Biến tần (VFD) tiết kiệm điện cho quạt, bơm: cách tính
Trong nhà máy có người đề xuất lắp biến tần (VFD) cho một quạt hoặc bơm, và bản đề xuất ghi rằng điện năng sẽ giảm một nửa. Tài liệu tiếng Nhật gọi thiết bị này là "inverter" (inbata), kèm số liệu quy ra yên Nhật và giả định lưới 50 Hz hay 60 Hz. Trước khi đưa các con số đó vào tờ trình, bạn cần biết khi nào chúng đúng.
Kết luận ngắn: về lý thuyết, chạy quạt ở 80% tốc độ thì công suất trục chỉ còn 51,2% giá trị định mức, vì công suất tỷ lệ với lập phương tốc độ. Con số này giả định toàn bộ trở lực của hệ thống là ma sát. Cột áp tĩnh và tải mô-men không đổi làm giảm mức tiết kiệm, còn máy luôn chạy ở tốc độ định mức thì có thể còn tốn điện hơn.
Bài này giải thích hai tên gọi của thiết bị, định luật tương tự, cách so sánh biến tần với van gió hoặc van tiết lưu, và chỗ cột áp tĩnh làm luật lập phương không còn đúng. Sau đó là ba cách tính mức tiết kiệm, một checklist và danh sách câu hỏi gửi phía Nhật.
Mục lục
- Inverter hay biến tần (VFD): một thiết bị, nhiều tên gọi
- Định luật tương tự: vì sao công suất giảm theo lập phương tốc độ
- Biến tần so với van gió hoặc van tiết lưu
- Cột áp tĩnh: chỗ luật lập phương không còn đúng
- Nơi biến tần có lãi và nơi không
- Cách tính tiết kiệm điện của biến tần: ba phương pháp
- Đọc số liệu và thông số của phía Nhật
- Những điều cần kiểm tra trước khi lắp
- Checklist: trước khi nộp con số
- Câu hỏi gửi nhà cung cấp Nhật
- Giới hạn của bài viết này
- Câu hỏi thường gặp
- Nguồn tham khảo
Inverter hay biến tần (VFD): một thiết bị, nhiều tên gọi
Bản vẽ, catalog và tài liệu tiết kiệm năng lượng của Nhật thường gọi thiết bị này là inverter (inbata). Ở Việt Nam, từ quen dùng là "biến tần"; catalog tiếng Anh thì hay ghi VFD, VSD (variable speed drive) hoặc AC drive. Nói chặt chẽ, VFD là loại phổ biến nhất trong các bộ điều tốc VSD.
Từ đây bài dùng "biến tần" và "VFD" với cùng một nghĩa. Khi tài liệu tiếng Nhật viết "inverter" trong ngữ cảnh động cơ, đó chính là thiết bị này.
Vì sao cần biến tần? Tốc độ đồng bộ (vòng/phút) bằng 120 × tần số ÷ số cực, nên động cơ 4 cực chạy gần 1.500 vòng/phút ở 50 Hz và gần 1.800 vòng/phút ở 60 Hz. Với lưới điện tần số cố định, động cơ không đồng bộ về cơ bản chỉ chạy ở một tốc độ.
Biến tần phá giới hạn đó bằng cách tạo lại điện cấp cho động cơ, như Hình 1 minh họa.
Biến tần chuyển điện lưới thành một chiều, rồi tạo lại điện xoay chiều có tần số cần thiết và cấp cho động cơ.
Bên trong biến tần, điện xoay chiều được chỉnh lưu thành một chiều và được tụ điện làm phẳng. Các khóa bán dẫn sau đó tạo ra điện xoay chiều có tần số và điện áp mới. Dựa theo tài liệu của Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị điện Nhật Bản (JEMA).
Khi tần số giảm, biến tần hạ điện áp theo tỷ lệ. Kiểu điều khiển V/f không đổi này giữ từ thông trong động cơ ổn định trong khi tốc độ thay đổi. Bài này xét tổ hợp phổ biến nhất ở nhà máy: động cơ không đồng bộ ba pha và biến tần.
Định luật tương tự: vì sao công suất giảm theo lập phương tốc độ
Định luật tương tự (affinity laws, sojisoku trong tài liệu tiếng Nhật) mô tả phản ứng của quạt hoặc bơm ly tâm khi đổi tốc độ. Lưu lượng tỷ lệ với tốc độ, áp suất tỷ lệ với bình phương tốc độ, công suất trục tỷ lệ với lập phương tốc độ. Công suất tỷ lệ với lưu lượng nhân áp suất, nên lũy thừa 1 và lũy thừa 2 nhân lại thành lũy thừa 3.
Khi tốc độ đổi từ N1 sang N2, kết quả như sau:
- Lưu lượng: Q2 = Q1 × (N2/N1)
- Áp suất: P2 = P1 × (N2/N1)²
- Công suất trục: L2 = L1 × (N2/N1)³
Hình 2 vẽ ba đường này. Bộ Môi trường Nhật Bản (MOE) dùng đúng ví dụ 80% trong tài liệu hướng dẫn của mình, còn Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) nêu rằng giảm 20% tốc độ làm giảm công suất đầu vào khoảng 50%.
Ở 80% tốc độ, lưu lượng là 80%, áp suất là 64% và công suất trục là 51,2% giá trị định mức.
Các định luật này giả định cùng một cánh bơm hoặc cánh quạt, khối lượng riêng chất lưu không đổi, hiệu suất tại mỗi điểm vận hành gần như nhau, và trở lực chỉ do ma sát đường ống hoặc ống gió (trở lực bằng 0 khi lưu lượng bằng 0). Nếu có chiều cao nâng cố định hoặc áp suất đối kháng, áp suất không thể giảm hết và công suất giảm chậm hơn lập phương.
Hình 2 là các đường lý tưởng. Đồng hồ đo công suất thực tế còn đọc cả tổn thất của động cơ và biến tần, và hiệu suất giảm ở tốc độ thấp, nên số đo thường cao hơn kết quả tính một chút. DOE lưu ý rằng hiệu suất biến tần giảm khi tải giảm, nhất là ở biến tần nhỏ.
Những tổn thất đó ít ảnh hưởng hơn người ta tưởng. Trong một ví dụ của DOE, quạt hút 20 hp (khoảng 15 kW) chạy nửa tốc độ, hiệu suất động cơ 77,8% và hiệu suất biến tần 86%, vẫn chỉ tiêu thụ 2,8 kW thay vì 16,4 kW.
Tải mô-men biến thiên và tải mô-men không đổi
Quạt, bơm và quạt thổi là tải mô-men biến thiên: mô-men giảm theo bình phương tốc độ nên công suất giảm theo lập phương. Tài liệu tiếng Nhật gọi loại tải này là nijo teigen toruku (2乗低減トルク).
Tải mô-men không đổi thì khác. Mô-men giữ gần như không đổi ở mọi tốc độ, nên công suất chỉ giảm tỷ lệ thuận với tốc độ. Băng tải, máy đùn, máy trộn, bơm thể tích và máy nén khí trục vít thuộc nhóm này, và luật lập phương không áp dụng cho chúng.
Biến tần so với van gió hoặc van tiết lưu
Khi chưa có biến tần, người ta thường giảm lưu lượng bằng cách đóng van gió (damper) ở cửa ra của quạt, hoặc đóng van tiết lưu ở phía đẩy của bơm. Động cơ vẫn chạy gần hết tốc độ, còn trở lực thêm vào làm lưu lượng giảm. Năng lượng mất qua van vẫn nằm trong số điện bạn phải trả.
Biến tần hạ chính đường đặc tính của bơm hoặc quạt, nên không cần thêm trở lực. Hướng dẫn của DOE nêu rằng điều khiển tốc độ luôn hiệu quả hơn van điều khiển để điều chỉnh lưu lượng. Hình 3 cho thấy khoảng cách đó lớn đến đâu với một quạt ly tâm.
Cùng lưu lượng gió 80%, công suất trục là 95% khi dùng van gió và 51% khi giảm tốc độ.
Số liệu cho quạt ly tâm, theo giả định trong tài liệu của MOE từ một biểu đồ trong bảng dữ liệu của Trung tâm Bảo tồn Năng lượng Nhật Bản (ECCJ).
Điều khiển bằng van gió vẫn tiết kiệm được chút ít vì công suất trục của quạt ly tâm giảm phần nào theo lưu lượng. Cùng bảng dữ liệu đó còn có đường cong cho van gió đầu hút, cánh dẫn hướng đầu hút và khớp nối thủy lực. Cách điều khiển hiện có làm thay đổi mức tiết kiệm, vì vậy hãy xác định nó trước.
Bảng dưới đây tóm tắt các khác biệt.
| Điểm so sánh | Van gió hoặc van tiết lưu | Biến tần |
|---|---|---|
| Cách giảm lưu lượng | Thêm trở lực | Giảm tốc độ |
| Tốc độ động cơ | Gần hết tốc độ | Giảm theo lưu lượng cần |
| Áp suất | Tăng khi càng tiết lưu | Giảm theo bình phương tốc độ |
| Công suất trục ở lưu lượng gió 80% (ví dụ quạt ly tâm) | Khoảng 95% | Khoảng 51% |
| Chi phí thiết bị | Thấp: chỉ cần van gió hoặc van | Cần biến tần và công lắp đặt |
Cùng so sánh đó trên đường đặc tính bơm
Bơm chạy tại điểm giao giữa đường đặc tính bơm và đường đặc tính hệ thống. Đóng van làm đường hệ thống dốc lên, điểm vận hành dịch lên trên và sang trái: lưu lượng giảm nhưng cột áp lại tăng. Giảm tốc độ thì hạ chính đường đặc tính bơm, nên cùng một lưu lượng được cấp ở cột áp thấp hơn nhiều.
Hình 4 dùng một ví dụ tính của J-Net21, trang hỗ trợ doanh nghiệp vừa và nhỏ do chính phủ Nhật Bản hậu thuẫn. Bơm trong ví dụ có cột áp khi đóng kín bằng 1,4 lần cột áp định mức, cột áp tĩnh bằng 0,3 lần cột áp định mức, và được giảm xuống một nửa lưu lượng định mức.
Ở một nửa lưu lượng, điều khiển bằng van chạy ở cột áp 1,3 còn điều khiển bằng biến tần chạy ở cột áp 0,475 (cột áp định mức = 1,0).
Hình minh họa vẽ theo cùng điều kiện với ví dụ của J-Net21: cột áp khi đóng kín bằng 1,4 lần cột áp định mức, cột áp tĩnh bằng 0,3 lần, lưu lượng giảm còn một nửa định mức.
Trong ví dụ này, điều khiển bằng van cần 65% công suất định mức còn điều khiển tốc độ cần 24%, và J-Net21 ghi mức tiết kiệm là 63%. Con số 63% được so với trường hợp đang tiết lưu, không phải so với công suất định mức. Khi đọc một tỷ lệ tiết kiệm trong tài liệu Nhật, luôn kiểm tra mốc so sánh.
Cột áp tĩnh: chỗ luật lập phương không còn đúng
Cột áp toàn phần gồm hai phần. Cột áp tĩnh (jitsu-yotei) là độ cao phải nâng chất lỏng, hoặc áp suất đối kháng cố định ở nơi đến; còn cột áp ma sát thay đổi theo bình phương lưu lượng. Hệ tuần hoàn kín chỉ có cột áp ma sát, và trở lực chỉ do ma sát chính là điều kiện mà luật lập phương giả định.
Cột áp tĩnh giữ nguyên dù bạn giảm lưu lượng bao nhiêu, nên phần cột áp đó không giảm được. Quạt cũng gặp giới hạn tương tự khi cuối ống gió phải giữ một áp suất tĩnh cố định.
Hướng dẫn của DOE gọi việc dùng định luật tương tự để tính tiết kiệm ở hệ có cột áp tĩnh là lỗi thường gặp và có thể gây sai số lớn. Hình 5 cho thấy độ chênh ở một nửa lưu lượng.
Ở lưu lượng 50%, công suất cần thiết là 12,5% theo luật lập phương lý tưởng, khoảng 24% khi cột áp tĩnh bằng 30% cột áp định mức, và 65% khi dùng van.
Hình minh họa theo điều kiện ví dụ của J-Net21 (cột áp khi đóng kín 1,4, cột áp tĩnh 0,3), coi hiệu suất bơm không đổi. Thực tế hiệu suất giảm khi lưu lượng thấp, nên công suất cao hơn mức vẽ ở đây.
Điều khiển tốc độ vẫn thắng van, nhưng đường cong cách xa đường lập phương. J-Net21 cho biết điều khiển tốc độ hiệu quả nhất khi cột áp tĩnh nhỏ và tỷ lệ lưu lượng khoảng 30–80%. Trong ví dụ của họ, mức tiết kiệm lớn nhất xuất hiện gần lưu lượng 60%.
Tốc độ tối thiểu: bơm vẫn phải thắng cột áp tĩnh
Cột áp khi đóng kín giảm theo bình phương tốc độ. Khi nó thấp hơn cột áp tĩnh, bơm không còn đẩy được lưu lượng, và nếu không có van một chiều thì chất lỏng có thể chảy ngược. Ước lượng đầu tiên cho tốc độ tối thiểu là căn bậc hai của (cột áp tĩnh ÷ cột áp khi đóng kín).
Với cột áp khi đóng kín 1,4 ở trên, tốc độ tối thiểu khoảng 46% khi cột áp tĩnh là 0,3 và khoảng 65% khi cột áp tĩnh là 0,6. Đây là số do chúng tôi tự tính, và mức tối thiểu thực tế cao hơn. Nhà cung cấp bơm nên xác định nó từ đường đặc tính ở tốc độ thấp và lưu lượng liên tục tối thiểu.
Khi có cột áp tĩnh, lưu lượng cũng giảm nhanh hơn tốc độ. Trong cùng mô hình, để có một nửa lưu lượng cần khoảng 64% tốc độ ở cột áp tĩnh 0,3 và khoảng 76% ở 0,6. Vì vậy đừng mặc định tỷ lệ lưu lượng bằng tỷ lệ tốc độ ở các hệ thống này.
Với hệ cấp nước cần cột áp toàn phần lớn, MOE khuyến nghị điều chỉnh lưu lượng bằng điều khiển số bơm chạy (daisu seigyo, pump staging) thay vì điều tốc, vì khi giảm tốc độ cột áp có thể không đủ. Kết hợp điều khiển số bơm để chỉnh thô và biến tần để chỉnh tinh cũng đáng cân nhắc.
Nơi biến tần có lãi và nơi không
Ba yếu tố quyết định phần lớn kết quả: loại tải, mức biến động lưu lượng, và trở lực gồm những gì. Ứng viên tốt nhất là máy có mô-men biến thiên, chạy tiết lưu nhiều giờ, với trở lực chủ yếu là ma sát. Hình 6 phân loại các thiết bị thường gặp.
Ngay cả với quạt và bơm, kết quả còn phụ thuộc cách máy vận hành và trở lực gồm những gì.
Tiết kiệm nhiều hơn
Tiết kiệm ít hơn
Máy luôn chạy gần lưu lượng định mức thì không còn chỗ để giảm tốc, và tổn thất chuyển đổi của chính biến tần cộng thêm vào tiền điện. Vì vậy MOE gợi ý chuyển sang chạy bằng điện lưới (shoyo dengen) khi bơm chạy ở lưu lượng định mức. Cách bố trí này thường gọi là đường bypass của biến tần (VFD bypass), và nên do kỹ sư điện có chuyên môn thiết kế.
Cách tính tiết kiệm điện của biến tần: ba phương pháp
Hãy bắt đầu từ mức máy đang tiêu thụ hôm nay, không phải từ nhãn máy. Động cơ thường chạy dưới tải định mức, nên lấy kW định mức làm điện tiêu thụ thực sẽ làm mức tiết kiệm bị thổi phồng. J-Net21 vì thế áp hệ số tải (fukaritsu) 90%, và số đọc từ đồng hồ đo công suất còn tốt hơn.
Hình 7 cho thấy trình tự chung. Công thức đúng ở bước 3 phụ thuộc vào cách máy đang được điều khiển và vào cột áp tĩnh.
Đổi số liệu ghi tại hiện trường thành kWh bằng tỷ lệ tốc độ hoặc công suất phù hợp và hiệu suất, rồi nhân với đơn giá điện.
Khi có cột áp tĩnh hoặc áp suất đối kháng cố định, mức tiết kiệm nhỏ hơn mức luật lập phương dự đoán.
Phương pháp A: van đã mở hết, chỉ có ma sát
Dùng phương pháp này khi van gió hoặc van đã mở hết, cột áp tĩnh gần bằng 0, và bạn chỉ đơn giản muốn giảm lưu lượng.
kWh mới = kWh hiện tại × (tỷ lệ tốc độ)³ ÷ hiệu suất biến tần
J-Net21 tính cho một bơm nước làm mát 37 kW (hiệu suất 92,5%, ở đây hiểu là hiệu suất động cơ) với hệ số tải 90%, chạy 24 giờ mỗi ngày, 310 ngày mỗi năm. Điện tiêu thụ hiện tại khoảng 267.800 kWh. Ở 85% tốc độ và hiệu suất biến tần 95%, con số này thành 267.800 × 0,85³ ÷ 0,95, tức khoảng 173.100 kWh.
Mức tiết kiệm khoảng 94.700 kWh mỗi năm, tức khoảng 35%. Với đơn giá 22,0 JPY/kWh, J-Net21 tính ra khoảng 2,08 triệu JPY. Ví dụ giả định cột áp tĩnh bằng 0 m, nên hãy coi đây là trường hợp tốt nhất.
Phương pháp B: đang tiết lưu bằng van gió hoặc van
Số đo hôm nay đã gồm tổn thất do tiết lưu, nên đừng chỉ nhân nó với lập phương tốc độ. Hãy dùng tỷ lệ giữa hai cách điều khiển ở cùng lưu lượng, lấy từ đường đặc tính quạt hoặc bảng dữ liệu.
kWh mới = kWh hiện tại × (tỷ lệ công suất trục khi dùng biến tần ÷ tỷ lệ công suất trục khi tiết lưu) ÷ hiệu suất biến tần
MOE tính cho quạt hút 22 kW (khoảng 30 hp) ở lưu lượng gió 80%, chạy 6.480 giờ mỗi năm, hiệu suất động cơ 95% và hiệu suất biến tần 90%. Điện tiêu thụ hiện tại được tính là 142.600 kWh. Với tỷ lệ công suất trục 51% và 95%, kết quả là 142.600 × (51 ÷ 95) ÷ 0,90, tức khoảng 85.000 kWh.
Mức tiết kiệm khoảng 57.600 kWh mỗi năm, tức khoảng 40%. Hai giá trị 95% và 51% lấy từ một biểu đồ cho van gió trên quạt ly tâm. Các kiểu điều khiển khác có đường cong riêng.
Phương pháp C: hệ thống có cột áp tĩnh
Khi có cột áp tĩnh, hãy ước tính công suất từ lưu lượng và cột áp, không từ tốc độ. Gọi hs là phần cột áp tĩnh trong cột áp định mức và Q là tỷ lệ lưu lượng, cột áp trên đường hệ thống là hs + (1 − hs) × Q².
Tỷ lệ công suất ≈ Q × (hs + (1 − hs) × Q²), rồi chia cho hiệu suất biến tần.
Bảng dưới áp dụng công thức này. Ở lưu lượng 50%, giá trị của van và của hs = 0,3 khớp với ví dụ J-Net21 (họ làm tròn 23,8% thành 24%). Các giá trị còn lại do chúng tôi tính bằng cùng mô hình.
| Lưu lượng | Điều khiển bằng van | Biến tần, hs = 0 (luật lập phương) | Biến tần, hs = 0,3 | Biến tần, hs = 0,6 |
|---|---|---|---|---|
| 90% | 96,8% | 72,9% | 78,0% | 83,2% |
| 80% | 91,5% | 51,2% | 59,8% | 68,5% |
| 70% | 84,3% | 34,3% | 45,0% | 55,7% |
| 60% | 75,4% | 21,6% | 33,1% | 44,6% |
| 50% | 65,0% | 12,5% | 23,8% | 35,0% |
Hãy coi các cột biến tần là con số lạc quan. Hướng dẫn của DOE cảnh báo rằng ở hệ có cột áp tĩnh cao, giảm tốc độ chỉ một chút cũng làm lưu lượng và hiệu suất bơm giảm mạnh. Với con số bạn phải bảo vệ trong tờ trình, hãy xin nhà cung cấp đường đặc tính bơm ở tốc độ thấp, có thể hiện hiệu suất.
Đổi kWh sang tiền của bạn
Hãy giữ kWh làm kết quả chính, vì số tiền yên trong các ví dụ Nhật không dùng lại được. Ví dụ quạt của MOE dùng đơn giá 22,76 JPY/kWh.
Bảng dưới áp dụng các đơn giá khác cho cùng 57.600 kWh. Các đơn giá này chỉ là giá trị giả định, không phải giá thị trường, nên hãy thay bằng đơn giá trên hóa đơn của nhà máy bạn.
| Đơn giá mỗi kWh | Tiết kiệm mỗi năm với 57.600 kWh |
|---|---|
| 22,76 JPY (ví dụ MOE) | Khoảng 1,31 triệu JPY |
| 2.000 VND (giả định) | 115.200.000 VND |
| 1.500 VND (giả định) | 86.400.000 VND |
| Đơn giá của bạn: ____ | 57.600 × đơn giá của bạn |
Hãy hỏi bộ phận kế toán nên dùng đơn giá nào cho tờ trình. J-Net21 dùng đơn giá tổng hợp đã gồm phí cơ bản, còn phí cố định thì có thể không giảm theo kWh. Nếu hợp đồng điện của nhà máy tính theo khung giờ, hãy tách giờ chạy của máy theo từng khung.
Thời gian hoàn vốn đơn giản bằng chi phí lắp đặt chia cho mức tiết kiệm hằng năm. Hãy tính cả biến tần, công lắp đặt, cuộn kháng hoặc bộ lọc nếu có, và chi phí đổi động cơ, rồi lấy các khoản đó từ báo giá.
Sau khi lắp, hãy so sánh kWh đo được trong cùng điều kiện. Chênh lệch giữa ước tính và số đo sẽ giúp lần ước tính sau chính xác hơn.
Đọc số liệu và thông số của phía Nhật
Nhật Bản dùng hai tần số: 50 Hz ở miền Đông, gồm Tokyo, và 60 Hz ở miền Tây, gồm Osaka. Thiết bị chế tạo tại Nhật vì vậy có thể được thiết kế cho một trong hai tần số, và tần số gốc của nó có thể không trùng với nhà máy của bạn.
Lưới điện quốc gia Việt Nam có tần số danh định 50 Hz, cho phép dao động ±0,2 Hz ở chế độ vận hành bình thường (Thông tư 25/2016/TT-BCT). Vì thế máy thiết kế cho 60 Hz là trường hợp cần kiểm tra kỹ nhất khi đưa vào nhà máy ở Việt Nam.
Luật lập phương khiến điều này trở thành vấn đề thật. Máy ly tâm định mức 50 Hz mà chạy ở 60 Hz sẽ quay nhanh hơn 20% và cần thêm khoảng 73% công suất trục (1,2³ = 1,73). Máy định mức 60 Hz mà chạy ở 50 Hz quay chậm hơn khoảng 17%, chỉ cần khoảng 58% công suất và cho khoảng 69% áp suất.
Hãy xác nhận tần số định mức trước khi so sánh bất kỳ con số nào. Các tỷ lệ này do chúng tôi tính từ định luật tương tự. Hãy hỏi nhà cung cấp xem máy và động cơ có chạy được ở tần số của bạn hay không.
Bảng dưới là điểm xuất phát để so sánh các khác biệt theo nước.
| Nơi | Tần số lưới | Tài liệu tham chiếu về sóng hài để bắt đầu |
|---|---|---|
| Nhật Bản | 50 Hz (miền Đông), 60 Hz (miền Tây) | Hướng dẫn năm 1994 cho khách hàng nhận điện cao áp, cùng hướng dẫn kỹ thuật JEAG 9702 |
| Việt Nam | 50 Hz | Thông tư 39/2015/TT-BCT về hệ thống điện phân phối (đã được sửa đổi bởi Thông tư 30/2019/TT-BCT); xác nhận bản hiện hành với đơn vị điện lực |
| Mỹ | 60 Hz | IEEE 519-2022; xác nhận yêu cầu của đơn vị điện lực |
| Thái Lan, Indonesia, Malaysia | 50 Hz | Xác nhận với đơn vị điện lực |
| Philippines | 60 Hz | Xác nhận với đơn vị điện lực |
Các thuật ngữ sau xuất hiện nhiều trong tài liệu và thông số tiết kiệm năng lượng của Nhật.
| Tiếng Nhật | Romaji | Tiếng Việt |
|---|---|---|
| — | inbata | Biến tần (inverter, VFD) |
| — | sho-ene | Tiết kiệm năng lượng |
| 軸動力 | jiku-doryoku | Công suất trục |
| 回転数制御 | kaitensu seigyo | Điều khiển tốc độ |
| 実揚程 / 全揚程 | jitsu-yotei / zen-yotei | Cột áp tĩnh / cột áp toàn phần |
| 風量 | furyo | Lưu lượng gió |
| 商用電源 | shoyo dengen | Điện lưới |
| 高調波 | kochoha | Sóng hài |
Động cơ Top Runner, TCVN 7540-1 và cài đặt tần số
Từ tháng 4 năm 2015, Nhật Bản yêu cầu hầu hết động cơ không đồng bộ ba pha công nghiệp phải đạt tiêu chuẩn Top Runner, mà Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) mô tả là mức IE3. Ở Mỹ, NEMA Premium thường được coi là tương đương IE3, nhưng hãy xác nhận hiệu suất trên bảng dữ liệu thay vì coi các nhãn là giống hệt nhau.
Ở Việt Nam, TCVN 7540-1:2013 quy định mức hiệu suất năng lượng (mức tối thiểu và mức cao) cho động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc có công suất từ 0,75 kW đến 150 kW. Tiêu chuẩn này loại trừ động cơ chế tạo riêng để dùng với bộ biến đổi điện theo IEC 60034-25. Chúng tôi chưa đối chiếu các mức đó với Top Runner hay IE3, nên đừng coi là tương đương mà hãy hỏi nhà cung cấp.
Hiệp hội Thiết bị Bán dẫn Nhật Bản (SEAJ) lưu ý rằng các động cơ này có hệ số trượt nhỏ hơn nên quay nhanh hơn một chút. Hiệp hội khuyến nghị kiểm tra hoặc chỉnh cài đặt của biến tần đi kèm. Vì công suất tăng theo lập phương tốc độ, hãy nhờ nhà cung cấp hoặc kỹ sư có chuyên môn rà soát cài đặt tần số mỗi khi thay động cơ đồng thời với lắp biến tần.
Những điều cần kiểm tra trước khi lắp
Biến tần không tự động có lãi. Lắp sai máy, nó có thể gây thiếu lưu lượng, quá nhiệt động cơ hoặc rung. Hãy kiểm tra lần lượt: dữ liệu vận hành, giới hạn công đoạn, giới hạn của động cơ và cơ khí, rồi đến hệ thống điện.
Dữ liệu vận hành và giới hạn công đoạn
Hãy ghi lại độ mở van gió hoặc van, biến động lưu lượng và áp suất, và giờ chạy trong một tuần đến một tháng. Máy luôn mở gần hết thì tiết kiệm được ít. Hướng dẫn của DOE gợi ý dùng biểu đồ phân bố giờ chạy theo lưu lượng (duration diagram), cho biết số giờ mỗi năm ở từng mức lưu lượng, để tính riêng từng điều kiện vận hành rồi cộng lại.
Sau đó hãy xác nhận lưu lượng và áp suất tối thiểu mà công đoạn cần. Áp suất giảm theo bình phương tốc độ: MOE chỉ ra rằng lưu lượng 90% nghĩa là áp suất đẩy thấp hơn 19%. Áp suất cần ở cuối đường ống đặt ra giới hạn cho việc giảm tốc độ.
Tốc độ tối thiểu, làm mát và rung
Hầu hết động cơ không đồng bộ tự làm mát bằng quạt gắn trên trục, nên chạy lâu ở tốc độ thấp làm giảm gió làm mát. Hãy hỏi nhà sản xuất dải tốc độ cho phép chạy liên tục và có cần quạt làm mát riêng hay không.
Điều tốc cũng làm tăng khả năng gặp cộng hưởng kết cấu trong dải vận hành. Nhiều biến tần có thể bỏ qua một dải tần số, vì vậy hãy kiểm tra rung và tiếng ồn khi chạy thử.
Quạt còn có rủi ro vận hành không ổn định, như hiện tượng surging, ở một số dải tốc độ.
Cách điện động cơ và vị trí đặt biến tần
Theo hướng dẫn của DOE, biến tần lắp được cho hầu hết động cơ hiện có trên lưới 400 V. Điều đó nói chung không đúng ở Mỹ và các vùng trên 440 V, nơi thường cần động cơ "inverter duty" có cách điện tăng cường. Lưới hạ áp 380 V ở nhà máy Việt Nam gần mức 400 V này, nhưng hãy hỏi nhà sản xuất động cơ. Cáp dài có thể làm tăng điện áp tại đầu cực động cơ, và động cơ lớn có thể bị hỏng ổ bi do điện áp trục.
Có hai tiêu chuẩn nên nêu tên khi hỏi về việc này: NEMA MG 1 Part 31 cho động cơ dùng với biến tần, và IEC TS 60034-25:2022 làm hướng dẫn cho máy điện cấp nguồn từ bộ biến đổi. Cũng cần kiểm tra vị trí đặt biến tần. Thiết bị điện tử chịu kém môi trường ăn mòn và ẩm, và hướng dẫn của DOE nói rằng thường không thể vận hành biến tần trong môi trường có khả năng nổ.
Đấu nối điện và chạy thử máy quay nên theo quy trình an toàn điện và khóa – treo thẻ (LOTO) của nhà máy, phù hợp với Luật An toàn, vệ sinh lao động năm 2015. Bài này không phải hướng dẫn thao tác.
Sóng hài và hệ thống điện
Việc nạp tụ lọc của biến tần làm méo dòng điện đầu vào, tạo ra sóng hài ở các bội số nguyên của tần số lưới. Ở Mỹ, IEEE 519-2022 là tài liệu tham chiếu thông dụng. Giới hạn của nó áp dụng tại điểm đấu nối chung (PCC), nơi giao giữa đơn vị điện lực và khách hàng, không phải tại từng biến tần.
Một bản tóm tắt đã công bố của ấn bản 2022 nêu giới hạn tổng méo hài điện áp (THD) là 8% ở 1 kV trở xuống và 5% trên 1 kV đến 69 kV. Giới hạn dòng điện phụ thuộc vào tỷ lệ giữa dòng ngắn mạch và dòng tải. Hãy đối chiếu các giá trị này với chính tiêu chuẩn.
Ở Việt Nam, Thông tư 39/2015/TT-BCT về hệ thống điện phân phối (đã được sửa đổi bởi Thông tư 30/2019/TT-BCT) quy định giới hạn tổng biến dạng sóng hài điện áp. Theo các bản tóm tắt chúng tôi đọc được, giới hạn là 6,5% (riêng lẻ 3,0%) tại điểm đấu nối cấp trung áp và hạ áp, và 3,0% (riêng lẻ 1,5%) ở cấp 110 kV. Hãy xác nhận giá trị hiện hành với đơn vị điện lực.
Ở Nhật, hướng dẫn năm 1994 cho khách hàng nhận điện cao áp hoặc đặc biệt cao áp được áp dụng cùng JEAG 9702, và catalog biến tần của Nhật ghi hệ số quy đổi để tính toán. Các biện pháp gồm cuộn kháng AC hoặc DC và bộ chuyển đổi điều chế độ rộng xung (PWM).
Hãy nhờ kỹ sư điện và đơn vị điện lực rà soát các điểm này, vì sóng hài cũng ảnh hưởng đến tụ bù hệ số công suất.
Checklist: trước khi nộp con số
Dùng danh sách này để rà soát một đề xuất lắp biến tần, dù đó là đề xuất của bạn hay của nhà cung cấp.
- Loại tải: quạt hoặc bơm ly tâm có mô-men biến thiên, không phải máy mô-men không đổi
- Cách điều khiển hiện tại: van gió đầu ra, van gió đầu hút, cánh dẫn hướng, van tiết lưu, hay đã mở hết
- Mốc so sánh: kW hoặc kWh đo được, không phải kW trên nhãn máy
- Biểu đồ lưu lượng: số giờ mỗi năm ở từng mức lưu lượng, từ dữ liệu đã ghi
- Cột áp tĩnh: phần trăm so với cột áp định mức, và phương pháp tính phù hợp (A, B hoặc C)
- Giới hạn công đoạn: lưu lượng tối thiểu, áp suất tối thiểu và cột áp cần ở cuối đường ống
- Hiệu suất: hiệu suất biến tần và động cơ ở tải một phần thực tế, không chỉ ở đầy tải
- Tần số định mức: 50 Hz hay 60 Hz của máy, động cơ và nhà máy (lưới Việt Nam là 50 Hz)
- Động cơ: dùng được với biến tần, làm mát ở tốc độ thấp, và bảo vệ ổ bi cho động cơ lớn
- Điện: rà soát sóng hài, tụ bù, chiều dài cáp và vị trí đặt biến tần
- Tiền: đơn giá mỗi kWh của bạn, tổng chi phí lắp đặt và thời gian hoàn vốn đơn giản
- Kiểm chứng: kế hoạch so sánh kWh đo trước và sau khi lắp
Câu hỏi gửi nhà cung cấp Nhật
Nếu thiết bị hoặc con số tiết kiệm đến từ Nhật, hãy gửi các câu hỏi này sớm. Danh sách viết để bạn dán vào email, và nên dịch sang tiếng Anh hoặc tiếng Nhật trước khi gửi.
- Tần số định mức của máy và động cơ là bao nhiêu? Xin gửi đường đặc tính ở 50 Hz và 60 Hz, và cho biết máy có chạy được ở 50 Hz của lưới Việt Nam không.
- Xin gửi đường đặc tính ở tốc độ thấp, có thể hiện hiệu suất và lưu lượng liên tục tối thiểu.
- Dải tốc độ cho phép chạy liên tục là bao nhiêu? Ở tốc độ thấp có cần làm mát động cơ riêng không?
- Động cơ có dùng được với biến tần không? Theo tiêu chuẩn nào (ví dụ NEMA MG 1 Part 31 hoặc IEC TS 60034-25)?
- Hiệu suất biến tần ở tải một phần là bao nhiêu? Biến tần có sẵn cuộn kháng AC hoặc DC không? Có thể cung cấp dữ liệu sóng hài nào?
- Cần tránh những dải tốc độ nào vì cộng hưởng hoặc vận hành không ổn định?
- Về con số tiết kiệm của quý công ty: cách điều khiển làm mốc, cột áp tĩnh, hiệu suất biến tần, giờ chạy và đơn giá điện được giả định là gì?
- Việc lắp thêm biến tần có ảnh hưởng đến bảo hành của máy này không?
Giới hạn của bài viết này
- Các ví dụ tính lấy từ tài liệu công khai của Nhật và dùng giá trị giả định. Chúng không phải kết quả đo hay cam kết.
- Phương pháp C giả định hiệu suất bơm không đổi. Mức tiết kiệm thực tế thấp hơn khi hiệu suất giảm ở lưu lượng thấp.
- Các phép tính tốc độ tối thiểu chỉ là ước lượng đầu tiên. Đường đặc tính của nhà cung cấp được ưu tiên.
- Bơm thể tích, máy nén và các máy có mô-men không đổi khác cần một phân tích riêng.
- Giới hạn sóng hài và tiêu chuẩn động cơ được tóm tắt từ nguồn thứ cấp. Hãy đối chiếu với tiêu chuẩn hiện hành và quy định của đơn vị điện lực.
- Đơn giá điện, biểu giá và chính sách ưu đãi khác nhau theo nước và theo nhà máy, và bài này không đề cập.
Câu hỏi thường gặp
Biến tần tiết kiệm bao nhiêu điện cho quạt hoặc bơm?
Không có một tỷ lệ chung. Các ví dụ công khai của Nhật cho thấy khoảng 40% với quạt 22 kW chuyển từ điều khiển bằng van gió sang biến tần ở cùng lưu lượng gió 80%, và khoảng 35% với bơm 37 kW ở 85% tốc độ. Kết quả của bạn phụ thuộc vào cách điều khiển hiện tại, biểu đồ lưu lượng và cột áp tĩnh.
Định luật tương tự có đúng khi bơm có cột áp tĩnh không?
Không đúng cho mức tiết kiệm của cả hệ thống. Chúng vẫn mô tả đường đặc tính bơm dịch chuyển theo tốc độ, nhưng đường hệ thống không còn xuất phát từ 0, nên lưu lượng không giảm tỷ lệ với tốc độ. Ở lưu lượng 50% trong ví dụ của J-Net21, công suất là khoảng 24% định mức, không phải 12,5% như luật lập phương dự đoán.
Biến tần có tiết kiệm điện cho quạt luôn chạy hết tốc độ không?
Không. Khi không còn chỗ để giảm tốc, tổn thất chuyển đổi của chính biến tần làm tăng điện tiêu thụ. MOE gợi ý cho bơm chạy ở lưu lượng định mức bằng điện lưới, một thay đổi do kỹ sư điện thiết kế.
Bản thân biến tần tổn hao bao nhiêu điện?
Các ví dụ công khai của Nhật giả định hiệu suất biến tần 90–95%. DOE lưu ý hiệu suất giảm khi tải giảm, nhất là ở biến tần nhỏ, nên hãy xin nhà cung cấp giá trị ở tải một phần.
Nên dùng biến tần hay điều khiển số bơm chạy?
Biến tần phù hợp với hệ có cột áp tĩnh thấp, nơi phần lớn trở lực là ma sát. Với cột áp toàn phần lớn, như cấp nước lên cao, MOE khuyến nghị điều khiển số bơm chạy. Dùng số bơm để chỉnh thô và biến tần để chỉnh tinh cũng là một lựa chọn.
Nguồn tham khảo
- Định luật tương tự của quạt, so sánh với van gió và ví dụ quạt 22 kW: Bộ Môi trường Nhật Bản, "Lắp quạt hút thay đổi lưu lượng" (tiếng Nhật), dựa trên bảng dữ liệu của ECCJ
- Lưu lượng, áp suất, công suất của bơm; cột áp tĩnh; điều khiển số bơm; chạy điện lưới ở lưu lượng định mức: Bộ Môi trường Nhật Bản, "Tối ưu lưu lượng và áp suất của bơm cấp thoát nước" (tiếng Nhật)
- Điều khiển bằng van và ví dụ bơm nước làm mát 37 kW: J-Net21, điều chỉnh tốc độ bơm và quạt thổi, phần 2 (tiếng Nhật)
- Bơm có cột áp tĩnh, ví dụ số và dải hiệu quả: J-Net21, vì sao biến tần tiết kiệm ít với bơm có cột áp tĩnh lớn (tiếng Nhật)
- Cột áp tĩnh và cột áp ma sát, lỗi khi dùng định luật tương tự, cộng hưởng, cách điện động cơ và duration diagram: DOE Mỹ, Hydraulic Institute và Europump, "Variable Speed Pumping: A Guide to Successful Applications, Executive Summary"
- Tải mô-men biến thiên và không đổi, hiệu suất biến tần ở tải một phần, ví dụ 20 hp: DOE Mỹ, Motor Systems Tip Sheet #11, "Adjustable Speed Drive Part-Load Efficiency"
- Tải mô-men biến thiên: Mitsubishi Electric, dòng FREQROL-F800 (tiếng Nhật)
- Động cơ Top Runner và cài đặt biến tần: Hiệp hội Thiết bị Bán dẫn Nhật Bản, hiệu suất động cơ (tiếng Nhật)
- Yêu cầu IE3 của Nhật: Cơ quan Năng lượng Quốc tế, "Minimum Energy Efficiency of Motors"
- NEMA Premium và IE3: WEG, "Energy Efficiency Directives Around the World"
- Hiệu suất năng lượng động cơ ở Việt Nam: TCVN 7540-1:2013, Động cơ điện không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc – Phần 1: Hiệu suất năng lượng; phạm vi áp dụng: Thư Viện Pháp Luật, bài giới thiệu TCVN 7540:2013
- Tần số lưới điện Việt Nam: Thông tư 25/2016/TT-BCT về hệ thống điện truyền tải
- Sóng hài điện áp ở lưới phân phối Việt Nam: Thông tư 39/2015/TT-BCT về hệ thống điện phân phối; Thông tư 30/2019/TT-BCT sửa đổi
- Hướng dẫn về sóng hài của Nhật, JEAG 9702 và cuộn kháng: Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị điện Nhật Bản, biện pháp hạn chế sóng hài cho biến tần đa dụng và bộ khuếch đại servo, tháng 4/2022 (tiếng Nhật)
- Giới hạn IEEE 519-2022 và PCC: Comsys, "Power Quality: IEEE 519-2022"; IEEE Xplore, IEEE 519-2022
- NEMA MG 1 Part 30 và 31: dV/dt Filter, "NEMA MG 1-2016 Standard for Voltage Stress in Motors and Drives"
- IEC TS 60034-25:2022: IEC Webstore
- Tần số lưới theo nước: Miki Pulley, "Power Supply Situations Around the World"
- Tốc độ tối thiểu và cột áp tĩnh: Pump Industry Magazine, "Pump Curves 16: How Low Can You Go?"
- Ranh giới 50/60 Hz của Nhật: KEK, "Japanese Electricity"
Bài gốc tiếng NhậtHướng dẫn này được biên soạn từ một bài viết của MONOSCOPE dành cho độc giả tại Nhật: インバータで省エネになる仕組み｜ファン・ポンプの回転数と電力の3乗則
Về biên tập viên
Biên tập viên MONOSCOPEFOUNDER & EDITORKhoảng mười năm làm việc tại một nhà sản xuất thiết bị nhà máy và một công ty kỹ thuật nhà máy, phụ trách đề xuất, thiết kế và chạy thử thiết bị, sau đó chuyển sang tiếp thị trực tuyến. Hiện là tư vấn web cho các nhà sản xuất B2B, giúp họ trình bày rõ sản phẩm và công nghệ. Có chứng chỉ quốc gia Nhật Bản về Quản lý năng lượng (Energy Manager) và Kỹ sư điện trưởng hạng ba.
Viết blog kỹ thuật từ năm 2017 (hơn 500 bài) và có kênh YouTube tiếng Nhật với khoảng 20.000 người đăng ký. Mỗi hướng dẫn được viết từ góc nhìn hiện trường Nhật Bản và đối chiếu với các tiêu chuẩn được trích dẫn.
