Tổng công ty điện lực miền trung

Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả là một trong những yêu cầu hết sức quan trọng để phát triển bền vững và đối phó với nguy cơ cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hóa thạch và tác hại ô nhiễm môi trường. Chính phủ đã có chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng điện tiết kiệm và hiệu quả, phấn đấu đến năm 2015 tiết kiệm 5%÷8%, đến năm 2020 tiết kiệm 8%÷10% tổng điện năng tiêu thụ, giảm hệ số đàn hồi điện/GDP từ bình quân 2,0 xuống 1,5 vào năm 2015 và bằng 1,0 vào năm 2020. Luật sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả có hiệu lực từ ngày 1/1/2011 là yêu cầu pháp lý cơ bản để thúc đẩy quá trình tiết kiệm năng lượng ở Việt Nam.

Theo một nghiên cứu của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), năng lượng tiêu thụ của các động cơ điện chiếm 45% điện năng tiêu thụ toàn cầu, đứng đầu về mức tiêu thụ điện trong các loại phụ tải (với thiết bị chiếu sáng, tỷ lệ này là 19%, xếp thứ hai). Một nghiên cứu khác của Tập đoàn ABB cho thấy chi phí điện năng tiêu thụ hàng năm của một động cơ trong ngành công nghiệp tương đương bảy lần giá trị đầu tư ban đầu. Nếu giải quyết được vấn đề động cơ vận hành không hiệu quả (non tải hoặc vận hành khi không cần thiết) thì có thể tiết kiệm đến 30% tổng điện năng tiêu thụ của động cơ. Để giúp cho những người quan tâm về vấn đề tiết kiệm điện, bài báo này giới thiệu tổng quan về các giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng động cơ điện. Trong quá trình ứng dụng, có thể áp dụng một hoặc kết hợp nhiều giải pháp sau đây để tiết kiệm điện năng.

1. Sử dụng động cơ hiệu suất cao

Hiệu suất của động cơ phụ thuộc vào giải pháp thiết kế và điều kiện vận hành của nó. Động cơ hiệu suất cao (hình 1) được thiết kế chuyên dụng để giảm tổn thất nhiệt trong các cuộn dây stato, roto, lõi thép… và nhờ vậy có thể tăng hiệu suất lên thêm 3%-8% so với động cơ tiêu chuẩn. Giá của động cơ hiệu suất cao đắt hơn so với động cơ tiêu chuẩn, nhưng phần chênh lệch này sẽ được hoàn vốn rất nhanh nhờ giảm chi phí vận hành. Tuy nhiên, việc thay thế các động cơ đang dùng mà chưa hết thời gian sử dụng bằng các động cơ hiệu suất cao không phải lúc nào cũng khả thi về mặt tài chính. Nên chỉ cần thay thế những động cơ cũ bằng động cơ hiệu suất cao trong những trường hợp sau: (i) Động cơ có công suất nhỏ hơn 40HP (sức ngựa) đã sử dụng hơn 15 năm thường hiệu suất thấp, cần thay thế bằng động cơ hiệu suất cao; (ii) Với các động cơ bị hỏng cần quấn lại mà chi phí quấn lại vượt quá 50% giá của một động cơ hiệu suất cao mới, thì nên mua động cơ mới. Cần lưu ý, các điều kiện vận hành như tốc độ quay, mức tải cũng ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ. Quan hệ giữa mức tải và hiệu suất động cơ như hình 2, theo đó hiệu suất tốt nhất tương ứng với tải khoảng 75% định mức. Cho nên người sử dụng cần lưu ý đến việc chọn lựa công suất động cơ và phân bố tải cho chúng.

2. Hạn chế động cơ làm việc non tải hoặc quá tải

Thực tế, động cơ của máy công cụ rất ít khi hoạt động với công suất định mức, mà thường là non tải. Các động cơ 1HP-5HP chạy dưới 45% tải thì hiệu suất bắt đầu giảm, sẽ làm tăng tổn thất, giảm hiệu suất và cosj (hình 2). Nếu động cơ thường xuyên làm việc với tải dưới 45% định mức thì nên thay bằng loại có công suất nhỏ hơn. Trường hợp động cơ luôn làm việc dưới 40% công suất định mức mà không muốn thay thế, thì có thể giảm điện áp cung cấp cho động cơ bằng cách đổi tổ đấu dây stato từ D sang Y, sẽ giảm được công suất phản kháng 3 lần (Q~U2), nhưng lúc này phải kiểm tra lại điều kiện mở máy vì mômen cũng sẽ giảm 3 lần (M~U2). Trong một số trường hợp tải của thiết bị như băng tải, gầu tải, máy nghiền, máy nén khí thay đổi liên tục, lúc non tải lúc đầy tải, thì có thể sử dụng thiết bị điều chỉnh công suất (PowerBoss) mà không cần phải thay thế động cơ. Nguyên lý làm việc của PowerBoss là cấp vừa đủ điện năng cần thiết thông qua thay đổi điện áp cấp cho động cơ. PowerBoss ứng dụng giải pháp khởi động mềm, các thyristor được bật ở

 điểm mà điện áp nguồn gần với zêro trong từng bán chu kỳ, nhờ đó sẽ giảm dòng điện cấp cho động cơ, nên giảm các tổn hao đồng và sắt bên trong động cơ (hình 3). Ngược lại, khi động cơ làm việc trên 100% tải định mức, sẽ bị quá tải, gây phát nóng và giảm hiệu suất. Trong trường hợp làm việc với tải thay đổi, thì nên sử dụng động cơ có hệ số an toàn là 1,15 và có công suất thấp hơn tải cực đại khoảng 15%, để cho phép động cơ làm việc quá tải trong thời gian ngắn hạn. Không có nguyên tắc cứng nhắc nào trong việc lựa chọn công suất động cơ, nên người sử dụng cần đánh giá tiềm năng tiết kiệm cho từng trường hợp. Có thể tham khảo các kinh nghiệm sau: (i) Cần thay mới động cơ công suất lớn bị non tải hay quá tải bằng loại có hiệu suất cao và đúng tải khi có cơ hội; (ii) Không nên sửa chữa, mà cần thay mới động cơ công suất nhỏ bị non tải hay quá tải bằng loại có hiệu suất cao và đúng tải khi nó bị hư hỏng; (iii) Động cơ tiêu chuẩn làm việc đúng tải khi bị hư hỏng thì nên thay bằng loại động cơ có hiệu suất cao.

3. Điều chỉnh tốc độ bằng biến tần

Trong các thiết bị như quạt gió, máy nén khí, bơm ly tâm… kiểu truyền thống, lưu lượng (tải) được điều chỉnh bằng các van tiết lưu theo yêu cầu công việc, nhưng công suất điện cung cấp vẫn không thay đổi, nên sẽ gây lãng phí điện năng. Khi thay đổi được tần số f, ta sẽ điều chỉnh được tốc độ quay n của động cơ (vì n=60f/p, p là số cặp cực), nên điều chỉnh được lưu lượng Q (vì Q~n). Vì công suất của động cơ tỷ lệ với lập phương tốc độ quay (P~n3), nên khi cần giảm lưu lượng thì công suất tiêu thụ của động cơ sẽ giảm theo hàm bậc ba, chẳng hạn lưu lượng giảm 10%-20%-30%-40% Qđm thì công suất tiêu thụ sẽ giảm tương ứng 22%-44%-61%-73% Pđm (hình 4) – Đây quả là con số tiết kiệm thật ấn tượng!

Nguyên lý cơ bản của bộ biến tần khá đơn giản: Đầu tiên, nguồn điện AC được chỉnh lưu và lọc thành nguồn DC bằng các bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ. Sau đó, điện áp DC được biến đổi nghịch lưu thành điện áp AC, thông qua hệ transistor lưỡng cực có cổng cách ly (IGBT) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) như hình 5. Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn, 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. Như vậy, khi sử dụng biến tần, ta có thể điều tiết được lưu lượng thông qua việc điều chỉnh tốc độ động cơ mà không cần dùng đến các van tiết lưu nữa, nhờ đó điện năng cung cấp cho động cơ được tiết giảm hơn.

Sử dụng bộ biến tần cho động cơ còn có lợi về giảm dòng điện và sụt áp khi động cơ khởi động, có thể điều chỉnh tốc độ vô cấp, loại bỏ bớt các kết cấu hộp số và giảm tổn thất …

4. Các biện pháp nâng cao chất lượng nguồn cung cấp

Hiệu suất làm việc của động cơ điện còn phụ thuộc vào chất lượng nguồn điện cung cấp cho nó. Nên để sử dụng điện năng cho động cơ một cách tiết kiệm, cũng cần quan tâm nâng cao chất lượng nguồn cung cấp, chú ý đến các yếu tố sau:

- Duy trì điện áp ổn định cho động cơ, giữ ở mức dao động tối đa là 5%. Nếu điện áp dưới 95%Uđm thì hiệu suất động cơ sẽ giảm 2%-4%. Khi làm việc với điện áp cao hơn định mức thì hiệu suất động cơ cũng suy giảm và ảnh hưởng đến tuổi thọ.

- Duy trì hệ số cosj cao (~ 0,92) cho lưới điện bằng cách giảm thiếu hụt công suất phản kháng (hạn chế động cơ không đồng bộ chạy non tải, thay thế động cơ không đồng bộ bằng động cơ đồng bộ) hoặc bù công suất phản kháng. Bù công suất phản kháng còn có tác dụng điều chỉnh và ổn định điện áp cho lưới điện.

- Giảm thiểu sự mất cân bằng pha vì sẽ gây tăng tổn thất và giảm hiệu suất động cơ.

- Nhận dạng và loại trừ các nguy cơ sự cố trên lưới điện như: mất pha, đứt dây trung tính, hở mạch nối đất…

Ngoài các giải pháp kỹ thuật nêu trên, người sử dụng còn có thể áp dụng các biện pháp quản lý khác để tăng hiệu quả sử dụng động cơ như: xây dựng quy trình vận hành để hợp lý hóa quá trình thao tác, giảm thời gian động cơ chạy non tải hay chạy vô công; thực hiện kiểm toán năng lượng và triển khai đồng bộ chương trình DSM (Demand Side Management) trong doanh nghiệp…

Nguyễn Lương Mính

Tổng giám đốc PC3-INVEST