I. Giới thiệu
Môi trường đã và đang là vấn đề được rất nhiều quốc gia cũng như hầu hết mọi người sống trên Trái Đất của chúng ta quan tâm. Những vấn đề nghiêm trọng mà Trái Đất của chúng ta đang phải đối mặt như biến đổi khí hậu toàn cầu, ô nhiễm biển, hoang mạc hóa, đa dạng sinh thái bị suy giảm… Tiết kiệm năng lượng là việc làm cần thiết để ngăn chặn sự nóng lên toàn cầu (giảm lượng khí thải CO2 ra môi trường).
II. Mức tiêu thụ năng lượng trên thế giới
Hình 1. Mức tiêu thụ năng lượng trên thế giới năm 2010 (đơn vị: nghìn tỉ kWh).
Hình 2. Mức tiêu thụ năng lượng ở Nhật Bản năm 2009 (đơn vị: nghìn tỉ kWh).
Động cơ điện được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Một vài ứng dụng của động cơ được sử dụng như:
- Hệ thống điều hòa không khí ( tòa nhà, trung tâm thương mại, nhà máy,…)
- Thang máy/thang cuốn
- Băng tải
- Máy móc công nghiệp
- …
Động cơ điện chiếm 46% năng lượng thế giới tiêu thụ ( ở Nhật Bản là 55%). Nếu ta sử dụng động cơ điện một cách tiết kiệm thì con số này sẽ giảm đi rất đáng kể.
III. Khi nào sử dụng biến tần để tiết kiệm năng lượng
– Biến tần được ứng dụng để tiết kiệm điện năng chỉ cho hệ truyền động điện cần điều khiển cân bằng công suất
Hệ TĐĐ yêu cầu điều khiển cân bằng công suất, trong thực tế chia ra làm hai loại điều chỉnh: Điều chỉnh công suất tổn thất và điều chỉnh công suất đầu vào .
Điều chỉnh công suất tổn thất: Bản chất của phương pháp này là động cơ nối trực tiếp vào lưới điện và nhận 100% công suất điện từ lưới, để đảm bảo cân bằng công suất với tải, ta phải tạo ra phần công suất tổn thất có thể điều chỉnh được
+ Có hai phương pháp tạo tổn thất (tổn thất điện và tổn thất cơ):
- Đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn, tổn thất được tạo nên ở mạch rotor công suất tổn thất được thay đổi bằng thay đổi giá trị điện trở phụ rotor.
- Đối với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc, công suất tổn thất được tạo bởi tổn thất cơ.
– Bằng cách lắp đặt thêm các cơ cấu cơ khí phụ để điều chỉnh công suất dư thừa, khi đó động cơ vẫn chạy với 100% công suất, tuy nhiên tải sẽ chỉ chịu phần công suất vừa đủ.
– Phương pháp điều chỉnh tổn thất có hiệu suất truyền động phụ thuộc vào hiệu suất động cơ, hiệu suất phần cơ và phụ thuộc vào lượng công suất tổn thất điều chỉnh. Chính thành phần công suất tổn thất điều chỉnh này làm cho hiệu suất truyền động rất thấp, điện năng sẽ không được tiết kiệm. Khi đó, người ta sẽ nghĩ đến việc điều khiển công suất đầu vào cho phù hợp với công suất tiêu thụ của hệ truyền động, biến tần có vai trò là bộ biến đổi công suất đầu vào và điều chỉnh, cấp ra cho động cơ công suất cần thiết để hoạt động.
IV. Tiết kiệm năng lượng trong biến tần
Hình 3. Điều tiết lưu lượng bằng van điều chỉnh lưu lượng.
– Lưu lượng nước được điều chỉnh bởi van đóng mở theo góc. Vì tốc độ của động cơ bơm không đổi nên lưu lượng nước giảm nhưng năng lượng tiêu thụ vẫn không đổi.
– Tốc độ của động cơ được thay đổi khi ta thay đổi tần số và số cặp cực trong stator. Tần số của lưới điện là cố định, thay đổi số cặp cực là điều bất tiện, tốn kém trong quá trình vận hành. Vì thế, cần có một thiết bị thay đổi tần số của nguồn cấp vào động cơ, thiết bị đó gọi là biến tần.
Tại sao khi sử dụng biến tần ta tiết kiệm được năng lượng ?
Hình 4. Chế độ V/F trong biến tần.
Ở chế độ điều khiển V/F trong biến tần, tần số và điện áp tỉ lệ thuận với nhau. Khi ta giảm tần số đầu ra để làm giảm tốc độ động cơ, điện áp sẽ được giảm theo để tránh làm cho mạch từ của động cơ bị bão hòa. 
Hình 5. Tiết kiệm năng lượng với biến tần
Xét đặc tính của tải quạt và máy bơm:
– Đối với các hệ truyền động loại bơm và quạt, momen tải phụ thuộc vào tốc độ quay của trục theo hàm bình phương.
M ∼ n2
– Trong khi đó, công suất đòi hỏi của hệ lại bằng tích số giữa momen và tốc độ quay của động cơ
P = M*n
– Do đó, công suất đòi hỏi của hệ tỉ lệ lập phương với tốc độ quay
P ∼ n3
Giả sử khi tốc độ quay giảm còn 50%, momen đầu trục sẽ giảm còn 25% và công suất đầu trục động cơ giảm còn 12.5%.
Hình 6. Quan hệ giữa tốc độ quay và momen tải trong các quạt và bơm
Hình 7. Quan hệ giữa tốc độ quay và công suất đầu ra trong các quạt và bơm
Giả sử: Ta có một động cơ công suất 18,5 kW, 4 cực, thuộc nhóm IE2 ( hiệu suất 91.2%). Sử dụng 8 giờ/ngày , 5 ngày/tuần, 52 tuần/năm và giá điện 3000 VND/kWh.
– Nếu ta không dung biến tần chạy 100% tải:
- Công suất đầu vào = công suất đầu ra / hiệu suất motor = 18,5/0,912 = 20,285 kW
- Số giờ hoạt động = 8*5*52 = 2080 giờ/năm
- Chi phí vận hành hằng năm: 20,285*2080*3000 = 126.578.400 VND
– Nếu ta sử dụng biến tần giảm tốc cho động cơ hoạt động ở 80% tốc độ bình thường.
- Tốc độ giảm còn 80% thì công suất đầu ra = 18.5 * (0.8)3 = 9,472 kW
- Chi phí vận hành hằng năm: 9.472*2080*3000 = 59.105.280 VND
Như vậy giảm tốc độ trên động cơ khi sử dụng biến tần sẽ giảm đi đáng kể mức năng lượng tiêu thụ.
Trên đây là bài viết về tiết kiệm năng lượng với biến tần.
Cảm ơn các bạn đã xem bài viết !