn ở
chế độ non tải (ở chế độ non tải hiệu suất của động cơ rất thấp)
Như vậy đối với các động cơ cần thay đổi tốc độ và thường xuyên vận hành
ở chế độ non tải thì lắp biến tần là giải pháp tốt nhất.
Công suất tiêu thụ(%)
Bơm ly tâm khi
chưa lắp biến tần

100

75

50

Bơm ly tâm khi
lắp biến tần

25

Lưu lượng (%)
0

25

50

75

100

Hình 2.1 Đồ thị đặc tính công suất – lưu lượng của bơm ly tâm
khi lắp biến tần và không lắp biến tần
- Chức năng điều khiển phân tầng: nhờ vào bộ điều khiển PID biến tần điều khiển
cùng lúc đến 04 động cơ (1 động cơ chạy theo tần số điện áp của biến tần, 3 động
cơ còn lại chạy theo tần số điện áp lưới), nhờ vào tính năng này ta có thể dễ dàng
nâng cấp tải hệ thống và luân phiên chọn động cơ chạy với biến tần nhằm nâng cao
tuổi thọ cho động cơ, ngoài ra giúp cho việc bảo trì dễ dàng hơn mà vẫn đảm bảo hệ
thống hoạt động liên tục.
- Chức năng chống chạy không tải: Người sử dụng có thể cài đặt 1 số thông số
(P2189; P2190; P2187; P2188; P2185; P2186) theo dõi dải moment động cơ nhờ đó
phát hiện quá tải hay thấp tải, những hư hỏng cơ khí như: đứt dây truyền động, bơm


-22-

không có nước... Để kịp thời báo lỗi và dừng hệ thống, bảo vệ tối đa cho hệ thống

của nhà máy. Ngoài những tính năng cơ bản trên biến tần Siemens cũng khá mạnh
trong truyền thông Profibuss hay USS.
Khi chúng ta sử dụng biến tần vào 1 hệ thống ngoài những tính năng cơ bản

*

trên biến tần còn mang lại những hiệu quả như :
- 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 mô men. 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.
- 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.
- Hệ số công suất cos(φ) 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.
- 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.

- 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.

-23-

2.1.5 Sử dụng bộ powerboss
2.1.5.1 Nguyên lý làm việc.
- Điều khiển bởi một bộ vi xử lý và phần mềm đặc biệt, liên tục theo dõi “tính hiệu
quả” của động cơ, tính toán để cung cấp lượng điện phù hợp và chính xác với nhu
cầu của tải. Powerboss chính là giải pháp đơn giản và hiệu quả nhất cho các ứng
dụng mà không làm giảm tốc độ động cơ, thậm chí một sự thay đổi nhỏ về tải cũng
được phát hiện và đáp ứng trong “một phần trăm giây”.
- Tính hữu dụng của công nghệ số đã cho phép Powerboss mang đến giải pháp
công nghệ khởi động mềm với hiệu quả rất tốt cho động cơ. Bằng cách điều chỉnh
tức thời tại giao điểm điện áp 0 (không) qua mỗi nửa chu kỳ của điện áp cung cấp,
nó có thể điều chỉnh dòng qua các Thyristors bằng cách điều khiển điện áp.
Thyristors được chuyển sang vị trí ON tại thời điểm đã được tính toán trên hình
sóng và kết thúc tại giao điểm 0 trên hình sóng, giá trị dòng điện nào nhỏ hơn sẽ
được phép đi qua.
- Sử dụng nguyên tắc này và bằng cách kết nối 2 Thyristor song song ngược chiều
nhau trong mỗi pha của động cơ, Powerboss liên tục điều chỉnh điện áp đến động cơ
bằng cách điều khiển điểm ON của Thyristors. Điều khiển động liên tục được cung
cấp đến động cơ qua một bộ vi điều khiển với phần mềm điều khiển được tích hợp
sẵn.
- Powerboss cũng được thiết kế để phù hợp giám sát dòng điện từ động cơ, và vì
vậy có thể tiết kiệm năng lượng tối đa mà không cần dừng ứng dụng.
 Powerboss sẽ giúp chúng ta làm các việc:

1. Đánh giá tải của động cơ sau mỗi chu kỳ của nguồn cung cấp.
2. Điều chỉnh điện áp tương ứng với tải.
3. Khiến động cơ trở lên thông minh.

4. Giúp kiểm soát động cơ.
2.1.5.2 Ứng dụng của Powerboss


-24-

- Powerboss thường được sử dụng hầu hết cho các động cơ điện cảm ứng xoay
chiều, các động cơ quá cỡ hay các chu trình tải biến đổi (tức là đa số các ứng dụng
có sử dụng động cơ).
- Những máy móc thích hợp cho Powerboss là: Máy nén, máy ép, máy thủy lực,
bơm dầu, cưa gỗ, máy nghiền, máy cắt, máy dệt may công nghiệp, băng tải, các ứng
dụng bánh đà... Tuy nhiên loại này lại không thích hợp cho các động cơ có yêu cầu
về biến đổi tốc độ.
- Powerboss có thể áp dụng cho máy nén máy lạnh hiệu quả với nhiều lợi ích khác
nhau.
‫ ٭‬Khởi động mềm: Powerboss giúp động cơ tăng tốc từ từ khi khởi động, giảm
sốc lên các hệ thống chuyền động và tránh gây ra tình trạng sụt áp.

Hình 2.2: Khởi động mềm khi sử dụng powerboss
Ia - Dòng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp.
Is - Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp.
In - Điện áp định mức của động cơ.
Us - Điện áp bắt đầu ramp (quá trình khởi động mềm).
Un - Điện áp định mức của động cơ.
Tr - Thời gian ramp.
n - Tốc độ động cơ.


-25-

Lợi ích của việc khởi động mềm:
- Tăng tuổi thọ của tiếp điểm tiếp xúc của contactor và thiết bị điều khiển truyền
tải.
- Ngăn ngừa sụt áp nguồn cấp khi khởi động các động cơ lớn.
- Cho phép nối nhiều thiết bị với nguồn cung cấp duy nhất.
- Cho phép tắt và bật động cơ bất kì lúc nào vì thiết bị này đã làm giảm dòng khởi
động.
- Giảm lượng tiêu thụ điện lúc nhu cầu tối đa, giảm mài mòn và trầy xước.
‫ ٭‬Dừng mềm:

- Điều chỉnh tự động giúp động cơ giảm tốc từ từ, tránh tình trạng phát sinh
mômen xoắn khi động cơ bị dừng đột ngột. Đặc biệt đối với máy bơm nước thường
xảy ra hiệu ứng va chạm thuỷ lực do dừng bơm đột ngột, gây ra hỏng bơm và ảnh
hưởng lớn đến hệ thống đường ống do va đập thuỷ lực. Dừng mềm cho phép loại bỏ
hiện tượng này.

Hình 2.3 Dừng mềm khi sử dụng Powerboss
‫ ٭‬Tiết kiệm thời gian vận hành: tắt động cơ sau một khoảng thời gian chờ định

trước, dự trữ năng lượng - tải /ngừng tải những tải có quán tính cao mà không ảnh
hưởng tới hoạt động máy.
‫٭‬

Tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng: Powerboss sẽ giám sát mức tải trên

trục

động cơ đối với mỗi chu kì cấp điện và cung cấp cho động cơ lượng điện cần thiết