Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy nén lạnh tiết kiệm điện năng

nam 20.48 NHIEM VU LUAN VAN THAC SI I- Tén dé tai: NGHIEN CUU THIET KE HE THONG DIEU KHIEN MAY NEN LANH TIET KIEM DIEN NANG II- Nhiệm vu va nội dung: - _ Nghiên cứu tổng quan về tính

TRUONG DAI HOC CONG NGHE TP HCM

101441

HUTECH University

TRÀN VIỆT HÙNG

NGHIEN CUU THIET KE HE THONG DIEU

KHIỂN MÁY NÉN LẠNH TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã sô ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HUTECH LIBRARY

TP HÒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2015

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Mã

i

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Công nghệ TP HCM

ngay2A thang 3 năm-¿945

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

oe

TS “yen đụng

TP HCM, ngaydo thang.A nam 20.48

NHIEM VU LUAN VAN THAC SI

I- Tén dé tai:

NGHIEN CUU THIET KE HE THONG DIEU KHIEN MAY NEN LANH

TIET KIEM DIEN NANG II- Nhiệm vu va nội dung:

- _ Nghiên cứu tổng quan về tính toán lý thuyết cho hệ thống lạnh và động cơ

không đồng bộ, trên cơ sở đó điều khiển tốc độ máy nén để tiết kiệm điện

năng

- Mô phỏng hệ thống lạnh và phương pháp điều khiển định hướng từ thông

FOC cho động cơ máy nén trên Matlab-Simulink

- - Đánh giá chỉ số hiệu quả năng lượng: giá trị vận hành non tải của hệ thống

lạnh có điều chỉnh tốc độ tương ứng với năng suất lạnh

- _ Đánh giá tiết kiệm điện năng của động cơ khi điều chỉnh tốc độ động cơ của

máy nén theo phụ tải lạnh

IH- Ngày giao nhiệm vụ: 18/8/2014

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/1/2015

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

ee

PGS.TS Lé Minh Phuong

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công

trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Trần Việt Hùng

LOI CAM ON

Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp.HCM,

Phòng Đào tạo Sau Đại học và Quý Thầy Cô trong Khoa Cơ-Điện-Điện tử đã tạo điều

kiện thuận lợi và góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành chương trình Thạc sĩ

2013 — 2015 và luận văn này

Đặc biệt, tôi xin bay tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS.TS LẺ MINH PHƯƠNG đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, tin tưởng và tạo mọi điều kiện thuận lợi

cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM, các bạn đồng nghiệp trong Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình

làm luận văn

Tôi cũng xin cảm ơn đến Thư viện Trung tâm ĐHQG Tp.HCM, Thư viện trường ĐH Công nghệ Tp.HCM đã tạo điều kiện giúp tôi tiếp cận với các nguồn tài

liệu, sách, báo, tạp chí khoa học

Tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài Đây cũng là nguồn động viên tinh thần quý báu nhất giúp tôi thêm tự tin và nỗ lực trong học tập và nghiên cứu

Trần Việt Hùng

TOM TAT

Hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, tòa nhà, trung tâm thương mại, khách sạn Quá

trình vận hành những hệ thống này tiêu thụ rất nhiều điện năng, có thể chiếm đến 50-

70% tổng lượng điện tiêu thụ của toàn doanh nghiệp, trong đó điện năng tiêu thụ của máy nén lạnh chiếm khoảng 75% tổng điện năng tiêu thụ của toàn bộ hệ thống lạnh

Các hệ thống và thiết bị lạnh 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 lạnh làm trong ở điều kiện vận hành non tải Chọn phương pháp

điều chỉnh năng suất lạnh nào là tùy thuộc vào tính chất của đối tượng làm lạnh, độ

chính xác nhiệt độ cần duy trì trong buồng lạnh, kiểu loại máy nén, phương pháp truyền động, đặc điểm cầu tạo máy nén Khi điều chỉnh năng suất lạnh, có thể giảm

số lần khởi động xuống đáng kể, giảm hao mòn cho các cơ cấu truyền động Động cơ cũng làm việc ở chế độ thuận lợi hơn nên khả năng kéo dài tuổi thọ động cơ lớn hơn

Biến tần cho phép điều khiển máy nén lạnh hoạt động ở điểm làm việc tối ưu tương

ứng với điều kiện vận hành và phụ tải thực Do vậy hệ thống lạnh luôn hoạt động với

hiệu suất cao tiết kiệm năng lượng

Đề tài luận văn “NGHIÊN CỨU THIẾT KÉ HỆ THÓNG ĐIÊU KHIEN MAY

NÉN LẠNH TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG” mục đích để đánh giá mức sử dụng điện

năng của động cơ máy nén lạnh Luận văn đã đạt được các kết quả sau:

- _ Nghiên cứu tổng quan về tính toán lý thuyết cho hệ thống lạnh và động cơ

không đồng bộ, trên cơ sở đó điều khiển tốc độ máy nén để tiết kiệm điện năng

- _ Mô phỏng hệ thống lạnh và phương pháp điều khiến FOC cho động cơ máy nén trên Matlab-Simulink

- Đánh giá chỉ số hiệu quả năng lượng: giá trị vận hành non tải của hệ thống

lạnh có điều chỉnh tốc độ tương ứng với năng suất lạnh IPLV¡ = 5,642 thấp

hơn so với khi không điều chỉnh năng suất lạnh IPLV› = 6,5381 Do đó khi

điều chính tốc độ của máy nén sẽ tiết kiệm được 13,7% điện năng so với không điều chỉnh

- - Đánh giá tiết kiệm điện năng của động cơ: điện năng tiết kiệm được trong một

năm khi điều chỉnh tốc độ động cơ của máy nén theo phụ tải lạnh so với

phương pháp điều khiển ON-OFE là 26%

Số tiên tiết kiệm trong 1 năm đồng 24 703 694

Kết quả nghiên cứu đã đạt được các thông số cơ bản của một hệ thống lạnh trong điều

kiện vận hành ổn định, có thể sử dụng để đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số vận

hành đối với một hệ thống lạnh qua đó điều chỉnh năng suất lạnh phù hợp để tiết kiệm điện năng

Cooling and air conditioning systems are widely used in the industries of food processing, buildings, commercial centers, hotels, The operation of these systems consume a lot of power, can account for 50-70% of the total power consumption of the entire enterprise, in which the power consumption of refrigeration compressor account for about 75% of the total power consumption of the entire refrigeration system The refrigeration systems and equipments is usually designed enough to operate when the environmental outside conditions are hardest with the largest load capacity, so in most of the time, the system operates in lack of load operating conditions The selected method to adjust refrigerating capacity will depend on the properties of the object cooling, the accuracy of maintained temperature in the cold chamber, the type of compressors, the drive methods, the structure characteristics of

compressors, When the refrigerating capacity is adjusted, it can reduce the number

of starts significantly, reduce erosion of the actuators The motor also works in a more

convenience mode, so the life of motor is longer The inverter permits to control the refrigeration compressor to operate at optimal operating point corresponding to the operating conditions and load reals Therefore, refrigeration system always operates with high efficiency and energy saving

The purpose of the thesis "RESEARCH, DESIGN THE CONTROL SYSTEM

ON POWER SAVINGS FOR REFRIGERATION COMPRESSOR" is to evaluate

the power using level of the motor of refrigeration compressor This thesis has achieved the following results:

— Researched the overview theoretical calculations for refrigeration systems and induction motors, thereby controlled the compressor speed to save power

— Simulated the refrigeration system and FOC control method for compressor motor in Matlab-Simulink

adjusted, IPLV2 = 6.5381 Therefore, adjusting the speed of the compressor saves energy by 13.7% compared with no adjustment

The research has obtained the basic parameters of a cooling system in a stable operating conditions, this results can be used to evaluate the influence of the operating parameters on a refrigeration system, thereby can adjust suitable refrigerating capacity to save power

MUC LUC

2.1 Mô hình toán học của máy điện không đồng bộ[3], [4], [L0] [11]11

2.2 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ

2.2.4 Phương trình từ thông và điện kháng theo thời gian

2.3 Hệ tọa độ dq0 đứng yên và hệ tọa độ dq0 quay đồng bộ [3], [10] 19

2.3.1 Các phương trình của máy điện không đồng bộ

2.3.2 Các phương trình của máy điện không đồng bộ

trong hệ toạ độ quay đồng bộ

2.4 Mô hình máy điện không đồng bộ trong chế độ xác lập [3], [10]

Cơ sở lý thuyết kỹ thuật lạnh

3.1 Chu trình lạnh và sơ đồ nguyên ly [8], [9]

3.2 Tính toán chu trình [8], [9]

3.3 Môi chất lạnh [8], [9], [13]

3.3.1 Yêu cầu đối với môi chất lạnh

3.3.2 Một số loại môi chất lạnh thường sử dụng

3.4.4 Thiết bị tiết lưu

Mô phóng điều khiến từ thông FOC

4.1 Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ [4], [5]

4.2 Mô phỏng động cơ không đồng bộ [4], [5]

4.2.1 Phương trình tổng quát của động cơ

4.3 Mô phỏng điều khiển định hướng theo

vector tử thông rotor [4], [5], [11]

4.3.1 Thuật toán điều khiển định hướng từ thông (FOC)

4.3.2 Khối chuyển đổi điện áp từ trục tọa độ dq sang of

4.3.3 Khối chuyển đổi đòng điện từ trục tọa độ ABC sang

4.3.4 Khối chuyên đổi dòng điện từ trục tọa độ œ sang dq

4.3.5 Khâu điều chỉnh từ thông

4.3.6 Khâu giới hạn dòng điện

4.3.7 Phương pháp ước lượng từ thông và góc 9

4.3.8 Phương pháp ước lượng tốc độ

Khối mô phỏng môi chất lạnh [1], [2]

Khối mô phỏng máy nén [12]

Khối mô phỏng thiết bị ngưng tụ

Khối mô phỏng thiết bị bay hơi

Khối mô phỏng thiết bị tiết lưu

Kết quả mô phỏng

Đánh giá tiết kiệm năng lượng [14]

5,8.1 COP và ý nghĩa cua COP trong tiết kiệm năng lượng

5.8.2 PIC và cách tính % tiết kiệm điện năng

5.8.3 IPLV và ý nghĩa của IPLV trong tiết kiệm năng lượng

5.8.4 Kết quả tính toán theo chỉ số hiệu quả năng lượng

5.8.5 Đánh giá tiết kiệm điện năng của động cơ

Kết luận và hướng phát triển đề tài

6.1

6.2

Tài

Kết luận

Hướng phát triển đề tài

liệu tham khảo

DANH MUC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT

T: Hằng số thời gian rotor

e, COP Hệ số hiệu quả năng lượng

Tỷ số nén

Các ký hiệu chân

A,B,C Đại lượng ba pha của rotor, lưới

Các ký hiệu đỉnh

Chữ viết tắt

Không đồng bộ Max Operating Pressure Variable Frequency Drive Variable Refrigerant Volume Variable Speed Drive

Voltage Source Inverter Variable Voltage Variable Frequency Drive Electromotive Force

DANH MUC CAC BANG

Bảng 3.1 Hệ số truyền nhiệt k và mật độ dòng nhiệt các dàn lạnh 36

Bang 3.5 Tên thất áp suất Apa ở hiệu nhiệt Ah giữa dàn bay hơi và bình chứa 44

Bảng 5.7 Kết quả đánh giá khi điều chỉnh tốc độ động cơ máy nén 77

DANH MỤC CÁC BIEU BO, DO THI, SO DO, HINH ANH

Hình 1.1 Xả hơi nén về đường hút, phun lỏng qua rơle nhiệt độ T,

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa một hệ thống điều tốc độ động cơ với biến tần 9

Hình 3.13 Van tiết lưu nhiệt pilot kiểu PHT85 của Danfoss 46

Hình 4.9 Tín hiệu moment, từ thông, tốc độ và dòng điện của động cơ KĐB 54

Hinh 4.10 Cấu trúc cơ bản của phương pháp FOC

Hình 4.11 Khối mô phỏng cấu trúc FOC hiện đại

Hình 4.12 Khối mô phỏng chuyển đổi tọa độ dq sang af

Hình 4.13 Khối mô phỏng chuyển đổi tọa độ abc sang of

Hình 4.14 Khối mô phỏng chuyển đổi tọa dé af sang dq

Hình 4.15 Khối mô phỏng khâu điều chỉnh từ thông

Hình 4.16 Khối mô phỏng khâu điều chỉnh dòng điện

Hình 4.17 Khối mô phỏng ước lượng từ thông và góc quay

Hình 4.18 Khối mô phỏng ước lượng tốc độ

Hình 4.19 Tín hiệu từ thông và tốc độ của động cơ KĐB bằng phương pháp

FOC có ước lượng từ thông — tốc độ

Hình 4.20 Tín hiệu moment xoắn và dòng điện tải của động cơ KĐB bằng

phương pháp FOC có ước lượng từ thông — tốc độ

Hình 4.21 Tín hiệu moment, từ thông, tốc độ và dòng điện của động cơ KĐB

bằng phương pháp FOC ước lượng từ thông — tốc độ

Hình 4.22 Tín hiệu moment, từ thông, tốc độ và dòng điện của động cơ KĐB

bằng phương pháp FOC hồi tiếp tốc độ

Hình 5.1 Chu trình lạnh 1 cấp

Hình 5.2 Khối mô phỏng môi chất lạnh

Hình 5.3 Biểu diễn quá trình nén lý thuyết và thực tế trên đồ thị lợp - ¡

Hình 5.4 Khối mô phỏng máy nén

Hình 5.5 Khối mô phỏng thiết bị ngưng tụ

Hình 5.6 Khối mô phỏng thiết bị bay hơi

Hình 5.7 Khối mô phỏng thiết bị tiết lưu

Hình 5.8 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống lạnh trên Matlab-Simulink

Hình 5.9 Đặc tính đánh giá khi nhiệt độ bay hơi to=6°C

Hinh 5.10 Đặc tính đánh giá khi tốc độ n=1400 rpm

Hình 5.11 Quan hệ giữa công suất và tốc độ theo nhiệt độ và năng suất lạnh

Hình 5.12 Quan hệ giữa đòng điện và moment theo nhiệt độ và năng suất lạnh

Hình 5.13 Sơ đồ khối mô phỏng điều khiển máy nén trên Matlab-Simulink

GIỚI THIỆU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống lạnh đều có máy nén, bơm và quạt, phần lớn thời gian các hệ thống lạnh

hoạt động trong ở điều kiện vận hành non tải Trong đó động cơ máy nén chiếm

khoảng 70% điện năng tiêu thụ của hệ thống lạnh [13], do đó điều chỉnh năng suất

lạnh nhằm mục đích vận hành một cách tối ưu và kinh tế, duy trì nhiệt độ yêu cầu

trong buồng lạnh không đổi ở các điều kiện vận hành thay đổi Điều chỉnh năng suất

lạnh máy nén có những phương pháp thay đổi vòng quay trục khủy của máy nén sẽ

giảm được các tổn thất, trong khi phương pháp điều chỉnh lưu lượng môi chất qua van

có hiệu suất thấp do tổn thất cao Việc xây dựng một bộ điều khiển động cơ máy nén

là vấn đề cấp bách để giảm chỉ phí điện năng của một hệ thống lạnh

2 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu là điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ của máy nén thông qua đó

điều chỉnh được năng suất lạnh tương ứng với phụ tải Tuy nhiên, trên thực tế có rất

nhiều đối tượng điều khiển khác nhau, với các yêu cầu và đặc tính phức tạp khác nhau

Do đó cần phải tiến hành nghiên cứu, tìm ra các phương pháp điều khiển cụ thể cho

từng đối tượng Mục đích cuối cùng là tìm kiếm các bộ điều khiển cho các hệ truyền

động điện ngày càng đạt được chất lượng điều chỉnh cao, mức chỉ phí thấp, và hiệu

quả đạt được là cao nhất, đáp ứng các yêu cầu tự động hoá trong hệ thống lạnh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ không đồng bộ của máy nén

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha của máy nén bằng phương pháp điều khiển định hướng từ thông FOC

4 Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nghiên cứu để tài khoa học này, thì cần phải kết hợp hai phương

pháp sau:

- _ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các vấn đề về mô hình động

cơ không đồng bộ, các phương pháp điều khiển kinh điền và hiện đại

- Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab, tạo dữ liệu mô phỏng,

mô phỏng kiểm tra

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Kết quả nghiên cứu của dé tai sẽ góp phần hoàn thiện một phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh cho các hệ thống lạnh có phụ tải biến thiên Qua đó sẽ tiết kiệm

điện năng tiêu thụ cho một hệ thống lạnh

Tạo các phần mềm mô phỏng hệ thống lạnh để phục vụ nghiên cứu và giảng dạy

6 Kết cầu luận văn

Chương l Tổng quan về tự động hóa máy nén lạnh

Chương 2 Mô hình hóa máy điện đồng bộ

Chương 3 Cơ sở lý thuyết kỹ thuật lạnh

Chương 4 Mô phỏng điều khiển định hướng từ thong FOC

Chương 5 Mô phỏng hệ thống lạnh

Chương 6 Đánh giá năng lượng

Kết luận - Hướng phát triển dé tai

Chuong 1

TONG QUAN VE TU DONG HOA MAY NEN LANH

1.1 Đặt vấn đề [6], [7]

Hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí được sử dụng rộng rãi trong các ngành

công nghiệp chế biến thực phẩm, tòa nhà, trung tâm thương mại, khách sạn Trong

quá trình vận hành những hệ thống này tiêu thụ rất nhiều điện năng, có thể chiếm đến

50-70% tổng lượng điện tiêu thụ của toàn doanh nghiệp [13 |

Tổng quát, hệ thống lạnh 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 lạnh Đặc tính làm việc của hệ thống và thiết bị lạnh được điều khiển qua việc điều

khiển tốc độ các động cơ bơm, quạt và máy nén

Các hệ thống và thiết bị lạnh thường được thiết kế để có thẻ 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 lạnh 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 lạnh sẽ không

hoạt động ở điểm làm việc tối ưu và hiệu suất làm việc của hệ thống và thiết bị lạnh sẽ

không cao dẫn tới hao phí điện năng

Trong đó điện năng tiêu thụ của máy nén lạnh chiếm khoảng 75% tổng điện năng

tiêu thụ của toàn bộ hệ thống lạnh do đó máy nén giữ vai trò quyết định đối với:

— Năng suất lạnh

— Suất tiêu hao điện năng

— Tuổi thọ

—_ Độ tin cậy và an toàn của hệ thống

Chính vì vậy, tự động hóa máy nén lạnh đóng vai trò quan trọng nhất đối với việc

tự động hóa hệ thống lạnh Tự động hóa máy nén lạnh bao gồm:

— Điều chỉnh tự động năng suất lạnh

— Điều khiển điện động cơ máy nén và bảo vệ động cơ máy nén,

— Bảo vệ động cơ máy nén khỏi các chế độ làm việc nguy hiểm như áp suất đầu đây

quá cao, áp suất hút quá thấp,hiệu áp suất dầu quá tháp, nhiệt độ đầu đây quá cao, nhiệt độ dầu quá cao, mức đầu trong cácte quá cao hoặc quá thấp, thiếu nước làm

mát đầu xilanh, nhiệt độ nước làm mát đầu xilanh quá cao

— Báo hiệu chế độ dừng, làm việc cũng như báo hiệu và báo động các chệ độ làm

việc bình thường, nguy hiểm cũng như sự cố

1.2 Phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh máy nén [6], [7], [12]

Điều chỉnh năng suất lạnh máy nén pittông có những phương pháp cơ bản sau:

— Đóng ngắt máy nén “ƠN - OFF”

— Tiết lưu hơi hút

— Bypass tự động hay xả hơi nóng ở đường đây quay trở lại đường hút theo nhánh phụ

— _ Vô hiệu hóa từng xilanh hoặc từng cụm xilanh trên một máy nén nhiều xilanh

— Thay đổi vòng quay trục khủy của máy nén

Bảng 1.1 Đặc điểm cấu tạo và phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh [6J

Như sô | Tôn thật

phép, các loại máy điều hòa nhiệt độ phòng

Ưu điểm: đơn giản, rẻ tiền, lắp đặt bảo đưỡng sửa chữa dễ dàng

Nhược điểm: có tổn thất do khởi động động cơ nhiều lần; chỉ sử dụng cho các loại máy nén nhỏ Độ dao động sai số lớn, không áp dụng cho các yêu cầu chính xác

7, - thời gian làm việc của 1 chu kỳ

r„ - thời gian của 1 chu kỳ

1.2.2 Tiết lưu hơi hút

Năng suất lạnh của máy nén được tính theo biểu thức:

1 Trong đó:

m - lưu lượng môi chất qua máy nén kg/s

qo - năng suất lạnh riêng khối lượng, kJ/kg

vị - thể tích riêng hơi hút về máy nén (trạng thái 1), mỶ/kg

Để điều chinh năng suất lạnh có thé thay déi vi va A Khi tiết lưu hơi hút vị tăng

lên, A giảm nên m giảm và Qo giảm

Ở vị trí 100% năng suất lạnh, hiệu áp suất Apn là tổn thất áp suất ngay trong dàn bay hơi Khi điều chỉnh áp suất hút p› xuống, năng suất lạnh giảm tương ứng Thí dụ, khi mở hoàn toàn van ổn áp năng suất lạnh đạt 100% Khi điều chỉnh áp suất hút trên van ổn áp xuống pni, áp suất sôi giảm xuống poi và năng suất lạnh giảm xuống còn 75% khi điều chỉng pn xuống pua, áp suất sôi po giảm xuống pu và năng suất lạnh còn 50%

Ưu điểm: đơn giản, dễ thực hiện, dễ lắp đặt vận hành bảo dưỡng sửa chữa

Nhược điểm: tổn thất tiết lưu lớn, hệ số lạnh giảm Phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh này thường gắn liền với quá trình điều chỉnh áp suất bay hơi, gây ra tôn thất

áp suất ngay trên vít điều chỉnh làm cho áp suất hút giảm xuống Nếu chấp nhận tác

động đó, cần phải thiết kế dụng cụ điều chỉnh cùng với tổng thể hệ thống lạnh.

1.2.3 Xã hơi nén về phía hút

- Xả hơi nén vê đường húi theo bypass

Xã hơi nén về đường hút bypass là xả hơi nóng thừa ở đường đây theo bypass vé đường hút qua van điều chỉnh áp suất lắp đặt trên bypass Bypass là một đường ống thông giữa đầu đây và đầu hút của máy nén, trên đó bố trí một van ôn áp duy trì áp suất

bay hơi theo yêu cầu Khi năng suất lạnh yêu cầu giảm, áp suất bay hơi giảm, van ổn áp

sẽ mở tương ứng xả hơi nóng từ đường đây trở lại đường hút Hơi nóng hoà trộn với hơi lạnh ra từ dàn bay hơi đi vào máy nén Như vậy lưu lượng môi chất thực chất đi vào đàn ngưng tụ và dàn bay hơi giảm, năng suất lạnh giảm Khi van OP (van én ap) đóng hoàn toàn là lúc máy lạnh đặt năng suất cao nhất Van OP mở càng to, năng suất lạnh càng nhỏ

Ưu điểm: Đơn giản

Nhược điểm: do hòa trộn với hơi nóng nên nhiệt độ hơi hút vào máy nén cao làm cho nhiệt độ cuối tầm nén cao làm cho dầu bị lão hoá nhanh, các chỉ tiết máy nén dễ

mài mòn, biến dạng, gãy hỏng Cần phải khống chế nhiệt độ đầu đây xuống dưới 140C

do đó củng phải hạn chế hơi nóng xả về đường hút và do đó phương pháp này cũng chỉ được hạn chế ứng dụng Phương pháp này không sử dụng cho môi chat NH3 va R22 cing

như môi chất có nhiệt độ cuối tầm nén cao Để bảo vệ nhiệt độ đầu đây không quá cao

người ta bố trí phun lỏng trực tiếp vào đường hút

Hình 1.1 Xả hơi nén về đường hút, phun lỏng qua rơle nhiệt độ T, van điện từ DT va

van tiết lưu tay TLT

- Xâ ngược trong đầu xilanh

Phương pháp xả ngược trong đầu xilanh cũng giống như xả hơi nén về đường hút theo bypass nhưng quá trình xả hơi được tiến hành ngay trong đầu xilanh không cần có

van ổn áp và chỉ thực hiện cho từng xilanh hoặc từng cụm xilanh bằng cách mở thông

khoang nén và khoang hút nối từng xilanh hoặc từng cụm xilanh tương ứng Thí dụ,

máy nén 4 xilanh chia làm 2 cụm thì chỉ có thể điều chình năng suất lạnh theo bậc 0 -

50 - 100%, máy nén 8 xilanh chia lam 4 cụm thì có thể điều chỉnh 0 ~ 25 - 75 - 100%

Cuộn dây điện từ

Buởng nén

Hình 1.2 Xả hơi ngược trong dau xilanh

1.2.4 Vô hiệu hoá xy-lanh

Sử dụng phổ biến cho máy nén piston — semi-xylanh

Nguyên lý: mở cưỡng bức van hút, hơi môi chất trả về carte trong hành trình nén cua piston

Mức điều chỉnh năng suất lạnh phụ thuộc vào số cặp xilanh của máy nén

Hình 1.3 Phương pháp nâng van hut 1.2.5 Thay đổi vòng quay trục khủy của máy nén

- _ Thay đổi vòng quay trục khuỷu qua đai truyền

Đối với các loại máy nén hở công nghiệp, có thể bế trí các cặp bánh đai khác

nhau với các tỷ số truyền động khác nhau để thay đổi năng suất lạnh của máy nén về

lý thuyết có thể thay đổi nhiều bậc thậm chí vô cấp với các loại bánh đai đặc biệt.

Năng suất lạnh điều chỉnh Qoác bằng năng suất lạnh đầy tải Qo nhân với tý số tốc

độ trước và sau khi điều chỉnh:

n

Ưu điểm: đơn giản

Nhược điểm: chỉ sử dụng cho máy nén hở truyền động đai Bộ phận thay đỗi tốc

độ cồng kẻnh, tháo lắp phức tạp

- _ Thay đổi vòng quay trục khuỷu bằng động cơ

Nếu sử dụng động cơ Dahlander cho máy nén, có thể thay đổi được tốc độ vòng quay máy nén theo hai cấp 0-50-100% hoặc ba cấp 0-25-50-100% nang suất lạnh

- Thay đôi tốc độ vô cấp qua biến tần

Điều chỉnh chính xác và kịp thời năng suất lạnh và các thiết bị kèm theo vừa đúng phụ tải yêu cầu là biện pháp tiết kiệm năng lượng tối ưu Chỉ có phương pháp thay đôi

tốc độ qua máy biến tần mới đáp ứng được yêu cầu trên Cùng một lúc có thể thay đổi

tốc độ vô cấp máy nén lạnh, quạt dàn lạnh, dàn ngưng hoặc bơm nước giải nhiệt, bơm

nước lạnh các loại Khả năng tiết kiệm năng lượng cao hơn hắn so với các phương pháp khác nhưng nhược điểm của phương pháp này là giá rất đắt

Hiện nay, nhiều hãng nổi tiếng trên thế giới về lạnh và điều hòa không khí đã nghiên cứu và áp dụng hệ điều khiển tốc độ VSD (Variable Speed Drive) bằng máy biến tần cho các hệ thống lạnh và ĐHKK như hãng Daikin (Nhật) sử dụng cho hệ thống ĐHKK kiểu VRV (Variable Refrigerant Volume) hoặc hãng Danfoss (Đan Mạch) cho

cả hệ thống lạnh và ĐHKK Sử dụng bộ biến tần (Frequency Converters) có thé loại bỏ được toàn bộ các bộ điều khiển truyền thống như khởi động động cơ Y/A, khởi động mềm, điều khiển đóng mở clapê gió (damper) hay gọi chung là điều khiển đóng mở dầu vào IGV (Inlet Guide Vane) Hiệu quả tiết kiệm năng lượng cũng hơn hẳn

1.2.6 Biến tần [13]

1.2.6.1 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) Ngoai ra, dién ap 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)

Công suất điện "

tần số lưới Công suất điện

tần sô biên đổi

Động cơ xoay chiêu

Hình 1.4 Sơ đồ minh họa một hệ thống điều tốc độ động cơ với biến tan

Biến tần mới được sản xuất, thương mại và ứng dụng rộng rãi trong khoảng lŠ năm gần đây chủ yếu là chủ yếu là do tiễn bộ trong lĩnh vực bán dẫn công suất với thế

hệ thứ 2 và thứ 3 của IGBT (ïinsulated 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

1.2.6.2 Các kiếu 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 phân 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)

a Bién tan gián tiếp

* Bién tan nguon dp (VSI)

- Biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung (VS-PWM-J): 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 chuyền mạch ở bộ nghịch lưu

- Biến tần nguồn áp điều chế biên độ (CS-PWM-D: Thời gian đóng cắt của các

khóa chuyên 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

CHỈNHIƯU Thanhcimộtchiều «= NGHỊCHLƯU TẢI

Hình 1.5 Sơ đồ mạch của biến tân nguồn áp điều chế độ rộng xung

* Biến tan nguon dong (CSI)

Các khóa bán dẫn trong phần nghịch lưu được nối với một nguồn đòng Nguồn dòng này được thực hiện qua mạch vòng điều khiển đòng 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

b Biến tần trực tiếp

Biến tần trực tiếp gồm hai loại sau:

- Biến tân Cyclo: Dùng các bộ chuyên 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 tân 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

1.3 Kết luận

Chọn phương pháp điều chỉnh năng suất lạnh nào là tùy thuộc vào tính chất của

đối tượng làm lạnh, độ chính xác nhiệt độ cần duy trì trong buồng lạnh, kiểu loại máy

nén, phương pháp truyền động, đặc điểm cấu tạo máy nén Khi điều chỉnh năng suất

lạnh, có thể giảm số lần khởi động xuống đáng kế, giảm hao mòn cho các cơ cấu truyền

động Động cơ cũng làm việc ở chế độ thuận lợi hơn nên khả năng kéo dài tuổi thọ động

cơ lớn hơn

Biến tần cho phép điều khiển máy nén lạnh hoạt động ở điểm làm việc tôi ưu

tương ứng với điều kiện vận hành và phụ tải thực Do vậy hệ thống lạnh luôn hoạt động với hiệu suất cao tiết kiệm năng lượng

Khả năng tiết kiệm điện qua việc sử dụng biến tần cho một hệ thống lạnh 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%

Chuong 2

MÔ HÌNH HOÁ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐÔNG BỘ

2.1 Mô hình toán học của máy điện không đồng bộ [3], [4], [10], [11]

Ta xét một mô hình máy điện không đồng bộ như sau:

Hình 2.1 Mô hình máy điện không đông bộ

Phương trình điện áp của stato là:

Phương trình điện áp của roto là:

dA,

d,, Ver = lu„F„ + dt Phương trình từ thông: Dựa trên khái niệm ma trận, từ thông móc vòng của dây quấn stato và roto theo hệ số tự cảm của dây quan va dong điện có thể viết dưới dạng ngắn

Ave Lae Lave jabe

a = [ste [abe jabe (2.3)

Ag = (Aas Aygo Aes )

gọn là:

Trong đó:

Awe =(Agys Ages Aer) (2.4)

i? =(lassipgotes)

t

ty = (lar sty shor)

Các ma trận con của hệ sô tự cảm có dang:

Ta có thể biểu diễn các điện khang theo sé vong day stato Ns, s6 vong day roto

N, va d6 tir tham cua khe hé khéng khi Pg:

của mô hình động cơ không đồng bộ nêu trên trở nên dễ dàng bằng cách biến đổi các

phương trình vi phân có hệ số tự cảm và hỗ cảm biến đổi theo t thành các phương

trình vi phân có hệ số tự cảm và hỗ cảm là hằng số

2.2 Mô hình toán học của động cơ không đồng bộ trong hệ qd0 tùy ý [3] [10]

Máy điện không đồng bộ 3 pha lí tưởng có khe hở không khí đối xứng Các hệ

qđ0 thường được chọn trên cơ sở tương thích với các thành phần khác của mạng Hai

hệ thường được chọn khi phân tích máy điện là hệ cố định và hệ quay đồng bộ Mỗi

hệ có những ưu điểm riêng và thích hợp với những mục đích riêng Trong hệ cô định, các biến dq của máy điện có cùng một thứ nguyên như các biến thường được ding trong hệ thống cung cấp điện Đây là lựa chọn thích hợp khi hệ thống cung cấp điện lớn hay phức tạp Trong hệ toạ độ quay đồng bộ, các biến dq là các biến xác lập trong

chế độ xác lập, một đòi hỏi tiên quyết khi rút ra mô hình tín hiệu nhỏ quanh điểm làm

việc đã chọn Trước hết ta xây dựng các phương trình của máy điện không đồng bộ

trong hệ toạ độ tuỳ ý quay với tốc độ œ = œ cùng chiều với roto Khi đó để có phương trình của máy điện trong hệ toạ độ cố định ta chi cần cho œ = 0 va néu cho @ = @e thi

ta có hệ phương trình trong hệ toạ độ quay đồng bộ với roto Trude hết ta viết phương

trình điện áp và mômen theo các đại lượng pha Quan hệ giữa các đại lượng abc và

qd0 tuỳ ý như hình vẽ Áp dụng phép biến đổi hệ toạ độ qd0 tuỳ ý vào các phương

trình này ta sẽ có các phương trình qd0 tương ứng

Hình 2.2 Vector không gian trong hệ trục tọa độ

Phương trình biến đổi từ hệ abc sang hệ qd0 là:

Trong đó f có thể là điện áp các pha, dòng điện hay từ thông của máy

Góc chuyền toạ độ 6(t) giữa trục q của hệ toạ độ quay ở tốc độ œ và trục a của hệ toạ

độ cố định có thể biểu diễn bằng biểu thức:

6(t) = Íø0)4:+6(0) (2.10)

Tuong ty, géc ,(t) gitra truc cla stato va roto cla pha a khi roto quay với tốc độ œ()

có thể biểu diễn bởi:

0

Các góc (0) và 6r(0) là các giá trị đầu của các góc này tại thời điểm t = 0

Ta có thể biểu diễn điện áp các cuộn dây stato abc dưới dạng ma trận:

vợ, =p Aare + pare jave (2 1 4)

Áp dụng các phép bién déi, [Tqao(@)] vao dién 4p, tir thông móc vòng và dòng điện,

vi =@]—-1 0 0|4#29+ pã#9+ re (2.17)

0 0 0

Sử dụng biến đổi ngược thích hợp để thay thế các dòng điện stato và roto bằng các thành phần dòng điện tương ứng qd0, phương trình trở thành:

Age = [7 20) rs” Lư @}Ƒ ig + [7,40 (| Ly [7m u@~Ø, Ị i”

d-axis

Hinh 2.3 So dé mach thay thé tuong duong trong hé toa d6 qd0

2.2.3 Phương trình mô men qd0

Tổng công suất vào tức thời của 6 dây quan stato và roto cho bởi:

Theo các đại lượng qđ0, công suất tức thời là:

Pin = sl” asigs t Vagdas + 2Vostns +Vardoy +V„i„ + 2vy,/n,) (2.29)

Ta có các số hạng r là tổn hao đồng, ip^ biểu thị tỉ lệ biến đổi năng lượng từ trường

giữa các dây quấn và số hạng œi biểu thị tỉ lệ năng lượng biến đổi thành công cơ

học Mô men điện cơ tạo bởi máy điện bằng tổng của các sé hang @Ai chia cho tốc

độ quay cua roto:

Sử dụng quan hệ giữa các từ thông ta có:

Như vậy có thể viết lại như sau:

3P

=5 31a (ipigs ~ lorie Với mục đích mô phỏng, việc chọn phương trình nào trong số phương trình

trên tuỳ thuộc vào việc sử dụng biến khi mô phỏng Một cách khác để rút ra phương

trình mômen là dựa vào mạch tương đương Trong các mạch theo trục q, d và Ö các phan tử điện trở biểu thị tôn hao đồng, các điện kháng biểu thị năng lượng từ trường

và các suất điện động biểu thị công cơ học Các suất điện động này là:

Công suất tác dụng liên quan đến các suất điện động này là công suât điện cơ của

máy:

Pon =3W|(E, —jE„ Ì(l— J4 ) +(E,, -jE,, \ú — ji,,) | (2.34)

Phương trình dién 4p qd0 cua stato:

DAgs + OA, +H sigs

Vos = PAs + Klos

Phuong trinh dién ap qd0 cua roto:

Vor = Pay +(O-O, Ag, + Urhar

= PAy, + Trig, 2.2.4 Phương trình từ thông và điện kháng theo thời gian trong hé toa độ tuỳ ý Các phương trình điện áp stato và roto:

=2 o,)** Va +

@,

Vas = m tá =aÝw Thy

Vos = < Vos + Klos (2.37)

=3 z— Xm (i, igs ~ irda] 2 2ø,

2.3 Hệ tọa độ dq0 đứng yên và hệ tọa độ dq0 quay đồng bộ [3], [10]

Thông thường, hiếm khi ta cần mô phỏng máy điện không đồng bộ trong hệ

tọa độ quay tuỳ ý Khi khảo sát hệ thống điện, tải là máy điện không đồng bộ sẽ được

mô phỏng cùng các thiết bị khác trong hệ thống nhờ hệ toạ độ quay đồng bộ Khi

khảo sát chế độ quá độ của các hệ thống truyền động có điều chỉnh tốc độ, thông

thường các máy điện không đồng bộ và các bộ biến đổi được mô phỏng nhờ hệ toạ

độ có định Còn khi khảo sát sự ổn định động với tín hiệu sai lệch nhỏ quanh một số

chế độ làm việc, ta thường dùng hệ toạ độ quay đồng bộ để tạo ra các giá trị xác lập của điện áp và dòng điện xác lập trong điều kiện không đối xứng

Do ta đã đưa ra các phương trình của máy điện không đồng bộ trong trường hợp tổng quát, nghĩa là các phương trình trong hệ toạ độ quay với tốc độ tuỳ ý, nên

các phương trình của máy điện không đồng bộ trong hệ toạ độ quay với tốc độ đồng

bộ và hệ toạ độ đứng yên dễ dàng suy ra từ các phương trình tổng quát bằng cách đặt

@= 0 hay w= @e Để phân biệt các hệ toạ độ này với nhau, ta thêm chỉ số s vào các biến viết trong hệ toạ độ đứng yên và chỉ số e vào các biến viết trong hệ toạ độ quay

đồng bộ

2.3.1 Các phương trình của máy điện không đồng bộ trong hệ toạ độ cố định Các phương trình điện áp:

vi, = ws th QD,

Vos =2y,, + Tyg, (2.41)

b _P

— 0, Wor — a2 + rig

y? =- Tự? +—~V¿y„ dr O, Vor O, Wor + r“dr

Yor = 2 Yor + Flo,

2.4 Mô hình máy điện không đồng bộ trong chế độ xác lập [3], [10]

Từ trạng thái làm việc xác lập của máy điện không đồng bộ khi điện áp cung cấp là 3 pha đối xứng ta có thể biểu diễn điện áp và dòng điện như sau:

v„y = Ƒ„„ cOs(@,f)

Ves =Vins mi 3

Tương tự điện áp và dòng điện roto ở hệ số trượt s được viết là:

Vựy = Ứ„y cos(sø,# —6,(0) -8) in =L np cos( set —8.(0)- 5-$,)

Vip = Vor cos{ sue -8, (0)-2] i = Ly cos{ soy" -4 (0)~¿~#) (2.49)

Vp = Vey cos( ss 0, (0)-6 dep =L yp cos{ sue“ -9 (0)-3-4,

Biến đổi các phương trình trên viết theo các biến abc thành các phương trình viết theo các biến qd0 có trục q trùng với trục pha a của stafto ta có:

Ủ, = Vis —IV55 = „e1

l =i — ly =1„e Set

ei) = (rae — oi) (2.50)

=(i, - jit, \e = [re

Trong đó các chỉ số trên s và r được dùng để chỉ các thành phần qd0 trong hệ toạ độ

J|sa,I~8,(0)-2~#) Je" (9)

đứng yên và trong hệ toạ độ roto Trong trạng thái xác lập, tốc độ quay của rotO bằng

hang sé @-(1 - s):

Thay vào biểu thức vec tơ không gian dòng điện và điện ap roto ta có:

B= V5, — Vi, = Vie Pelee

Phân tích trạng thái xác lập có kích thích hinh sin thường được thực hiện bằng cách dùng các đại lượng hiệu dụng và các đại lượng pha - thời gian