Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động cho điều hòa inverter

 để tiết kiệm năng lượng.

PGS.TS Bùi Quốc Khánh – Lê Anh Tuấn – Phạm Văn Bách

Đại học Bách khoa Hà Nội

 

1. Đặt vấn đề:

Điều hòa dân dụng có công suất điện yêu cầu không lớn (một đến vài kW) nhưng có số lượng rất lớn, do vậy nó trở thành một trong các loại thiết bị tiêu thụ nhiều năng lượng. Vì vậy xu thế thế giới cũng như ở Việt Nam đặt ra vấn đề nghiên cứu tiết kiệm điện năng cho các loại điều hòa dân dụng. Một trong các giải pháp được nghiên cứu ứng dụng là dùng hệ truyền động xoay chiều ba pha có bộ inverter (gọi tắt là điều hòa Inverter) thay cho truyền động xoay chiều một pha điều khiển on/off. Sở khoa học công nghệ Hà nội giao cho Trung tâm công nghệ cao - ĐHBKHN thực hiện đề tài này.

    Để thực hiện đề tài ta phải giải quyết hai vấn đề sau:

-         Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ truyền động cả phần lực và phần điều khiển.

-         Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển quá trình nhiệt cho điều hòa.

 

2. Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ truyền động:

Động cơ điện được ghép nối với máy nén kiểu rotor của điều hòa Inverter hiện nay thường dùng loại đặc biệt là động cơ đồng bộ ba pha, nam châm vĩnh cửu, từ thông hình thang. Đây là loại động cơ kết hợp với đặc tính từ trở (rotor) vận hành theo nguyên tắc chuyển mạch kiểu vành góp chổi than động cơ một chiều. Vì vậy người ta còn gọi là Reluctance DC Brushless motor. Động cơ này do các nhà khoa học trường Đại học Tokyo phát minh (1999 – 2000) được các hãng phát triển ứng dụng cho máy nén sử dụng trong máy điều hòa (xem H1). Ưu điểm của động cơ này là có hiệu suất cao hơn loại động cơ DC Brushless và động cơ xoay chiều rotor lồng sóc (xem H2). Một đặc điểm quan trọng khác biệt là động cơ này có mô men mở máy rất lớn (tới 10 lần so với mô men định mức và 3 – 4 lần mô men mở máy các động cơ khác cùng công suất danh định). Kích thước động cơ nhỏ gọn cho hoạt động ở tần số cao >100Hz. Vì vậy trọng lượng của tổ hợp động cơ – máy nén dùng loại động cơ này nhẹ hơn khoảng 3kg so với tổ hợp động cơ- máy nén dùng động cơ xoay chiều 1 pha (loại điều hòa 9000 BTU/h).

H1. Động cơ BLDC tích hợp trong máy nén

 

 

H2. Đồ thị so sánh hiệu suất của ba loại động cơ thông dụng tích hợp trong máy nén: AC motor, DC motor và BLDC – Reluctance motor

Số liệu kỹ thuật loại động cơ dùng cho điều hòa Inverter loại 9000 BTU/h được trình bày trên bảng B1.

B1:Số liệu kỹ thuật cho động cơ điều hòa Inverter.

Loại motor:	Brushless DC Motor
Số cực:	6 cực
Công suất danh định:	650 W
Tốc độ danh định:	3450 v/ph
Điện áp danh định:	220 Vdc
Điện trở pha – pha:	1.152 Ω
Cấp cách điện:	E

 

Cấu trúc điều khiển và truyền động được trình bày trên H3. Gồm:

·        Phần lực: dùng transisor IGBT, chỉnh lưu đầu vào tụ lọc.

·        Phần điều khiển: phát xung PWM nguồn điều khiển, thiết bị đo, bảo vệ, điều khiển hai mạch vòng sử dụng DSP…

Vấn đề khoa học cần giải quyết:

·        Nhận dạng vị trí cực của rotor để phát xung chuyển mạch.

·        Xây dựng hệ điều khiển sensorless mạch vòng tốc độ. 

Do động cơ tích hợp với máy nén đặt trong vỏ kín chứa môi chất do vậy không lắp được sensor đo vị trí rotor (phục vụ cho phát xung chuyển mạch). Không lắp được máy đo tốc độ (phục vụ mạch vòng điều khiển tốc độ).

H3. Cấu trúc điều khiển sensorless động cơ BLDC tích hợp trong máy nén

Đề tài sử dụng giải pháp đo sức điện động động cơ, xử lý qua bộ lọc Kalman để xác định vị trí rotor và ước lượng tốc độ động cơ.

Kết quả thí nghiệm được trình bày trên H4a và H4b.

H4a. Dòng điện pha đầu ra biến tần (5ª/div)

Tốc độ máy nén 3450 v/ph

H4b. Điện áp đầu ra biến tần (kênh A) và tín hiệu điều khiển PWM tương ứng (kênh B). Tốc độ máy nén = 3450 v/ph

3. Xây dựng bộ điều khiển quá trình nhiệt

Thông thường, điều hòa hoạt động trong chế độ Normal. Nguyên tắc điều khiển tương đối đơn giản: Điều hòa được bật On khi nhiệt độ trong phòng lớn hơn nhiệt độ đặt một khoảng ∆T nào đó và chuyển Off khi nhiệt độ xuống sâu hơn nhiệt độ phòng một khoảng ∆T. Khoảng 2∆T gọi là deadband. Cách điều khiển này khiến cho động cơ chỉ hoạt động ở hai chế độ: Dừng-Chạy. Môi chất chuyển trạng thái lỏng-khí qua lại trong quá trình bật tắt này.

Điểm khác biệt cơ bản giữa điều hòa truyền thống và điều hòa inverter, về mặt thiết bị là:

a. Sử dụng động cơ máy nén là động cơ ba pha thay vì động cơ một pha với tụ điện mắc nối tiếp cuộn khởi động (split type). Một số tài liệu đã phân tích về hiệu suất motor 1 pha nói chung, máy nén 1 pha nói riêng và đưa ra kết luận: Động cơ 1 pha chỉ đạt hiệu suất (chuyển hóa điện sang cơ) tối đa là 60-65%. Trong khi đó, động cơ 3 pha luôn đạt hiệu suất tối thiểu 85-90%. Như vậy, riêng việc sử dụng động cơ máy nén từ 1 pha chuyển sang 3 pha, máy nén đã có thể tiết giảm 15%-30% công suất điện. Tuy nhiên, phần tiết kiệm này bị hạn chế bớt khi máy nén động cơ 3 pha phải sử dụng đến bộ biến đổi điện tử công suất inverter. Thông thường tổn hao trên bộ biến đổi dạng này cũng nằm trong khoảng 5-10%. Một lợi thế đáng kể nữa khi sử dụng động cơ máy nén 3 pha là: cùng một cấp công suất, động cơ 3 pha cho moment khởi động gấp gần 5 lần động cơ 1 pha. Do vậy, người ta có thể chọn cấp công suất động cơ nhỏ hơn cho máy nén cùng công suất lạnh mà không lo đến khả năng quá tải khi khởi động.

b. Sử dụng biến tần cho động cơ máy nén đồng nghĩa với việc phần điều khiển có thể điều khiển phần công cung cấp để làm lạnh một cách hoàn toàn chủ động. Bộ điều khiển điều hòa có nhiệm vụ, bằng thuật toán thích hợp, tính toán nhu cầu tải thực sự và yêu cầu máy nén chạy ở tốc độ phù hợp. Đây là đặc điểm khác biệt nhiều so với điều hòa truyền thống, khi mà máy nén được bật 100% công suất mỗi khi cấp điện. Như ta đã biết, sau khi máy nén tắt, hệ thống đòi hỏi một thời gian tối thiểu để cân bằng áp suất đường ống và ngược lại. Khi máy nén chuyển từ trạng thái off sang on, hệ thống lạnh cũng cần một thời gian nhất định để hệ thống có thể chuyển sang trạng thái xác lập. Thời gian này có thể vài chục giây với điều hòa loại nhỏ hoặc hàng phút với điều hòa cỡ lớn. Trong thời gian đó, động cơ điện vẫn chạy chế độ nặng tải (chế độ quá độ) mà không chuyển hóa được công suất điện thành công suất thu nhiệt, cho đến khi các chu trình lạnh với môi chất chuyển sang hoạt động ổn định. Khác với điều hòa on/off, điều hòa inverter chỉ dừng khi chênh nhiệt là quá lớn hoặc nhiệt độ môi trường thậm chí đang thấp hơn nhiệt độ yêu cầu trong phòng. Trong chế độ bình thường, điều hòa inverter cho phép chạy với tốc độ vừa đủ để cung cấp một công suất lạnh phù hợp cho phụ tải nhiệt. Khi phụ tải thay đổi, tốc độ này cùng thay đổi. Và như vậy, không có sự đóng cắt điện cấp cho động cơ liên tục, gây ra hiện tượng quá độ hệ thống liên tục.

Về phương án điều khiển:

c. Điều hòa truyền thống có cách điều khiển mô phỏng cách điều khiển dùng thermostat. Nhiệt độ đặt bằng xoay thermostat ở điểm đặt nhiệt độ mong muốn. Động cơ máy nén sẽ bật khi thanh lưỡng kim uốn cong làm đóng mạch relay nguồn cấp. Ngày nay, phần đo nhiệt và quyết định điều khiển đã được số hóa, chương trình hóa bằng vi điều khiển Căn cứ để đưa ra quyết định điều khiển là nhiệt độ thực trong phóng và nhiệt độ đặt mong muốn của người sử dụng. Giữa hai nhiệt độ này có một khoảng “chết” deadband. Máy sẽ chuyển trạng thái on/off mỗi khi hiệu số nhiệt độ đặt và nhiệt độ phòng vượt qua ngưỡng này.

Điều hòa inverter điều khiển cơ bản dựa trên 3 thông tin nhiệt độ: Nhiệt độ phòng, nhiệt độ đặt và nhiệt độ ngoài trời. Phương án được chúng tôi sử dụng là dùng cách xây dựng thuật toán mờ để ra quyết định điều khiển. Việc mờ hóa và giải mờ sẽ được trình bày trong một phần khác. Tuy nhiên, có thể hiểu một cách đơn giản như sau: Chênh lệch nhiệt độ đặt với nhiệt độ thực, cũng như chênh lệch nhiệt độ mong muốn và nhiệt độ thực ngoài trời, có thể chia thành rất nhiều cấp. Ví dụ như: Chênh rất ít, chênh ít, không chênh… Từ các thông tin này mà có một luật hợp thành để ra quyết định cho máy điều hòa chạy ở tốc độ nào đó phù hợp. Như vậy, việc phân chia các vùng nhiệt độ cũng như phân chia các khoảng tốc độ máy nén phải được thí nghiệm nhiều lần để có được thuật toán tốt nhất. Trong những bộ điều khiển hiện đại, hoàn toàn có thể kết hợp thuật toán mờ kết hợp với neron. Khi đó, máy có thể tự “rút kinh nghiệm” và tối ưu thuật toán điều khiển nhằm đáp ứng tốt nhất yêu cầu người dùng mà vẫn đảm bảo tiết kiệm năng lượng nhất.

Thiết kế bộ điều khiển

Khi điều hòa làm việc trong điều kiện không đổi, có thể thấy ngay rằng lượng nhiệt lạnh đầu ra tỷ lệ thuận với tốc độ vòng quay máy nén. Lượng nhiệt lạnh này thay đổi tùy theo yêu cầu của tải, hay lượng nhiệt cần lấy đi khỏi căn phòng. Khi nhiệt độ phòng giảm đi, tải nhiệt giảm, máy nén cần giảm tốc độ quay để cung cấp một năng lượng vừa đủ và đến khi nhiệt phòng đã đủ, máy nén quay ở một tốc độ nhỏ nhất nào đó để duy trì nhiệt độ này.

Với một hệ thống có đặc điểm phi tuyến như đối tượng nhiệt độ phòng, rất khó để dùng một bộ điều khiển PID mà đạt được mục tiêu điều khiển. Điều khiển mờ được dùng đến như một phương pháp điều khiển hữu ích cho ứng dụng điều hòa. Điều khiển mờ là dạng điều khiển phỏng theo lối suy nghĩ của con người. Tuy nhiên, do không có thành phần tích phân trong bộ điều khiển nên nếu không phân chia điểm làm việc phù hợp, có thể dẫn đến đại lượng ra dao động xung quanh một điểm ổn định. Nói cách khác, luôn tồn tại một sai số trạng thái.

Các biến mờ đầu vào, gồm 02 biến. Trong đó

DTi: Là hiệu số nhiệt độ trong phòng và nhiệt độ đặt.

DTi= indoor_tempr – setpoint_tempr;

Nếu DTi < 0 gán DTi=0, điều hòa chỉ một chiều lạnh

DTo: Là hiệu số nhiệt độ ngoài trời và nhiệt độ đặt.

DTo = outdoor_tempr – setpoint_tempr;

Nếu DTo <0 gán DTo=0, điều hòa chỉ một chiều lạnh.

 

DTi có các vùng giá trị

VSMALL: very small

SMALL: Small

MEDIUM: Medium

QLARGE: Quite large

LARGE: Large

VLARGE: Very large

Tương tự đối với DTo

Tốc độ máy nén, thể hiện qua tần số, Hz được chia thành các vùng:

NONE: Gần như không chạy

LIGHT: Chạy rất chậm

MEDIUM: Chạy tốc độ vừa

HARD: Chạy tương đối nhanh

VHARD: Chạy máy nén tối đa

Luật mờ qquy định như sau

DTo\DTi	VSMALLi	SMALLi	MEDIUMi	QLARGEi	LARGEi	VLARGEi
VSMALLo	NONE	LIGHT	LIGHT	MEDIUM	MEDIUM	HARD
SMALLo	LIGHT	LIGHT	MEDIUM	MEDIUM	HARD	HARD
MEDIUMo	LIGHT	MEDIUM	MEDIUM	HARD	HARD	VHARD
QLARGEo	MEDIUM	MEDIUM	HARD	HARD	VHARD	VHARD
LARGEo	MEDIUM	HARD	HARD	VHARD	VHARD	VHARD
VLARGEo	HARD	HARD	VHARD	VHARD	VHARD	VHARD

 

Bộ điều khiển mờ được mã hóa cho vi điều khiển 8 bit 16F886 (Microchip) thực hiện, nằm trên board mạch outdoor. Kết nối giữa vi điều khiển điều khiển (luật toán và logic) với vi điều khiển điều chế (trực tiếp điều khiển van công suất) thực hiện qua giao diện I2C (400kHz)

Toàn bộ hệ thống lạnh được mô phỏng trên Simulink/Matlab như hình H5

H5. Mô phỏng kiểm chứng bộ điều khiển

Kết quả mô phỏng cũng như chạy thực nghiệm cho thấy: Hệ truyền động cho điều hòa inverter hoạt động linh hoạt, giúp điều hòa tiết kiệm năng lượng đáng kể, giảm tổn hao. Kết quả khẳng định được hiệu quả kinh tế của việc sử dụng hệ thống công suất mới cho điều hòa, đồng thời cũng khẳng định khả năng chế tạo điều hòa inverter được nội địa hóa.