Inverter for air conditioners” title=”Inverter for air conditioners” />

 

Biến tần mới được sản xuất, thương mại và ứng dụng rộng rãi trong khoảng 15 năm gần đây chủ yếu là chủ yếu là do tiến bộ trong lĩnh vực bán dẫn công suất với thế hệ thứ 2 và thứ 3 của IGBT (insulated gate bipolar transistor). Thế hệ thứ 2 và thứ 3 của IGBT vượt trội hơn hẳn thế hệ thứ nhất được ra đời vào những năm 1980 và đầu thập kỷ 1990 về tốc độ chuyển mạch và khả năng chịu đựng quá tải.

3.2. Các kiểu biến tần.

Biến tần được phân họ dựa trên nguyên lý chuyển đổi công suất điện vào với tần số lưới thành công suất điện ra với tần số phù hợp theo yêu cầu cấp cho tải. Ta có hai họ biến tần sau:

Biến tần gián tiếp: Điện lưới xoay chiều được chuyển thành điện một chiều qua phần chỉnh lưu trên thanh cái một chiều sau đó điện một chiều này lại được chuyển thành điện xoay chiều cấp cho tải qua nghịch lưu.

Biến tần trực tiếp: Điện lưới xoay chiều được trực tiếp biến đổi thành điện xoay chiều tần số khác để cấp cho tải (không cần qua khâu trung gian là điện một chiều).

3.2.1. Biến tần gián tiếp

Biến tần gián tiếp gồm các loại sau:

a. Biến tần nguồn áp (VSI)                   

– Biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung (VS-PWM-I): Điện áp trên thanh cái một chiều  là không đổi, điện áp xoay chiều đầu ra được thay đổi bằng cách thay đổi thời gian đóng/ cắt các khóa chuyển mạch ở bộ nghịch lưu.

– Biến tần nguồn áp điều chế biên độ (CS-PWM-I): Thời gian đóng cắt của các khóa chuyển mạch của bộ nghịch lưu là không đổi, điện áp xoay chiều đầu ra được thay đổi bằng cách thay đổi điện áp trên thanh cái một chiều thông qua việc thay đổi thời gian đóng cắt của các khóa chuyển mạch trong phần chỉnh lưu.

Sơ đồ mạch của biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung được cho trong hình sau

 

 

b. Biến tần nguồn dòng (CSI)

Các khóa bán dẫn trong phần nghịch lưu được nối với một nguồn dòng. Nguồn dòng này được thực hiện qua mạch vòng điều khiển dòng và các cuộn cảm mắc nối tiếp với thanh cái điện áp một chiều. Do dòng cấp cho tải là không đổi nên điện áp đầu ra của biến tần không phụ thuộc vào biến tần mà phụ thuộc vào tải.

3.2.2. Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp gồm hai loại sau:

– Biến tần Cyclo: Dùng các bộ chuyển mạch hai chiều được làm từ các thyristor điều khiển đóng mở theo góc pha và hoán đổi giữa các pha của nguồn để tạo ra điện áp xoay chiều tần số thấp cấp cho mỗi pha của tải.

– Biến tần ma trận: Dùng các chuyển mạch hai chiều tần số đóng cắt cao bằng IGBT để tạo nên ma trận chuyển mạch giữa ba pha vào của nguồn vào ba pha ra cấp cho tải. Tần số và điện áp ra cấp cho tải được điều khiển qua trạng thái đóng cắt của các khóa chuyển mạch trong ma trận chuyển mạch. 

BIẾN TẦN HITACHI – GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHO MÁY ĐIỀU HÒA

Do máy nén có công suất rất lớn và là nguyên nhân gây tiêu thụ điện chính trong điều hòa nên các nhà sản xuất đã tìm ra cách thức giảm điện năng tiêu thụ của điều hòa bằng việc giảm điện năng tiêu thụ của máy nén, không có cách nào khác là giảm công suất của máy nén nhưng không làm giảm hiệu năng. Đó chính là mục đích của biến tần – Giảm công suất hoạt động nhưng hiệu năng sử dụng không đổi, thậm chí có phần tốt hơn.

Khi chúng ta thiết lập nhiệt độ cần đạt được trong phòng, máy sẽ tăng dần công suất hoạt động cho tới khi đạt được nhiệt độ đó. Khi đạt tới được nhiệt độ này bộ biến tần sẽ tự động giảm tần số cấp vào máy nén, có nghĩa là sẽ làm giảm tốc độ máy nén. Do luôn được hoạt động ở tần số thấp nên khả năng duy trì nhiệt độ trong phòng là rất tốt mà không phải ngắt hẳn động cơ cho nghỉ hoàn toàn.

Ta có thể thấy được lợi ích khi sử dụng biến tần cho máy điều hòa:

– Khi lắp Biến tần cho máy điều hòa, máy sẽ luôn chạy đều đặn ở mức công suất thấp, hạn chế được điện năng dư thừa so với máy không sử dụng biến tần luôn phải chạy ở mức tối đa.

– Loại bỏ được hao phí điện ở giai đoạn khởi động máy do bỏ được chu trình tắt mở máy liên tục.

– Nhiệt độ trong phòng luôn được duy trì ở mức ổn định, chênh lệch nhiệt thường không vượt quá 0.5 độ C ( so với 1, 2 độ ở máy không sử dụng biến tần ), điều này giúp người sử dụng luôn cảm thấy dễ chịu.

Giải pháp ứng dụng Biến tần cho máy điều hòa

Tổng lượng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị điều hòa không khí dân dụng và thương mại ước khoảng 2 tỷ kWh/năm, tương đương với gần 2% tổng sản lượng điện quốc gia. Trong các công trình dân dụng và thương mại hiện đại lượng tiêu thụ điện của hệ thống điều hòa không khí thường chiếm khoảng 50-60% tổng lượng tiêu thụ điện của công trình.

1. Biến tần cho máy điều hòa – Tiềm năng tiết kiệm điện trong điều hòa không khí

 Các hệ thống và thiết bị điều hòa không khí thường được thiết kế để có thể hoạt động khi điều kiện môi trường bên ngoài là khó khăn nhất với suất phụ tải lớn nhất nên phần lớn thời gian các hệ thống điều hòa không khí làm trong ở điều kiện vận hành non tải. Do vậy nếu các bơm, quạt hay máy nén không được điều chỉnh thích hợp thì hệ thống và thiết bị điều hòa không khí sẽ không hoạt động ở điểm làm việc tối ưu và hiệu suất làm việc của hệ thống và thiết bị điều hòa không khí sẽ không cao dẫn tới hao phí điện.

Tốc độ động cơ không đồng bộ tỉ lệ với tần số của nguồn cấp. Vì vậy, để điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng và thuận tiện nhất là điều chỉnh tần số nguồn cấp qua các bộ biến tần.

Việc sử dụng biến tần trong hệ thống và thiết bị điều hòa không khí cho phép điều chỉnh vô cấp tốc độ các động cơ bơm, quạt và máy nén. Do vậy các bộ biến tần cho phép điều khiển hệ thống và thiết bị điều hòa không khí để hệ thống và thiết bị luôn hoạt động ở chế độ tối ưu với hiệu suất cao nhất và kết quả là hệ thống và thiết bị điều hòa không khí sẽ tiêu thụ ít điện nhất.

2. Tiết kiệm năng lượng trong việc sử dụng biến tần cho máy điều hòa
2.1. Các tính năng cho phép tiết kiệm năng lượng

Tự động tối ưu hóa năng lượng

Đây là tính năng chuẩn được tích hợp sẵn trong biến tần. Tính năng này được thực hiện với mọi dải tốc độ, tải trọng trong quá trình điều khiển. Ngay sau khi khởi động, biến tần tự tính toán giảm điện áp đặt lên động cơ theo tải thực. Kết quả là dòng điện cấp cho động cơ giảm khi tải giảm và công suất tiêu thụ điện giảm tương ứng với mức giảm của tải trong khi các đặc tính vận hành của hệ thống vẫn được đảm bảo.
Đặt lịch vận hành

Được thực hiện qua đồng hồ thời gian thực (real time clock). Biến tần có thể thực hiện 10 tác vụ mỗi tuần phục vụ cho việc vận hành hệ thông theo lịch. Người dùng có thể đặt chế độ cho biến tần điều khiển bơm, quạt làm việc (chạy/dừng, đặt áp lực/lưu lượng/tốc độ/…) cho các ngày từ thứ 2 tới thứ 6.  Trong các ngày này người dùng lại có thể  tiếp tục đặt chế độ làm việc theo giờ cao điểm/thấp điểm…. Ngày cuối tuần thứ 7 và chủ nhật được đặt theo chế độ riêng.

Phân tích và kiểm toán năng lượng

Tính năng này được thực hiện với phần mềm cho phép lập báo cáo tài chính và kiểm toán năng lượng:
– Chi phí đầu tư thiết bị
– Chi phí lắp đặt
– Chi phí bảo dưỡng hàng năm và các ưu đãi của điện lực đối với các công trình lắp đặt sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lượng
– Thời gian hoàn vốn và khoản tài chính tiết kiệm năng lượng theo thời gian
– Thu thập mức năng lương tiêu thụ và thời gian vận hành của thiết bị

2.2. Các tính năng tích hợp hệ thống cơ điện
Bao gồm các tính năng chuyên dụng sau:
Tính năng chuyên dụng cho bơm, bao gồm:

– Điều khiển tổ hợp bơm: Quản lý sắp xếp vận hành sao cho các bơm trong tổ hợp có tổng số giờ vận hành như nhau nhằm hạn chế hao mòn và bảo đảm điều kiện vận hành và bảo dưỡng cho tất cả các bơm trong tổ hợp.

Quan hệ giữa mô men tải và tốc độ động cơ (tải bơm) là: M=n2
Công suất:  P=M*n –>P≈ n3
Nếu ta giảm tốc độ xuống còn 80%. Thì công suất chỉ cần bằng (0.8)3 ≈ 0.5
Điều này cho ta thấy rằng bơm sẽ chỉ hoạt động với 50% công suất định mức là đạt được 80% lưu lượng tiết kiệm điện.

– Chạy chờ: Biến tần tự động phát hiện tình trạng dòng chảy thấp hay không có dòng chảy. Khi đó biến tần sẽ điều khiển bơm để tăng áp lực của hệ thống rồi ngừng bơm để tiết kiệm năng lượng. Biến tần sẽ tự động chạy bơm khi áp lực hệ thống giảm dưới mức đặt.

– Bảo vệ chạy khô và điểm cuối đường đặc tính: Khi bơm chạy mà áp suất hệ thống không đạt thì có nghĩa là giếng hết nước hay đường ống bị rò hoặc vỡ. Lúc này biến tần sẽ báo, dừng bơm hay thực hiện một chức năng được lập trình trước.

– Tự động chỉnh định thông số cho bộ điều khiển PI: Biến tần sẽ tự động đặt giá trị cho hệ số tỉ lệ (P) và hệ số tích phân (I) của bộ điều khiển khi biến tần được tích hợp vào vòng điều khiển kín (theo áp suất hay lưu lượng đặt) sao cho đáp ứng của hệ nhanh và ổn định.

Tính năng chuyên dụng cho máy nén, gồm:

– Thay thế tổ hợp máy bằng một máy nén: Biến tần điều khiển tất cả các máy nén ở những dải tốc độ được tối ưu đảm bảo điều chỉnh linh hoạt chế độ vận hành tối ưu của máy nén theo nhu cầu phụ tải. Vì vậy mà một máy nén lớn có thể được dùng thay cho tổ hợp của 2 hay 3 máy nén có công suất nhỏ hơn. Ta cũng có thể dùng tính năng điều khiển tổ hợp để điều chỉnh tốc độ của một máy nén và điều khiển chạy/dừng của hai máy nén khác theo nhu cầu phụ tải.

– Đặt chế độ vận hành theo nhiệt độ: Biến tần tính nhiệt độ của môi chất làm lạnh dựa trên áp suất đo và điều chỉnh hoạt động của máy nén qua bộ điều khiển PID được tích hợp sẵn. Nhiệt độ cũng có thể được đặt để điều chỉnh chế độ vận hành cho máy nén giống như áp suất.

– Giảm số lần khởi động và dừng máy: Đặt số lần chạy/dừng tối đa trong một khoảng thời gian cho phép kéo dài tuổi thọ của máy.

– Khởi động nhanh: Biến tần có khả năng mở van bypass để máy nén có thể khởi động không tải. Biến tần có khả năng cấp momen khởi động lớn trong thời gian ngắn (110% momen định mức trong 60s).

3. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng của biến tần trong các hệ thống điều hòa không khí làm lạnh gián tiếp

3.1. Hiệu quả của biến tần đối với Chiller

Hiệu quả của việc áp dụng công nghệ biến tần đối với chiller thường được thể hiện qua chỉ số IPLV (Integrated Part Load Value). Nếu quy đổi theo lượng điện tiêu thụ thì trong cùng một điều kiện vận hành Chiller dùng biến tần sẽ có thể tiết kiệm được khoảng 10-20% so với Chiller không dùng biến tần.

3.2. Hiệu quả của biến tần đối với hệ thống điều hòa trung tâm với Chiller

Hiệu quả của việc sử dụng Biến tần cho máy điều hòa trong tiết kiệm năng lượng hệ thống điều hòa trung tâm phụ thuộc rất nhiều vào qui mô và thiết kế của hệ thống.  Với những thiết kế tốt thì lượng điện tiết kiệm có thể  đạt cỡ 30%. Thậm chí với những thiết kế dôi dư nhiều, lượng điện tiết kiệm có thể lên đến 50-60%. Điển hình là hệ thống bơm của hệ thống điều hòa không khí trung tâm của khách sạn Deawoo Hà Nội gồm 5 bơm với tổng công suất 236kW. Trước khi lắp đặt biến tần thì lượng điện tiêu thụ hàng tháng trung bình là 80200kWh. Sau khi lắp đặt biến tần của Hiitachi thì con số này giảm còn 31300kWh  tiết kiệm được khoảng 60% lượng điện tiêu thụ.

Kết luận

Khả năng tiết kiệm điện qua việc sử dụng Biến tần cho máy điều hòa cho một hệ thống hay thiết bị điều hòa không khí phụ thuộc vào thiết kế và các đặc tính kỹ thuật của hệ thống hay thiết bị đó. Đối với những hệ thống thiết bị làm lạnh trực tiếp và chiller khả năng tiết kiệm điện của biến tần vào khoảng 10-20%, còn đối với các hệ thống bơm nước của các hệ thống điều hòa không khí trung tâm thì con số này có thể đạt khoảng 30% và cao hơn.

Giải pháp sử dụng biến tần cho máy điều hòa

With an air conditioning system, the outdoor unit where the electricity consumption. In this outdoor unit, compressor is the most important parts and has the largest capacity, most power-hungry, it is responsible for pumping and compressed air gas from low pressure to high pressure and then taken away to the indoor unit to lower the room temperature then evaporate the liquid gas compressor to pump to suck on for a new cycle. Sticky compressor range as a “heart” of this conditioning. This section does not need to understand all too well is also important that we are going to learn about the inverter air conditioner in the following section.

Because the compressor with a capacity of very large and cause electricity consumption in air conditioning so the manufacturers have figured out how to reduce the power consumption of air conditioning by reducing the power consumption of the compressor, not another way is to reduce the capacity of the compressor, but does not reduce performance. That is the purpose of the drive – Reduced operating power but using constant performance, even somewhat better.

When we set the temperature to be achieved in the room, machine capacity will gradually increase activity until you reach that temperature. When this temperature is reached the inverter will automatically reduce the frequency of the compressor inlet, that is going to reduce the speed of the compressor. Due to always operate at low frequency so is capable of maintaining the temperature in the room is very good, but not necessarily the motivation for leisure breaks completely.

We can see the benefits when used for inverter air conditioners:

– When installing the inverter air conditioner, it will always run regularly at low power levels, limiting the surplus power than the inverter unused machine always runs at maximum.

– Eliminates the waste of electricity at startup phase is due to drop-off machine cycle continuously.

– The room temperature is always maintained at a stable level, temperature difference usually does not exceed 0.5 ° C (compared with 1, 2 degrees in the machine does not use the inverter), which helps users feel easy bear.

Application Solutions inverters for air conditioners

The total amount of power consumption for air-conditioning equipment and commercial civil estimated 2 billion kWh / year, equivalent to almost 2% of the total national electricity production. In the civil engineering and modern commercial energy consumption of air conditioning systems typically account for about 50-60% of total energy consumption of the building.

1. The potential savings in air-conditioning power

The systems and air-conditioning equipment is usually designed to be able to operate when the external environmental conditions are the most difficult for the largest load capacity up most of the time the air-conditioning system made ​​of at part load operating conditions. So if the pump, fan or compressor is not adjusted appropriately, the system and air conditioning equipment will not operate at the optimal operating point and performance of the system and air-conditioning equipment gas will not lead to higher power consumption.

Speed ​​asynchronous motor is proportional to the frequency of the power supply. Therefore, in order to adjust the engine speed and the most convenient easy as adjusting the frequency power supply via the inverter.

The use of inverters in the system and air conditioning equipment allows infinite adjustment of the speed of the pump motors, fans and compressors. Therefore the inverter allows system control and air conditioning equipment to systems and equipment always operates at the optimal mode with the highest performance and the result is a system and air-conditioning equipment will consume less electricity and gas as possible.

2. Energy saving in the use of inverters for air conditioners
2.1. These features enable energy savings

Automatically optimizes energy

This is a standard feature built-in inverter. This feature is implemented with all speed range, payload during the controls. Shortly after the restart, the inverter automatically calculates the voltage drop under load placed on the engine actually. The result is the electric current to the motor decreases as the load reduction and reduced power consumption corresponds to the decrease of the load while the operating characteristics of the system is ensured.
Schedule operation

Be done through real-time clock (real time clock). The inverter can perform 10 tasks each week to serve the operating system scheduled. Users can set the mode for inverter control pumps, fans working (start / stop, set the pressure / flow / speed / …) for the 2nd day from the 6th to the user in this day could continue to set the hourly peak / off-peak …. 7th weekend and Sunday is set to private mode.

Analysis and energy audit

This feature is implemented with software that enables financial reports and energy audit:
– Cost of investment in equipment
– Installation fee
– The cost of annual maintenance and electricity incentives for installations using energy saving devices
– Payback period and financing of energy savings over time
– Collect the energy consumption and operating time of the device

2.2. The features integrated electrical systems
Including dedicated following features:
Dedicated pump features include:

– Control the pumping group: Management arranged so that the pumping operation in combination with the total number of operating hours equal to limit wear and ensure conditions for the operation and maintenance of all pumps in the nest box.

The relationship between torque load and engine speed (load pump) is: M = n2
Capacity: P = M * n -> P≈ n3
If we reduce the speed to 80%. Capacity is just equal to (0.8) 3 ≈ 0.5
This shows that the pump will only work with 50% of the rated power is to achieve 80% power savings flow.

– Run Standby inverter automatically detects low-flow situation or no flow. Then the inverter will control the pump to increase pressure and stop the pumping system to save energy. The inverter will automatically run the pump when the pressure drops below the set system.

– Dry run protection and endpoint curve: When running the pressure pump system is not reached, it means that all water wells or pipeline leak or rupture. This time the inverter will alarm, stop the pump or performing a pre-programmed functions.

– Automatically adjust the parameters for the PI controller: The inverter will automatically set the value for the scaling factor (P) and the integral (I) of the inverter controller is integrated into the ring tight control (under pressure or flow set) so that the system response speed and stability.

Special features for compressors, including:

– Replace combination with a compressor machine: Inverter controls all compressor at optimal speed range ensures flexible adjustment mode optimum operation of the compressor according to the load demand. So that a large compressor can be used instead of the 2 or 3 complex with a capacity compressor smaller. We can also use complex control features to adjust the speed of the compressor and controls start / stop of two other compressor load demand.

– Set the operating mode with temperature: the temperature of the inverter refrigerant based on the measured pressure and adjust the operation of the compressor via the PID controller built. The temperature can also be set to adjust the operating mode for like pressure compressor.

– Reduce the number of starts and stops the machine: Set the number of start / stop up over a period of time that allows extending the life of the machine.

– Quick start: The inverter is capable of opening to the compressor bypass valve can start without load. The inverter has the capability of supplying large starting torque for a short time (110% of the rated torque 60s).

3. The effectiveness of energy-saving inverter system air conditioner cooled indirectly

3.1. Efficiency of the inverter for Chiller

The effectiveness of the application of inverter technology for chiller is often expressed through IPLV index (Integrated Part Load Value). If converted at the energy consumption in the same operating conditions with inverter Chiller will be able to save around 10-20% compared to non inverter Chiller.

3.2. Efficiency of the inverter for central air conditioning system with Chiller

The effectiveness of the use of inverter air conditioners for energy savings in the central air-conditioning system depends heavily on the size and design of the system. With good design, the electricity savings can reach 30% size. Even with multiple redundant design, power savings of up to 50-60% possible. Typically, the pump system of air-conditioning systems center of Hanoi Daewoo Hotel 5 pumps with a total capacity of 236kW. Before installing the inverter, the power consumption 80200kWh monthly average. After installation, the inverter Hiitachi 31300kWh this figure dropped to 60% savings of electricity consumption.

Conclude

Ability to save electricity through the use of inverters for air conditioners for a system or air conditioning equipment depends on the design and technical characteristics of the system or device. For those systems chillers and chiller direct power saving capabilities of the inverter at around 10-20%, while for the water pumping system of the air-conditioning system, the figure center can reach about 30% and higher.