Bộ biến tần cho máy bơm tăng áp và hệ thống điện mặt trời PV – ứng dụng, cấu tạo và điểm khác biệt

Bộ biến tần là thành phần then chốt trong các hệ thống hiện đại sử dụng máy bơm tăng áp và ngày càng phổ biến trong các hệ thống quang điện, nơi thiết bị đảm nhiệm việc chuyển đổi năng lượng điện và điều chỉnh các thông số phù hợp với nhu cầu của phụ tải. Trong danh mục sản phẩm của Dambat, dưới các thương hiệu IBO và IPRO, bộ biến tần chủ yếu được sử dụng như bộ điều khiển máy bơm thông minh, duy trì áp suất nước cài đặt bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của động cơ và điều khiển tối ưu hoạt động của toàn bộ hệ thống. Đối với người dùng cuối, điều này mang lại áp suất ổn định, tuổi thọ máy bơm cao hơn và tiết kiệm điện; còn đối với thợ điện, đây là một hệ thống mở rộng cho phép cấu hình các thông số vận hành như điện áp cấp cho biến tần, các đầu ra điều khiển và chức năng bảo vệ.

Bộ biến tần Dambat IBO và IPRO cho máy bơm tăng áp

Các bộ biến tần được sử dụng trong giải pháp của Dambat, chẳng hạn như dòng IVR IBO hoặc bộ điều khiển IPRO, được thiết kế để hoạt động cùng máy bơm giếng khoan, máy bơm đặt cạn và máy bơm tăng áp trong các hệ thống dân dụng cũng như công nghiệp. Những bộ biến tần này chuyển đổi năng lượng từ lưới điện thành dạng phù hợp với động cơ máy bơm, cho phép điều chỉnh tần số và điện áp theo nhu cầu sử dụng nước hiện tại và điều kiện của hệ thống. Trong một hệ thống điển hình, bộ biến tần kết hợp với cảm biến áp suất, nhờ đó duy trì áp suất nước không đổi khi lưu lượng sử dụng thay đổi. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các bộ tăng áp và hệ thống tưới tiêu.

Bộ biến tần một pha, thường dùng cho các hệ thống dân dụng nhỏ, cho phép cấp điện cho máy bơm tăng áp và máy bơm đặt cạn một pha, đồng thời duy trì khả năng điều chỉnh tốc độ quay êm và bảo vệ chống chạy khô, quá tải cũng như điện áp quá thấp hoặc quá cao. Bộ biến tần ba pha được sử dụng cho các máy bơm giếng khoan công suất lớn và các bộ máy bơm công suất cao, trong đó việc tận dụng đầy đủ khả năng của động cơ ba pha, đồng thời hạn chế dòng khởi động, kiểm soát tần số điện áp cấp và ổn định dòng tải là những yếu tố then chốt. Trong nhiều giải pháp Dambat, bộ biến tần ba pha cũng cho phép vận hành theo nhóm máy bơm, trong đó tầng điều khiển cuối phải cung cấp dòng điện phù hợp cho từng máy bơm tùy theo nhu cầu, đồng thời giám sát tần số điện áp và các thông số của lưới điện.

Bộ biến tần cho máy bơm và biến tần quang điện – điểm tương đồng và khác biệt

Về mặt điện, bộ biến tần cho máy bơm tăng áp và bộ biến tần cho hệ thống quang điện có sơ đồ chức năng tương tự: chúng chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, thường là chuyển đổi điện áp một chiều hoặc điện áp xoay chiều thành các thông số đầu ra phù hợp với thiết bị sử dụng. Trong cả hai giải pháp, điện áp của biến tần đóng vai trò quan trọng, cũng như điện áp một chiều trong mạch DC được tạo ra nhờ khối chỉnh lưu và tụ điện san phẳng được lựa chọn phù hợp trước khi đưa đến tầng điều khiển cuối. Bất kể ứng dụng nào, cấu tạo biến tần cũng bao gồm tầng trung gian chịu trách nhiệm lưu trữ năng lượng trong điện trường của tụ điện và kiểm soát điện áp tụ điện, nhờ đó ổn định điện áp đầu vào và điện áp cấp cho biến tần.

Biến tần quang điện chủ yếu được thiết kế như bộ chuyển đổi điện áp và tần số cho các nguồn điện áp một chiều. Thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều từ các mô-đun PV thành điện áp xoay chiều có các thông số phù hợp với lưới điện, để cấp điện cho phụ tải hoặc phát điện lên lưới điện. Trong các hệ thống Dambat, bộ biến tần cho máy bơm đảm nhiệm vai trò của một bộ điều khiển truyền động tiên tiến hơn – trên thực tế là bộ biến tần tần số được tối ưu hóa để điều khiển động cơ máy bơm, trong đó tần số điện áp cấp, biên độ điện áp của biến tần và giá trị dòng điện được điều chỉnh linh hoạt theo áp suất và lưu lượng yêu cầu. Trong các hệ thống PV, biến tần hybrid còn kết hợp với hệ thống lưu trữ năng lượng, sử dụng các nguồn điện áp một chiều từ tấm pin và ắc quy. Đây là điểm khác biệt so với bộ biến tần cho máy bơm thông thường, vốn thường sử dụng nguồn điện xoay chiều AC tiêu chuẩn.

Cấu tạo biến tần – các khối chính và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo điển hình của một bộ biến tần gồm một số khối cơ bản: bộ chỉnh lưu đầu vào, tầng trung gian với mạch DC và tầng cuối chịu trách nhiệm tạo điện áp đầu ra có tần số và biên độ điều chỉnh được. Bộ chỉnh lưu chuyển đổi điện áp xoay chiều từ lưới điện thành điện áp một chiều, sau đó điện áp này được lọc và lưu trữ bởi tụ điện để tạo ra điện áp đã chỉnh lưu ổn định ở mức phù hợp. Giá trị điện áp của tụ điện được mạch điện tử điều khiển giám sát, liên tục kiểm soát điện áp đầu vào, điện áp cấp cho biến tần và các nguồn điện áp một chiều nhằm ngăn các thông số của hệ thống vượt quá giới hạn cho phép.

Trong tầng cuối, thường sử dụng các transistor công suất của biến tần hoặc thyristor tắt bằng dòng điện. Các linh kiện này chuyển mạch nhanh điện áp trong các mạch đầu ra, tạo ra điện áp xoay chiều được điều chế theo các thông số cài đặt. Tùy theo cấu tạo, tầng cuối có thể hoạt động như một bộ chuyển đổi điện áp truyền thống với điều chế PWM, trong đó việc thay đổi điện áp và tần số cho phép điều chỉnh dòng tải và tốc độ động cơ, hoặc như một hệ thống biến đổi phức tạp hơn có chức năng tái tạo năng lượng. Trong các bộ biến tần Dambat IBO và IPRO, các giải pháp cho phép điều chỉnh chính xác công suất và thông số vận hành của máy bơm được sử dụng. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến công suất biến tần và phạm vi tải cho phép ở các mức điện áp cấp khác nhau.

Sơ đồ biến tần, đầu nối và giao diện đo lường

Sơ đồ ví dụ của bộ biến tần cho máy bơm và hệ thống công nghiệp thể hiện rõ sự tách biệt giữa mạch công suất và mạch điều khiển, bao gồm các thành phần như đầu nối điều khiển của biến tần, đầu vào điện áp, đầu vào dòng điện và đầu nối chung cho các tín hiệu kỹ thuật số. Sơ đồ đầu nối của biến tần thường bao gồm đầu nối nguồn điện lưới, đầu ra động cơ, đầu vào kỹ thuật số đa chức năng, đầu vào điện áp tương tự và đầu vào dòng điện tương tự. Nhờ đó, thiết bị có thể tích hợp với cảm biến áp suất, lưu lượng hoặc các bộ điều khiển BMS bên ngoài. Bộ biến tần tần số được cấu hình như vậy cho phép điều khiển, cài đặt thông số và giám sát hoạt động của máy bơm từ xa, đặc biệt quan trọng trong các hệ thống tăng áp và chữa cháy phức tạp.

Các bộ biến tần điện áp hiện đại cũng cung cấp đầu ra đo lường và đầu ra đo lường tương tự để truyền thông tin về áp suất, tần số, dòng tải và các thông số khác đến hệ thống cấp trên, cũng như đầu ra đo lường điện áp có thể phản ánh điện áp một chiều trong mạch DC hoặc biên độ điện áp của biến tần. Ngoài ra còn có đầu ra rơ-le hoặc đầu ra rơ-le đa chức năng để thông báo trạng thái vận hành, cảnh báo và tình trạng vượt ngưỡng cài đặt, cho phép tích hợp với hệ thống báo hiệu, tự động hóa tòa nhà hoặc hệ thống an toàn. Tùy theo mẫu biến tần Dambat, chức năng của biến tần còn có thể bao gồm khởi động máy bơm có trì hoãn, tự động chuyển đổi giữa các máy bơm và chạy thử sau sự cố chạy khô, giúp tăng độ tin cậy của toàn bộ hệ thống.

Thông số điện: điện áp, dòng điện và công suất biến tần

Khi lựa chọn bộ biến tần cho một máy bơm hoặc hệ thống PV cụ thể, cần chú ý đến các thông số điện quan trọng như điện áp cấp cho biến tần, điện áp một chiều trong mạch DC và điện áp xoay chiều ở đầu ra, vốn phải phù hợp với yêu cầu của động cơ hoặc phụ tải. Việc thay đổi điện áp và tần số của điện áp cấp ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị dòng điện và dòng tải. Vì vậy, công suất biến tần nên được lựa chọn có dự phòng so với công suất định mức của động cơ, đồng thời xét đến đặc tính khởi động, điều kiện làm mát và phương thức vận hành của máy bơm. Trong các hệ thống sử dụng máy bơm tăng áp, thường nên chọn biến tần có công suất cao hơn một chút so với công suất động cơ để tính đến tình trạng quá tải tức thời và đặc thù vận hành theo chu kỳ khi duy trì áp suất không đổi.

Trong các hệ thống quang điện, việc phối hợp với các nguồn điện áp một chiều cũng rất quan trọng – điện áp đầu vào phụ thuộc vào cấu hình các tấm pin, còn các bộ biến tần điện áp phải hoạt động trong phạm vi điện áp và dòng điện xác định để chuyển đổi năng lượng hiệu quả. Điện áp đã chỉnh lưu do bộ chỉnh lưu tạo ra và điện áp tụ điện trong tầng trung gian quyết định biên độ điện áp tối đa của biến tần ở đầu ra, từ đó quyết định phạm vi điều chỉnh tần số điện áp và mô-men xoắn khả dụng của động cơ. Khi lựa chọn thiết bị, nguồn cấp điện – dù là lưới AC hay các nguồn điện áp một chiều từ tấm pin – phải cung cấp điện áp dòng điện ổn định và đủ dự phòng công suất để các bộ biến tần có thể hoạt động trong toàn bộ phạm vi tải yêu cầu mà không vượt quá dòng điện cho phép.

Các mẫu biến tần Dambat, chức năng và ứng dụng

Các mẫu biến tần Dambat thuộc dòng IBO và IPRO được thiết kế cho nhiều ứng dụng, từ hệ thống tăng áp dân dụng đến hệ thống công nghiệp và tưới tiêu, nơi cần điều khiển chính xác hoạt động của máy bơm. Các mẫu biến tần hiện có cho phép vận hành máy bơm một pha và ba pha với công suất từ vài phần mười kW đến vài kW. Nhờ đó, có thể cấu hình cả các bộ đơn giản với một máy bơm lẫn các hệ thống mở rộng gồm nhiều tầng bơm và điều khiển theo tầng. Trong nhiều ứng dụng, biến tần một pha được sử dụng trong nhà ở, còn biến tần ba pha được lắp đặt tại các công trình lớn và hệ thống công nghệ, nơi dòng điện một chiều chỉ xuất hiện trong mạch trung gian, còn phía nguồn và đầu ra sử dụng điện áp xoay chiều.

Trong các giải pháp sử dụng máy bơm giếng khoan và máy bơm tăng áp, các chức năng của biến tần liên quan đến điều chỉnh áp suất, bảo vệ chống chạy khô, kiểm soát nhiệt độ động cơ và giám sát tần số điện áp cùng dòng tải đặc biệt quan trọng. Ở một số phiên bản, còn sử dụng biến tần hybrid, kết hợp khả năng cấp điện từ lưới và từ các nguồn điện áp một chiều thay thế. Điều này hữu ích tại các công trình có hệ thống PV riêng và bộ tăng áp. Nhờ các chức năng mở rộng, có thể hạn chế hiện tượng búa nước, kéo dài tuổi thọ thiết bị đường ống và giảm mức tiêu thụ năng lượng, mang lại cho toàn bộ hệ thống nước khả năng vận hành ổn định và tiết kiệm.

Đầu vào/đầu ra điều khiển và tích hợp với hệ thống tự động hóa

Bộ biến tần cho máy bơm Dambat hiện đại cung cấp nhiều giao diện, bao gồm đầu vào điện áp tương tự, đầu vào dòng điện tương tự và đầu vào dòng điện để kết nối cảm biến áp suất, mức hoặc lưu lượng, cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển nâng cao. Ngoài ra, đầu vào kỹ thuật số đa chức năng cho phép kết nối tín hiệu khởi động/dừng, vận hành thủ công, chế độ ưu tiên hoặc khóa bên ngoài. Các đầu nối điều khiển của biến tần được tách biệt rõ ràng khỏi mạch công suất, giúp đơn giản hóa việc thiết kế tủ điều khiển và hệ thống bảo vệ. Nhờ đó, bộ biến tần tần số có thể dễ dàng tích hợp với bộ điều khiển PLC cấp trên và hệ thống BMS mà không cần sử dụng các mạch trung gian phức tạp.

Ở phía đầu ra, ngoài đầu ra rơ-le truyền thống, thiết bị có thể có đầu ra rơ-le đa chức năng và đầu ra đa chức năng để báo hiệu trạng thái sự cố, hoạt động ở chế độ tự động hoặc đạt đến giá trị áp suất cài đặt trong hệ thống. Đầu ra đo lường tương tự và đầu ra đo lường điện áp cho phép truyền các thông tin như tần số điện áp, điện áp dòng điện hoặc dòng tải đến hệ thống giám sát và thiết bị ghi dữ liệu, giúp chẩn đoán lỗi và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống. Nhờ đó, chức năng của biến tần không chỉ dừng ở việc điều chỉnh tốc độ quay mà còn tạo thành một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh với khả năng giám sát từ xa, lưu trữ dữ liệu và thích ứng với các điều kiện vận hành thay đổi.

Sơ đồ biến tần ví dụ trong hệ thống có máy bơm và PV

Sơ đồ biến tần ví dụ khi sử dụng với máy bơm tăng áp giả định rằng điện áp xoay chiều từ lưới điện đi vào bộ chỉnh lưu, tại đây được chuyển đổi thành điện áp một chiều, sau đó đi qua tầng trung gian có các tụ điện để đến tầng cuối tạo ra điện áp biến tần có thể điều chỉnh. Trong hệ thống này, điện áp đã chỉnh lưu và điện áp tụ điện được giám sát liên tục; việc thay đổi điện áp và tần số điện áp được thực hiện theo tín hiệu từ đầu vào điện áp tương tự hoặc đầu vào dòng điện tương tự, đại diện cho giá trị dòng điện hoặc áp suất từ các cảm biến. Đầu nối chung và các đầu nối điều khiển của biến tần tạo thành một cấu trúc kết nối logic, trong đó mọi tín hiệu điều khiển và đo lường được sắp xếp để thuận tiện tối đa cho việc bảo trì và cấu hình.

Trong hệ thống quang điện, bộ chuyển đổi điện áp hoạt động như một bộ biến đổi, tiếp nhận điện áp đầu vào từ các nguồn điện áp một chiều như mô-đun PV và hệ thống lưu trữ năng lượng, sau đó các bộ biến tần điện áp tạo ra điện áp xoay chiều phù hợp với lưới điện, có tần số và biên độ xác định. Trong trường hợp sử dụng biến tần hybrid, thiết bị còn quản lý dòng năng lượng giữa nguồn điện lưới, hệ thống lưu trữ năng lượng và các phụ tải. Điều này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác dòng tải và liên tục phân tích các giá trị như điện áp dòng điện hoặc dòng điện sạc và xả của hệ thống lưu trữ. Trên thực tế, hoạt động của biến tần ba pha trong hệ thống PV và máy bơm tương tự nhau, nhưng được điều chỉnh cho các đặc tính tải khác nhau – một bên là các phụ tải thông thường, bên kia là động cơ máy bơm với các đường đặc tính cụ thể.

Tóm tắt – khi nào nên chọn từng loại biến tần

Trong các hệ thống sử dụng máy bơm tăng áp tại nhà ở, thông thường chỉ cần một bộ biến tần một pha được lựa chọn phù hợp, với các chức năng tập trung vào điều chỉnh áp suất, bảo vệ động cơ và điều khiển khởi động/dừng đơn giản, đồng thời tương thích với các nguồn cấp điện thông dụng. Tại các công trình lớn, nhà máy công nghiệp hoặc hệ thống có nhiều máy bơm, biến tần ba pha với công suất phù hợp và khả năng cấu hình nâng cao sẽ mang lại khả năng kiểm soát dòng tải tốt hơn và giảm tổn hao năng lượng khi vận hành liên tục. Trong các hệ thống PV, đặc biệt là hệ thống có lưu trữ năng lượng, biến tần hybrid cùng các bộ biến tần dòng điện và biến tần điện áp chuyên dụng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi hiệu quả năng lượng từ dòng điện một chiều sang điện áp xoay chiều, phù hợp với yêu cầu của lưới điện và phụ tải.

Việc lựa chọn thiết bị cụ thể luôn phải xem xét cấu tạo biến tần, mô hình cấu tạo do nhà sản xuất cung cấp và sơ đồ biến tần ví dụ chi tiết cùng mô tả các đầu nối và giao diện. Nhờ đó, thợ điện có chứng chỉ SEP có thể cấu hình chính xác đầu vào kỹ thuật số đa chức năng, đầu vào điện áp và đầu vào dòng điện. Cũng cần phân tích các thông số như điện áp cấp cho biến tần, tần số điện áp, điện áp một chiều trong mạch trung gian, cũng như đầu ra đo lường, đầu ra rơ-le và đầu ra đo lường tương tự hiện có. Điều này cho phép tích hợp đầy đủ với hệ thống tự động hóa và giám sát. Khi lựa chọn giải pháp Dambat, người lắp đặt nhận được tài liệu hỗ trợ và hướng dẫn mô tả chi tiết hoạt động của biến tần, sơ đồ đầu nối của biến tần và toàn bộ chức năng của biến tần dành cho máy bơm tăng áp cũng như các ứng dụng khác.