Biến tần và tiềm năng tiết kiệm điện trong điều hòa không khí

18/01/2016 504

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

BIẾN TẦN VÀ TIỀM NĂNG TIẾT KIỆM ĐIỆN TRONG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ

Văn phòng đại diện Danfoss - TS. Nguyễn Thiện Hoàng, ĐH Xây dựng

 1. GIỚI THIỆU
            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 [1] 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. Bài viết được bố cục như sau: Mục 2 trình bày tiềm năng tiết kiệm điện trong hệ thống ĐHKK với biến tần. Mục 3 đưa ra tổng quan về nguyên lý làm việc của các loại biến tần. Mục 4 đi sâu giới thiệu các tính năng của một dòng biến tần chuyên dụng trong ĐHKK. Mục 5 tổng kết hiệu quả tiết kiệm điện thực tế của biến tần trong các hệ thống và thiết bị ĐHKK tiêu biểu. Cuối cùng phần kết luận sẽ điểm lại những nét chính và đưa ra các kết luận về ứng dụng của biến tần nhằm tiết kiệm điện trong ĐHKK.
 
2. TIỀM NĂNG TIẾT KIỆM ĐIỆN TRONG ĐHKK
             
            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 luônhoạt 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

3. BIẾN TẦN
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)
 
            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 [5], [6].
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 [5]:
            - 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.
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.
4. BIẾN TẦN DANFOSS VÀ ỨNG DỤNG TRONG HVAC
4.1. Lịch sử phát triển và sản phẩm của Danfoss
          Tập đoàn quốc tế Danfoss được thành lập vào năm 1933. Đến nay Danfoss có 93 nhà máy sản xuất, 139 đơn vị thương mại với hơn 400 nhà phân phối và đại lý trên toàn cầu. Sản phẩm của Danfoss tập trung vào các ngành: Điều khiển nhiệt lạnh và điều hòa không khí, Điện tử công suất, Cấp nhiệt, Máy nén, Năng lượng, và nghiên cứu phát triển
          Danfoss Power Electronics là công ty đầu tiên đưa sản phẩm biến tần (Inverter) ra thị trường vào năm 1968 với thương hiệu VLT@. Trong quá trình xây dựng và phát triển hơn 40 năm qua Danfoss luôn nỗ lực để đem lại hiệu quả kinh tế và tiện nghi cho người dùng. Đến nay, mỗi tính năng của các sản phẩm của Danfoss đều phản ánh  ý tưởng của những kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống, kinh nghiệm thực tế của những kỹ sư xây lắp và vận hành.
          Các dòng sản phẩm trong lĩnh vực điện tử công suất của Danfoss [7] gồm:
- Biến tần cho tự động hóa
- Biến tần cho các ứng dụng ĐHKK
- Biến tần cho ngành nước (Aqua Drive)
- Biến tần công nghiệp công suất nhỏ - FC51, VLT2800;
- Khởi động mềm cho các động cơ AC-DCM500, DCM200, DCM100.
- Các bộ điều khiển chuyên dụng cho động cơ như FCD300, FCM300…
4. 2. Tiết kiệm năng lượng trong ĐHKK với dòng biến tần VLT HVAC Drive
          Danfoss là một trong các tập đoàn hàng đầu thế giới đặc biệt chú trọng tới vấn đề tiết kiệm điện qua việc sử dụng điện hiệu quả và hợp lý. Dòng sản phẩm biến tần VLT HVAC Drive được thiết kế chuyên dụng để điều khiển hệ thống HVAC  trong các công trình: cao ốc, trung tâm thương mại, văn phòng, khách sạn, sân bay, bệnh viện… Các biến tần trong dòng sản phẩm này có những những năng tính kỹ thuật chung là:
- Dải công suất:         0.18kW÷1.4MW điện
- Nguồn cấp:              200-690V, 50/60Hz
- Tần số:                     0÷1000Hz,
- Hiệu suất:               98%
- Kết nối:                   BMS/FMS, BAS/FAS, DCS....
           Và các tính năng chuyên dụng cho phép dễ dàng tối ưu hóa tiết kiệm điện và tích hợp hệ thống [8] như:
                        - Các tính năng tiết kiệm năng lượng
                        - Các tính năng chuyên cho bơm quạt
                        - Các tính năng kết hợp hệ thống
4.2.1. Các tính năng cho phép tiết kiệm năng lượng
a.Tự động tối ưu hóa năng lượng (Automatic Energy Optimisation) [9]
          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
b. Đặt lịch vận hành [9]
          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.
c. Phân tích và kiểm toán năng lượng [10]
           Tính năng này được thực hiện với phần mềm VLT Energy Box. Phần mềm này tính toán năng lượng tiêu thụ và so sánh hiệu quả của ứng dụng thực hiện bằng biến tần của Danfoss với các phương pháp điều khiển khác. Đối với cả dự án lắp đặt mới hay dự án nâng cấp, công cụ này 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 theo thời gian
- Thu thập mức năng lương tiêu thụ và thời gian vận hành của thiết bị
4.3. Các tính năng tích hợp hệ thống cơ điện
4.3.1. Các tính năng  chuyên dụng [7]
a.Tính năng chuyên dụng cho bơm
            Biến tần được thiết kế với cách tính năng cho bơm với sự hỗ trợ và phối hợp của các nhà sản xuất bơm và tư vấn lắp đặt cơ điện trên toàn thế giới. Các tính năng chính chuyên cho bơm là:
- Điều khiển tổ hợp bơm: Quản lý sắp xếp vận hành sau 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
- 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 ăp 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.
b. Tính năng chuyên dụng cho quạt
            Các tính năng cho quạt giúp cho các ứng dụng quạt thông minh hơn tiết kiệm năng lượng hơn và thân thiện hơn với người dùng. Các chức năng chính chuyên cho quạt là:
- Chuyển đổi tốc độ- lưu lượng: Biến tần có khả năng qui đổi  tốc độ- lưu lượng và hệ thống có thể chạy theo lưu lượng đặt hay mức chênh lưu  lượng đặt. Tính năng tiết kiệm năng điện nhưng vẫn đảm bảo được tính tiện nghi và tiết kiệm chi phí đầu tư do không phải dùng cảm biến lưu lượng.
- Chức năng AHU thông minh: Biến tần thực hiện điều khiển logic dựa trên các tín hiệu đầu vào từ các cảm biến theo thời gian thực và theo lịch với các chức năng:
            + Chế độ hoạt động theo ngày trong tuần
            + Điều khiển tầng P-PI cho nhiệt độ
            + Điều khiển đa vùng
+ Cân bằng lưu lượng giữa khí tươi và khí thải
- Chế độ khi có cháy: Tính năng không cho phép biến tần ngừng hoạt động trong những điều kiện làm việc mà biến tần phải dừng hoạt động để tự bảo vệ. Khi có cháy biến tần sẽ tiếp tục hoạt động điều khiển quạt đảm bảo chức năng thông gió khi có cháy bất kể mọi loại  tín hiệu  điều khiển, liên động, hay  cảnh báo...
+ Kết nối BMS:  Khi kết nối hệ thống thì các đầu vào ra của biến tần sẽ trở thành các đầu vào ra của BMS.
+ Giám sát cộng hưởng tần số: Biến tần có khả năng tự động điều khiển quạt  hoạt động ngoài dải tần số cộng hưởng của hệ thống thông gió.
+ Tăng áp cầu thang: Khi có cháy biến tần hoạt động đảm bảo áp lực  cầu thang cao hơn áp lực ở các phần khác của công trình và lối thoát hiểm khi có cháy sẽ không bị khói xâm nhập.
+ Tiết kiệm chi phí đầu tư cho AHU: Biến tần được tích hợp bộ điều khiển logic Smart Logic Controller và 4 bộ điều khiển PID  tự chỉnh định thông số để điều khiển dòng khí với quạt, van nước và van gió.
c.Tính năng chuyên dụng cho máy nén
            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).
5.  HIỆU QUẢ TIẾT KIỆM ĐIỆN CỦA VIỆC SỬ DỤNG BIẾN TẦN TRONG ĐHKK
5.1. 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.
 5.2. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng của của biến tần trong các hệ thống ĐHKK làm lạnh gián tiếp
5.2.1. 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.
5.2.2. 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 [2].
VI. Kết luận
          Hệ thống và thiết bị ĐHKK có tiềm năng lớn về tiết kiệm điện. Tiết kiệm điện không chỉ giảm khoản tài chính phải dành để trả cho hóa đơn điện mà còn góp phần giảm tải cho hệ thống cung cấp điện.
          Biến tần cho phép điều khiển hệ thống và thiết bị ĐHKK hoạt động ở điểm làm việc tối ưu tương ứng với điều kiện vận hành và phụ tải thực. Do vậy của hệ thống và thiết bị ĐHKK luôn hoạt động với hiệu suất cao tiết kiệm năng lượng. Các sản phẩm thuộc dòng biến tần VLT HVAC Drive của Danfoss được thiết kế chuyên dụng cho các ứng dụng ĐHKK với các tính năng tiết kiệm năng lượng và tích hợp hệ thống cơ điện công trình. Với các biến tần này thì công tác thiết kế lắp đặt trở nên đơn giản đồng thời giảm được chi phí tích hợp, vận hành và bảo dưỡng hệ thống.
          Khả năng tiết kiệm điện qua việc sử dụng biến tần cho một hệ thống hay thiết bị ĐHKK 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 ĐHKK trung tâm thì con số này có thể đạt khoảng 30% và cao hơn.