Bài tập lớn môn kỹ thuật Điều khiển tự Động Đề tài phân tích, mô hình hóa và mô phỏng Đáp Ứng hệ kiểm soát nhiệt Độ bằng máy Điều hòa

Có nhiều cách để điều chỉnh nhiệt độ môi trường như: Trồng cây xanh; trang trí, thiết kế nhà cửa và một trong những cách phổ biến nhất để điều chỉnh nhiệt độ môi trường là sử dụng các th

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



BÀI TẬP LỚN MÔN KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

ĐỀ TÀI PHÂN TÍCH, MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐÁP ỨNG

HỆ KIỂM SOÁT NHIỆT ĐỘ BẰNG MÁY ĐIỀU HÒA

LỚP L03 - NHÓM 1 - HK 231

NGÀY NỘP 15/12/2023 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Minh Tuấn

Thành phố Hồ Chí Minh – 2023

MỤC LỤC

1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu về tầm quan trọng của hệ thống kiểm soát nhiệt độ bằng máy lạnh 1

1.2 Mục đích và phạm vi báo cáo 2

2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ BẰNG MÁY LẠNH 3

2.1 Các thành phần của bản của hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng máy lạnh 3 2.2 Máy nén khí 4

2.2.1 Nguyên lý hoạt động máy nén khí 4

2.2.2 Cấu tạo chung của máy nén khí 5

2.2.3 Một số dạng máy nén phố biến 5

2.3 Động cơ sử dụng trong máy nén khí 9

2.3.1 Động cơ AC 1 pha 9

2.3.2 Động cơ AC 3 pha 11

2.3.3 Động cơ DC không chổi than 12

2.4 Van tiết lưu 15

2.5 Bộ phận cảm biến 17

2.6 Bộ điều khiển 21

3 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ 22

3.1 Mô hình hóa hệ thống 22

3.2 Mô phỏng bằng Matlab Simulink 23

3.3 Đánh giá mô hình 25

1

1.1 Giới thiệu về tầm quan trọng của hệ thống kiểm soát nhiệt độ bằng máy

lạnh

Theo nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, hầu hết tất cả sự sống, hệ thống vật

lý, hóa học đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ Nhiệt độ là một đại lượng vật lý thể hiện mức

độ nóng hay lạnh của một vật thể Nhiệt độ môi trường là nhiệt độ của không khí, đất, nước, xung quanh chúng ta Nó là một yếu tố quan trọng trong môi trường sống và làm việc của con người, ảnh hưởng đến nhiều khía cạnh khác nhau của cuộc sống, bao gồm: Sức khỏe, tâm trạng, hiệu suất làm việc, Đặc biệt là khi nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp Nhiệt độ quá cao có thể gây ra những vấn đề như đau đầu, mệt mỏi, khô miệng, đau tim, đau đớn, và thậm chí là đột quỵ Trong khi đó, nhiệt độ quá thấp có thể gây ra những vấn đề như cảm lạnh, đông máu, và đau nhức cơ bắp Không chỉ ảnh hưởng đến con người mà nhiệt độ cũng ảnh hưởng và tác động không ít đến môi trường sống như:

Sự phát triển của thực vật, sự sinh trưởng của động vật, các hoạt động kinh tế - xã hội của con người Vì vậy việc duy trì nhiệt độ phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo sức khỏe và hiệu quả làm việc Có nhiều cách để điều chỉnh nhiệt độ môi trường như: Trồng cây xanh; trang trí, thiết kế nhà cửa và một trong những cách phổ biến nhất để điều chỉnh nhiệt độ môi trường là sử dụng các thiết bị làm mát hoặc sưởi ấm như: quạt, điều hòa, Máy lạnh là một thiết bị được sử dụng rộng rãi để giảm nhiệt độ trong môi trường sống và làm việc của con người Máy lạnh, còn được gọi là máy điều hòa không khí, là một thiết bị gia dụng, hệ thống được thiết kế để thay đổi các tính chất của không khí (thường là nhiệt độ và độ ẩm) đến mức độ mong muốn trong một diện tích cho trước như một căn nhà, văn phòng hoặc bên trong một chiếc ô tô Trên thực tế đã cho thấy hệ thống kiểm soát nhiệt độ bằng máy lạnh giúp tạo ra môi trường thoải mái và tiết kiệm năng lượng Máy lạnh giúp làm mát không khí, tạo ra môi trường thoải mái, dễ chịu cho con người Nhiệt độ thích hợp cho con người dao động từ 24 đến 27 độ C Khi nhiệt độ môi trường quá cao hoặc quá thấp, cơ thể con người sẽ phải làm việc nhiều hơn để duy trì nhiệt độ cơ thể ở mức ổn định Điều này có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe như say nắng, cảm lạnh, Hệ thống kiểm soát nhiệt độ bằng máy lạnh sẽ giúp duy trì nhiệt độ môi trường ở mức phù hợp, giúp con người cảm thấy thoải mái, dễ chịu, tập trung làm

2

việc tốt hơn Ngoài ra, máy lạnh hiện nay cũng sở hữu nhiều công nghệ thông minh như: Công nghệ Inverter, công nghệ cảm biến thông minh,… giúp tiết kiệm năng lượng một cách đáng kể Với những ưu điểm trên, hệ thống kiểm soát nhiệt độ bằng máy lạnh là giải pháp hiệu quả giúp tạo ra môi trường thoải mái và tiết kiệm năng lượng

1.2 Mục đích và phạm vi báo cáo

Hệ thống kiểm soát nhiệt độ bằng máy lạnh theo điều khiển on-off là một giải pháp đơn giản để kiểm soát nhiệt độ trong phòng Hệ thống này sử dụng máy lạnh để làm mát không khí trong phòng và điều khiển nhiệt độ bằng cách bật hoặc tắt máy lạnh Khi nhiệt

độ trong phòng cao hơn nhiệt độ mong muốn, máy lạnh sẽ được bật lên để làm mát không khí và ngược lại

Trong phạm vi báo cáo, nhóm sẽ tập trung vào hệ thống kiểm soát nhiệt độ bằng máy lạnh sử dụng điều khiển on-off Các phương pháp điều khiển khác sẽ không được

mô phỏng

3

BẰNG MÁY LẠNH

2.1 Các thành phần của bản của hệ thống điều khiển nhiệt độ bằng máy lạnh

Hệ thống kiểm soát nhiệt độ bằng máy lạnh có thể được mô tả như sau:

− Bộ phận làm lạnh: gồm dàn nóng, dàn lạnh, máy nén và van tiết lưu

− Bộ phận cảm biến: đưa tín hiệu về nhiệt độ, độ ẩm,… về bộ điều khiển để tính toán và điều khiển hệ thống

− Bộ điều khiển: bộ điều khiển có nhiệm vụ so sánh điều khiển nhiệt độ trong môi trường phù hợp với yêu cầu người dung Trong đó bộ điều khiển on-off có chức năng so sánh nhiệt độ đo được từ cảm biến nhiệt với nhiệt độ cài đặt Nếu nhiệt độ đo được thấp hơn nhiệt độ cài đặt, bộ điều khiển sẽ bật máy lạnh Ngược lại, nếu nhiệt độ

đo được cao hơn nhiệt độ cài đặt, bộ điều khiển sẽ tắt máy lạnh

Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống kiểm soát nhiệt độ bằng máy lạnh theo điều khiển on-off:

− Đơn giản, dễ thực hiện

− Có thể sử dụng cho các hệ thống có độ chính xác không cao

4

2.2 Máy nén khí

Máy nén khí – phần tử tác động khí nén trong hệ thống sử dụng để nén khí gas

sang dạng lỏng ở dàn nóng nhằm thoát nhiệt

Hình 2.1: Sơ đồ tuần hoàn gas trong hệ thống điều hòa

2.2.1 Nguyên lý hoạt động máy nén khí

Máy nén khí tạo ra khí nén Ở đó, năng lượng cơ học của động cơ đốt trong hoặc động cơ điện được chuyển thành năng lượng nhiệt năng và khí nén Máy nén khí hoạt động theo các nguyên lý cơ bản như sau:

Nguyên lý thay đổi thể tích: Có nghĩa là không khí được dẫn vào buồng chứa Sau

đó, buồng chứa dần dần thu nhỏ lại Áp dụng định luật Boyle-Matiotte thì áp suất trong buồng chứa tăng lên và máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này có thể kể đến máy nén khí piston, cánh gạt, bánh răng,…

Nguyên lý động năng: Không khí dẫn vào buồng chứa và được gia tốc bởi 1 bộ phận quay tốc độ cao Nhờ sự chênh lệch vận tốc khiến áp suất khí nén tăng lên và nguyên tắc này tạo ra lưu lượng và công suất là khá lớn Loại máy nén khí hoạt động theo nguyên tắc này điển hình nhất là dòng máy nén khí ly tâm

2.2.2 Cấu tạo chung của máy nén khí

Bình chứa khí (bình tích áp): bộ phận này có nhiệm vụ tích trữ lượng khí nén và cung cấp cho hệ thống khí nén khi có nhu cầu sử dụng đột ngột Duy trì áp suất trong hệ thống không giảm xuống 1 cách đột ngột, tránh ảnh hưởng đến quá trình làm việc của thiết bị, máy móc sử dụng khí nén

Cơ cấu nén khí: có chức năng nén khí gas thành dạng lỏng, máy nén có nhiều cơ cấu nén khí như piston, dạng swing, dạng xoắn,…

Động cơ: có chức năng cung cấp động lực cho cơ cấu nén khí, máy nén cũng có nhiều loại động cơ như Brush DC, BLDC, AC 1 pha, AC 3 pha,…

2.2.3 Một số dạng máy nén phố biến

2.2.3.1 Máy nén dạng piston

Máy nén dạng piston hay còn gọi là máy nén xoay chiều có cơ chế hoạt động rất linh hoạt Theo đó, thiết bị dựa trên sự chuyển động lên xuống của piston trong các quả xilanh tại đầu nén để nén môi chất Đây là dòng máy nén điều hòa được nhiều người dùng sử dụng bởi có chi phí thấp và dễ dàng lắp đặt

Nguyên lý hoạt động:

Quát trình hút: Khi piston chuyển động từ điểm chết bên trái sang điểm chết bên phải, thể tích trong xi lanh tăng đồng thời áp suất giảm xuất Khi áp suất trong khoang

hú cao hơn áp suất trong xi lanh, thì clape sẽ mở ra và hơi môi chất sẽ vào trong khoang

xi lanh Piston chuyển động là kết thúc quá trình hút

Quá trình nén: Khi piston chuyển động từ điểm chết trái sang điểm chết phải, áp suất khoang xi lanh tăng dần lén, khi áp suất trong khoang nén nhỏ hơn áp suất

6

Hình 2.2: Cấu tạo của máy nén khí dạng piston

Đặc điểm của máy nén piston trong điều hòa

Ưu điểm:

– Giá thành phù hợp với nhu cầu sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hằng ngày,– Kết cấu gọn, trọng lượng máy nhỏ, chiếm diện tích lắp đặt không lớn,

– Tiện lợi khi tháo lắp các cụm chi tiết,

– Có thể tạo ra áp suất lớn từ 2-1000 kg/cm2 và có thể lớn hơn nữa

– Chính sự phù hợp với các nhu cầu công việc của các đơn vị, tổ chức cá nhân nên dòng máy nén khí piston được bán với doanh số rất cao trên thị trường

Nhược điểm:

– Do có các khối lượng tịnh tiến qua lại nên máy nén khí piston hoạt động không cân bằng, làm việc còn khá ồn và rung động Khí nén cung cấp không được liên

Hình 2.3: Cấu tạo của máy nén khí dạng swing

Nguyên lý hoạt động của máy nén dạng swing:

Máy nén swing được tạo nên bởi sự kết hợp giữa máy nén xoắn ốc và động cơ DC

từ trở Nam châm neođim năng lượng cao có tác dụng biến toàn bộ phần giữa động cơ thành một nam châm siêu mạnh khi được gắn trực tiếp vào trục quay

Lợi ích của máy nén Swing trên máy lạnh

– Công nghệ máy nén swing trên máy lạnh có tác dụng làm tăng độ bền, giúp máy lạnh hoạt động êm ái, giảm thiểu mức độ gây ra tiếng ồn

– Thêm vào đó, máy nén swing còn giúp nâng cao hiệu suất máy lạnh, kiểm soát tốc độ của động cơ DC từ trở và duy trì nhiệt độ ổn định

8

– Máy nén Swing hoàn toàn loại bỏ khả năng rò rỉ dung môi làm lạnh, giảm thiểu tối đa việc tiêu phí năng lượng

2.2.3.3 Máy nén dạng xoắn

Loại máy bơm khí nén này không có van hút do đó loại bỏ được áp suất rơi tạo ra

từ các van do đó tăng hiệu suất năng lượng Bên cạnh đó, các luồng khí được nén liên tục, đồng thời do đó không tồn tại không gian chết, tăng hiệu suất thể tích lên gần 100%

Hình 2.4: Cấu tạo của máy nén khí dạng xoắn

Nguyên lý hoạt động của máy nén dạng xoắn:

Khi thực hiện quá trình nén, không khí được đưa vào khoảng trống giữa 2 đĩa xoắn tạo ra Khoảng trống giữa 2 đĩa xoắn hình thành khi 2 đĩa xoắn được đặt ăn khớp vào nhau, hình thành lên các túi dạng hình lưỡi liềm Hai đĩa này khép dần từng nấc và dần

đi vào tâm của hình xoắn ốc làm giảm thể tích, tạo áp suất lớn Khi tới tâm thì không khí đạt được áp suất đẩy và được nén qua cổng đẩy ở tâm của đĩa xoắn cố định Các túi khí được nén đồng thời và liên tiếp, tạo sự liên tục, ổn định, hiệu quả trong quá trình vận hành

9

2.3 Động cơ sử dụng trong máy nén khí

Các loại máy nén ROTO lăn sử dụng cho điều hòa có công suất vừa và nhỏ 2HP) thường sử dụng động cơ 1 pha, AC 220V Các máy nén có công suất lớn hơn (2HP trở lên) thì sử dụng động cơ 3 pha, AC 380V

(1-Hình 2.5: Động cơ trong máy nén roto lăn

2.3.1 Động cơ AC 1 pha

Cấu tạo của động cơ 1 pha AC: gồm hai phần stator và rotor Stato của động cơ

AC 1 được mắc bằng cách đặt hai cuộn dây lệch nhau một góc, dùng một dây nối trực tiếp với mạng điện và một dây nối với mạng điện thông qua tụ điện Lúc này, hai dòng điện trong hai cuộn dây sẽ lệch pha nhau và tạo ra trường quay

10

Nguyên lý hoạt động của động cơ 1 pha, AC trong máy nén:

Muốn cho động cơ điện 1 pha làm việc, stato của động cơ cần phải được cấp 1 dòng điện xoay chiều Dòng điện chạy qua dây quấn stato sẽ tạo nên một từ trường quay nhanh với tốc độ: n = 60f/p (vòng/ phút) Trong đó thì f chính là tần số của nguồn điện, còn p chính là số đôi cực của phần dây quấn stato

Trong quá trình quay, từ trường này sẽ liên tục quét qua các thanh dẫn của rôto, làm xuất hiện một sức điện động cảm ứng Vì dây quấn rôto đang kín mạch nên sức điện động này sẽ tạo dòng điện ở trong các thanh dẫn của rôto Các thanh dẫn có dòng điện lại nằm bên trong từ trường, nên chúng sẽ tương tác với nhau, tạo ra lực điện từ được đặt vào các thanh dẫn

Tổng hợp các lực ở trên đây sẽ tạo ra mô men quay đối với trục của roto, làm cho roto quay theo chiều cùng với chiều của từ trường

Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của động cơ 1 pha

11

2.3.2 Động cơ AC 3 pha

Cấu tạo của động cơ 3 pha AC cũm tương tự như 1 pha gồm:

Phần stator: Là tập hợp các tấm thép kỹ thuật điện rất mỏng ghép lại với nhau vào khung, bên trong có xẻ rãnh hoặc làm bằng khối thép đúc Phần dây sẽ được quấn đi qua các rãnh khe của stator

Phần rotor: Là phần quay của motor điện, nó được ghép lại bằng nhiều thanh kim loại để tạo thành dạng cái lồng có hình trụ ngay ngắn Rotor của động cơ được chia thành 2 loại, đó là: loại rotor lồng sóc được tạo thành từ nhiều thanh kim loại song song cùng và các dây quấn

Nguyên lý hoạt động của động cơ 3 pha, AC trong máy nén:

Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ là n1 = 60f/p.Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto và cảm ứng các sức điện động Vì dây quấn rôto nối kín mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh

ra dòng điện trong cácthanh dẫn rôto Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng đi Nguyên lý làm việc của động cơ điện không đồng bộ

ba pha:Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay với tốc độ là n1 = 60f/p.Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn rôto và cảm ứng các sức điện động Vì dây quấn rôto nối kín mạch, nên sức điện động cảm ứng

sẽ sinh ra dòng điện trong cácthanh dẫn rôto Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn mang dòng điện rôto, kéo rôto quay với tốc độ n < n1 và cùng chiều với n1.ện rôto, kéo rôto quay với tốc độ n < n1 và cùng chiều với n1

12

Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động của động cơ 3 pha

Tốc độ quay của rôto n luôn luôn nhỏ hơn tốc độ từ trường quay n1 vì tốc độ bằng nhau thì trong dây quấn rôto không còn sức điện động và dòng điện cảm ứng, cho nên lực điệntừ bằng không

Hệ số trượt của tốc độ: s = (n1-n)/n1

Tốc độ của động cơ: n= 60f/p.(1-s) (vòng/phút)

2.3.3 Động cơ DC không chổi than

Ngoài ra, đối với dòng máy invertor thì động cơ được sử dụng thường là loại DC không chổi than

Motor không chổi than bao gồm các bộ phận sau:

Stator: Thường bao gồm các lõi sắt (các lá thép kỹ thuật điện được ghép cách điện với nhau) và dây quấn Cách quấn dây của động cơ không chổi than cũng khác so với cách quấn dây của động cơ xoay chiều 3 pha thông thường

Rotor: Về cơ bản, bộ phận này cũng tương tự như các động cơ có nam châm vĩnh cửu khác

Hall sensor: Do đặc thù của sức phản điện động của động cơ BLDC có dạng hình thang nên cấu hình điều khiển thông thường của nó cũng cần có cảm biến xác định vị trí

13

của từ trường rotor trong tương quan với các pha của cuộn dây stator Để làm được điều

đó, người ta thường sử dụng cảm biến hiệu ứng Hall, có thể gọi tắt là Hall sensor

Hình 2.10: Động cơ DC không chổi than

Nguyên lý làm việc của động cơ DC không chổi than:

Động cơ DC không chổi than có đặc điểm là không sử dụng chổi than Với những động cơ có chổi than, chổi điện sẽ truyền dòng điện qua cổ góp để chạy vào các cuộn dây trên rotor

Động cơ không chổi than không lan truyền dòng điện đến các cuộn dây rôto bởi vì các cuộn dây này không hề nằm trên rôto Thay vào đó, roto chính là một nam châm vĩnh cửu, nó có các cuộn dây không quay mà được cố định vào vị trí ở trên stato Vì các cuộn dây này không di chuyển nên người ta không cần chổi than cũng như cổ góp Trong động cơ không chổi than, người ta sẽ quay nam châm vĩnh cửu bằng cách thay đổi hướng của từ trường được tạo ra bởi các cuộn dây được sắp xếp đứng yên xung quanh nó Để điều khiển chuyển động quay đó, bạn cần điều chỉnh độ lớn kết hợp hướng của dòng điện chạy vào các cuộn dây này