TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG LẠNH ( PHẦN 1 )

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VĂN LANG
KHOA NHIỆT LẠNH
BÀI GIẢNG MÔN HỌC
TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG LẠNH
GIẢNG VIÊN : ThS. NGUYỄN DUY TUỆ
2
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Tự động hóa hệ thống lạnh – Nguyễn Đức Lợi
1. Tự động hóa hệ thống lạnh – Nguyễn Đức Lợi
2.
2.
Tự động điều khiển các quá trình Nhiệt Lạnh – TS. Trịnh
Tự động điều khiển các quá trình Nhiệt Lạnh – TS. Trịnh
Văn Dũng ( chủ biên )
Văn Dũng ( chủ biên )
3. Hand book of Air Conditioning and Refrigerant –
3. Hand book of Air Conditioning and Refrigerant –
Shan.K.Wang
Shan.K.Wang
4. Control systems and Application for HVACR –
4. Control systems and Application for HVACR –
Thomas J.Horan
Thomas J.Horan
3


CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU
CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU

I.
I.
ĐẠI CƯƠNG:
ĐẠI CƯƠNG:


Tự động hóa hệ thống lạnh là trang bị cho hệ thống lạnh, các dụng
Tự động hóa hệ thống lạnh là trang bị cho hệ thống lạnh, các dụng
cụ mà nhờ những dụng cụ đó hệ thống có thể vận hành hoặc từng
cụ mà nhờ những dụng cụ đó hệ thống có thể vận hành hoặc từng
phần thiết bị một cách tự động, chắc chắn, an toàn với độ tin cậy con
phần thiết bị một cách tự động, chắc chắn, an toàn với độ tin cậy con
mà không cần sự tham gia trực tiếp của công nhân vận hành
mà không cần sự tham gia trực tiếp của công nhân vận hành


VD: Điều khiển nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, dòng điện, khói….
VD: Điều khiển nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, dòng điện, khói….


II.
II.
Sơ đồ mạch điều khiển và một số thuật ngữ
Sơ đồ mạch điều khiển và một số thuật ngữ
:
:


2.1
2.1

Vòng điều khiển ( Control loop ):
Vòng điều khiển ( Control loop ):


Là hệ thống bao gồm nhiều phần tử với mục đích điều khiển một
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:
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,
sensor, bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành, tác nhân được điều khiển,
đại lượng nhiễu…
đại lượng nhiễu…
4


-
-
Sensor cảm nhận tín hiệu của biến điều khiển và đưa về bộ điều
Sensor cảm nhận tín hiệu của biến điều khiển và đưa về bộ điều
khiển
khiển


- Bộ điều khiển nhận tín hiệu phản hồi từ sensor và tính toán sai số
- 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
so với điểm cài đặt và suất ra tín hiệu để điều khiển cơ cấu chấp hành
( van, bướm gió )
( van, bướm gió )

- Cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu từ bộ điều khiển để điều khiên tác
- Cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu từ bộ điều khiển để điều khiên tác
nhân cần điều khiển ( đối tượng cần điều chỉnh )
nhân cần điều khiển ( đối tượng cần điều chỉnh )


Gồm 2 loại: Vòng điều khiển hở và kín
Gồm 2 loại: Vòng điều khiển hở và kín


+
+
Vòng điều khiển hở
Vòng điều khiển hở
:
:


Là vòng điều khiển không có tín hiệu phản hồi. Mạch 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
phải dự báo được đại lượng bên ngoài( external variable ) sẽ tác động
lên hệ thống thế nào.
lên hệ thống thế nào.
5


VD:
VD:

Van tiết lưu tay. Căn cứ vào nhiệt độ ngoài bể đá và các đại
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
lượng khác như nhiệt độ, lượng đá thu hoạch, sự bám tuyết Người
ta dự đoán năng suất lạnh để chỉnh van tiết lưu
ta dự đoán năng suất lạnh để chỉnh van tiết lưu
VD: Cảm biến nhiệt độ ngoài trời
6


-
-
Vòng điều khiển hở có thể dùng để bảo vệ hệ thống. Khi đó nó
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.
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.
- Hoặc dùng trong việc điều chỉnh thời gian đóng mở máy.


+
+
Vòng điều khiển kín ( Close loop ):
Vòng điều khiển kín ( Close loop ):


Có tín hiệu phản hồi sự thay đổi của biến điều khiển ( control
Có tín hiệu phản hồi sự thay đổi của biến điều khiển ( control

variable ) về bộ điều khiển
variable ) về bộ điều khiển


7


Ví dụ: Buồng lạnh điều khiển nhiệt độ bằng van điện từ kết hợp với
Ví dụ: Buồng lạnh điều khiển nhiệt độ bằng van điện từ kết hợp với
ro le nhiệt độ buồng
ro le nhiệt độ buồng


8


Ví dụ: Điều khiển hệ thống điều hòa không khí
Ví dụ: Điều khiển hệ thống điều hòa không khí


9


2.2
2.2
Nguồn năng lượng điều khiển ( Energy Source ):
Nguồn năng lượng điều khiển ( Energy Source ):


- Hệ điều khiển bằng điện – điện tử: Nếu phần tử cảm biến và truyền

- 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
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
điện tử. Cần lưu ý là ngay cả hệ điện tử thì nguồn năng lượng cung
cấp vẫn là điện.
cấp vẫn là điện.


- Hệ điều khiển bằng khí nén ( Pneumatic ): Ở đây khí nén là nguồn
- 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
năng lượng để cung cấp cho bộ điều khiển để tạo ra lực tác dụng vào
phần tử bị điều khiển ( van )
phần tử bị điều khiển ( van )


- Hệ điều khiển tự cung cấp năng lượng: Năng lượng cần tạo ra lực
- 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
mở van không cần lấy từ bên ngoài mà lấy từ chính tác nhân bị điều
khiển
khiển


10


Ví dụ:
Ví dụ:

Khi van cần mở ra thì van SV mở ra cho phép dòng môi chất
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
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
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.
ra, nhờ vào lò xo sẽ đẩy power piston lên.


11


Ví dụ:
Ví dụ:
Nếu đường gas áp suất cao được ngắt thì lò xo làm mở van.
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
Nếu cần đóng van thì gas áp suất cao sẽ tác động piston làm đóng
van.
van.


12


-
-
Khi cần xả đá thì van V3 mở ra, van điện từ mở
Khi cần xả đá thì van V3 mở ra, van điện từ mở

13


Ví dụ: Hệ thống điều khiển bằng khí nén
Ví dụ: Hệ thống điều khiển bằng khí nén


14




2.3
2.3
Bộ điều khiển
Bộ điều khiển
:
:


Bộ điều khiển sẽ đánh giá sự hoạt động của quá trình và xuất tín
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
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 . Ta sẽ có một số kiểu điều khiển như sau:


+
+

Điều khiển On-Off ( điều khiển 2 vị trí )
Điều khiển On-Off ( điều khiển 2 vị trí )
:
:


Phương pháp điều khiển này điều khiển theo giá trị lớn nhất hay
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
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
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.
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
Ví dụ : Để điều chỉnh nhiệt độ không khí trong phòng, máy điều
hòa cửa sổ thực hiện như sau :
hòa cửa sổ thực hiện như sau :


+ Nhiệt độ đặt trong phòng là 22 độ C
+ Nhiệt độ đặt trong phòng là 22 độ C


+ Khi nhiệt độ trong phòng xuống 21 độC máy sẽ dừng chạy.
+ Khi nhiệt độ trong phòng xuống 21 độC máy sẽ dừng chạy.

+ Khi nhiệt độ lên 23 độC thì máy bắt đầu chạy lại
+ Khi nhiệt độ lên 23 độC thì máy bắt đầu chạy lại
.
.
15




16




+
+
Điều khiển 2 vị trí có thời gian trễ
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
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
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
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
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
khiển kém chính xác. Do đó người ta gắn thêm một điện trở nhỏ vào
đầu cảm biến.
đầu cảm biến.


VD: Lắp thêm điện trở trong quá trình on của quá trình sưởi ấm và
VD: Lắp thêm điện trở trong quá trình on của quá trình sưởi ấm và
off trong quá trình làm lạnh
off trong quá trình làm lạnh
17




Sai số hệ thống thực:
Sai số hệ thống thực:
18




+
+
Điều khiển theo bước
Điều khiển theo bước
:
:

Thường được sử dụng cho hệ thống
Thường được sử dụng cho hệ thống
lớn có nhiều máy
lớn có nhiều máy
. Phương
. Phương
pháp này có ưu điểm hạn chế được sự sai lệch lớn công suất giữa
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
các kỳ. Nhưng việc điều khiển nhiệt độ cũng không chính xác


Phương pháp điều khiển bước là thay đổi công suất theo từng
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
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 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
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
le hay công tắc và làm thay đổi công suất thiết bị ra theo từng bước
hay giai đoạn.
hay giai đoạn.


Ta nghiên cứu một ví dụ: Thiết bị điều khiển công số một hệ thống
Ta nghiên cứu một ví dụ: Thiết bị điều khiển công số một hệ thống
điều hòa gồm 3 cụm máy chiller.
điều hòa gồm 3 cụm máy chiller.

- Biến điều khiển là nhiệt độ của nước lạnh vào máy
- Biến điều khiển là nhiệt độ của nước lạnh vào máy
t
t
nv
nv
.
.




- Giá trị định trước là
- Giá trị định trước là
t
t
nv
nv
= 8oC
= 8oC


19


*
*
Khi nhiệt độ tăng

Khi nhiệt độ tăng
: Khi nước về t
: Khi nước về t
nv
nv
= 8,5oC chỉ có tổ máy I làm
= 8,5oC chỉ có tổ máy I làm
việc. Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng đến 9oC thì tổ máy II khởi động và
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
làm việc cùng tổ I. Nếu nhiệt độ tăng đến 9,5oC thì tổ máy thứ III
khởi động làm việc.
khởi động làm việc.


*
*
Khi nhiệt độ giảm
Khi nhiệt độ giảm
: Khi nhiệt độ giảm xuống 7,5 oC thì tổ máy
: 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
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.
II dừng tiếp. Nếu xuống 6,5oC thì dừng thêm tổ I.
20


Ta nghiên cứu đồ thị thay đổi nhiệt độ và phụ tải:
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
- Ta có nhận xét là đồ thị công suất thay đổi từng bậc, tránh hiện
tượng xung (thay đổi đột ngột).
tượng xung (thay đổi đột ngột).


- Các máy làm việc như sau :
- Các máy làm việc như sau :


+
+
Máy I
Máy I
: Làm việc trong khoảng khi nhiệt độ tăng lên 8,5oC và
: 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
dừng khi nhiệt độ giảm xuống 6,5oC. Như vậy máy I làm việc
trong khoảng thời gian dài nhất.
trong khoảng thời gian dài nhất.


+
+
Máy II
Máy II
: làm việc trong khoảng khi nhiệt độ tăng lên tới 9oC và
: làm việc trong khoảng khi nhiệt độ tăng lên tới 9oC và

dừng khi nhiệt độ giảm xuống 7oC.
dừng khi nhiệt độ giảm xuống 7oC.


+ Máy III
+ Máy III
: Làm việc khi nhiệt độ tăng lên 9,5oC và dừng khi
: Làm việc khi nhiệt độ tăng lên 9,5oC và dừng khi
nhiệt giảm xuống 7,5oC
nhiệt giảm xuống 7,5oC
21


Như vậy máy I làm việc nhiều nhất và máy III làm việc ít nhất. Để
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
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
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
nén bất kỳ làm việc quá nhiều trong khi máy khác hầu như không
hoạt động.
hoạt động.


*
*
Ưu, nhược điểm của phương pháp điều khiển theo bước
Ưu, nhược điểm của phương pháp điều khiển theo bước
:

:


- Tránh được sự thay đổi công suất quá đột ngột. Thích hợp cho hệ
- Tránh được sự thay đổi công suất quá đột ngột. Thích hợp cho hệ
thống lớn.
thống lớn.


- Các máy làm việc không đều nhau nên phải thường xuyên chuyển
- Các máy làm việc không đều nhau nên phải thường xuyên chuyển
đổi vai trò của các máy.
đổi vai trò của các máy.


- Biên độ dao động (vi sai) của biến điều khiển tương đối lớn do
- Biên độ dao động (vi sai) của biến điều khiển tương đối lớn do
phải qua từng cấp.
phải qua từng cấp.
22


+
+
Điều khiển kiểu phao “ floating “
Điều khiển kiểu phao “ floating “
:Tương tự như việc điều khiển 2
:Tương tự như việc điều khiển 2
vị trí nhưng có vị trí giữ “hold”. Nó có ưu điểm sẽ làm giảm sai số
vị trí nhưng có vị trí giữ “hold”. Nó có ưu điểm sẽ làm giảm sai số

hoạt động. Khi biến điều khiển
hoạt động. Khi biến điều khiển
nằm trong khoảng cho phép thì
nằm trong khoảng cho phép thì
bộ điều khiển sẽ ngừng cấp tín hiệu
bộ điều khiển sẽ ngừng cấp tín hiệu
cho cơ cấu chấp hành và nó
cho cơ cấu chấp hành và nó
sẽ giữ ở vị trí hold. Như vậy cần yêu cầu cơ cấu chấp hành khá đặc
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
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
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
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
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
quay chiều ngược lại. Khi không có tín hiệu cấp vào thì nó sẽ ở vị
trí giữ.
trí giữ.
25đ Cộ
23đ Cộ
SP=24đ Cộ
23


*
*

Ưu và nhược điểm
Ưu và nhược điểm
:
:


Kiểu điều khiển này chỉ áp dụng trong vòng điều khiển kín. Sai
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
số điều khiển nằm trong vùng trung hòa “ Neutral Zone “. Sẽ điều
khiển chính xác hơn so với điều khiển on – off.
khiển chính xác hơn so với điều khiển on – off.


Ví dụ: Khi phụ tải lạnh tăng ( hay giảm ), điểm điều khiển sẽ
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
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.
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
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
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
phao nước ) .Nhưng do vẫn tồn tại vùng trung hòa nên việc điều
khiển cũng kém chính xác
khiển cũng kém chính xác
24

25đ Cộ
23đ Cộ
SP=24đ Cộ
25


+
+
Điều khiển tỉ lệ P
Điều khiển tỉ lệ P
:
:


Với phương pháp này bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu về cơ cấu
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
chấp hành điều tiết tác nhân điều khiển sao cho tỷ lệ với độ lệch
của biến điều khiển so với điểm cài đặt
của biến điều khiển so với điểm cài đặt