Biến tần máy nén khí: cơ chế tiết kiệm điện và cách triển khai đúng

Biến tần máy nén khí xử lý đúng chỗ lãng phí nhất của máy nén tốc độ cố định: nhu cầu khí nén trong xưởng thay đổi liên tục theo ca và theo dây chuyền, trong khi máy cũ chỉ biết chạy hết tốc độ, chạy không tải hoặc dừng hẳn. Bài này đi theo đúng trình tự ra quyết định lắp hay không lắp — máy nén tốn điện ở đâu trong chu trình load/unload, biến tần thay đổi cách chạy ra sao và quan hệ công suất của máy trục vít thực ra thế nào, cách đo tải thật trước khi bỏ tiền, hai đường triển khai là lắp thêm cho máy hiện có hay mua máy VSD tích hợp sẵn, và những điểm cài đặt quyết định máy chạy bền hay không. 

Ở hiện trường, câu hỏi mình nhận được nhiều nhất là "lắp biến tần cho máy nén tiết kiệm được bao nhiêu phần trăm". Câu trả lời thật là nó phụ thuộc gần như hoàn toàn vào hồ sơ tải của chính chiếc máy đó: cùng một dòng máy, xưởng này lắp vào giảm rõ tiền điện, xưởng khác lắp vào gần như không khác gì. Vì vậy bài này không hứa con số phần trăm nào; thay vào đó là cách tự đo và tự kết luận trên máy của mình, trước khi quyết định chi tiền.

Máy nén khí tốc độ cố định tốn điện ở đâu

Máy nén khí thường nằm trong nhóm thiết bị tiêu thụ điện lớn nhất của nhà máy, và phần lớn điện lãng phí không nằm ở lúc máy đang nén khí đầy tải — lúc đó điện đổi ra khí nén hữu ích. Lãng phí nằm ở ba chỗ khác: thời gian chạy không tải, áp suất đặt cao hơn nhu cầu thật, và rò rỉ trên đường ống.

Chu trình load/unload: động cơ vẫn quay mà không ra khí

Máy nén trục vít tốc độ cố định điều tiết lưu lượng bằng van nạp. Khi áp trong bình chứa đạt ngưỡng trên, van nạp đóng lại, máy chuyển sang trạng thái không tải (unload): van xả thổi áp trong bầu tách dầu xuống, đầu nén gần như không nén khí mới nữa, nhưng động cơ vẫn quay ở tốc độ định mức. Ở trạng thái này máy vẫn ăn một phần đáng kể công suất định mức — thường trong khoảng 15–40% tùy dòng máy, áp suất xả không tải và tình trạng van — mà không tạo ra khí nén hữu ích. Áp tụt xuống ngưỡng dưới, van nạp mở lại và chu trình lặp lại. Máy nào nhu cầu khí càng thấp so với công suất, thời gian không tải càng chiếm tỉ lệ lớn trong ngày, và đó chính là phần điện trả không.

Với máy nhỏ chạy theo kiểu đóng – cắt trực tiếp, vấn đề đổi sang dạng khác: mỗi lần khởi động là một lần dòng điện vọt lên gấp nhiều lần dòng định mức, và số lần khởi động trong giờ bị giới hạn bởi chính động cơ — máy không được phép đóng cắt liên tục theo nhu cầu khí biến động nhanh.

Áp suất đặt cao hơn nhu cầu thật

Để tránh sụt áp vào giờ cao điểm, người vận hành thường đặt áp cao hơn nhu cầu thật của thiết bị dùng khí khoảng nửa bar đến một bar. Cái giá của khoảng dự phòng này là mọi mét khối khí đều bị nén lên mức thừa đó: phần điện nén thừa mất hẳn, và lượng khí rò rỉ qua các mối hở cũng tăng theo áp suất. Đây là phần lãng phí thứ hai — và là phần biến tần cắt được, vì điều tốc giữ áp sát điểm đặt thật thay vì dao động giữa hai ngưỡng rộng.

Rò rỉ và sụt áp trên đường ống

Rò rỉ khí nén là một tải nền chạy suốt 24 giờ kể cả khi xưởng nghỉ: máy nén vẫn phải bù phần khí thất thoát đó. Đường ống quá nhỏ hoặc quá dài gây sụt áp lớn, buộc phải nâng áp đặt tại máy để điểm cuối còn đủ áp — lại quay về phần lãng phí thứ hai. Biến tần không chữa được hai việc này; chúng phải được xử lý trước, nếu không là đang trả tiền điện cho khí thất thoát bằng một công nghệ đắt tiền hơn.

Biến tần thay đổi cách chạy máy nén như thế nào

Điều tốc theo áp suất bằng vòng PID

Cảm biến áp suất — phổ biến là loại 4–20 mA — gắn trên đường ống chính hoặc bình chứa, báo áp suất thực về biến tần. Vòng PID tích hợp trong biến tần so giá trị này với áp suất đặt rồi tăng hoặc giảm tần số: áp tụt thì tăng tốc để cấp thêm khí, áp đủ thì hạ tốc độ xuống mức vừa giữ áp. Máy chạy liên tục ở tốc độ vừa đủ thay vì nhảy giữa đầy tải và không tải, áp suất giữ trong một dải hẹp quanh điểm đặt, và thời gian unload gần như biến mất — khi nhu cầu khí về gần không trong thời gian dài, máy chuyển hẳn sang dừng và tự khởi động lại khi áp tụt, thay vì quay không tải vô hạn.

Công suất máy trục vít gần tuyến tính theo lưu lượng

Đây là chỗ hay bị tính sai nhất. Quan hệ lập phương — giảm tốc 20% thì công suất giảm gần một nửa — là của tải quạt và bơm ly tâm, đã trình bày ở bài biến tần cho quạt và bơm nước. Máy nén trục vít không đi theo quan hệ đó: ở áp suất làm việc không đổi, lưu lượng khí tỉ lệ gần đúng với tốc độ quay, và công suất tiêu thụ cũng giảm gần tuyến tính theo lưu lượng — thậm chí giảm chậm hơn đường thẳng một chút, vì hiệu suất riêng của đầu nén (số kW cho mỗi mét khối khí) hơi xấu đi ở vùng tải thấp.

Sửa lại phép tính vẫn hay được truyền miệng: máy nén trục vít 90 kW, nhu cầu khí giảm còn 80% lưu lượng định mức. Theo quan hệ gần tuyến tính ở trên, công suất còn khoảng 0,8 × 90 ≈ 72 kW — thực tế quanh 72–76 kW khi tính thêm tổn hao của biến tần và hiệu suất phần tải — chứ không phải khoảng 46 kW như cách lấy 90 × 0,8³ vẫn lan truyền. Ví dụ này dùng hai giả thiết rõ ràng: áp suất làm việc giữ nguyên trước và sau, và máy đang ở tình trạng kỹ thuật tốt.

Vậy phần điện giảm thật nằm ở đâu? Chủ yếu ở hai chỗ đã nói: cắt thời gian unload và hạ áp suất đặt thừa. Minh họa bằng một giờ vận hành với giả thiết công khai: máy 90 kW, nhu cầu khí trung bình trong giờ đó bằng 60% lưu lượng định mức. Máy tốc độ cố định chạy có tải 60% thời gian ở 90 kW và không tải 40% thời gian ở khoảng 25% công suất (khoảng 22 kW) — điện năng khoảng 0,6 × 90 + 0,4 × 22 ≈ 63 kWh. Máy điều tốc chạy liên tục ở 60% tốc độ, công suất khoảng 56–59 kW sau khi tính hiệu suất phần tải và tổn hao biến tần — điện năng khoảng 56–59 kWh, chưa tính thêm phần hạ áp đặt. Chênh lệch trong ví dụ này chỉ quanh 10%: máy nào thời gian không tải càng nhiều thì chênh càng lớn, máy chạy có tải gần như liên tục thì chênh lệch tiến về không. Đó là lý do quyết định lắp hay không phải bắt đầu từ đo tải, ở mục ngay dưới đây.

Đo tải trước khi quyết định lắp biến tần

Đo những gì, trong bao lâu

Việc cần làm là ghi lại cách máy đang chạy thật, không phải cách máy được thiết kế để chạy. Gắn thiết bị ghi dữ liệu — đồng hồ đo điện có chức năng ghi, cảm biến áp suất ghi theo thời gian, hoặc đọc nhật ký từ bộ điều khiển của máy nếu có — trong đủ một chu kỳ sản xuất điển hình. Thực tế thường lấy khoảng một tuần, gồm ngày thường, ngày cao điểm và các ca làm việc khác nhau; đo đúng hai ngày yên ắng rồi kết luận cho cả năm là sai ngay từ đầu. Ba dữ kiện cần có: áp suất theo thời gian, dòng điện hoặc công suất theo thời gian, và tỉ lệ thời gian máy ở từng trạng thái có tải / không tải / dừng — tỉ lệ này suy ra được từ dạng sóng dòng điện nếu bộ điều khiển không ghi sẵn.

Hồ sơ tải của máy nén đi theo dây chuyền chính mà nó phục vụ: xưởng dệt thay ca và dùng khí vệ sinh theo lịch riêng — phần biến tần cho chính các công đoạn dệt nằm ở bài biến tần dùng trong ngành dệt may, máy nén ở đó chỉ là hệ phụ trợ — xưởng cơ khí dùng khí theo từng đợt việc lại có dạng sóng khác hẳn. Đo đủ chu kỳ của đúng dây chuyền của mình mới cho kết luận đáng tin.

Đọc kết quả: dấu hiệu đáng lắp và dấu hiệu không nên lắp

Hai cách triển khai: lắp thêm cho máy hiện có hay máy VSD tích hợp

Khi dữ kiện đo cho thấy đáng lắp, còn hai đường đi khác hẳn nhau về chi phí và rủi ro: giữ nguyên máy nén đang chạy, lắp thêm biến tần và tủ điều khiển (retrofit), hoặc thay bằng máy nén VSD có biến tần tích hợp sẵn từ hãng. Chọn đường nào phụ thuộc chủ yếu vào tình trạng chiếc máy hiện có.

Retrofit: bốn điểm phải kiểm tra trên máy hiện có

• Động cơ và cách điện: điện áp ra của biến tần là chuỗi xung có sườn rất dốc, gây ứng suất lên cách điện cuộn dây cao hơn điện lưới sin thông thường. Động cơ đời cũ không được thiết kế cho nguồn biến tần, cách điện đã lão hóa theo năm tháng, là điểm rủi ro nhất — cần kiểm tra cấp cách điện và tình trạng thực tế; cáp từ biến tần tới động cơ dài thì cân nhắc thêm cuộn kháng đầu ra hoặc bộ lọc du/dt.
• Vòng bi: khi chạy qua biến tần, dòng điện rò tần số cao có thể chạy qua vòng bi động cơ và ăn mòn rãnh bi theo thời gian. Với động cơ công suất lớn chạy dài hạn, nên có phương án vòng bi cách điện ở phía đối diện trục truyền động hoặc chổi tiếp đất cho trục, cùng hệ thống nối đất làm đúng kỹ thuật ngay từ khi lắp.
• Bôi trơn ở tốc độ thấp: đầu nén trục vít phun dầu và duy trì áp suất dầu nhờ chính vòng quay của máy. Mỗi dòng máy có một tần số tối thiểu do hãng quy định để giữ bôi trơn và tách dầu — cài tốc độ sàn dưới ngưỡng này là đầu nén thiếu dầu, mòn nhanh và dầu theo khí ra ngoài. Đây là giới hạn cứng, không tinh chỉnh theo cảm tính được.
• Làm mát động cơ khi chạy chậm: quạt làm mát gắn trên trục động cơ quay chậm theo tốc độ máy, lưu lượng gió giảm mạnh đúng lúc động cơ vẫn mang tải cao ở tốc độ thấp. Cần giám sát nhiệt cuộn dây bằng cảm biến đưa về biến tần, hạ định mức khi cần, hoặc lắp quạt làm mát cưỡng bức riêng cho những máy phải chạy chậm kéo dài.

Máy VSD tích hợp sẵn

Máy nén VSD được hãng thiết kế đồng bộ cả cụm: động cơ — nhiều dòng dùng động cơ nam châm vĩnh cửu — biến tần và bộ điều khiển nói chuyện với nhau ngay từ nhà máy, dải điều tốc rộng và hiệu suất ở vùng tải thấp tốt hơn phương án lắp thêm lên máy cũ. Đổi lại, đó là chi phí thay cả một chiếc máy. Đường này hợp lý khi máy hiện có đã cũ, hay hỏng, sắp tới kỳ sửa lớn, hoặc nhà máy cần thêm công suất khí nén — tức là đằng nào cũng phải mua máy.

Cài đặt và vận hành hệ thống máy nén dùng biến tần

Dải áp suất đặt và tần số tối thiểu

Áp suất đặt tính từ nhu cầu thật đi ngược về: lấy áp tối thiểu mà thiết bị dùng khí xa nhất cần, cộng phần sụt áp trên đường ống vào giờ cao điểm, cộng thêm một biên nhỏ — không đặt theo thói quen "cứ cao cho chắc". Dải dao động của vòng PID giữ hẹp quanh điểm đặt này. Tần số tối thiểu cài theo ngưỡng bôi trơn của dòng máy như đã nói ở mục retrofit; khi nhu cầu khí về gần không kéo dài, cho máy dừng hẳn theo chế độ ngủ thay vì treo ở tần số tối thiểu vô thời hạn.

Quá nhiệt động cơ khi chạy chậm và các dữ kiện lỗi phải đọc

Kịch bản hỏng hay gặp nhất sau retrofit là động cơ quá nhiệt vì chạy chậm kéo dài ở tải cao mà quạt làm mát trên trục không thổi đủ gió. Cảm biến nhiệt cuộn dây phải được nối về biến tần để máy tự hạ tải hoặc dừng đúng lúc, không dựa vào việc người vận hành sờ vỏ máy đoán nhiệt. Khi hệ thống báo các lỗi quá dòng, quá nhiệt lặp lại, nên đọc và phân tích dữ kiện lỗi đã ghi trong biến tần trước khi kết luận hỏng phần cứng — cách làm có ở bài cách đọc và phân tích dữ liệu lỗi từ biến tần; phần chẩn đoán từng mã lỗi có bài riêng (quá dòng OC, quá nhiệt OH…). Còn khi đã xác định hỏng công suất hay bo mạch, đó là phạm vi sửa chữa biến tần chuyên sâu.

Phối hợp nhiều máy nén: một máy điều tiết, các máy còn lại chạy nền

Trạm có nhiều máy nén thì cách phối hợp tiết kiệm nhất là chọn một máy có biến tần làm máy điều tiết — nó chạy trong dải điều tốc để bù đúng phần nhu cầu dao động — còn các máy tốc độ cố định chỉ chạy ở trạng thái đầy tải hiệu quả nhất của chúng hoặc dừng hẳn, đóng cắt theo tổng nhu cầu. Cách cần tránh là để nhiều máy tốc độ cố định cùng chạy nửa tải theo load/unload: tổng thời gian không tải của cả trạm nhân lên. Vai trò máy nền nên luân phiên giữa các máy qua từng giai đoạn để các máy mòn đều và luôn có máy dự phòng sẵn sàng.

Tóm lại trình tự đúng cho mọi quyết định lắp biến tần máy nén khí: đo tải thật — đọc kết quả để biết có phần lãng phí nào để cắt không — chọn đường retrofit hay thay máy theo tình trạng máy hiện có — cài đặt quanh ba điểm áp suất đặt, tần số tối thiểu và bảo vệ nhiệt. Bỏ qua bước đo đầu tiên là cách dễ nhất để mua một thiết bị tốt mà không thu được gì.

Câu hỏi thường gặp về biến tần máy nén khí