Tìm hiểu về công nghệ máy nén lạnh sử dụng biến tần (Inverter Refrigerant Compressor)

Giới thiệu sơ lược về biến tần.

Nói một cách tổng quát biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.

Nguyên lý hoạt động của biến tần nói chung:

Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. 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 diode 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.

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 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 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 được chế tạo theo công nghệ hiện đại. Nhờ vậy, năng lượng tiêu thụ xấp xỉ bằng năng lượng yêu cầu bởi hệ thống.

Phân loại 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).

Ưu điểm của biến tần trực tiếp và gián tiếp:

- Biến tần trực tiếp có thể trao đổi với lưới điện một cách liên tục, nhất là đối với các động cơ lớn và cực lớn từ hàng trăm Kw đến Mw.
- Ngoài ra tổn hao ở biến tần trực tiếp cũng ít hơn vì phụ tải chỉ nối với nguồn qua một phần tử đóng ngắt, không phải qua hai phần tử và khâu trung gian như biến tần gián tiếp.
- Sơ đồ van và qui luật điều khiển ở biến tần trực tiếp sẽ phức tạp hơn biến tần gián tiếp.

Biến tần gián tiếp.

1. Giới thiệu sơ lược về bộ biến tần gián tiếp.

Biến tần gián tiếp hay còn gọi là biến tần có khâu trung gian một chiều, dùng bộ chỉnh lưu biến đổinguồn xoay chiều thành nguồn một chiều, sau đó lại dùng bộ nghịch lưu biến đổi nguồn một chiều thành nguồn xoay chiều.

Khâu trung gian một chiều đóng vai trò một khâu tích luỹ năng lượng dưới dạng nguồn áp dùng tụ địên hoặc nguồn dòng dùng cuộn cảm tạo ra một khâu cách ly nhất định giữa phụ tải và nguồn điện áp lưới.

Biến tần gián tiếp được cấu tạo từ bộ chỉnh lưu, khâu lọc trung gian và bộ nghịch lưu. Tuỳ thuộc khâu trung gian một chiều làm việc ở chế độ nguồn dòng hay nguồn áp biến tần chia làm 3 loại chính:

- Biến tần nguồn dòng dùng chỉnh lưu có điều khiển cùng với cuộn cảm tạo nên nguồn dòng cung cấp cho nghịch lưu nguồn dòng song song.Hệ thống tụ chuyển mạch được cách ly với tải qua hệ thống diode cách ly .Dòng ra nghịch lưu có dạng xung hình chữ nhật, điện áp ra có dạng tương đối Sin nếu phụ tải là động cơ.

- Biến tần nguồn áp dùng nghịch lưu nguồn áp với đầu vào một chiều điều khiển được. Điện áp một chiều cung cấp( dùng chỉnh lưu có điều khiển hoặc chỉnh lưu không điều khiển) sau đó điều chỉnh nhờ bộ biến đổi xung áp một chiều.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ biến tần gián tiếp.

Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi nguồn điện xoay chiều có V1, f1 là hằng số thành nguồn điện xoay chiều có Vr, fr biến đổi, qua khâu trung gian một chiều. Tần số đầu ra được xác định bởi nhịp đóng mở của các thiết bị nghịch lưu. Thiết bị biến tần gián tiếp gồm ba khâu cơ bản:

- Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguồn xoay chiều sang một chiều.
- Bộ lọc: để giảm bớt độ nhấp nhô của áp và dòng ở đầu ra của bộ chỉnh lưu.
- Khâu nghịch lưu: biến đổi điện áp một chiều để đặt vào động cơ (Thiết bị nghịch lưu có thể là Thyristor hoặc transistor công suất).

Biến tần nguồn áp dùng thyristor.

Nhóm chỉnh lưu gồm 6 Thyristor T7 đến T12 vừa làm chức năng biến đổi dạng điện áp từ xoay chiều thành một chiều vừa có nhiệm vụ điều chỉnh giá trị điện áp V0. Bộ lọc phẳng gồm các cuộn kháng ĐK và tụ C0. Phần chỉnhlưu của nhóm nghịch lưu là các Thyristor T1-T6. Chúng được mở theo thứ tự T1-T2----T6. Cách nhau 1/6 chu kỳ áp ra. Như vậy tại mọi thời điểm có hai Thyristor mở, một nối với cực dương và một nối với cực âm của điện áp V0. Kết quả điện áp dây đầu ra đưa vào động cơ có dạng như sau.

"Click vào để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"

Điện áp đầu ra bộ biến tần gián tiếp.

Bằng cách thay đổi khoảng thời gian mở Thyristor ta thay đổi được thời gian chu kỳ của điện áp ra, nghĩa là điều chỉnh được tần số ra.

- Tụ C1-C6 để chuyển mạch giữa các Thyristor. Giả sử trong một khoảng nào đó T1 và T2 mở, tụ C1 được nạp từ nguồn với cực tính như hình vẽ. Khi cho xung mở T3 tụ C1 phóng qua T1 và T3 tạo ra dòng điện khóa T1 hỗ trợ cho T3 mở. Các diode D1-D6 ngăn tác dụng của các tụ chuyển mạch với phụ tải, làm cho áp trên tải không bị ảnh hưởng bởi sự phóng nạp của tụ.

- Các diode D7-D12 tạo một cầu ngược, có tác dụng mở đường cho dòng điện phản kháng từ phía động cơ chạy về tụ C0. Dòng điện này xuất hiện do sự lệch pha giữa dòng và áp động cơ. Vậy tụ C0 có nhiệm vụ chứa năng lượng phản kháng vì động cơ là một tải đơn giản đối với bộ nghịch lưu mà có tác động một cách khác nhau với từng điều hòa của dạng sóng điện áp.

Đối với bộ nghịch lưu áp dạng sóng này gần như chữ nhật.

Biến tần dòng dùng Thyristor.

- Cầu chỉnh lưu điểu khiển gồm 6 Thyristor T7-T12 cầu biến tần gồm 6 thyristor T1-T6. Mỗi Thyristor được nối tiếp qua một Diode và trong mỗi nửa cầu có 3 tụ điện.

- Cầu chỉnh lưu thông qua điện cảm ĐK san bằng cung cấp cho cầu biến tần dòng điện Id. Ở mọi thời điểm có hai Thyristor dẫn điện các Thyristor được điều khiển mở theo thứ tự 1,2,....,6,1, mỗi thyristor dẫn trong khoảng 120 độ.

"Click vào để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"

Dòng điện ra có dạng gần như bậc thang. Điện áp ra có dạng hình sin nhưng mang các đinh nhọn tại các thời điểm chuyển mạch. Ta biết rằng các diode nối ngược ở bộ nghịch lưu áp ngăn cản điện áp liên lạc một chiều đổi cực tính và cho dòng điện ngược chạy qua. Khi vượt quá tốc độ có thể động cơ trở thành máy phát. Do đổi cực tính điện áp góc mở có thể làm bộ biến tần làm việc ở chế độ nghịch lưu và trả năng lượng về nguồn.

Biến tần dòng dùng Transistor.

Bộ nghịch lưu dòng Transistor cũng sử dụng 6 Transistor và 6 diode. Nhưng trong sơ đồ nghịch lưu dòng các diode được mắc nối tiếp với các Transistor và các diode này có nhiệm vụ ngăn dòng ngược bảo vệ cho tất cả các transistor.

Biến tần trực tiếp.

Biến tần trực tiếp là thiết bị biến đổi trực tiếp nguồn xoay chiều có tần số f1 sang nguồn xoay chiều có tần số fr (tần số thay đổi).

Nguyên lý hoạt động của bộ biến tần trực tiếp.

Bộ biến tần trực tiếp gồm hai nhóm chuyển mạch nối song song ngược. Cho xung mở lần lượt hai nhóm chỉnh lưu trên ta sẽ nhận được dòng điện xoay chiều chạy qua tải.

Ở mỗi pha ở đầu ra (a, b, c) được cấp điện bởi hai nhóm Thyristor. Nhóm T tạo ra dòng điện chạy thuận và nhóm N tạo ra dòng chạy ngược.
Để hạn chế dòng ký sinh chạy qua hai Thyristor của nhóm T và nhóm N đang dẫn, người ta dùng các cuộn kháng ĐK1 và ĐK6.

"Click vào để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"

Khi điều khiển theo nhóm thì mỗi nhóm được mở trong nửa chu kỳ điện áp đầu ra. Xét sự làm việc pha a Trong khoảng thời gian t1: nhóm T1 mở, còn trong khoảng t2 thì nhóm N4 mở. Các Thyristor trong cùng một nhóm chuyển mạch cho nhau nhờ điện áp lưới (chuyển mạch tự nhiên). Mỗi Thyristor mở 1/3 chu kỳ của điện áp lưới. Thay đổi số Thyristor mở trong mỗi nhóm ta sẽ thay đổi được thời gian của chu kỳ điện áp đầu ra T2= t1 + t2 do đó thay đổi được tần số đầu ra của biến tần.

"Click vào để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"

Để tạo ra điện áp ba pha ở đầu ra ta điều khiển các nhóm Thyristor mở theo thứ tự T1-N2-T3-N4-T5-N6-T1 mỗi nhóm cho mở 1/3 chu kỳ của điện áp ra. Nếu điện áp ra được lọc phẳng hoàn toàn thì bằng cách điều khiển như trên ta được đồ thị điện áp ra ở ba pha (hệ thống điện áp ba pha ở đầu ra bộ biến tần trực tiếp).

Nhận xét:

- Hiệu suất cao vì tổn thất năng lượng không đáng kể, không cần dùng tụ chuyển mạch.
- Chỉ cho tần số fr <f1 tức < 0.
- Làm việc ở chế độ tĩnh nên thuận tiện đối với những cơ cấu cần di chuyển nhiều.

Tính năng chuyên dụng của biến tần trong máy nén lạnh.

Biến tần được thiết kế để điều khiển các máy nén một cách thông minh và linh hoạt nhằm tối ưu hóa khả năng làm lạnh với áp suất và nhiệt độ đặt cho máy làm lạnh nước và các ứng dụng khác của máy nén trong HVAC. Các tính năng chính chuyên cho máy nén gồm:

- Thay thế tổ hợp máy bằng một máy nén: Biến tần điều khiển tất các 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).

Máy nén lạnh sử dụng biến tần trong máy điều hòa không khí.

Khả năng biến đổi công suất ra của công nghệ Inverter cho phép điều chỉnh nhiệt độ chính xác hơn.Trong khi đó máy ĐHKK không sử dụng công nghệ Inverter kiểm soát nhiệt độ bằng cách bật/tắt máy nén, khiến nhiệt độ thay đổi liên tục. Với model sử dụng công nghệ Inverter, bạn có thể tin chắc rằng nhiệt độ trong phòng luôn ổn định và duy trì đều đặn cho bạn cảm giác thoải mái hơn, không như trường hợp khi nóng quá hoặc khi lạnh quá như máy lạnh thông thường không dùng Inverter.

ĐHKK là một trong những thiết bị tiêu thụ điện lớn nhất trong các thiết bị tiêu dùng. Xuất phát từ những yếu điểm đó của thiết bị mà các nhà sản xuất máy điều hòa đưa ra những dòng sản phẩm tiết kiệm điện dùng công nghệ Inverter có khả năng tiết kiệm điện từ 30% đến 50% so mới máy thông thường. Chính vì thế, các cơ sở kinh doanh thương mại, dịch vụ cao ốc, văn phòng khách sạn đặc biệt quan tâm đến loại ĐHKK tiết kiệm điện năng để giảm chi phí tiền điện. Loại ĐHKK với công nghệ biến tần (Inverter) đang là loại ĐHKK được ưa chuộng nhất hiện nay tại thị trường Việt Nam.Công nghệ biến tần đã tạo được bước đột phá, làm cho hao phí năng lượng đến mức thấp nhất.Công nghệ biến tần điều chỉnh công suất phù hợp với yêu cầu tải lạnh ở các mức khác nhau.
Chính nhờ bộ biến tần mà biên độ thay đổi nhiệt độ trong phòng cũng rất nhỏ (khoảng 0,5 độ C), không bị ảnh hưởng bởi thời tiết bên ngoài đang mưa hay nắng. Nhờ đó, người sử dụng cảm thấy sảng khoái với làn không khí lạnh truyền nhẹ nhàng sâu vào bên trong phòng, làm cho không khí trong phòng lạnh đều và sâu hơn các máy điều hoà nhiệt độ thường. Ngoài ra, cũng nhờ hiệu suất điện năng được nâng cao làm không khí phòng nhanh chóng đạt đến nhiệt độ mong muốn.
Ngay khi bật ĐHKK Inverter, máy sẽ cung cấp lượng điện năng vừa đủ để nhanh chóng làm lạnh trong phòng. Nó cho phép đạt đến mức nhiệt độ yêu cầu nhanh gấp 1,5 lần so với các model không sử dụng công nghệ Inverter.

Nguyên lý hoạt động.

Nguyên lý cơ bản làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản. Như đã trình bày ở trên là sử dụng biến tần gián tiếp. 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 diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosφ 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 giả m tổn thất trên lõi sắt động cơ.

n = 60f/p
n - tốc độ quay của động cơ (rpm)
f - tần số lưới điện (Hz)
p - số cặp cực từ trên stato động cơ

Tuy nhiên sử dụng Inverter cũng có ́các hạn chế là:

- Cộng hưởng tần số.
- Công suất Dải từ 40% đến 100%, không rộng đủ
- Cần Inverter đắt tiền và điều khiển điện tử
- Vấn đề hồi dầu sẽ gặp khó khăn.
- Phức tạp By-Pass mạch hệ thống.
- Sự nhiễu điện từ

LINK 1 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 2 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 3 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 4 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

VIDEO THAM KHẢO: