Tiết kiệm năng lượng nhìn từ mọi phía

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) có cấu tạo đơn giản, vận hành chắc chắn nên được sử dụng rộng rãi trong thực tế. Từ các loại thiết bị điện gia dụng như quạt điện, máy điều hòa nhiệt độ… đến các động cơ truyền động máy công cụ, máy nâng chuyển, dây chuyền sản xuất đâu đâu cũng có mặt ĐCKĐB. Chúng có công suất từ vài W đến vài nghìn kW. Trên 50% điện năng sản xuất của thế giới do ĐCKĐB tiêu thụ.

Các giải pháp tiết kiệm điện đối với động cơ không đồng bộ

Theo tính toán trong suốt vòng đời của ĐCKĐB tiền điện chiếm tới 96% trong khi đó chi phí mua động cơ và bảo dưỡng chỉ chiếm 4% ! Vấn đề thiết kế chế tạo, vận hành sử dụng ĐCKĐB có ý nghĩa quyết định đến việc sử dụng điện năng tiết kiệm và hiệu quả. Ngày nay hệ truyền động Biến tần – ĐCKĐB ngày càng chiếm ưu thế.

Sau đây chúng tôi xin giới thiệu tiềm năng tiết kiệm điện năng đối với loại động cơ này.

Thiết kế chế tạo động cơ có hiệu suất cao

Có hai loại ĐCKĐB: động cơ rôto lồng sóc và động cơ rôto dây quấn. Trong động cơ rôto dây quấn nhờ thêm điện trở phụ vào mạch rôto nên có thể giảm dòng điện mở máy và điều chỉnh tốc độ nhưng giá thành cao hơn loại động cơ rôto lồng sóc cùng công suất 2 lần. Do tổn hao công suất trong mạch từ (tổn hao sắt), trong dây quấn (tổn hao đồng) và các loại tổn hao cơ khí trên ổ trục, quạt gió… hiệu suất định mức của ĐCKĐB thông dụng khoảng 90%.

ĐCKĐB hiệu suất cao có kích thước tác dụng (tiết diện lõi thép, tiết diện dây quấn) lớn hơn động cơ thông dụng. Động cơ sử dụng lá thép kỹ thuật điện có suất tổn hao thấp, hệ số lấp đầy rãnh cao hơn, khe hở không khí đủ nhỏ, lồng sóc rôto bằng đồng, dung sai chế tạo nhỏ hơn động cơ thông dụng.

Về thiết kế tính toán tối ưu mạch từ, mạch điện, tối ưu kích thước răng rãnh để phân bố đều mật độ từ thông ở gông và răng rôto và stato. Về công nghệ chế tạo sử dụng khuôn dập chính xác, máy dập tôn công suất lớn, cân bằng động rôto chính xác, máy quấn dây tự động.

Các nước quy định tiêu chuẩn hiệu suất cho động cơ với ưu tiên động cơ hiệu suất cao. Ví dụ Hoa kỳ có tiêu chuẩn EPAct efficiency standards. Ủy ban Kỹ thuật điện quốc tế có tiêu chuẩn IEC 34-2. Trung Quốc có tiêu chuẩn động cơ hiệu suất cao Y2 và Y2e series. Nhật bản có tiêu chuẩn JEC 37 và JISC 4212:2000 High efficiency induction motors…

Ở Việt Nam Bộ Khoa học và Công nghệ đã ban hành bộ Tiêu chuẩn ĐCKĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao TCVN 7540-1:2005 yêu cầu hiệu suất tối thiểu của ĐCKĐB rôto lồng sóc được chế tạo phải cao hơn Tiêu chuẩn sử dụng trước đây (TCVN 1987-1994) từ 1 đến 5 % .

Tại Việt Nam chỉ riêng Công ty Chế tạo Điện cơ Hà Nội hàng năm sản xuất hơn 35.000 động cơ. Nếu giả thiết nâng cao được 1 % hiệu suất của ĐCKĐB thì trong số điện năng tiêu thụ năm 2008 của Việt Nam là 70 tỷ kWh, 50 % là điện năng tiêu thụ của các ĐCKĐB và sơ bộ lấy tiền điện kinh doanh 1 kWh là 1725 đồng thì số tiền điện tiết kiệm do động cơ hiệu suất nâng cao thêm 1 % là:

35 tỷ x 0,01 x 1725 = 603,75 tỷ đồng.

Tại các nước EU ĐCKĐB hiệu suất cao có thể tiết kiệm 202 tỷ kWh tương đương 10 tỷ Euro.

IEC quy định hiệu suất cho động cơ theo 2 loại hiệu suất cao EFF1, động cơ có hiệu suất tiêu chuẩn EFF2 được cho trong bảng 1 sau đây:

Tiết kiệm điện cho ĐCKĐB bằng cách sử dụng biến tần

Nếu ĐCKĐB nối trực tiếp với lưới (hình 1a) khi công suất cơ của tải thay đổi thì công suất điện của động cơ hầu như không đổi, năng lượng bị tiêu hao trên các van tiết lưu. Khi sử dụng hệ truyền động có tốc độ thay đổi nhờ biến tần (hình 1b) khi lưu lượng của tải giảm thì công suất điện của động cơ giảm theo đường bậc 3 như hình 2. Vì vậy khi lưu lượng cần thiết bằng 80% thì công suất điện của động cơ bây giờ bằng = 51% , nghĩa là tiết kiệm được 49% điện năng.

a) Truyền động tốc độ không đổi;

b) Truyền động tốc độ thay đổi nhờ biến tần;

Về cấu tạo biến tần gián tiếp gồm bộ chỉnh lưu biến đổi điện áp tần số lưới f1 thành điện áp một chiều. Qua mạch một chiều trung gian điện áp được lọc, tiếp theo là mạch nghịch lưu IGBT biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều tần số f2. Mạch đầu vào có bộ lọc nhiễu EMC, tất cả được điều khiển bằng vi xử lý như hình 3.

Hiệu suất năng lượng của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất hiện đại. Bộ biến tần làm việc theo nguyên lý thay đổi tần số (đồng thời thay đổi điện áp theo quan hệ U/f không đổi) đảm bảo mô men khởi động đủ lớn hơn mô men 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 để sinh mô men.

Dòng khởi động lớn nhất của hệ truyền động biến tần chỉ bằng dòng định mức, vì vậy không làm sụt áp lưới khi khởi động, đảm bảo các ứng dụng khác không bị ảnh hưởng và tiết kiệm điện năng khi khởi động.

Với những ứng dụng đặc tính tải thay đổi, như truyền động băng tải, khi non tải động cơ hoạt động non tải hiệu suất thấp. Trong trường hợp này biến tần giảm điện áp đặt vào động cơ, làm tăng hệ số cosφ (thường khoảng 0,96), tăng hiệu suất sử dụng điện, giảm tổn thất cho lưới. Biến tần điều chỉnh tốc động động cơ cho phù hợp với yêu cầu tải thực tế, tối ưu được việc sử dụng điện năng. Biến tần đáp ứng được dải công suất rộng, đặc tính mômen thay đổi cũng như cố định, phù hợp với tất cả các loại động cơ điện trong công nghiệp. Các biến tần đều được thiết kế có bộ lọc nhiễu tần số radio, tương thích với chuẩn EN55011/1A (có thể sử dụng lắp đặt ở bất kỳ nơi nào, không gây ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của các loại thiết bị điện tử tin học, viễn thông khác trong dây chuyền sản xuất), thiết kế thân thiện với người sử dụng, dễ dàng lắp đặt, cài đặt và vận hành.

Kinh nghiệm cho thấy trong đa số trường hợp động cơ kèm theo biến tần có thể giảm 35% điện năng tiêu thụ, vì thế hệ truyền động động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kèm theo biến tần trở nên rất thông dụng.

Ví dụ: xét một bơm ly tâm công suất 30 kW làm việc 10 giờ/ngày, 250 ngày/năm (2500 giờ/năm) theo chu trình:

25% thời gian (625 giờ) với 100% lưu lượng 
50% thời gian (1250 giờ) với 90% lưu lượng 
25% thời gian (625 giờ) với 80% lưu lượng. 
Điện năng tiêu thụ khi không sử dụng biến tần:  
30 kW x 2500h = 75000 kWh 
Điện năng tiêu thụ khi sử dụng biến tần: 
30 kW x 1 x 625 h = 18750 kWh 
30 kW x (0.9)3 x 1250 h = 19200 kWh 
30 kW x (0.8)3 x 625 h = 4050 kWh 
Tổng cộng = 42.000 kWh 
Như vậy điện năng tiêu thụ trong trường hợp sử dụng biến tần tiết kiệm được 44% so với trường hợp không sử dụng biến tần (42MWh so với 75 MWh). 
Trên thị trường thường gập biến tần của các hãng nổi tiếng như MCD của Danfoss, ACS của ABB, Siemens:MICROMASTER (MM420, MM430, MM440), SINAMICS(G110, G120, G130,G150),Yaskawa F7, Yaskawa V1000,  ALTIVAR của Schneider,...

Lựa chọn động cơ có công suất thích hợp

Lựa chọn động cơ có công suất thích hợp tránh vận hành non tải. Khi động cơ non tải hệ số công suất và cosj giảm rõ rệt. Ví dụ một động cơ khi mang tải 100% có cosj = 0,8 thì khi mang tải 50% - cosj = 0,65, mang tải 30% - cosj = 0,51. Vì vậy việc thay các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ có công suất nhỏ hơn sẽ nâng được hệ số công suất cho thiết bị làm giảm tổn hao trong hệ thống cũng như bản thân động cơ.

Giảm điện áp ở những động cơ thường xuyên làm việc non tải

Khi không có khả năng thay các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ có công suất nhỏ hơn có thể giảm điện áp ở các động cơ bằng cách: Đổi nối tam giác sang sao; phân đoạn các quận dây stato; chuyển đổi đầu phân áp của máy biến áp.

PGS. Lê Văn Doanh ĐHBK - HN