Ứng dụng điều khiển inverter để tiết kiệm điện năng cho thiết bị điều hoá nhiệt độ công suất 9 000 12 000 btu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VIỆT LONG ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN INVERTER ĐỂ TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHO THIẾT BỊ ĐIỀU HỊA NHIỆT ĐỘ CƠNG SUẤT 9.000 ÷ 12.000 BTU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN VIỆT LONG ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN INVERTER ĐỂ TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHO THIẾT BỊ ĐIỀU HÒA NHIỆT ĐỘ CƠNG SUẤT 9.000 ÷ 12.000 BTU Chun ngành: Tự động hóa Mã số: 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS ĐÀO VĂN TÂN HÀ NỘI - 2010 -2- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, toàn nội dung luận văn tồn kết trình bày luận văn tự thân thực hướng dẫn PGS.TS Đào Văn Tân Nội dung luận văn hoàn toàn phù hợp với tên đề tài đăng ký, phê duyệt theo định số 825/QĐ-MĐC Hiệu trưởng trường Đại học Mỏ - Địa chất chưa công bố cơng trình khoa học Các tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng nêu phần Tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày tháng năm 2010 Tác giả Nguyễn Việt Long -3- LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập lớp Cao học khóa trường Đại học Mỏ Địa Chất, tác giả tiếp cận cách có hệ thống kiến thức khoa học tiên tiến, đại ngành Tự Động Hóa Kết thúc khóa học, tác giả giao đề tài: “ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN INVERTER ĐỂ TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG CHO THIẾT BỊ ĐIỀU HÒA NHIỆT ĐỘ CƠNG SUẤT 9.000 ÷ 12.000 BTU ” Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đào Văn Tân tận tình hướng dẫn giúp đỡ tác giả tồn q trình thực luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn tập thể thầy cô giáo trường Đại học Mỏ Địa Chất, Khoa Nhiệt lạnh trường CĐ Điện tử - Điện lạnh Hà Nội, bạn bè đồng nghiệp quan tâm tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2010 Tác giả Nguyễn Việt Long -9- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Năng lượng yếu tố cần thiết cho tồn phát triển xã hội, đồng thời yếu tố trì sống trái đất Trong tương lai, nhiên liệu hố thạch dầu thơ, than đá, khí tự nhiên chiếm đa phần lượng tiêu thụ bị cạn kiệt, đồng thời việc sử dụng dạng lượng gây nhiều vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến môi trường sống Đây vấn đề lớn toàn cầu Đất nước trình phát triển hội nhập với kinh tế giới Nguồn lượng không nhiều, hiệu suất sử dụng lượng thấp Do vậy, Chính phủ ban hành nghị định số 102/2003/NĐ - CP ngày 23/9/2003 sử dụng lượng hiệu nhằm giảm giá thành sản phẩm, tăng sức cạnh tranh đảm bảo phát triển bền vững xã hội, góp phần thực Cơng ước quốc tế bảo vệ môi trường Sử dụng lượng cách hợp lý, tiết kiệm hiệu gọi tắt tiết kiệm lượng Trong trường hợp cần thiết, tính tốn đầu tư đổi kết hợp cơng nghệ đại với thành tựu thiết bị để giảm tiêu thụ lượng nâng cao hiệu suất Hệ thống điều hồ khơng khí đời, bước tiến lớn khoa học giới Tuy nhiên lý thuyết điều hoà khơng khí có từ đầu kỷ 20 đến khoảng năm 1920 áp dụng phát triển mạnh mẽ kể từ sau chiến tranh giới thứ hai Việt Nam nằm khu vực có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm Vì việc điều tiết khơng khí thơng gió có ý nghĩa lớn đời sống sản xuất Trong cơng nghiệp hệ thống điều hồ khơng khí ngày sử dụng rộng rãi, phục vụ đắc lực sản xuất, chế biến bảo quản sản phẩm Điều hồ khơng khí gần khơng thể thiếu ngành kinh tế như: thực phẩm, thuốc lá, chè, điện tử, quang học, phim ảnh, sinh học, khí xác, dược liệu qn Khơng điều hồ khơng khí cịn - 10 - dùng nhiều nơi nhà văn hoá, cung thể thao, câu lạc bộ, triển lãm, nhà hàng, khách sạn, chí gia đình tư nhân Việt Nam quốc gia phát triển, dân số đông, lại nằm vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, nên nhu cầu lắp đặt, sử dụng thiết bị điều hòa nhiệt độ cao Mức lượng tiêu thụ sử dụng điều hịa lớn Sử dụng hiệu thiết bị điều hòa nhiệt độ góp phần tiết kiệm điện lớn cho quốc gia Nhằm đáp ứng yêu cầu thực tế trên, tác giả lựa chọn nghiên cứu đề tài: “ Ứng dụng điều khiển INVERTER để tiết kiệm điện cho thiết bị điều hịa nhiệt độ cơng suất 9.000 ÷ 12.000 BTU ” Mục đích nghiên cứu * Phân tích hệ thống điều khiển thiết bị ĐHKK * Nghiên cứu hệ thống điều hòa Inverter *Ứng dụng động từ trở vào điều hòa Inverter để tiết kiệm điện Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tác giả nghiên cứu sử dụng biến tần Inverter động từ trở SRM cho máy nén khí điều hịa nhiệt độ dân dụng Nội dung nghiên cứu Phân tích đánh giá tổng quan sử dụng thiết bị điều hòa nhiệt độ Việt Nam giới Từ tính tốn, ứng dụng biến tần Inverter để điều khiển động từ trở SRM cho máy nén khí điều hịa nhiệt độ dân dụng Phương pháp nghiên cứu Xây dựng phương trình tốn học mơ tả hệ truyền động SRM, lựa chọn phương pháp điều khiển mềm dẻo Sau khảo sát mô hệ thống nghiên cứu để đưa đánh giá chi tiết kết đề xuất ứng dụng Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Xác định thông số, đặc tính hệ truyền động SRM * Đánh giá chất lượng hệ truyền động SRM Cấu trúc luận văn Đề tài luận văn thạc sỹ kỹ thuật “ Ứng dụng điều khiển INVERTER để tiết kiệm điện cho thiết bị điều hòa nhiệt độ cơng suất 9.000 ÷ 12.000 BTU ” gồm chương - 11 - Chương 1: Tổng quan sử dụng thiết bị điều hòa nhiệt độ Việt Nam giới Chương 2: Hệ thống điều khiển thiết bị điều hòa nhiệt độ Chương 3: Động từ trở (Switched Reluctance Motor) Chương 4: Xây dựng hệ thống điều khiển điều hòa Inverter Luận văn thực Bộ mơn Tự động hóa, Trường đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Trong trình thực tác giả nhận quan tâm, tận tình bảo PGS.TS Đào Văn Tân Tuy nhiên luận văn cịn nhiều thiếu sót, mong đóng góp ý kiến nhà khoa học, quý thầy cô, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Tác giả xin chân thành cảm ơn! Tác giả Nguyễn Việt Long -4MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐIỀU HÒA NHIỆT ĐỘ TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Ý nghĩa, nhược điểm phạm vi ứng dụng điều hịa khơng khí Việt Nam 1.2.1.Ý nghĩa 1.2.2 Nhược điểm 1.2.3 Phạm vi ứng dụng 1.2.3.1 Trong công nghiệp 1.2.3.2 Đối với đời sống hàng ngày người CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỀU HOÀ NHIỆT ĐỘ HIỆN TẠI 2.1 Khái niệm hệ thống điều hịa khơng khí 2.2 Các thiết bị máy điều hịa nhiệt độ 2.2.1 Máy nén khí 2.2.2 Dàn ngưng tụ dàn bay 2.2.3 Van tiết lưu 2.2.4 Các thiết bị khác 2.3 Môi chất lạnh (tác nhân lạnh) 2.4 Phân loại hệ thống điều hịa khơng khí 2.4.1 Hệ thống điều hịa cục Trang 12 12 15 15 16 16 16 17 19 19 19 19 20 21 21 21 23 23 2.4.2.1 Máy điều hòa khơng khí loại cửa sổ (Window Type) 23 2.4.1.2 Máy điều hịa khơng khí kiểu rời 25 2.4.2.3 Máy điều hịa khơng khí kiểu ghép (Multi - Split) 27 -52.4.2.4 Máy điều hòa kiểu hai mảnh thổi tự 2.5 Hệ thống điều hòa kiểu phân tán 2.5.1 Máy điều hịa khống khí VRV 2.5.2 Máy điều hịa khơng khí làm lạnh nước (WATER CHILLER) 28 29 29 31 2.6 Hệ thống điều hòa trung tâm 32 2.7 Hệ thống điều khiển thiết bị điều hòa nhiệt độ 33 2.7.1 Sơ đồ điện máy điều hòa dân dụng 36 2.7.2 Hệ điều khiển 37 2.7.2.1 Cảm biến 38 2.7.2.2 Các thiết bị điều khiển 38 2.7.2.3 Các thiết bị bảo vệ 38 2.7.3.4 Remote 41 2.7.3 Sơ đồ khối Module điều khiển điều hòa nhiệt độ 44 2.7.4 Vi mạch điều khiển điều hòa nhiệt độ 45 2.7.4.1 Các chế độ điều khiển nhiệt độ đặc trưng 45 2.7.4.2 Phương thức hoạt động 46 CHƯƠNG ĐỘNG CƠ TỪ TRỞ (SWITCHED RELUCTANCE MOTOR) 3.1 Tổng quan động từ trở 3.2 Cấu tạo đặc tính 3.2.1 Cấu tạo 3.2.2 Đặc tính 3.3 Nguyên lý phương thức hoạt động SRM 3.3.1 Nguyên lý 3.3.2 Phương thức hoạt động 3.4 Ưu nhược điểm động từ trở SRM 3.4.1 Ưu điểm 51 51 51 51 53 54 54 56 58 58 -63.4.2 Nhược điểm 3.5 Ứng dụng động từ trở 3.6 Cấu trúc điều khiển SRM 3.6.1 Cấu trúc nghịch lưu 3.6.2 Cấu trúc điều khiển có cảm biến vị trí 3.6.3 Cấu trúc điều khiển khơng cần cảm biến vị trí 3.6.4 Giảm momen lắc SRM CHƯƠNG XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU HÒA INVERTER 4.1 Nguyên tắc điều khiển 4.2 Cấu trúc điều khiển hệ truyền động SRM 4.3 Inverter sử dụng cho SRM 4.3.1 Bộ biến đổi phục hồi thụ động 4.3.2 Bộ biến đổi hai dây song song 4.3.3 Bộ biến đổi cầu H không đối xứng 4.3.4 Bộ biến đổi C - Dump 4.4 Bộ điều khiển 4.4.1 Bộ điều chỉnh PID 4.4.2 Bộ điều chỉnh PI 4.5 Tổng hợp điều khiển 4.5.1 Phương trình momen điện áp SRM 4.5.2 Mơ hình SRM với tín hiệu nhỏ 4.5.3 Sơ đồ khối hệ điều khiển động SRM 4.5.4 Thiết kế điều khiển dòng 4.5.5 Thiết kế điều khiển tốc độ 4.6 Mô hệ truyền động SRM tuyến tính 4.6.1 Điều kiện đầu vào 4.6.2 Các kết mô SRM 6/4 4.6.3 Đánh giá kết mô SRM 6/4 KẾT LUẬN Tài liệu tham khảo 59 59 59 59 62 63 66 67 67 69 71 71 71 72 72 74 74 74 74 75 77 79 81 82 84 84 89 92 94 - 85 Các thông số SRM 6/4 ba pha mô thử nghiệm mơi trường Matlab-Simulink Hình 4.15: Động SRM mơ thử nghiệm Mạch vịng điều khiển tốc độ hệ truyền động điện SRM xây dựng Matlab/Simulink có sơ đồ khối hình 4.16 - 86 - - 87 - Hình 4.17: Khối điều khiển dịng phát xung Hình 4.18: Khối đo vị trí phản hồi - 88 - Hình 4.19: Khối tín hiệu điều khiển tốc độ Hình 4.20: Bộ biến đổi Converter - 89 - Hình 4.21: Mạch cầu H khơng đối xứng 4.6.2 Các kết mô SRM 6/4 Hình 4.22: Kết mơ SRM 6/4 - 90 - Hình 4.23: Đồ thị từ thơng Hình 4.24: Đồ thị dịng điện - 91 - Hình 4.25: Đồ thị momen Hình 4.26: Đồ thị tốc độ - 92 4.6.3 Đánh giá kết mô SRM 6/4 Từ kết mơ phỏng, tác giả nhận thấy: • Tốc độ động SRM 6/4 ổn định, phẳng trình độ nhỏ, đạt tốc độ định mức 1500 rpm sau khoảng 0.22s • Dải điều chỉnh tốc độ rộng, tốc độ lớn (đã đề cập chương 3) có khả tăng tốc momen khởi động có giá trị lớn TeKD=150 N.m, Telv=10 N.m • Momen động đập mạch thời điểm chuyển mạch, nhiều lần chu kỳ, biên độ momen thay đổi (10 N.m ÷ 22 N.m) theo vị trí rotor gây tiếng ồn làm giảm hiệu điều khiển Đây nhược điểm động từ kháng SRM • Dịng điện khởi động dòng làm việc SRM nhỏ, IKD=12[A], Ilvđm=4[A], với động khởi động tụ IKD≈(3 ÷ 5)Ilvđm≈(21 ÷ 35) [A] (Theo hãng Sharp động máy nén có thơng số: P = 1.100 W, Iđm = 6.9 A, ω = 1500 rmp) • Các kết mơ thể tồn trình làm việc, đáp ứng hệ thống với độ xác cao, qua ta xem xét thay đổi thiết kế, cấu trúc hệ thống để thu kết tối ưu • Các ưu điểm sử dụng phương pháp mơ hình hố mơ là: Giảm thiểu tối đa thời gian chi phí việc thiết kế kiểm tra hệ thống Lựa chọn nhiều kỹ thuật giải pháp • Dùng biến tần Inverter điều khiển tốc độ động SRM máy nén khí điều hịa nhờ tín hiệu sai lệch đầu vào điều khiển, nhiệt độ đạt định mức máy nén giảm công suất ngược lại, tránh tượng bật/tắt liên tục trình hệ thống làm việc Trên bảng 4.1 thông số số thiết bị điều hịa hai chiều có công suất 12.000 Btu sử dụng rộng rãi Theo số liệu bảng 4.1 ta nhận thấy, thiết bị điều hịa cơng suất 12.000 BTU sử dụng inverter động SRM có cơng suất tiêu thụ máy nén thấp so với thiết bị điều hòa Non - Inverter Pcomp-Inverter = 600 W, Pcomp-Non Inverter = 1.100 W Mặt khác, thời gian làm việc cơng suất tiêu thụ trung bình dàn nóng dàn lạnh điều hịa Inverter thấp so với điều hịa Non- - 93 Inverter có công suất ( PTB = 837.5W