Thông tin chuyên ngành Xi măng Việt Nam

“Hiện tại, chưa đầy 10% trên tổng số động cơ được bán hàng năm được trang bị bộ điều khiển tốc độ có hiệu quả nhất như bộ biến tần này. Mặc dù các bộ điều khiển động cơ hiện có trên thị thường được hưởng chế độ bảo dưỡng ít nhất, nhưng khách hàng vẫn lựa chọn trong hầu hết các trường hợp.”

Lĩnh vực nhiều tiềm năng vận dụng công nghệ nâng cao hiệu quả sử dụng, tiết kiệm năng lượng là ngành công nghiệp chế tạo động cơ dùng cho chạy quạt, máy bơm và thiết bị nén khí. Thông thường đây là các thiết bị dùng động cơ dẫn động có tốc độ cố định, dùng phương pháp điều chỉnh tiết kiệm năng lượng để điều khiển dòng. Chức năng của thiết bị biến tần là tiết kiệm năng lượng thông qua điều chỉnh tốc độ động cơ để trực tiếp tương thích với điện áp hoặc dòng yêu cầu.

Vậy, làm thế nào để giải quyết vấn đề này? Có hai vấn đề cơ bản cần phải được xử lý khi thiết kế các biến tần dùng cho cấp điện áp trung áp: Các biến tần này đang tiếp cận điện áp của động cơ, đồng thời gần hơn với điện áp hình sin lý tưởng. Giải pháp cải tiến của ABB là kết hợp các giải pháp hiện có để giải quyết cả hai vấn đề.

Việc bố trí điều khiển ở 5 cấp có nghĩa là ở đầu ra có 05 mức thay vì hai hoặc ba mức thông thường. Đây là một bước cải tạo lớn dưới dạng sóng, trong khi cùng lúc đạt được điện áp đầu ra cao hơn. Để đạt được thành công, sáng kiến này đã được thực hiện dựa trên các ý tưởng đã được chứng thực, làm giảm rủi ro và tăng độ tin cậy.

Các phương pháp điều khiển truyền thống dùng trong kiểm soát dòng thường dựa trên “kiểu điều chỉnh” gây lãng phí.

Việc sử dụng một analog đơn giản có thể ví như lái một chiếc xe bằng cách đặt một viên gạch lên chân ga (nguồn cố định) và sử dụng phanh hãm để điều khiển tốc độ (điều chỉnh dựa trên ma sát). Biến tần ở đây được xem như là các chân gas điều khiển động cơ thay đổi được và đây là một lĩnh vực tiềm năng trong tiết kiệm năng lượng.

Động cơ tiêu thụ khoảng 30% trong tổng năng lượng điện được sản xuất trên thế giới. Khoảng 3/4 số động cơ lắp cho máy bơm, quạt hoặc thiết bị nén khí được sử dụng trong các ứng dụng nơi có thể cho phép thực hiện tiết kiệm năng lượng thông qua điều khiển tốc độ động cơ. Theo một dự tính của ABB, việc sử dụng trên khắp thế giới các bộ biến tần dùng cho truyền động trung áp như vậy có thể giúp tiết kiệm 227 TWh – nói cách khác, tương đương với sản lượng của 144 nhà máy nhiệt điện hay bằng tổng lượng tiêu thụ năng lượng của một nước như Tây Ban Nha.
 
Hiện tại, chưa đầy 10% trên tổng số động cơ được bán hàng năm được trang bị bộ điều khiển tốc độ có hiệu quả nhất như bộ biến tần này. Mặc dù các bộ điều khiển động cơ hiện có trên thị thường được hưởng chế độ bảo dưỡng ít nhất, nhưng khách hàng vẫn lựa chọn trong hầu hết các trường hợp. Tại sao? Các rào cản  thường thấy nhất khi ứng dụng công nghệ này là:

a. Mức độ tin cậy
b. Giảm thiểu sóng hài.
c. Chi phí và/ hoặc yêu cầu hoàn vốn trong thời gian rất ngắn.

Sáng kiến cầu dao 5 cấp của ABB có thể giải quyết tất cả các vấn đề trên.

Dạng sóng tốt hơn, điện áp cao hơn

Điện được sản xuất theo cách truyền thống sử dụng máy phát điện đồng bộ có điện áp đầu ra dạng hình sin. Các động cơ điện được kết nối trực tiếp với điện lưới (kết nối trực tuyến), và vận hành ở tốc độ cố định thì được tối ưu hóa theo dạng sóng này. Nếu sử dụng cùng loại thiết kế động cơ ứng dụng thay đổi tốc độ, thì biến tần sẽ cho ra một dạng hình sóng gần giống với dạng hình sin lý tưởng cần có. Các dạng khác với dạng lý tưởng này đều dẫn đến làm tăng thêm lượng tiêu thụ năng lượng của động cơ. Điều này cũng có nghĩa là động cơ không thể đạt được công suất tối đa và phải điều chỉnh giảm tải. Một yếu tố bất lợi nữa là việc chồng thêm một lớp sóng mô men nữa có thể gây ra những giao động xoắn trong chuỗi truyền động và trong thiết bị.

Ngoài ra, động cơ được phân loại theo điện áp tiêu chuẩn hóa. Đối với dải trung áp (MV) dùng cho các động cơ có công suất lên đến 7000 kW, điện áp phổ biến nhất hay dùng trong các khu vực công nghiệp là 6kV/50Hz và 4kV/60Hz. Việc này cho thấy, để sử dụng  cùng một dải động cơ cả trong cả khởi động trực tiếp 1a , cả kèm theo các bộ biến tần 1b, đầu ra của các bộ biến tần phải có khả năng đạt được giá trị điện áp tương tự.

Với nguồn điện áp đầu ra như vậy, rất khó đạt được khi dùng với biến tần 2 và 3 cấp kiểu truyền thống vì điện áp cực đại được xác định bởi giá trị điện áp của thiết bị bán dẫn công suất.

Bên trong mạch điện thiết bị biến tần

Việc chuyển hóa năng lượng bên trong một biến tần được thực hiện qua 02 bước: Đầu tiên, nguồn năng lượng dưới dạng điện áp hình sin có tần số cố định và biên độ không đổi được “chỉnh lưu” thành điện áp một chiều DC hoặc dòng DC. Tiếp theo trong bước 2, dòng DC này được “chuyển đổi” thành điện áp AC hoặc dòng AC có tần số và biên độ thay đổi. Cả phần thuộc bộ chỉnh lưu và phần thuộc bộ nghịch lưu nằm trong quá trình này đều được thực hiện bằng các mạch điện tử gồm các bộ ngắt điện tử.
 
Bài viết này chủ yếu là về công nghệ thuộc giai đoạn 2 – công nghệ thiết bị nghịch lưu.

Hầu hết các bộ chuyển đổi của ABB đều được gọi là Bộ nghịch lưu điện áp (VSIs). 2 thể hiện sơ đồ đơn giản nhất của VSI: Dòng điện đầu ra một Pha của bộ nghịch lưu tần số được kết nối luân phiên với cực này hoặc cực khác của tụ bù điện áp DC lớn. Đây chính là mục đích của mạch chỉnh lưu (không được thể hiện trên hình) nhằm đảm bảo tụ điện luôn được duy trì kết nối với nguồn điện áp DC cố định. Nếu một nguồn AC được tạo ra thì cầu dao thông minh trong mạch của bộ đảo điện sẽ cần phải thay đổi vị trí (ví dụ, thay đổi điện áp đầu ra) ít nhất nửa chu kỳ một lần. Nếu yêu cầu đầu ra là 50 Hz, chẳng hạn, thì cầu dao cần phải thay đổi một trong hai vị trí ít nhất 50 lần/giây.

Trên thực tế, cầu dao thường “đóng ngắt” nhanh hơn nhiều so với như vậy. Một bộ điều khiển số sẽ được sử dụng để chỉ định trạng thái đóng ngắt của nó. Phương pháp đóng ngắt của bộ điều khiển này quyết định không chỉ tần số mà c.n điện áp trung bình trong suốt quá trình mang tải. Các mức này được bổ sung bằng cách điều chỉnh giá trị đầu vào của bộ phận theo như mong muốn. Cách điều khiển này được biết biết đến là Điều biến thời khoảng xung (PWM).
   
Trên thực tế, cầu dao không phải là một công tắc di động như được thể hiện trên sơ đồ, mà nó được cấu thành từ các thiết bị bán dẫn điện năng 4a. Sự phát triển và tính năng của các cầu dao như vậy, kể từ khi xuất hiện lần đầu các bộ biến tần này, đã phụ thuộc vào sự tiến bộ của các bộ bán dẫn công suất. Chú thích 1.

Sẵn sàng cho cấp tiếp theo

Mặc dù dạng sóng điện áp VSI hai cấp được nêu ở sơ đồ 7a có thể thay đổi được về biên độ và tần số bằng PWM, nhưng hình dạng của đầu ra thì khác xa với hình sin. Kết quả là biến dạng dòng sóng hài, mức tiêu hao tăng, độ gia nhiệt trong động cơ đều ở mức cao. Một cách để điều chỉnh dạng sóng điện áp đạt mong muốn hơn chính là đưa vào sử dụng điện áp ở nhiều cấp. Khi dùng thêm một analog đơn nữa, thì giống như việc làm tăng độ phân giải trên một màn hình máy tính để làm cho các đồ hình sắc hơn.