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

i

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

DƯƠNG 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


ii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ....................................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................... v
...................................................................................................vii
i
.................................................................................................................................... - 1 CHƯƠNG 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 lượng của của biến tần trong các hệ thống
ĐHKK làm lạnh gián tiếp ................................................................................. - 12 1.......................................................................................................- 13 Chương 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. ............................................................ -

ii

13 -

(INVERTER) ............................................................................. -

14 ..............................................................................- 14 ................................................................................................ - 14 -


3

.................................................................................... - 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 lưu ........................................................................................ - 21 2.2.2. Khối nghịch lưu ...................................................................................... - 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 lưỡng cực công suất (BJT)..................................................... - 33 2.3.3. Thyristor: ................................................................................................ - 36 2.3.4. Vi điều khiển Atmega8 ........................................................................... - 38 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .......................................................................................................- 43 CHƯƠNG 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 lưu cầu H............................................................................ - 49 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

4

3.2.8. Khối điều khiển....................................................................................... - 50 ............................................................................ - 51 .................................................................. - 53 ......................................................................... - 54 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

5

3.4. LẮP ĐẶT MÔ HÌ
-

Ử NGHIỆM ........................................................................- 68
......................................................................................... - 68

: ..............................................................................................................- 73 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .......................................................................................................- 73 ............................................................................................... - 74 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

6

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Dương Văn Hoan
Sinh ngày 23 tháng 8 năm 1982
Học viên lớp cao học khóa 15 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Công ty CP đầu tư 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 hướng 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 chưa 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

Dương Văn Hoan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

7

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

-23

k - Hằng số Boltzmann (k = 1,38.10
0

0

C).

J/K).

0

T = 273 + t - Nhiệt độ nhiệt đối ( K).
0

0

t - Nhiệt độ môi trường C
u – Điện áp đặt trên điôt (V)
2

IΦ: dòng quang điện (A/m );
2

ID: dòng qua điot (A/m );
2

IS: dòng bão hoà (A/m );
n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn
thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy n = 1;
2

RS: điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời ( /m );
2

Rsh: điện trở sơn (điện trở dò) ( /m )
q: điện tích của điện tử (C).
UDC: Điện áp một chiều
Q: hàm đo chất lượng 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: Phương pháp điều chế vectơ không gian
PWM: Phương pháp điều chế độ rộng xung
DC – AC: Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu)
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 trường
BJT Tranzitor lưỡng 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 lưu

PWM

Pulse - Width – Modulation

INC

Incremental Conductance

VSI

Voltage Source Inverter


8

...................................................... - 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 lưu nửa chu kỳ...................................................... - 22 2. 4: Chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ dưng cầu chỉnh lưu............................ - 22 2. 5: Chỉnh lưu 2 nửa chu ky dùng biến áp có điểm giữa ................. - 23 2. 6: Nghịch lưu song song ............................................................... - 24 2. 7: Nghịch lưu nối tiếp ................................................................... - 24 2. 8: dạng áp, dòng của nghịch lưu nối tiếp (a) song song (b).......... - 25 2. 9: Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương của nghich lưu nguồn dòng
.................................................................................................................... - 26 2. 10: Sơ đồ nguyên lý và mạch tương đương .................................. - 27 2. 11: Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu sóng vuông ............................... - 27 2. 12 Dạng sóng của nghịch lưu sóng vuông so với sóng sin (vi: Phần
điện áp thiếu của sóng vuông so với sóng sin; Ve: Phần điện áp dư thừa của
sóng vuông) ................................................................................................ - 28 2. 13: Sơ đồ ghép bộ lọc LC ở ngõ ra .............................................. - 29 2. 14: Dạng sóng của nghịch lưu 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 - ngược.................... - 34 2. 22: Cấu trúc, ký hiệu và đặc tính V-A của Thyristor.................... - 36 2. 23: Mở thyristor ............................................................................ - 37 -


9

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 lưu ................................................ - 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 -


-1-

Điều hòa không khí là một trong những thiết bị tiêu thụ điện lớn nhất đối
với các cơ sở dịch vụ, thương mại. Tiêu thụ điện của hệ thống máy lạnh tại các
cơ sở thương mại thường chiếm tỷ lệ lớn, có thể lên đến 80% tổng lượng điện
tiêu thụ. Tỷ lệ này còn có thể cao hơn nữa tại các tòa nhà thương mại lớn, trung
tâm mua bán, văn phòng, bệnh viện…Với công nghệ cũ là cung cấp năng lượng
ngắt quãng sẽ làm cho điện năng cung cấp cũng bị ngắt quãng Chính điều này đã
tạo ra hiện tượng 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 nhược điểm này, công nghệ biến tần Inverter ra đời đã tạo
ra bước đột phá trong việc đưa hao phí năng lượng đến mức thất nhấp. Với kết
quả của luận văn này sẽ đóng góp 1 phần nhỏ vào việc nâng cao chất lượng điện và
giảm hao phí điện năng của hệ thống điều hòa không khí. Với cách đặt vấn đề như vậy
nên đề tài luận văn được chọn là :“Thiết kế và chế tạo mô hình biến tần(Inverter) cho
máy điều hòa không khí" .

Nội dung luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về điều hòa không khí sử dụng inverter
Chương 2: Biến tần(inverter)
Chương 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

Dương Văn Hoan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

-2-

CHƯƠNG 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 nước có
khoảng 1.300.000 hộ có máy điều hòa và hàng ngàn công trình được trang bị hệ thống
ĐHKK 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.
Việt nam có khí hậu nhiệt đới nên nhu cầu ĐHKK 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 ĐHKK 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 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 như sưởi ấm, làm lạnh, khử âm, gia
ẩm… điều chỉnh khống chế và duy trì các thông số khí hậu trong nhà như nhiệt độ, độ
ẩm, độ sạch, khí tươi, 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 nước.
- 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 nước lạnh với dàn FCU và
dàn AHU). Loại gián tiếp có thể phân ra loại khô và loại ướt.
Loại khô là loại có dàn ống xoắn trao đổi nhiệt có cánh, nước lạnh đi trong ống
còn không khí đi ngoài ống. Loại ướt hay còn gọi dàn phun là loại buồng điều không
khí có dàn phun trực tiếp nước lạnh vào không khí cần làm lạnh.
Loại khô còn gọi là hệ thống kín và loại ướt 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 được 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 sưởi 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 tường, treo trần, giấu
trần…loại một cửa hoặc nhiều cửa thổi, tủ tường, hộp tường, kiểu tủ hành lang…
- Theo cách làm mát thiết bị bình ngưng tụ chia ra loại giải nhiệt gió hoặc giải
nhiệt nước hoặc kết hợp gió nước.
- 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 nước…
- 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 nước lạnh của hệ thống trung tâm nước chia
ra hệ thống hai ống, hệ hồi ngược, hệ ba ống và hệ bốn ống nước.
- 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 lưu lượng không thay đổi (CAVConstant Air Volume) và hệ thống lưu lượng 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 lưu lượng môi chất không đổi hoặc hệ

thống lưu lượng 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 được tới tám hoặc mười 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 ngưng tụ - 2; Bình chứa cao áp - 3; Phím lọc -3 ; Van tiết lưu - 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 được nén đoản nhiệt lên áp suất P k , tk đi vào
bình tách dầu, ở đây dầu được lọc lại đưa trở lại máy nén nhờ vào nguyên tắc chênh
lệch áp suất. Còn hơi môi chất đưa đến thiết bị ngưng tụ, tại thiết bị ngưng tụ hơi môi
chất thực hiện quá trình trao đổi nhiệt đẳng áp. Lúc này môi chất trở thành lỏng được
đưa 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 lưu. Nhờ van tiết lưu mà hơi lỏng được 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 trường 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 được máy nén hút về kết thúc một quá
trình và chu trình được 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 đường ống, môi chất lạnh, thiết bị trao đổi nhiệt (thiết bị
ngưng 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 ngưng 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 trường
làm mát chia thiết bị ngưng tụ thành các nhóm: Thiết bị ngưng tụ làm mát bằng nước,
bằng không khí, vừa bằng nước và bằng không khí…


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

thiết bị bay hơi và đối tượng làm lạnh để nhận nhiệt và làm lạnh đối tượng . Dựa
vào tính chất của môi trường làm lạnh người phân thành: Thiết bị bay hơi để làm lạnh

chất tải lạnh như: nước, nước 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 ngưng tụ, dàn bay hơi. Bình tách dầu được lắp đặt sau máy nén trước dàn bay hơi.

Bình tách lỏng có nhiệm vụ đảm bảo hơi hút về máy nén ở trạng thái hơi
bão hòa khô tránh được ngập thủy cho máy nén.

Bình chứa cao áp được bố trí ngay sau dàn ngưng tụ dùng để chứa lỏng
môi chất ở áp suất cao, giải phòng bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ngưng tụ, duy trì
sự cấp lỏng liên tục cho van tiết lưu.


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 được lắp trước dàn bay hơi.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

-7-

Môi chất lạnh là tác nhân chính làm lạnh thu nhiệt môi trường có nhiệt độ
thấp và thải nhiệt môi trường có nhiệt độ cao. Môi chất lạnh có nhiệt độ thấp thường
mấy chục âm độ ví dụ như 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 tương ứng với môi trường làm mát để đẩy vào thiết bị
ngưng tụ.
- Đưa lỏng qua thiết bị tiết lưu 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 trường lạnh và thải
nhiệt ở môi trường 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 lượng, độ tin
cậy và năng suất lạnh của hệ thống phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng độ tin cậy,
năng suất lạnh của máy nén.
Trong kỹ thuật lạnh người ta sử dụng hầu như tất cả các loại máy nén với các
nguyên lý làm việc khác nhau, nhưng những loại máy nén được 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 lượng (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 trưng).
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 được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau
như:ngành khai thác khoáng sản,các ngành công nghiệp nặng, ngành y tế. Cho đến
ngày nay máy nén khí được phổ biến khá rộng rãi không những trong sản xuất mà còn
được 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 được 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 trường gồm có một số chủng loại
như 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 thường 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 tương tư như máy nén của
tủ lạnh nhưng do công suất làm việc lớn nên hình dạng và kích thước lớn loại này
thường được để sử dụng những máy điều hòa không khí có công suất lớn.
Máy nén rô to thường thì được sử dụng nhiều ở máy điều hòa không khí có
công suất nhỏ bên ngoài thường có hai đường ống hút và đẩy, ống hút của máy điều
hòa thường được hay gọi là bình tách lỏng của máy điều hòa không khí và thường
được bố trí kèm bên hông máy nén. Ưu điểm của loại máy nén này tiết kiệm được
không gian hình thức nhỏ gọn nhưng ngược 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 được 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 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 ĐHKK. Đặc tính làm việc của hệ thống và thiết bị ĐHKK được điều khiển
qua việc điều khiển tốc độ các động cơ bơm, quạt và máy nén.
Các hệ thống và thiết bị ĐHKK 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 ĐHKK 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
ĐHKK sẽ không hoạt động ở điểm làm việc tối ưu 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 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 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 đưa hệ
thống ĐHKK 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
ĐHKK 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 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, thương mại. Tiêu thụ điện của hệ thống máy lạnh tại các cơ sở
thương mại thường chiếm tỷ lệ lớn, có thể lên đến 80% tổng lượng điện tiêu thụ. Tỷ lệ
này còn có thể cao hơn nữa tại các tòa nhà thương 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 thường chỉ sử dụng năng lượng ở một mức, nghĩa là năng lượng làm lạnh ở một
trong hai trạng thái: ngưng - phát. Cụ thể, khi đặt công suất 60% máy điều hòa không
khí sẽ phát trong 60% thời gian và ngưng phát trong khoảng thời gian còn lại.
Việc cung cấp năng lượng ngắt quãng như thế sẽ làm cho điện năng cung cấp
cũng bị ngắt quãng. Chính điều này đã tạo ra hiện tượng 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 nhược điểm này, công nghệ biến tần Inverter ra đời đã tạo ra
bước đột phá trong việc đưa hao phí năng lượng đến mức thất nhấp. Công nghệ biến
tần Inverter thay thế bộ biến áp và tụ điện thông thường bằng mạch biến tần phát công
suất làm lạnh ở các mức năng lượng thấp, trung bình và cao với nhiều ưu điểm.
Tiết kiệm năng lượng 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 thường, chỉ có thể tạo hiệu suất liên tục khi chọn chế độ phát ở
mức High, còn các chế độ khác chỉ thực hiện được bằng cách ngắt quãng.
Kết quả là điều hòa không khí Inverter tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu suất.
Khi sử dụng loại máy này trung bình 8 giờ/ngày, số tiền điện phải trả hằng tháng là
o

khoảng 160.000 đồng. Mắt thông minh giúp tự động điều chỉnh nhiệt độ 20 C khi có
người 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 trường 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 được 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 lượng điện tiêu thụ thì trong cùng một điều kiện vận hành máy có biến tần sẽ
có thể tiết kiệm được khoảng 10-20% so với máy không có biến tần.
1.3.4. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng 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 thường được thể
hiện qua chỉ số IPLV (Integrated Part Load Value) [5]. 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.
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 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 ĐHKK 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 Danfoss thì con số này giảm còn

31300kWh tiết kiệm được khoảng 60% lượng điện tiêu thụ .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN

/>

- 13 -

1
Chương 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 được.
Sơ đồ khối của biến tần như hình 2.1. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha
hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này
được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu 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 được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng.
Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có

cổng cách ly) bằng phương 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

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

/>