4.4.1 Thể tích hút lý thuyết
Thể tích hút lý thuyết của máy nén là năng suất hút của máy nén hay thể tích quét lý thuyết của các pittông trong một đơn vị thời gian
n z s d lt V = 4 2 (4-16) Trong đó:
Vlt - năng suất hút lý thuyết, m3/s hoặc m3/h
d - đường kính xilanh, m s - hành trình pittông, m n - tốc độ vòng quay, vg/s z - số pittông
4.4.2 Thể tích hút thực tế
Thể tích hút thực tế là thể tích thực tế của hơi môi chất lạnh ở trạng thái hút mà máy nén hút và nén lên áp suất áp suất cao đẩy vào TBNT theo điều kiện làm việc của hệ thống. Vtt = .Vlt , m3/s (4-17) Trong đó: - hệ số cấp Hệ số cấp là tỉ số giữa thể tích hút thực tế và thể tích hút lý thuyết = c.tl.w.r.k c - hệ số tổn thất do thể tích chết gây ra
tl - hệ số tốn thất tính đến môi chất tiết lưu ở van đẩy và máy nén w - hệ số tổn thất tính đến môi chất bị nóng lên
r - hệ số tốn thất tính đến môi chất bị rò rỉ qua secmăng k - hệ số tổn thất tính đến các tổn thất khác
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 60
b) Máy nén R22 c) Máy nén amoniac có con trượt
Hình 4.16 Hiệu suất thể tích và hiệu suất chỉ thị i phụ thuộc vào tỉ số nén
Hình 4.17 Tổn thất thể tích của máy nén
4.4.3 Năng suất khối lượng của máy nén
Năng suất khối lượng của máy nén là khối lượng môi chất mà máy nén thực hiện được trong một đơn vị thời gian hay là lưu lượng khối lượng của máy nén, đơn vị kg/s hoặc kg/h, ký hiệu là m. tt V v lt V m= = (4-18)
Trong đó: v - thể tích riêng của hơi hút về máy nén, m3/kg - khối lựơng riêng của hơi hút về máy nén, kg/m3
4.4.4 Hiệu suất nén và công suất động cơ yêu cầu
Hiệu suất nén là tỷ số giữa công nén lý thuyết và công nén thực tế cấp cho máy nén.
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 61 el S N N = (4-19) + Công nén lý thuyết Ns : Ns = m.l , kW
Công nén lý thuyết (công nén đoạn nhiệt) là công lý thuyết để nén hơi môi chất lạnh từ áp suất p0 đến pk . + Công suất chỉ thị Ni : i S i N N = Trong đó: i = w +b.t0, K w T T0 =
Công suất hữu ích Ne : Ne = Ni + Nms Nms= Vtt .Pms
Trong đó: Pms - áp suất ma sát Vtt - thể tích thực tế m3/s
Pms = 0,19 - 0,59 với môi chất Freon Pms= 0,49 – 0,69 với môi chất NH3
+ Công suất điện tiêu thụ Nel :
el td e el N N =
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 62
- Hiệu suất truyền động: td 0,95
- Hiệu suất truyền động của động cơ: el =0,800,95
Công suất động cơ lắp đặt:
Để đảm bảo hoạt động an toàn:Ndc = (1,12,1)Nel (4-20)
4.4.5 Năng suất lạnh của máy nén
Năng suất lạnh của máy nén (công suất lạnh của máy nén) là tích của năng suất lạnh riêng khối lượng và năng suất khối lượng mà máy nén thực hiện được trong một đơn vị thời gian.
Q0 = m x q0, kW (hoặc kcal/h) (4-21) Q0 - năng suất lạnh của máy nén, kW (hoặc kcal/h).
m - năng suất khối lượng, kg/s
q0 - năng suất lạnh riêng khối lượng, kJ/kg
Năng suất lạnh riêng khối lượng là năng suất lạnh của 1 kg môi chất lạnh sau khi qua tiết lưu:
q0 = h1 – h4, kJ/kg (4-22)
h1 - entanpi của hơi ra khỏi dàn bay hơi về máy nén h4 - entanpi của lỏng sau khi tiết lưu vào dàn bay hơi Gọi v1 là thể tích riêng của hơi hút về máy nén:
z n s v d v V v V m tt lt . . 4 1 2 1 1 = = = (4-23) Trong đó: Vtt - thể tích hút thực tế của máy nén, m3/s v1 - thể tích hơi hút về máy nén, m3/s - hệ số cấp
Vlt - thể tích hút lý thuyết của máy nén, m3/s d - đường kính pittông, m
s - hành trình pittông, m z - số xilanh hay số pittông n - số vòng quay trục khuỷu, vg/s
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 63 1 4 0 2 0 0 0 0 v q n z s d q v lt V q v tt V q m Q = = = = (4-24) Do q0 thay đổi và m cũng thay đổi vì và v1 thay đổi theo chế độ làm việc nên Q0 cũng thay đổi theo.
4.5 Các phương pháp điều khiển
4.5.1 Lựa chọn phương pháp điều khiển
Hình vẽ sau đây là ví dụ thể hiện trực quan ý kiến trên, giả sử ta có đặc tuyến PV sau. Khi mà ta giới hạn tần số động cơ ứng với đường thẳng nằm ngang tại công suất mặt trời là 50W, phần gạch chéo đỏ chính là phần công suất pin mặt trời mà ta không thể thu được. Nếu mà công suất mặt trời dưới 50W thì động cơ sẽ không quay, đồng nghĩa với việc khi đó hệ thống lạnh không hoạt động
Hình 4.19 Phần công suất bị mất khi giới hạn dưới tần số
Từ những phân tích ở trên, thì ta nhận thấy tốc độ động cơ sẽ bị giới hạn cả trên và dưới, từ đó ta sẽ lựa chọn phương pháp điều khiển V/f cho động cơ máy nén.
Với phương pháp điều khiển V/f, ta có thể dễ dàng trong việc điều khiển tốc độ động cơ, khi đó tần số động cơ sẽ nằm trong một khoảng nhất định và không lớn.
𝜔𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝜔 ≤ 𝜔𝑚𝑎𝑥 𝑓𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑓 ≤ 𝑓𝑚𝑎𝑥
4.5.2 Phương pháp điều khiển V/f
Phương pháp điều khiển V/f được sử dụng hầu hết trong các biến tần hiện nay. Tốc độ của ĐCKĐB tỉ lệ trực tiếp với tần số nguồn cung cấp. Do đó, nếu thay đổi tần số của nguồn cung cấp cho động cơ cũng sẽ thay đổi được tốc độ đồng bộ, và tương ứng là tốc độ của động cơ.
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 64
Tuy nhiên, nếu chỉ thay đổi tần số mà vẫn giữ nguyên biên độ nguồn áp cấp cho động cơ sẽ làm cho mạch từ của động cơ bị bão hòa. Điều này dẫn đến dòng từ hóa tăng, méo dạng điện áp và dòng điện cung cấp cho động cơ gây ra tổn hao lõi từ, tổn hao đồng trong dây quấn stator. Ngược lại, nếu từ thông giảm dưới định mức sẽ làm giảm khả năng mang tải của động cơ.
Vì vậy, khi giảm tần số nguồn cung cấp cho động cơ nhỏ hơn tần số định mức thường đòi hỏi phải giảm điện áp V cung cấp cho động cơ sao cho từ thông trong khe hở không khí được giữ không đổi. Khi động cơ làm việc với tần số cung cấp lớn hơn tần số định mức, thường giữ điện áp cung cấp không đổi và bằng định mức, do giới hạn về cách điện stator hoặc điện áp nguồn.
4.5.2.1 Phương pháp E/f
Ta có công thức sau [28]:
𝑎 = 𝑓
𝑓đ𝑚
Với: f là tần số làm việc của động cơ, fdm là tần số định mức của động cơ.
Giả sử động cơ hoạt động dưới tần số định mức (a < 1). Từ thông động cơ được giữ ở giá trị không đổi. Do từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng từ hóa của động cơ nên từ thông được giữ không đổi khi dòng từ hóa được giữ không đổi tại mọi điểm làm việc của động cơ.
Ta có phương trình tính dòng từ hóa tại điểm làm việc định mức như sau:
𝐼𝑚 = 𝐸đ𝑚
𝑓đ𝑚 1 2 𝐿𝑚 Với: Lm là điện cảm mạch từ hóa
Tại tần số làm việc f:
𝐼𝑚= 𝐸đ𝑚
𝑎𝑓đ𝑚
1 2 𝐿𝑚
Từ 2 phương trình trên ta suy ra điều kiện để dòng từ hóa không đổi: 𝐸
𝑎 = 𝐸đ𝑚𝐸
𝑓 =
𝐸đ𝑚
𝑓đ𝑚 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
Như vậy từ thông động cơ được giữ không đổi khi tỷ lệ E/f không đổi (E/f=const).
4.5.2.2 Phương pháp V/f [28]
(4.26)
(4.27)
(4.28)
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 65
Tuy nhiên trong thực tế, việc giữ từ thông không đổi đòi hỏi mạch điều khiển rất phức tạp. Nếu bỏ qua sụt áp trên điện trở và điện kháng tản mạch stator, ta có thể xem như U E. Khi đó nguyên tắc điều khiển E/f=const được thay bằng phương pháp V/f=const.
Trong phương pháp V/f=const (gọi ngắn là V/f) như đã trình bày ở trên thì tỉ số V/f được giữ không đổi và bằng giá trị tỉ số này ở định mức. Cần lưu ý là khi moment tải tăng, dòng động cơ tăng làm gia tăng sụt áp trên điện trở stator dẫn đến E giảm, có nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do đó động cơ không hoàn toàn làm việc ở chế độ từ thông không đổi.
4.5.3 Phương pháp điều rộng xung SPWM
Phương pháp thực hiện dựa theo kỹ thuật analog. Kích đóng công tắc bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu.
- Sóng mang up (carrier signal) tần số cao; - Sóng điều khiển ur (reference signal) dạng sin
Sóng mang up có thể ở dạng tam giác. Tần số sóng mang càng cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều. Nhưng tần số đóng ngắt càng cao làm tổn hao phát sinh lớn. Mặc khác linh kiện đòi hỏi thời gian đóng và ngắt nhất định cho nên phần nào ảnh hưởng đến việc chọn tần số sóng mang. Sóng điều khiển ur mang thông tin và độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ở ngõ ra.
Tần số sóng mang càng cao thì các thành phần hài bậc cao sẽ được lọc đi càng nhiều. Tuy nhiên tổn hao do đóng ngắt sẽ tăng theo khi tần số tăng. Khi đóng ngắt đối nghịch một cặp khóa thì xung điều khiển cần phải có một khoảng thời gian deadtime nhất định để tránh trường hợp ngắn mạch. Đối với khóa bán dẫn là IGBT, ta lựa chọn tần số đóng cắt là 10kHz. Trong mô hình mô phỏng và thực nghiệm tôi cũng sử dụng sóng mang với tần số 10kHz. Ta có thể dễ dàng điều khiển động cơ theo phương pháp V/f=const bằng cách thay đổi tỉ số giữa biên độ và tần số của sóng sin điều chế là không đổi.
4.5.4 Cách thức điều khiển động cơ
Sau khi đã nói về phương pháp điều khiển V/f=const và phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp theo phương pháp điều rộng xung SPWM, ta có thể đưa ra một thuật toán điều khiển động cơ theo một tần số đặt cho trước. Ta có thể dễ dàng điều khiển
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 66
động cơ theo phương pháp V/f=const bằng cách thay đổi tỉ số giữa biên độ và tần số của sóng sin điều chế là không đổi.
Do động cơ được điều khiển vòng hở nên không thể đo đạc được tốc độ thực của động cơ, nên ta hiểu tần số đặt ở đây là tần số nguồn sin điều rộng xung cấp cho động cơ. Trong quá trình điều khiển có các trường hợp sau:
- Trong trường hợp ta muốn cho động cơ đang ở trạng thái đứng yên chuyển sang chạy ở tần số đặt thì phải thông qua một quá trình khởi động mềm tránh cho động cơ khởi động lập tức đến tốc độ đặt, gây ra dòng điện khởi động lớn làm hỏng động cơ. Tần số nguồn cung cấp sẽ tăng từ giá trị 0 (đứng yên) đến giá trị đặt (tương ứng với biên độ tăng từ Vo đến Vf=Vo+K.fref. Thời gian khởi động này phù thuộc vào công suất của từng động cơ. Đối với động cơ công suất lớn thì thời gian khởi động lâu hơn so với động cơ công suất nhỏ. Thời gian khởi động của động cơ thông thường được chọn từ 5 đến 10 giây.
- Sau khi tần số nguồn đã đạt đến giá trị yêu cầu lúc đầu thì sẽ giữ nguyên giá trị đó. Trong quá trình động cơ đang chạy ổn định mà có một nhu cầu thay đổi tần số thì cũng có một quá trình chuyển tần số từng bước thay vì nhảy ngay lập tức đến giá trị tần số yêu cầu mới.
- Khi muốn dừng động cơ thì phải hạ tần số từ giá trị hiện tại về giá trị 0. Thời gian hãm này phụ thuộc vào quán tính quay của động cơ. Khi muốn hãm nhanh có thể dùng phương pháp hãm như phương pháp hãm động năng (Dynamic Breaking) - có dùng điện trở thắng.
4.6 Mô phỏng và lựa chọn cấu hình inverter
Ta xây dựng 2 mô hình mô phỏng với 2 cấu hình inverter với thông số động cơ giống nhau. Sau đó phân tích đánh giá cụ thể từng trường hợp để lựa chọn việc sử dụng mạch inverter nào thích hợp hơn cho hệ thống của ta.
Thông số động cơ dùng để thực hiện mô phỏng: Động cơ không đồng bộ một pha rôto lồng sóc công suất nhỏ có điện dung làm việc. Trong đó dây quấn phụ có mắc nối tiếp với một tụ điện khởi động.
Ta khảo sát từ máy nén thực tế ngoài thị trường dự định sử dụng, nghiên cứu đặc điểm tính, tính toán và ứng dụng tài liệu [1] thiết kế động cơ điện không đồng bộ ba pha
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 67
và một pha của tác giả Trần Khánh Hà và vận dụng các thông số đã tính toán để lựa chọn cấu hình cũng như thông số phù hợp cho hệ thống của ta.
Mô hình động cơ không đồng bộ một pha trong Matlab/Simulink hình 4.21.
4.21a. Mô hình động cơ 4.21b. Lựa chọn loại động cơ sử dụng
Hình 4. 20 Mô hình động cơ một pha trong Matlab/Simulink
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 68
Hình 4. 22 Mô hình mô phỏng inverter 4 khóa
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 69
Hình 4.23 và hình 4.24 là cấu hình phần biến đổi DC/AC, bao gồm mạch động lực vào và phần mạch điều khiển xung đưa vào các van bán dẫn. Hình 4.23 mô hình mô phỏng cấu hình mạch inverter 4 khóa, hình 4.24 mô hình mô phỏng cấu hình mạch inverter 6 khóa. Trong mô phỏng ta có thể lấy tần số đầu vào để điều khiển van đóng ngắt.
4.6.1 Mô phỏng hệ thống ở tần số 50Hz
Trong mô phỏng cho hai cấu hình inverter 4 khóa và inverter 6 khóa ta sử dụng thời gian lấy mẫu sao cho có thể quan sát được quá trình quá độ của từng hệ thống. Ở đây thời gian ta lấy mẫu là 4s, vì là khoảng thời gian để động cơ khởi động đến lúc ổn định. Trong từng trường hợp cần quan sát dạng xung ta sẽ lấy thời gian ít lại trong quá trình xác lập của mô hình mô phỏng.
4.25a. Thời gian mô phỏng từ 0s đến 4s
4.25b. Thời gian mô phỏng 0.5s
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 70
Thời gian xác lập dao động điện 2,4 giây tính khi ta khởi động động cơ. Giá trị dòng điện đo được ở hình 4.25.
- Trong thời gian quá độ: Imax =8.705A - Trong thời gian xác lập: IRMS = 3.112A
4.26a. Thời gian mô phỏng từ 0s đến 4s
4.26b. Thời gian mô phỏng từ 3s - 4s
Hình 4.25 Dòng điện đầu vào inverter 6 khóa tại tần số 50Hz
Thời gian xác lập dao động điện 1,2 giây tính khi ta khởi động động cơ. Giá trị dòng điện đo được ở hình 4.26:
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 71
- Trong thời gian xác lập: IRMS = 2.175A
Thời gian xác lập của động cơ trong cấu hình inverter 6 khóa nhanh hơn so với cấu hình 4 khóa. Dòng trong mạch cấu hình inverter 4 khóa lớn hơn.
Hình 4.26 Điện áp vào động cơ cấu hình inverter 4 khóa tại tần số 50Hz