Ứng dụng biến tần cho máy điều hòa – Giải pháp tiết kiệm điện năng cho hệ thống điều hòa không khí:

1. GIỚI THIỆU

Các ứng dụng của điều hòa không khí ngày càng phổ biến với sự phát triển không ngừng của kinh tế và xã hội. Theo số liệu thống kê năm 2009 cả nước có khoảng 1.300.000 hộ có máy điều hòa và hàng ngàn công trình được trang bị hệ thống điều hòa không khí trung tâm chiller hay hệ thống VRV/VRF (Variable Refrigetion Volume/Variable Refrigeration Flow). 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.Đi đầu về công nghệ biến tần hãng điều hòa nổi tiếng nhất trên thị trường hiện nay các hãng sản xuất điều hòa sử dụng inverter với những công nghệ tiên tiến có khả năng tiết kiệm năng lượng tiêu thụ cao, làm lạnh nhanh , vận hành êm ái khi sử dụng. Với biến tần Hitachi là 1 sản phẩm tốt nhất mà các hãng nên sử dụng.

Việt nam có khí hậu nhiệt đới nên nhu cầu điều hòa không khí tăng cao vào mùa hè làm cho hệ thống cấp điện thường xuyên bị quá tải dẫn tới mất điện do cắt điện hay sự cố lưới điện xảy ra liên tục. Vì vậy, vấn đề tiết kiệm điện trong hệ thống điều hòa không khí ở Việt nam không chỉ là vấn đề thời sự mà còn có ý nghĩa lớn về kinh tế cũng như xã hội.

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. Bài viết trình bày ứng dụng của các bộ biến tần để tối ưu hóa hoạt động của các hệ thống điều hòa không khí theo nhu cầu phụ tải thực nhằm tiết giảm điện năng tiêu thụ. Bài viết được bố cục như sau: Mục 2 trình bày tiềm năng tiết kiệm điện trong hệ thống điều hòa không khí với biến tần. Mục 3 đưa ra tổng quan về nguyên lý làm việc của các loại biến tần.

2. TIỀM NĂNG TIẾT KIỆM ĐIỆN TRONG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ           

Tổng quát, hệ thống điều hòa không khí đều có máy nén, bơm và quạt. Máy nén, bơm và quạt chủ yếu được thiết kế và lắp ráp với động cơ không đồng bộ. Tốc độ của động cơ không đồng bộ quyết định đặc tính làm việc của bơm quạt và máy nén trong hệ thống và thiết bị điều hòa không khí. Đặc tính làm việc của hệ thống và thiết bị điều hòa không khí được điều khiển qua việc điều khiển tốc độ các động cơ bơm, quạt và máy nén.

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.

Trong khoảng 15 năm gần đây, công nghệ biến tần đã có những bước tiến bộ vượt bậc. Các bộ biến tần có giá thành rẻ, kích thước nhỏ gọn và hoạt động tin cậy và ổn định. Đó chính là lý do biến tần được ứng dụng hết sức rộng rãi trong thời gian qua. Việc sử dụng biến tần Hitachi 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 ta có thể điều chỉnh một các linh hoạt đặc tính làm việc của các thiết bị điều hòa không khí và hệ thống điều khiển có thể đưa hệ thống điều hòa không khí về chế độ làm việc tối ưu tương ứng với điều kiện bên ngoài và suất phụ tải thực. Điều đó có nghĩa là các bộ biến tần cho phép điều khiển hệ thống và thiết bị điều hòa không khí để hệ thống và thiết bị luônhoạt 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.

3. BIẾN TẦN CHO MÁY ĐIỀU HÒA

3.1. Khái quát chung về biến tần

Biến tần (Inverter) hay bộ biến đổi tần số (Variable Frequency Drive, VFD) là thiết bị điều chỉnh tốc độ động cơ điện xoay chiều thông qua việc thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ. Vì thế mà biến tần còn có tên goi khác là bộ điều chỉnh tốc độ động cơ (Variable Speed Drive, VSD). Ngoài ra, điện áp cấp cho động cơ của biến tần cũng thay đổi theo tần số nên biến tần đôi khi còn được gọi là bộ biến đổi điện áp tần số (Variable Voltage Variable Frequency Drive, VVVFD). Hình sau cho ta sơ đồ minh họa một hệ thống điều tốc độ động cơ với biến tần.

 

 

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

HẢI ANH JSC – NHÀ PHÂN PHỐI BIẾN TẦN HITACHI CHÍNH HÃNG TẠI VIỆT NAM

Địa chỉ                 : P301, Tòa nhà D5C, Trần Thái Tông, Q.Cầu Giấy, Hà Nội

Tel                        : (+84-24) 6269 7755

Fax                       : (+84-24) 6269 5556

Email                   : info@haianhjsc.vn   

Web                     : haianhjsc.vn