tự động hóa trong hệ thống lạnh

TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
NGÀNH NHIỆT – ĐIỆN LẠNH

BÁO CÁO
ĐỀ TÀI: TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
GVHD: TS. ĐẶNG THÀNH TRUNG
SV:
NHÓM 10 Page 1
NGUYỄN MINH QUANG – 09113027
NGUYỄN VĂN LINH – 09113019
NGUYỄN BÁ BẢO – 09113058
NGUYỄN TIẾN TỐ - 0911048
NGUYỄN DUY THỌ - 09113041
NGUYỄN VĂN THU - 07113058
ĐỖ BÁ NÚI – 09113022
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
NỘI DUNG:
I. GIỚI THIỆU
II. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MỘT SỐ THUẬT NGỮ
III. MỘT SỐ KHÍ CỤ ĐIỆN TRONG KỸ THUẬT LẠNH
IV. CÁC THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG LẠNH
NHÓM 10 Page 2
VÍ DỤ VỀ SƠ ĐỒ MỘT HỆ THỐNG LẠNH
LẠNH
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
I. GIỚI THIỆU:
Cùng với công cuộc đổi mới công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, kĩ thuật lạnh
đang phát triển rất mạnh mẽ ở Việt Nam. Tủ lạnh, máy kem, máy đá, máy điều hòa

nhiệt độ đã trở nên quen thuộc trong đời sống hàng ngày.
Các máy và thiết bị lạnh công nghiệp phục vụ trong các ngành chế biến thực phẩm,
bia rượu, sợi, dệt, in ấn, thuốc lá, điện tử, vi điện tử, thông tin, viễn thông, bưu
chính, y tế, thể dục thể thao, du lịch…cũng đang phát huy tác dụng thúc đẩy mạnh
mẽ nền kinh tế đi lên.
Đặc biệt trong lĩnh vực điều hòa không khí ngày nay đóng vai trò quan trọng, đáp
ứng nhu cầu cấp thiết cho cuộc sống con người. Hiện nay có rất nhiều hệ thống đa
dạng về điều hòa không khí. Đặc biệt đối với các tòa nhà lớn cao ốc, siêu thị, trong
công nghiệp…chủ yếu sử dụng hệ thống water chiller, water chiller là hệ thống
điều hòa dùng nước làm chất tải lạnh.
Để cho hệ thống hoạt động một cách ổn định và có năng suất lạnh cao.Các thiết bị
tự động bao gồm các thiết bị điều chỉnh tự động, các thiết bị đo lường, tín hiệu, các
thiết bị điều khiển.Ngày nay người ta sử dụng các thiết tự động như: các van, relay,
rơle…
Hệ thống điều khiển tự động của thiết bị lạnh là tổ hợp các thiết bị điều khiển tự
động và đối tượng điều khiển để đảm bảo khả năng vận hành ở chế độ tối ưu hoặc
một chế độ cho trước nào đó mà không cần phải có sự tham gia của người vận
hành.
Các thiết bị điều khiển thường xử lý các sự cố như:
- Tự động ngắt điện khi máy nén quá tải.
- Kiểm tra được các thông số: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng môi chất.
- Để từ đó so sánh với các thông số đã cài đặc và tự điều chỉnh lại làm cho hệ
thống lạnh luôn chạy ổn định và đạt năng suất lạnh theo nhu cầu sử dụng của người
sử dụng.
NHÓM 10 Page 3
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
II. SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MỘT SỐ THUẬT NGỮ
1. VÒNG ĐIỀU KHIỂN ( CONTROL LOOP )
- Là hệ thống bao gồm nhiều phần tử với mục đích điều khiển một đại lượng
nào đó ( nhiệt độ, áp suất, độ ẩm ). Gồm các phần tử như: sensor, bộ điều

khiển, cơ cấu chấp hành, tác nhân được điều khiển, đại lượng nhiễu…
- Sensor cảm nhận tín hiệu của biến điều khiển và đưa về bộ điều khiển
- Bộ điều khiển nhận tín hiệu phản hồi từ sensor và tính toán sai số so với
điểm cài đặt và suất ra tín hiệu để điều khiển cơ cấu chấp hành ( van, bướm
gió )
- Cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu từ bộ điều khiển để điều khiên tác nhân cần
điều khiển ( đối tượng cần điều chỉnh )
Gồm 2 loại: Vòng điều khiển hở và kín.
+ Vòng điều khiển hở:
Là vòng điều khiển không có tín hiệu phản hồi. Mạch điều khiển hở phải dự báo
được đại lượng bên ngoài( external variable ) sẽ tác động lên hệ thống thế nào.
VD: Van tiết lưu tay. Căn cứ vào nhiệt độ ngoài bể đá và các đại lượng khác như
nhiệt độ, lượng đá thu hoạch, sự bám tuyết Người ta dự đoán năng suất lạnh để
chỉnh van tiết lưu.
NHÓM 10 Page 4
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
VD: Cảm biến nhiệt độ ngoài trời:
- Vòng điều khiển hở có thể dùng để bảo vệ hệ thống. Khi đó nó xuất tín hiệu
On hay Off để đóng ngắt tác nhân cần điều khiển.
- Hoặc dùng trong việc điều chỉnh thời gian đóng mở máy.
+ VÒNG ĐIỀU KHIỂN KHÉP KÍN ( CLOSE LOOP )
Có tín hiệu phản hồi sự thay đổi của biến điều khiển ( control variable ) về bộ điều
khiển.
NHÓM 10 Page 5
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
Ví dụ: Buồng lạnh điều khiển nhiệt độ bằng van điện từ kết hợp với ro le nhiệt độ
buồng.
Ví dụ: Điều khiển hệ thống điều hòa không khí :
NHÓM 10 Page 6
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH

2. NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN ( ENERGY SOURCE )
- Hệ điều khiển bằng điện – điện tử: Nếu phần tử cảm biến và truyền tín hiệu đi
là các bán dẫn, hệ được gọi là điện – điện tử hay gọi tắt là điện tử. Cần lưu ý là
ngay cả hệ điện tử thì nguồn năng lượng cung cấp vẫn là điện.
- Hệ điều khiển bằng khí nén ( Pneumatic ): Ở đây khí nén là nguồn năng lượng
để cung cấp cho bộ điều khiển để tạo ra lực tác dụng vào phần tử bị điều khiển (
van ).
- Hệ điều khiển tự cung cấp năng lượng: Năng lượng cần tạo ra lực mở van
không cần lấy từ bên ngoài mà lấy từ chính tác nhân bị điều khiển
Ví dụ: Khi van cần mở ra thì van SV mở ra cho phép dòng môi chất có as cao
tác động vào power piston, để đóng van thì van điện từ đóng nhưng 1 van điện
từ khác thông vào đường ống hút MN sẽ mở ra, nhờ vào lò xo sẽ đẩy power
piston lên.
Ví dụ: Nếu đường gas áp suất cao được ngắt thì lò xo làm mở van. Nếu cần
đóng van thì gas áp suất cao sẽ tác động piston làm đóng van.
NHÓM 10 Page 7
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
- Khi cần xả đá thì van V3 mở ra, van điện từ mở.

NHÓM 10 Page 8
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
Ví dụ: Hệ thống điều khiển bằng khí nén:
3. BỘ ĐIỀU KHIỂN
Bộ điều khiển sẽ đánh giá sự hoạt động của quá trình và xuất tín hiệu để điều
khiển cơ cấu chấp hành, qua đó sẽ điều tiết tác nhân điều khiển . Ta sẽ có một
số kiểu điều khiển như sau:
+ Điều khiển On-Off ( điều khiển 2 vị trí ):
Phương pháp điều khiển này điều khiển theo giá trị lớn nhất hay nhỏ nhất
được yêu cầu. Như vậy, tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển không liên tục và
không đạt được chính xác nhiệt độ yêu cầu. Do đó nên sử dụng trong hệ thống

nhỏ hay dùng trong việc bảo vệ thiết bị.
Ví dụ : Để điều chỉnh nhiệt độ không khí trong phòng, máy điều hòa cửa sổ
thực hiện như sau :
+ Nhiệt độ đặt trong phòng là 22 độ C
+ Khi nhiệt độ trong phòng xuống 21 độC máy sẽ dừng chạy.
+ Khi nhiệt độ lên 23 độC thì máy bắt đầu chạy lại.
NHÓM 10 Page 9
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
+ Điều khiển 2 vị trí có thời gian trễ :
Do sự đáp ứng của bộ điều khiển không kịp thời do có sai số hoạt động. Sai số
hoạt động này do thời gian trễ. Thời gian trễ do cảm biến, do truyền tín hiệu, do
thiết bị vận chuyển ( nước lạnh vào dàn FCU, gió lạnh ), do cần thời gian để trao
đổi nhiệt nên việc điều khiển kém chính xác. Do đó người ta gắn thêm một điện trở
nhỏ vào đầu cảm biến.
VD: Lắp thêm điện trở trong quá trình on của quá trình sưởi ấm và off trong
quá trình làm lạnh.

NHÓM 10 Page 10
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
Sai số hệ thống thực:
+ Điều khiển theo bước:
Thường được sử dụng cho hệ thống lớn có nhiều máy. Phương pháp này có
ưu điểm hạn chế được sự sai lệch lớn công suất giữa các kỳ. Nhưng việc điều
khiển nhiệt độ cũng không chính xác
Phương pháp điều khiển bước là thay đổi công suất theo từng bước, tránh
công suất thay đổi quá đột ngột. Hệ điều hòa có điều khiển bước phải có nhiều tổ
máy. Trong hệ thống này bộ điều khiển căn cứ vào tín hiệu của biến điều khiển sẽ
tác động lên các rơ le hay công tắc và làm thay đổi công suất thiết bị ra theo từng
bước hay giai đoạn.
Ta nghiên cứu một ví dụ: Thiết bị điều khiển công số một hệ thống điều hòa

gồm 3 cụm máy chiller.
- Biến điều khiển là nhiệt độ của nước lạnh vào máy tnv.
- Giá trị định trước là tnv = 8
o
C.
* Khi nhiệt độ tăng : Khi nước về tnv = 8,5oC chỉ có tổ máy I làm việc. Nếu nhiệt
độ tiếp tục tăng đến 9oC thì tổ máy II khởi động và làm việc cùng tổ I. Nếu nhiệt
độ tăng đến 9,5oC thì tổ máy thứ III khởi động làm việc.
NHÓM 10 Page 11
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
* Khi nhiệt độ giảm : Khi nhiệt độ giảm xuống 7,5 oC thì tổ máy thứ III ngừng
hoạt động. Nếu tiếp tục giảm xuống 7oC thì tổ máy II dừng tiếp. Nếu xuống 6,5oC
thì dừng thêm tổ I.
Ta nghiên cứu đồ thị thay đổi nhiệt độ và phụ tải:
- Ta có nhận xét là đồ thị công suất thay đổi từng bậc, tránh hiện tượng xung
(thay đổi đột ngột).
- Các máy làm việc như sau :
+ Máy I : Làm việc trong khoảng khi nhiệt độ tăng lên 8,5oC và dừng khi
nhiệt độ giảm xuống 6,5oC. Như vậy máy I làm việc trong khoảng thời gian dài
nhất.
+ Máy II: làm việc trong khoảng khi nhiệt độ tăng lên tới 9oC và dừng khi
nhiệt độ giảm xuống 7oC.
+ Máy III: Làm việc khi nhiệt độ tăng lên 9,5oC và dừng khi nhiệt giảm
xuống 7,5
o
C
Như vậy máy I làm việc nhiều nhất và máy III làm việc ít nhất. Để tránh tình
trạng đó trong mạch điện ngưòii ta có thiết kế công tắc chuyển mạch để đổi vai
trò các máy cho nhau, tránh cho một máy nén bất kỳ làm việc quá nhiều trong khi
máy khác hầu như không hoạt động.

* Ưu, nhược điểm của phương pháp điều khiển theo bước :
- Tránh được sự thay đổi công suất quá đột ngột. Thích hợp cho hệ thống lớn.
- Các máy làm việc không đều nhau nên phải thường xuyên chuyển đổi vai trò
của các máy.
- Biên độ dao động (vi sai) của biến điều khiển tương đối lớn do phải qua từng
cấp.
NHÓM 10 Page 12
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
+ Điều khiển kiểu phao “ floating “ :Tương tự như việc điều khiển 2 vị trí nhưng
có vị trí giữ “hold”. Nó có ưu điểm sẽ làm giảm sai số hoạt động. Khi biến điều
khiển nằm trong khoảng cho phép thì bộ điều khiển sẽ ngừng cấp tín hiệu cho cơ
cấu chấp hành và nó sẽ giữ ở vị trí hold. Như vậy cần yêu cầu cơ cấu chấp hành
khá đặc biệt. Cơ cấu chấp hành ( mô tơ mở van ) có thể quay theo chiều kim đồng
hồ hay ngược chiều kim đồng hồ. Khi cấp tín hiệu vào cuộn dây common và cuộn
CW ( clock wise ) thì van sẽ mở theo chiều kim đồng hồ. Khi cấp vào cuộn
common và COW thì van sẽ quay chiều ngược lại. Khi không có tín hiệu cấp vào
thì nó sẽ ở vị trí giữ.

- Ưu và nhược điểm :
NHÓM 10 Page 13
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
Kiểu điều khiển này chỉ áp dụng trong vòng điều khiển kín. Sai số điều
khiển nằm trong vùng trung hòa “ Neutral Zone “. Sẽ điều khiển chính xác hơn so
với điều khiển on – off.
Ví dụ: Khi phụ tải lạnh tăng ( hay giảm ), điểm điều khiển sẽ biến thiên
trong 1 cạnh của vùng trung hòa, chỉ mở một ít lưu lượng của tác nhân điều khiển
để loại bỏ một ít lượng nhiệt thừa. Nên điểm cài đặt sẽ ổn định hơn so với điều
khiển on-off. Như vậy độ mở của cơ cấu chấp hành nằm bất kỳ ở mọi vị trí ( tương
tự phao nước ) .Nhưng do vẫn tồn tại vùng trung hòa nên việc điều khiển cũng kém
chính xác.

+ Điều khiển tỉ lệ P:
Với phương pháp này bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu về cơ cấu chấp hành
điều tiết tác nhân điều khiển sao cho tỷ lệ với độ lệch của biến điều khiển so với
điểm cài đặt
- Ưu và nhược điểm:
Phương pháp này có ưu điểm hơn so với các phương pháp khác là không có
vùng trung hòa so với điều khiển phao “floating “ nên biến điều khiển sẽ chính xác
NHÓM 10 Page 14
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
và đáp ứng của bộ điều khiển sẽ nhanh hơn nhưng vẫn tồn tại sai số ổn định so với
điểm cài đặt.
Ta có hàm truyền của nó như sau:
+ Điều khiển tỷ lệ, tích phân PI:
Được sử dụng để cải thiện kiểu điều chỉnh tỷ lệ P bằng cách đưa vào một
thành phần tích phân I để loại bỏ sai số ổn định của điều khiển P. Do đó, trong điều
khiển PI sẽ có 2 tham số độ lợi. Tham số độ lợi của tỷ lệ P sẽ tạo ra đáp ứng ban
NHÓM 10 Page 15
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
đầu để cân bằng năng lượng với phụ tải, còn tham số độ lợi I để hiệu chỉnh ngõ ra
của bộ điều khiển để làm giảm thời gian và sai số ổn định tồn tại.
Hàm truyền của điều khiển tỷ lệ, tích phân PI:
Việc lợi chọn tham số độ lợi ( hằng số dư ) Kp và Ki rất quan trọng. Nếu Kp
và Ki càng tăng thì thời gian đáp ứng của bộ điều khiển càng nhanh nhưng gây mất
ổn định. Do đó phải lựa chọn chính xác để đạt một hiệu quả cao. Kiểu điều khiển
này thường sử dụng trong hệ thống lạnh, điều hòa không khí

NHÓM 10 Page 16
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
+ Điều khiển tỷ lệ tích phân, vi phân PID:

Là điều chỉnh PI có thêm vào thành phần vi phân của sai số theo thời gian.
Hàm truyền của nó như sau:
Phần vi phân được thêm vào để triệt tiêu sai số ổn định của hệ thống nhưng
làm cho bộ điều khiển trở nên nhạy cảm hơn và khó điều chỉnh hơn so với của PI.
Trong hệ thống điều hòa không khí thì điều khiển PI đã đáp ứng yêu cầu nên ít khi
dùng kiểu PID.
Đặc tính điều khiển của PID:
NHÓM 10 Page 17
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
4. CẢM BIẾN ( SENSOR )
- Hầu như các loại cảm biến đều làm việc theo nguyên tắc thay đổi tính chất
vật lý khi biến điều khiển bị thay đổi. Những sự thay đổi về độ dài, vị trí,
điện dung, điện trở… đều được chuyển thành tín hiệu ngõ ra phù hợp với cơ
cấu chấp hành. Các thiết bị cảm biến được chế tạo bằng các vật liệu và các
cấu trúc khác nhau để phù hợp với việc điều khiển trong hệ thống HVACR.
Các thông số đặc trưng gồm có như sau :
+ Khoảng hoạt động ( Scale range ): VD: -20 độC ~ +5độC
+ Mức tín hiệu ( Signal span ) : là độ chênh lệch giữa giá trị cực đại và cực
tiểu của khoảng hoạt động. VD : 20 độC ~ 50 độC thì mức tín hiệu là 30 độ
C.
+ Độ chính xác ( Accuracy ) : là chênh lệch giữa giá trị thực và giá trị hiển
thị của sensor.
+ Độ nhạy ( Sensitivity ): Hiển thị lượng thay đổi của tín hiệu ngõ ra so với
sự thay đổi của tín hiệu ngõ vào.
VD: tín hiệu ngõ ra của sensor 4mmA đến 7mmA với khoảng hoạt động của
tín hiệu ngõ vào 5độC đến 20 độ C vậy độ nhạy là 3mmA/15độC.
+ Độ phân giải ( Resolution ) : Cảm biến có độ phân giải cao có thể đo được
sự thay đổi nhỏ nhất của biến điều khiển và cho phép vòng điều khiển có sự
đáp ứng nhanh hơn để làm giảm sai số hoạt động.
+ Thời gian trễ ( Lag time ) : Là thời gian để cảm biến xuất ra tín hiệu khi

cảm nhận được biến điều khiển.
5. CÁC LOẠI CẢM BIẾN THƯỜNG SỦ DỤNG TRONG HVACR
a. Cảm biến nhiệt độ RTD ( resistance temperature detector ):
Có 2 loại cảm biến nhiệt độ RTD:
NHÓM 10 Page 18
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH

NHÓM 10 Page 19
2.Semi-conductor devides
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
+ Loại dây kim loại RTD:
Khi nhiệt độ tăng, điện trở của dây kim loại cũng tăng. Vật liệu chế tạo gồm
có platium và niken. Cả hai loại này đều có sự gia tăng điện trở một cách tuyến
tính với sự thay đổi nhiệt độ. Sensor loại này có khối lượng bé nên thời gian trễ
nhỏ bởi vì nếu khối lượng lớn thì phải tốn thời gian hấp thụ nhiệt nên làm tăng thời
gian trễ. Nhưng loại này có độ nhạy bé. VD: platinum (0,1ohm/F) nên phải sử
dụng kết hợp với bộ biến đổi tín hiệu. Nếu không thì dây dẫn sensor không thể kéo
đi xa.
+ Loại bán dẫn RTD:
Chế tạo bởi vật liệu Si và Ge. Bán dẫn RTD còn gọi là thermistor. Loại này
có độ nhạy cao 100ohm/F nghĩa là độ nhạy lớn hơn 1000 lần so với kim loại RTD.
Do đó không cần bộ khuyếch đại tín hiệu và có thể kết nối trực tiếp vào bộ điều
khiển với khoảng cách xa.

NHÓM 10 Page 20
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH

Không giống như loại RTD kiểu kim loại, sự thay đổi điện trở ngõ ra của nó
không tuyến tính. Có 2 loại NTC và PTC ( possitive temperature coeffience ) và
khi sử dụng ta không thể hoán đổi cho nhau được.

NHÓM 10 Page 21
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
b. CẢM BIẾN KHÍ NÉN:

Van điều khiển bằng khí nén:
NHÓM 10 Page 22
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
c. CẢM BIẾN ĐỘ ẨM:
Sử dụng các vật liệu thay đổi kích thước với sự thay đổi độ ẩm kết hợp với
bộ chuyển đổi tín hiệu ngõ ra để đưa vào bộ điều khiển.

d. CẢM BIẾN ÁP SUẤT:


NHÓM 10 Page 23
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
e. CẢM BIẾN LƯU LƯỢNG:
Thiết bị gồm một dây điện trở và một cảm biến nhiệt độ. Môi chất đi qua
dây điện trở và làm lạnh nó, tốc độ gió tỷ lệ với công suất điện cần thiết để duy trì
nhiệt độ chuẩn dùng đối chiếu.
NHÓM 10 Page 24
- Cảm biến lưu lưong kiểu chân vịt :
Vòng chân vịt chuyển động xoay dưới tác dụng của dòng chảy, vòng xoay càng
nhanh thì tốc độ dòng chảy càng lớn. Thiết bị được nối với cơ cấu đo để chỉ thị lưu
lượng.
TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG LẠNH
- Cảm biến lưu lưong sử dụng tấm đục lỗ:
Người ta nhận thấy sự thay đổi áp suất tĩnh phía trước và phía sau của vòng
phụ thuộc vào lưu lượng theo quan hệ sau đây:
6. CƠ CẤU CHẤP HÀNH

Gồm có van điều khiển, bướm gió…
NHÓM 10 Page 25