Thiết kế và chế tạo mô hình biến tần (inverter) cho máy điều hòa không khí

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
---------------o0o-----------------

DƢƠNG VĂN HOAN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH BIẾN TẦN
(INVERTER) CHO MÁY ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN- 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................... v
................................................................................................... viii
.................................................................................................................................... - 1 CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG INVERTER... - 2 ...............................................................................- 2 .................................................................................................. - 2 1.1.2. Phân loại. .................................................................................................. - 3 .......................................... - 5 ..................................- 8 .............................................................................. - 8 1.2.2 Phân loại máy nén khí................................................................................ - 8 ........................................ - 9 1.3. TIỀM NĂNG VÀ HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM ĐIỆN CỦ
Ử DỤNG INVERTER ........................................................................................................- 10 1.3.1. Tiềm năng tiết kiệm điện trong máy điều hòa không khí ....................... - 10 1.3.2. Máy điều hòa không khí sử dụng Inverter .............................................. - 11 1.3.3. Hiệu quả của biến tần trong các hệ thống ĐHKK làm lạnh trực tiếp ..... - 12 1.3.4. Hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng của của biến tần trong các hệ thống
ĐHKK làm lạnh gián tiếp ................................................................................. - 12 1 .......................................................................................................- 13 Chƣơng 1 trình bày những nét tổng quan về hệ thống điều hòa không khí; cấu tạo,
nguyên lý hoạt động của máy điều hòa không khí; tìm hiểu máy nén khí và việc điều
khiển chúng trong máy điều hòa không khí; Phân tích tiềm năng và hiệu quả tiết kiệm
điện của máy điều hòa không khí sử dụng Inverter. ............................................................ - 13 (INVERTER) ............................................................................. - 14 ..............................................................................- 14 ................................................................................................ - 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iii

.................................................................................... - 15 2.1.3 Ứng dụng của biến tần ............................................................................. - 17 2.1.4. Các tính năng tích hợp hệ thống cơ điện ................................................ - 18 2.2. CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CHÍNH CỦA BIẾN TẦN....................................................- 21 2.2.1. Khối chỉnh lƣu ........................................................................................ - 21 2.2.2. Khối nghịch lƣu ...................................................................................... - 23 3.3.1. Nghịch lưu sóng vuông ......................................................................... - 27 3.3.2. Nghịch lưu xung vuông kết hợp với bộ lọc LC ngõ ra ........................ - 29 3.3.3. Nghịch lưu sử dụng nhiều cấp điện áp một chiều ............................... - 30 2.3. MỘT SỐ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN SỬ DỤNG TRONG BIẾN TẦN ...........- 33 2.3.1. Điôt công suất ......................................................................................... - 33 2.3.2. Tranzitor lƣỡng cực công suất (BJT) ..................................................... - 33 2.3.3. Thyristor: ................................................................................................ - 36 2.3.4. Vi điều khiển Atmega8 ........................................................................... - 38 2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 .......................................................................................................- 43 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BIẾN TẦN ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ................... - 43 3.1. MÔ TẢ HỆ THỐNG ..............................................................................................................- 43 3.1.1. Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................ - 43 3.1.2. Vai trò các khối trong sơ đồ.................................................................... - 44 3.2. MẠCH PHẦN CỨNG ............................................................................................................- 45 3.2.1. Thông số kỹ thuật ................................................................................... - 45 3.2.2. Sơ đồ nguyên lý chung ........................................................................... - 45 3.2.4. Khối cầu H (Hình 3.4) ............................................................................ - 47 3.2.5. Khối nguồn ............................................................................................. - 48 3.2.7. Khối nghịch lƣu cầu H ............................................................................ - 49 3.2.8. Khối điều khiển ....................................................................................... - 50 ............................................................................ - 51 .................................................................. - 53 ......................................................................... - 54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

iv

3.4. LẮP ĐẶT MÔ HÌ

Ử NGHIỆM ........................................................................- 68 ......................................................................................... - 68 : ..............................................................................................................- 73 -

3.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .......................................................................................................- 73 ............................................................................................... - 74 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

v

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Dƣơng Văn Hoan
Sinh ngày 23 tháng 8 năm 1982
Học viên lớp cao học khóa 15 - Tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Công ty CP đầu tƣ xây dựng Kinh Đô
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Thiết kế và chế tạo mô hình biến

tần(Inverter) cho máy điều hòa không khí" do thầy giáo PGS.TS Lại Khắc
Lãi hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham
khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là
hoàn toàn trung thực và chƣa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Thái Nguyên, Ngày .. tháng ... năm 201....
Tác giả luận văn

Dƣơng Văn Hoan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vi

KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
Ɛ Tỉ số nén
Q Năng suất máy nén
N Công suất của máy nén
Is - Dòng điện rò khoảng vài trục mA.
q - Điện tích của điện tử (q = 1,59.10-19 C).
k - Hằng số Boltzmann (k = 1,38.10-23 J/K).
T = 2730 + t0 - Nhiệt độ nhiệt đối (0K).
t0 - Nhiệt độ môi trƣờng 0C
u – Điện áp đặt trên điôt (V)

IΦ: dòng quang điện (A/m2);
ID: dòng qua điot (A/m2);

IS: dòng bão hoà (A/m2);
n: đƣợc gọi là thừa số lý tƣởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn
thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy n = 1;
RS: điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời ( /m2);
Rsh: điện trở sơn (điện trở dò) ( /m2)
q: điện tích của điện tử (C).
UDC: Điện áp một chiều
Q: hàm đo chất lƣợng của mạch
isα và isβ là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ αβ
θ là góc lệch pha của hệ tọa độ cùng gốc dq so với hệ αβ
isd và isq là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ dq
Ts là chu kỳ cắt mẫu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

vii

tp, tt là thời gian điều chế
SVM: Phƣơng pháp điều chế vectơ không gian
PWM: Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung
DC – AC: Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lƣu)
Chữ viết tắt:
ĐHKK Điều hòa không khí
VS-PWM-I Biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung
CS-PWM-I): Biến tần nguồn áp điều chế biên độ
CSI Biến tần nguồn dòng

FET Transitor trƣờng
BJT Tranzitor lƣỡng cực công suất

VCC: Điện áp nguồn nuôi.
GND: Đất.
Port B (PB0…PB7)
BĐK
Bộ điều khiển
BBĐ

Bộ biến đổi

MPPT

Maximum Power Point Tracking

NL

Nghịch lƣu

PWM

Pulse - Width – Modulation

INC

Incremental Conductance

VSI

Voltage Source Inverter

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

viii

...................................................... - 5 2. 1: Sơ đồ khối tổng quát của biến tần ............................................. - 14 2. 2: Sơ đồ nguyên lý biến tần nguồn áp ........................................... - 16 2. 3: Mạch chỉnh lƣu nửa chu kỳ...................................................... - 22 2. 4: Chỉnh lƣu 2 nửa chu kỳ dƣng cầu chỉnh lƣu ............................ - 22 2. 5: Chỉnh lƣu 2 nửa chu ky dùng biến áp có điểm giữa ................. - 23 2. 6: Nghịch lƣu song song ............................................................... - 24 2. 7: Nghịch lƣu nối tiếp ................................................................... - 24 2. 8: dạng áp, dòng của nghịch lƣu nối tiếp (a) song song (b) .......... - 25 2. 9: Sơ đồ nguyên lý và mạch tƣơng đƣơng của nghich lƣu nguồn dòng
.................................................................................................................... - 26 2. 10: Sơ đồ nguyên lý và mạch tƣơng đƣơng .................................. - 27 2. 11: Sơ đồ nguyên lý nghịch lƣu sóng vuông ............................... - 27 2. 12 Dạng sóng của nghịch lƣu sóng vuông so với sóng sin (vi: Phần
điện áp thiếu của sóng vuông so với sóng sin; Ve: Phần điện áp dƣ thừa của
sóng vuông) ................................................................................................ - 28 2. 13: Sơ đồ ghép bộ lọc LC ở ngõ ra .............................................. - 29 2. 14: Dạng sóng của nghịch lƣu sóng vuông với bộ lọc LC............ - 30 2. 15: Chuyển đổi DC-DC................................................................. - 31 2. 16: Chuyển đổi DC-AC................................................................ - 31 2. 17: Dạng sóng ra của chuyển đổi DC-AC ................................... - 32 2. 18: Cấu trúc và ký hiệu của điôt công suất ................................... - 33 2. 20: Cấu trúc và ký hiệu của tranzitor thuận - ngƣợc.................... - 34 2. 22: Cấu trúc, ký hiệu và đặc tính V-A của Thyristor .................... - 36 2. 23: Mở thyristor ............................................................................ - 37 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

ix

2. 24: Khóa thyristor ......................................................................... - 37 2. 25: Sơ đồ chân của Atmega8 ........................................................ - 40 2. 26: Sơ đồ khối vi điều khiển AVR Atmega8 ................................ - 41 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống Inverter điều khiển tốc độ động cơ .......... - 44 3. 3: Sơ đồ nguyên lý khối chỉnh lƣu ................................................ - 46 3. 4: Sơ đồ cầu H (sử dụng 4 IRFP260. IRFP460) ........................... - 48 3. 5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ..................................................... - 49 .............................................. - 49 3. 7: Sơ đồ nguyên lý điều chế độ rộng xung hình sin...................... - 51 .................................................... - 53 ........................................................................ - 68 ..................................................................... - 69 ................................................................. - 73 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

-1-

Điều hòa không khí là một trong những thiết bị tiêu thụ điện lớn nhất đối
với các cơ sở dịch vụ, thƣơng mại. Tiêu thụ điện của hệ thống máy lạnh tại các
cơ sở thƣơng mại thƣờng chiếm tỷ lệ lớn, có thể lên đến 80% tổng lƣợng điện
tiêu thụ. Tỷ lệ này còn có thể cao hơn nữa tại các tòa nhà thƣơng mại lớn, trung
tâm mua bán, văn phòng, bệnh viện…Với công nghệ cũ là cung cấp năng lƣợng
ngắt quãng sẽ làm cho điện năng cung cấp cũng bị ngắt quãng Chính điều này đã
tạo ra hiện tƣợng hao phí điện. Và đây cũng chính là hạn chế khá lớn của không
ít máy điều hòa không khí hiện nay.

Để giải quyết nhƣợc điểm này, công nghệ biến tần Inverter ra đời đã tạo
ra bƣớc đột phá trong việc đƣa hao phí năng lƣợng đến mức thất nhấp. Với kết
quả của luận văn này sẽ đóng góp 1 phần nhỏ vào việc nâng cao chất lƣợng điện và
giảm hao phí điện năng của hệ thống điều hòa không khí. Với cách đặt vấn đề nhƣ vậy
nên đề tài luận văn đƣợc chọn là :“Thiết kế và chế tạo mô hình biến tần(Inverter) cho
máy điều hòa không khí" .

Nội dung luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng:
Chƣơng 1: Tổng quan về điều hòa không khí sử dụng inverter
Chƣơng 2: Biến tần(inverter)
Chƣơng 3: Thiết kế biến tần điều khiển tốc độ động cơ.
Kết luận và kiến nghị
Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 201...

Tác giả luận văn

Dƣơng Văn Hoan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

-2-

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU HOÀ KHÔNG KHÍ SỬ DỤNG
INVERTER

1.1

Các ứng dụng của điều hòa không khí (ĐHKK) ngày càng phổ biến với sự phát
triển không ngừng của kinh tế và xã hội. Theo số liệu thống kê năm 2009 cả nƣớc có
khoảng 1.300.000 hộ có máy điều hòa và hàng ngàn công trình đƣợc trang bị hệ thống
ĐHKK trung tâm chiller hay hệ thống VRV/VRF (Variable Refrigetion
Volume/Variable Refrigeration Flow). Tổng lƣợng điện năng tiêu thụ cho các thiết bị
điều hòa không khí dân dụng và thƣơng mại ƣớc khoảng 2 tỷ kWh/năm tƣơng đƣơng
với gần 2% tổng sản lƣợng điện quốc gia.
Việt nam có khí hậu nhiệt đới nên nhu cầu ĐHKK tăng cao vào mùa hè làm cho
hệ thống cấp điện thƣờng xuyên bị quá tải dẫn tới mất điện do cắt điện hay sự cố lƣới
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 nhƣ xã hội.
Trong các công trình dân dụng và thƣơng mại hiện đại lƣợng tiêu thụ điện của
hệ thống ĐHKK thƣờng chiếm khoảng 50-60% tổng lƣợng tiêu thụ điện của công
trình. Bài viết trình bày ứng dụng của các bộ biến tần để tối ƣu hóa hoạt động của các
hệ thống ĐHKK theo nhu cầu phụ tải thực nhằm tiết giảm điện năng tiêu thụ.
Hệ thống điều hòa không khí là một tập hợp các máy móc, thiết bị, dụng
cụ…để tiến hành các quá trình xử lý không khí nhƣ sƣởi ấm, làm lạnh, khử âm, gia
ẩm… điều chỉnh khống chế và duy trì các thông số khí hậu trong nhà nhƣ nhiệt độ, độ
ẩm, độ sạch, khí tƣơi, sự tuần hoàn phân phối không khí nhằm đáp ứng nhu cầu tiện
nghi và công nghệ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

-3-

1.1.2. Phân loại.

Phân loại hệ thống điều hòa là rất phức tạp vì chúng đa dạng và phong phú, đáp
ứng nhiều ứng dụng cụ thể của hầu hết các ngành kinh tế. Tuy nhiên, có thể phân loại
điều hòa không khí theo các đặc điểm sau đây:
- Theo mục đích ứng dụng có thể phân ra điều hòa tiện nghi và điều hòa công nghệ .
- Theo tính chất quan trọng phân ra điều hòa cấp 1, cấp 2 và cấp3.
- Theo tính tập trung phân ra hệ điều hòa cục bộ, hệ điều hòa tổng hợp gọn (với
các cụm máy gọn) và hệ thống trung tâm nƣớc.
- Theo cách làm lạnh không khí phân ra hệ thống làm lạnh trực tiếp (làm lạnh
trực tiếp không khí bằng dàn bay hơi) hoặc gián tiếp (qua nƣớc lạnh với dàn FCU và
dàn AHU). Loại gián tiếp có thể phân ra loại khô và loại ƣớt.
Loại khô là loại có dàn ống xoắn trao đổi nhiệt có cánh, nƣớc lạnh đi trong ống
còn không khí đi ngoài ống. Loại ƣớt hay còn gọi dàn phun là loại buồng điều không
khí có dàn phun trực tiếp nƣớc lạnh vào không khí cần làm lạnh.
Loại khô còn gọi là hệ thống kín và loại ƣớt gọi là hệ thống hở.
- Theo cách phân phối không khí có thể phân ra hệ cục bộ hoặc trung tâm. Kiểu
cục bộ là xử lý không khí có tính chất cục bộ cho từng không gian điều hòa riêng lẻ,
còn kiểu trung tâm là không khí đƣợc xử lý tại một trung tâm và phân phối đến các
không gian điều hòa bằng quạt ống gió.
- Theo năng suất lạnh có thể phân ra loại nhỏ (tới hai tấn lạnh hay 24.000Btu/h
hoặc 7 kW), loại trung bình từ 3 đến 4 tấn lạnh và loại lớn từ 100 tấn lạnh trở lên.
- Theo chức năng có loại một chiều hoặc hai chiều. Máy điều hòa một chiều là
loại chỉ có một chức năng làm lạnh. Máy điều hòa hai chiều là loại bơm nhiệt có khả
năng làm lạnh vào mùa hè và sƣởi ấm vào mùa đông.
- Căn cứ kết cấu của máy chia máy điều hòa một cụm, hai cụm và nhiều cụm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

-4-

- Theo cách bố trí dàn lạnh chia ra loại cửa sổ, treo tƣờng, treo trần, giấu
trần…loại một cửa hoặc nhiều cửa thổi, tủ tƣờng, hộp tƣờng, kiểu tủ hành lang…
- Theo cách làm mát thiết bị bình ngƣng tụ chia ra loại giải nhiệt gió hoặc giải
nhiệt nƣớc hoặc kết hợp gió nƣớc.
- Theo chu trình lạnh có thể phân ra máy lạnh nén hơi, hấp thụ, ejectơ, hoặc nén khí.
- Theo môi chất lạnh của máy nén hơi chia ra máy lạnh dùng amoniắc, freôn
R22, 134a, 404A, B, 507, 123 hoặc nƣớc…
- Theo kiểu máy nén chia ra máy nén pittông, trục vít, rôto, xoắn ống hoặc tua bin.
- Theo cách bố trí hệ thống ống dẫn nƣớc lạnh của hệ thống trung tâm nƣớc chia
ra hệ thống hai ống, hệ hồi ngƣợc, hệ ba ống và hệ bốn ống nƣớc.
- Theo hệ thống ống phân phối gió chia ra hệ thống một ống gió, hai ống gió
hoặc hệ thống không có ống gió.
- Theo cánh điều chỉnh gió chia ra loại hệ thống lƣu lƣợng không thay đổi (CAVConstant Air Volume) và hệ thống lƣu lƣợng thay đổi (VAR- Variable Air Volume).
- Theo cách điều chỉnh năng suất lạnh bằng đóng ngắt máy nén hoặc điều chỉnh
vô cấp tốc độ qua máy biến tần chia hệ thống lƣu lƣợng môi chất không đổi hoặc hệ
thống lƣu lƣợng môi chất thay đổi (VRV- Variable Refrigerant Volume). VRV là kiểu
máy điều hòa đặc biệt của Daikin điều chỉnh năng suất lạnh bằng máy biến tần, một
cụm dàn nóng kết nối đƣợc tới tám hoặc mƣời sáu dàn lạnh.
- Theo áp suất gió trong ống có loại gió tốc độ cao và loại gió tốc độ thấp.
- Theo tốc độ gió loại gió tốc độ cao loại gió tốc độ thấp.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

-5-

1.1.3.
1.1.3.1. Sơ đồ

:
:

Máy nén -1; Dàn ngƣng tụ - 2; Bình chứa cao áp - 3; Phím lọc -3 ; Van tiết lƣu - 5;
Dàn bay hơi - 6.

Hình 1. 1:
1.1.3.2. Nguyên lý hoạt động .
Hơi hút về máy nén là hơi quá nhiệt đƣợc nén đoản nhiệt lên áp suất Pk , tk đi vào
bình tách dầu, ở đây dầu đƣợc lọc lại đƣa trở lại máy nén nhờ vào nguyên tắc chênh
lệch áp suất. Còn hơi môi chất đƣa đến thiết bị ngƣng tụ, tại thiết bị ngƣng tụ hơi môi
chất thực hiện quá trình trao đổi nhiệt đẳng áp. Lúc này môi chất trở thành lỏng đƣợc
đƣa vào bình chứa cao áp, rồi đi qua phím lọc, phím lọc có nhiệm vụ lọc các cáu bẩn
và hơi ẩm trong môi chất. Sau đó môi chất đi qua van điện từ. Môi chất lỏng tiếp tục đi
qua kính xem lỏng, qua van tiết lƣu. Nhờ van tiết lƣu mà hơi lỏng đƣợc hạ nhiệt độ và
áp suất P0 trong dàn bay hơi. Tại dàn bay hơi, môi chất lạnh thực hiện quá trình trao
đổi nhiệt trực tiếp với môi trƣờng cần làm lạnh hoặc với chất tải lạnh. Sau đó hơi môi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

-6-

chất tiếp tục đi vào bình tách lỏng, còn hơi thì đƣợc máy nén hút về kết thúc một quá
trình và chu trình đƣợc lặp lại.
1.1.3.3. Các thiết bị trong hệ thống
Một hệ thống điều hòa bao gồm các thiết bị :
Máy nén lạnh, hệ thống đƣờng ống, môi chất lạnh, thiết bị trao đổi nhiệt (thiết bị
ngƣng tụ, bay hơi), thiết bị phụ (bình chứa dầu, bình tách dầu, bình chứa cao áp, hạ áp,

bình tách lỏng, các phím lọc, phím sấy, các thiết bị xả khí, bơm, quạt, các thiết bị van
các loại).


Thiết bị ngƣng tụ là thiết bị trao đổi nhiệt để biến hơi môi chất lạnh áp suất

cao và nhiệt độ cao sau quá trình nén thành dạng lỏng. Dựa vào môi trƣờng
làm mát chia thiết bị ngƣng tụ thành các nhóm: Thiết bị ngƣng tụ làm mát bằng nƣớc,
bằng không khí, vừa bằng nƣớc và bằng không khí…


Thiết bị bay hơi là thiết bị thu nhiệt từ môi trƣờng làm lạnh tuần hoàn giữa

thiết bị bay hơi và đối tƣợng làm lạnh để nhận nhiệt và làm lạnh đối tƣợng . Dựa
vào tính chất của môi trƣờng làm lạnh ngƣời phân thành: Thiết bị bay hơi để làm lạnh
chất tải lạnh nhƣ: nƣớc, nƣớc muối hay những chất lỏng khác hoặc thiết bị hơi để làm
lạnh không khí.


Bình tách dầu dùng để tách dầu ra khỏi môi chất lạnh, để dầu khỏi đi vào

dàn ngƣng tụ, dàn bay hơi. Bình tách dầu đƣợc lắp đặt sau máy nén trƣớc dàn bay hơi.


Bình tách lỏng có nhiệm vụ đảm bảo hơi hút về máy nén ở trạng thái hơi

bão hòa khô tránh đƣợc ngập thủy cho máy nén.


Bình chứa cao áp đƣợc bố trí ngay sau dàn ngƣng tụ dùng để chứa lỏng

môi chất ở áp suất cao, giải phòng bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ngƣng tụ, duy trì
sự cấp lỏng liên tục cho van tiết lƣu.


Phím sấy và phím lọc có nhiệm vụ lọc các cặn bản lọt và hệ thống

lạnh, đảm bảo an toàn hoạt động tin cậy cho hệ thống đƣợc lắp trƣớc dàn bay hơi.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN
/>

-7-



Môi chất lạnh là tác nhân chính làm lạnh thu nhiệt môi trƣờng có nhiệt độ

thấp và thải nhiệt môi trƣờng có nhiệt độ cao. Môi chất lạnh có nhiệt độ thấp thƣờng
mấy chục âm độ ví dụ nhƣ R12, R22, R134a….


Máy nén lạnh là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống lạnh. Máy lạnh có

nhiệm vụ:
- Liên tục hút hơi sinh ra ở thiết bị bay hơi .
- Duy trì áp suất P0 và nhiệt độ t0 cần thiết.
- Nén hơi nên áp suất cao tƣơng ứng với môi trƣờng làm mát để đẩy vào thiết bị
ngƣng tụ.
- Đƣa lỏng qua thiết bị tiết lƣu tới thiết bị bay hơi, thực hiện vòng tuần hoàn kín
của môi chất lạnh trong hệ thống gắn liền với việc thu nhiệt ở môi trƣờng lạnh và thải

nhiệt ở môi trƣờng nóng. Máy nén quan trọng một mặt do chức năng của nó trong hệ
thống, mặt khác do gồm nhiều bộ phận chuyển động phức tạp nên chất lƣợng, độ tin
cậy và năng suất lạnh của hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào chất lƣợng độ tin cậy,
năng suất lạnh của máy nén.
Trong kỹ thuật lạnh ngƣời ta sử dụng hầu nhƣ tất cả các loại máy nén với các
nguyên lý làm việc khác nhau, nhƣng những loại máy nén đƣợc sử dụng nhất là máy
nén pittông, trục vít, rôto làm việc theo nguyên lý nén thể tích và máy nén tuabin, máy
nén ejectơ làm việc theo nguyên lý động học. Một máy nén có 3 thông số cơ bản sau :
+ Tỉ số nén ( ) là tỉ số giữa áp khí ra và áp suất khí vào của máy nén

+ Năng suất của máy nén (Q): là khối lƣợng (kg/s) hay thể tích (m3/h) khí mà
máy nén cung cấp trong một đơn vị thời gian.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

-8-

+ Công suất của máy nén (N): là công suất tiêu hao để nén và truyền khí. Ngoài
ra máy nén còn có các thông số về hiệu suất máy nén, về khí nén (nhiệt độ, áp suất khí
vào ra, lí tính và hoá tính của khí với các thông số khí đặc trƣng).
1.2. MÁY NÉN KHÍ
1.2.1 Khái niệm
Máy nén khí là các máy móc có chức năng làm tăng áp suất của chất khí. Các
máy nén khí dùng để cung cấp khí có áp suất cao cho các hệ thống máy công nghiệp
để vận hành chúng, để khởi động động cơ có công suất lớn, để chạy động cơ khí nén
hoặc các máy móc, thiết bị của nhiều chuyên ngành khác.
1.2.2 Phân loại máy nén khí
Ứng dụng của máy nén khí đƣợc sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau
nhƣ:ngành khai thác khoáng sản,các ngành công nghiệp nặng, ngành y tế. Cho đến

ngày nay máy nén khí đƣợc phổ biến khá rộng rãi không những trong sản xuất mà còn
đƣợc sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày bởi tiện ích thiết thực mà nó mang lại trong
hoạt động hàng ngày của chúng ta.
Tùy vào mục đích sử dụng và công suất,tính năng của từng loại máy nén khí,mà
nó đƣợc chia ra thành một số tên gọi với thiết kế, cho từng mục đích sử dụng khác
nhau. Tuy nhiên, máy nén khí hiện có mặt trên thị trƣờng gồm có một số chủng loại
nhƣ sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

-9-

1.2.2.1. Máy nén khí trục vít ( Screw air compressor )
1.2.2.2. Máy nén khí Pittong(Piston air compressor)
1.2.2.3. Máy nén khí đối lưu
1.2.2.4. Máy nén khí ly tâm
1.2.2.5. Máy nén khí dòng hỗn hợp
1.2.2.6. Máy nén khí dạng cuộn (Scroll air compressor)
1.2.3 Máy nén khí

điều hoà không khí

Máy nén điều hòa không khí thƣờng hay sử dụng là máy nén pít tông và máy
nén rô to.
Máy nén pít tông có cấu tạo và nguyên lý làm việc tƣơng tƣ nhƣ máy nén của
tủ lạnh nhƣng do công suất làm việc lớn nên hình dạng và kích thƣớc lớn loại này
thƣờng đƣợc để sử dụng những máy điều hòa không khí có công suất lớn.
Máy nén rô to thƣờng thì đƣợc sử dụng nhiều ở máy điều hòa không khí có

công suất nhỏ bên ngoài thƣờng có hai đƣờng ống hút và đẩy, ống hút của máy điều
hòa thƣờng đƣợc hay gọi là bình tách lỏng của máy điều hòa không khí và thƣờng
đƣợc bố trí kèm bên hông máy nén. Ƣu điểm của loại máy nén này tiết kiệm đƣợc
không gian hình thức nhỏ gọn nhƣng ngƣợc lại độ ồn cao.

)

3 pha (

)

Khi động cơ máy nén hoạt động quay trong trục lệch tâm , đồng tâm quay
khéo bít tông luôn luôn sát lên bề mặt của xi lanh tấm chắn chia không gian bán
nguyệt bằng hai khoảng , khoảng hút và khoảng đẩy , lúc này hơi môi chất đi trực
tiếp từ bên ngoài vào bên trong khoang xi lanh và đƣợc pít tông lăn và nén đẩy ra
ngoài lá vân đẩy.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

- 10 -

1.3. TIỀM NĂNG VÀ HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM ĐIỆN CỦA
SỬ DỤNG INVERTER
1.3.1. Tiềm năng tiết kiệm điện trong máy điều hòa không khí
Tổng quát, hệ thống ĐHKK đều có máy nén, bơm và quạt. Máy nén, bơm và quạt
chủ yếu đƣợc 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 ĐHKK. Đặc tính làm việc của hệ thống và thiết bị ĐHKK đƣợc điều khiển

qua việc điều khiển tốc độ các động cơ bơm, quạt và máy nén.
Các hệ thống và thiết bị ĐHKK thƣờng đƣợc thiết kế để có thể hoạt động khi
điều kiện môi trƣờng bên ngoài là khó khăn nhất với suất phụ tải lớn nhất nên phần lớn
thời gian các hệ thống ĐHKK làm trong ở điều kiện vận hành non tải. Do vậy nếu các
bơm, quạt hay máy nén không đƣợc điều chỉnh thích hợp thì hệ thống và thiết bị
ĐHKK sẽ không hoạt động ở điểm làm việc tối ƣu và hiệu suất làm việc của hệ thống
và thiết bị ĐHKK 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 bƣớc tiến bộ
vƣợt bậc. Các bộ biến tần có giá thành rẻ, kích thƣớc nhỏ gọn và hoạt động tin cậy và
ổn định. Đó chính là lý do biến tần đƣợc ứng dụng hết sức rộng rãi trong thời gian qua.
Việc sử dụng biến tần trong hệ thống và thiết bị ĐHKK 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 ĐHKK và hệ thống điều khiển có thể đƣa hệ
thống ĐHKK về chế độ làm việc tối ƣu tƣơng 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
ĐHKK để hệ thống và thiết bị luôn hoạt động ở chế độ tối ƣu với hiệu suất cao nhất và
kết quả là hệ thống và thiết bị ĐHKK sẽ tiêu thụ ít điện nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

- 11 -

1.3.2. Máy điều hòa không khí sử dụng Inverter
Điều hòa không khí là một trong những thiết bị tiêu thụ điện lớn nhất đối với
các cơ sở dịch vụ, thƣơng mại. Tiêu thụ điện của hệ thống máy lạnh tại các cơ sở
thƣơng mại thƣờng chiếm tỷ lệ lớn, có thể lên đến 80% tổng lƣợng điện tiêu thụ. Tỷ lệ

này còn có thể cao hơn nữa tại các tòa nhà thƣơng mại lớn, trung tâm mua bán, văn
phòng, bệnh viện…
Xét về mặt kỹ thuật, công suất làm lạnh thật sự của máy đìều hòa không khí
thông thƣờng chỉ sử dụng năng lƣợng ở một mức, nghĩa là năng lƣợng làm lạnh ở một
trong hai trạng thái: ngƣng - phát. Cụ thể, khi đặt công suất 60% máy điều hòa không
khí sẽ phát trong 60% thời gian và ngƣng phát trong khoảng thời gian còn lại.
Việc cung cấp năng lƣợng ngắt quãng nhƣ thế sẽ làm cho điện năng cung cấp
cũng bị ngắt quãng. Chính điều này đã tạo ra hiện tƣợng hao phí điện. Và đây cũng
chính là hạn chế khá lớn của không ít máy điều hòa không khí hiện nay.
Để giải quyết nhƣợc điểm này, công nghệ biến tần Inverter ra đời đã tạo ra
bƣớc đột phá trong việc đƣa hao phí năng lƣợng đến mức thất nhấp. Công nghệ biến
tần Inverter thay thế bộ biến áp và tụ điện thông thƣờng bằng mạch biến tần phát công
suất làm lạnh ở các mức năng lƣợng thấp, trung bình và cao với nhiều ƣu điểm.
Tiết kiệm năng lƣợng tối đa với việc cung cấp mức phát đều đặn liên tục ngay
cả khi chọn mức Medium hoặc Low. Đây là điểm khác biệt lớn so với mọi máy điều
hòa không khí thông thƣờng, chỉ có thể tạo hiệu suất liên tục khi chọn chế độ phát ở
mức High, còn các chế độ khác chỉ thực hiện đƣợc bằng cách ngắt quãng.
Kết quả là điều hòa không khí Inverter tiết kiệm năng lƣợng và tăng hiệu suất.
Khi sử dụng loại máy này trung bình 8 giờ/ngày, số tiền điện phải trả hằng tháng là
khoảng 160.000 đồng. Mắt thông minh giúp tự động điều chỉnh nhiệt độ 20oC khi có
ngƣời ra vào phòng để giảm tiêu hao điện đến 20%.
Ngoài ra, với công nghệ này, không khí lạnh sẽ truyền nhẹ nhàng sâu vào bên
trong phòng, tránh tình trạng không khí lạnh tập trung cục bộ tại khu vực gần dàn lạnh,
cho phép nâng cao hiệu suất điện năng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

- 12 -

1.3.3. Hiệu quả của biến tần trong các hệ thống ĐHKK làm lạnh trực tiếp
Các hãng sản suất thiết bị điện gia dụng hiện nay đều nỗ lực sản xuất các sản
phẩn “green” hay “eco” thân thiện môi trƣờng với tiêu trí tiết kiệm điện. Việc ứng
dụng biến tần cho các máy điều hòa không khí đã đem lại hiệu quả tốt về tiết kiệm
điện. Hiệu quả này đƣợc đánh giá qua chỉ số hiệu quả máy lạnh COP (Coefficience of
performance) của cùng một dòng thiết bị có dùng và không dùng biến tần [5]. Nếu quy
đổi theo lƣợng điện tiêu thụ thì trong cùng một điều kiện vận hành máy có biến tần sẽ
có thể tiết kiệm đƣợc khoảng 10-20% so với máy không có biến tần.
1.3.4. Hiệu quả tiết kiệm năng lƣợng của của biến tần trong các hệ thống ĐHKK
làm lạnh gián tiếp
1.3.4.1. Hiệu quả của biến tần đối với Chiller
Hiệu quả của việc áp dụng công nghệ biến tần đối với chiller thƣờng đƣợc thể
hiện qua chỉ số IPLV (Integrated Part Load Value) [5]. Nếu quy đổi theo lƣợng điện
tiêu thụ thì trong cùng một điều kiện vận hành Chiller dùng biến tần sẽ có thể tiết kiệm
đƣợc khoảng 10-20% so với Chiller không dùng biến tần.
1.3.4.2. Hiệu quả của biến tần đối với hệ thống điều hòa trung tâm với Chiller
Hiệu quả của việc sử dụng biến tần trong tiết kiệm năng lƣợng 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 lƣợng điện tiết kiệm có thể đạt cỡ 30%. Thậm chí với những thiết kế
dôi dƣ nhiều, lƣợng điện tiết kiệm có thể lên đến 50-60%. Điển hình là hệ thống bơm
của hệ thống ĐHKK trung tâm của khách sạn Deawoo Hà nội gồm 5 bơm với tổng
công suất 236kW. Trƣớc khi lắp đặt biến tần thì lƣợng điện tiêu thụ hàng tháng trung
bình là 80200kWh. Sau khi lắp đặt biến tần của Danfoss thì con số này giảm còn
31300kWh tiết kiệm đƣợc khoảng 60% lƣợng điện tiêu thụ .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

- 13 -

1
Chƣơng 1 trình bày những nét tổng quan về hệ thống điều hòa không khí; cấu
tạo, nguyên lý hoạt động của máy điều hòa không khí; tìm hiểu máy nén khí và việc
điều khiển chúng trong máy điều hòa không khí; Phân tích tiềm năng và hiệu quả tiết
kiệm điện của máy điều hòa không khí sử dụng Inverter.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

- 14 -

(INVERTER)

Biến tần là thiết bị điện biến đổi dòng điện ở tần số này thành dòng điện xoay
chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh đƣợc.
Sơ đồ khối của biến tần nhƣ hình 2.1. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha
hay 3 pha đƣợc chỉnh lƣu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này
đƣợc thực hiện bởi bộ chỉnh lƣu cầu điôt và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi
của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp
một chiều này đƣợc biến đổi (nghịch lƣu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng.
Công đoạn này hiện nay đƣợc thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lƣỡng cực có
cổng cách ly) bằng phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công
nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, 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
động cơ.

Điện áp xoay
chiều 3 pha có

thể điều chỉnh
đƣợc tần số và
điện áp

2. 1: Sơ đồ khối tổng quát của biến tần
Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha (hoặc một pha) ở đầu ra có thể thay đổi giá
trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. Theo lý thuyết, giữa tần số và điện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

- 15 -

áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không
đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là
hàm bậc 4. Điện áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm
bậc hai của tốc độ phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại
là hàm bậc hai của điện áp.
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện
bán dẫn công suất đƣợc chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lƣợng tiêu thụ
xấp xỉ bằng năng lƣợng yêu cầu bởi hệ thống.
Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau phù hợp
hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID và thích
hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển và giám
sát trong hệ thống SCADA.
Biến tần mới đƣợc sản xuất, thƣơng 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 vƣợt trội hơn hẳn thế hệ thứ nhất đƣợc ra đời vào những năm 1980 và đầu
thập kỷ 1990 về tốc độ chuyển mạch và khả năng chịu đựng quá tải [5], [6].

biến tần

2.1.2.

Biến tần đƣợc phân họ dựa trên nguyên lý chuyển đổi công suất điện vào với tần
số lƣới 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 lƣới xoay chiều đƣợc chuyển thành điện một chiều
qua phần chỉnh lƣu trên thanh cái một chiều sau đó điện một chiều này lại đƣợc
chuyển thành điện xoay chiều cấp cho tải qua nghịch lƣu.
- Biến tần trực tiếp: Điện lƣới xoay chiều đƣợc 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).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

- 16 -

2.1.2.1. Biến tần gián tiếp: Gồm 2 loại:
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 đƣợc thay đổi bằng cách thay đổi
thời gian đóng/ cắt các khóa chuyển mạch ở bộ nghịch lƣu.
- Biến tần nguồn áp điều chế biên độ (CS-PWM-I): Thời gian đóng cắt của các
khóa chuyển mạch của bộ nghịch lƣu là không đổi, điện áp xoay chiều đầu ra đƣợc
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 lƣu. Sơ đồ mạch của
biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung đƣợc chỉ ra trên hình 2.2.

2. 2: Sơ đồ nguyên lý biến tần nguồn áp
b)

(CSI)
Các khóa bán dẫn trong phần nghịch lƣu đƣợc nối với một nguồn dòng. Nguồn

dòng này đƣợc 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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>