固態(tài)繼電器在全新風(fēng)機組中的應(yīng)用

摘 要：本文介紹了應(yīng)用固態(tài)繼電器及可編程邏輯控制器實現(xiàn)的控制全新風(fēng)空調(diào)機組送風(fēng)溫度的方法。使用這種方法設(shè)計的空調(diào)機控制系統(tǒng)在有效控制機組的這風(fēng)溫度的同時大大節(jié)約了生產(chǎn)成本,。1 控制空調(diào)機組送風(fēng)溫度的原因

美國快達(dá)三相固態(tài)繼電器D53TP50D

　　在傳統(tǒng)的采用單元式空調(diào)機的空調(diào)系統(tǒng)中,，其風(fēng)系統(tǒng)通常都是一個循環(huán)的系統(tǒng),。空氣經(jīng)空調(diào)機組處理后由送風(fēng)管送到受控環(huán)境,，與受控環(huán)境的空氣混合后再由回風(fēng)管回到空調(diào)機組,。如果其中對空氣品質(zhì)有一定的要求，則在空調(diào)機組的進(jìn)風(fēng)口再引入定量的新風(fēng),，再在受控環(huán)境的出風(fēng)口將定量的空氣經(jīng)排風(fēng)管排走即可,。這種情況下對受控環(huán)境的溫度控制通常是控制空調(diào)機的回風(fēng)溫度，其控制方法已非常成熟,。
　　然而,，在某些特定的使用環(huán)境如汽車發(fā)動機的實驗室、動物實驗艙等地方,，由于空氣流過受控環(huán)境后會變得有毒或有異味,，不能再循環(huán)利用，必須全部排走,。這時的風(fēng)系統(tǒng)里面就沒有了回風(fēng)的部份,，稱為全新風(fēng)系統(tǒng)。全新風(fēng)系統(tǒng)中如果受控環(huán)境特別小,，而風(fēng)量又很大,，即換氣次數(shù)特別多，在這種情況下對它的溫度控制就只能是控制空調(diào)機組的送風(fēng)溫度,。
2 控制空調(diào)機組送風(fēng)溫度的難點
　　采用壓縮機制冷的空調(diào)機組要控制它的送風(fēng)溫度,，主要存在如下難點：
　　首先，實驗環(huán)境對空調(diào)機組的控制精度要求較高,，一般要求溫度精度波動范圍為±1℃ ,，甚至是±0．5℃ 。這樣的要求即使在全回風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng)中,，也要費很多的功夫才能做到,。
　　其次，單元式空調(diào)機的壓縮機是一個典型的開關(guān)部件,，而出于成本及制造工藝方面的考慮，單元式空調(diào)機組通常只配一至兩個的壓縮機,，這使得壓縮機運行與停機時的送風(fēng)溫度相差達(dá)10℃ 以上,。并且，由于制冷系統(tǒng)壓力平衡和回油的需要,，壓縮機的運行和停機都有嚴(yán)格的時間限制,。所以，單元式空調(diào)機組單純靠壓縮機制冷來控制送風(fēng)溫度幾乎無法做到,。這也是從前的空調(diào)系統(tǒng)在需要控制送風(fēng)溫度時極少選用單元式柜機而多用制冷量連續(xù)可調(diào)的冷水機組加末端的主要原因,。
　　要解決上述難點,，其關(guān)鍵是要盡量使單元式空調(diào)機組的壓縮機長時間地保持穩(wěn)定的狀態(tài)，同時用其他連續(xù)可調(diào)的控制方法對制冷量（或加熱量）進(jìn)行微調(diào),，才能有效地對空調(diào)機組的出風(fēng)溫度進(jìn)行控制,。
3 用固態(tài)繼電器及PLC 實現(xiàn)的送風(fēng)溫度控制
3．1 控制系統(tǒng)的工作原理
　　對于單元式空調(diào)機組而言，由于前面提到的壓縮機控制上的缺陷,，要對壓縮機的制冷量進(jìn)行微調(diào)不太現(xiàn)實,。因此，只能從機組的另一可進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的部件—— 加熱器處入手,。如果可以通過加熱器進(jìn)行熱補償,，抵消壓縮機多余的冷量，那么就可以達(dá)到對制冷量進(jìn)行微調(diào)的目的,?；谶@個理論，人們開始應(yīng)用可控硅功率調(diào)節(jié)器通過導(dǎo)通角的變換來控制電加熱器的輸入功率,，進(jìn)入加熱量的調(diào)節(jié),。但是可控硅功率調(diào)節(jié)器自身的發(fā)熱量大，需要大型的散熱片和的散熱風(fēng)扇,，因而體積較大而且成本通常比較高,，達(dá)到500元／kW 左右。
　　通過對加熱器的深入研究我們發(fā)現(xiàn),，單元式空調(diào)機組通常使用的是電阻式加熱器,。電阻式加熱器的加熱功率與輸入功率的關(guān)系為
       Q=kP                  公式（1）
　　上式中的k為常數(shù)值，表示加熱器的效率,。
　　而電加熱器的輸入功率與輸入電壓之間的關(guān)系式
                    公式（2）
　　上式中的R值是加熱器的電阻值,，為常數(shù)。
　　綜合上述2個公式,，我們可以得下式
     Q∝（U）                  公式（3）
　　也就是說,，電阻式加熱器的加熱功率是加載在電阻兩端的電壓值U的函數(shù)。
　　由于交流電信號在加載到電阻性負(fù)載上時等同于電壓值為其有效值的直流信號,。而以固定的頻率開斷該電流信號時,，輸出電壓的有效值與其占空比（即接通時間與波長時間之比）成正比例關(guān)系。因此當(dāng)單元式空調(diào)機組的壓縮機長期處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)（即長時間地運行或長時間地停機）時,，只要想辦法改變加載在電加熱器兩端的電壓信號的占空比,，就能做到微調(diào)空調(diào)機組的加熱量（或制冷量）。
3．2 固態(tài)繼電器的工作原理
　　交流固態(tài)繼電器SSR（Solid state relays）是一種無觸點通斷電子開關(guān),，為四端有源器件,。其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控端，中間采用光電隔離,，作為輸入輸出之間電氣隔離（浮空）,。在輸入端加上直流或脈沖信號，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)（無信號時呈阻斷狀態(tài)）,，從而控制較大負(fù)載,。整個器件無可動部件及觸點，可實現(xiàn)相當(dāng)于常用的機械式電磁繼電器一樣的功能,。由于固態(tài)繼電器是由固體元件組成的無觸點開關(guān)元件,，所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、不受開關(guān)壽命限制．對外界干擾小,，能與邏輯電路兼容,、抗*，0強,、開關(guān)速度快和使用方便等一系列優(yōu)點,。另外，固態(tài)繼電器的成本較低,，用于15kW 加熱器的固態(tài)繼電器成本大約1000元,。只有可控硅功率調(diào)節(jié)器的成本十分之一。
3．3 控制系統(tǒng)的硬件組成及工作過程
　　控制系統(tǒng)的主控制器采用德國西門子公司的S7—224型PLC,，因為要與固態(tài)繼電器的輸入信號匹配,，因此PLC的數(shù)字量輸出點必須是直流輸出型而不能用繼電器輸出型。S7—224屬于小型PLC,，共有14個數(shù)字量輸入點和10個數(shù)字量輸出點,。其中第1和第2個數(shù)字量輸出點可作脈寬調(diào)制（PWM）輸出。實際應(yīng)用中我們把第2個輸出點用作電加熱器的控制,。人機界面選用西門子公司的TD200文本顯示器,。該型號顯示器可同屏顯示2X20字符，帶背景光并支持中文顯示,。
　　溫度變送器選用兩個抗*力較強的電流型變送器,，分別置于空調(diào)機組的送風(fēng)口及回風(fēng)口。溫度變送器的輸出信號經(jīng)模擬量模塊進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字化的溫度數(shù)據(jù)讀入到PLC中,。電加熱器主電路的通斷控制用固態(tài)繼電器替代通常的交流接觸器,。

　　主控制器根據(jù)新風(fēng)進(jìn)風(fēng)溫度與設(shè)定送風(fēng)溫度的偏差值控制壓縮機的開停機，作為送風(fēng)溫度的粗調(diào),。其目的是使空氣到達(dá)加熱器前的溫度略低于設(shè)定的送風(fēng)溫度,。為了使壓縮機不會頻繁啟停，壓縮機開機溫度與停機溫度之間的溫度差設(shè)定了一個較大的值,。而加熱器的作用則是對出風(fēng)溫度進(jìn)行微調(diào)。設(shè)定送風(fēng)溫度和實測送風(fēng)溫度這兩個溫度值用作一個PID回路運算的輸入，PID運算的結(jié)果則用于加熱器輸出點的PWM輸出控制,，以控制固態(tài)繼電器的 得到了用戶的*,。通斷動作?？刂栖浖牧鞒虉D參見圖1,。
4 結(jié)束語
　　本系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器及固態(tài)繼電器進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計，硬件結(jié)構(gòu)簡單,，響應(yīng)速度快,，自動化程度高，以較低的投資成本達(dá)到了控制空調(diào)機組出風(fēng)溫度的目的,。一臺5HP的單元式空調(diào),，應(yīng)用此方案重新設(shè)計后，在重慶某汽車生產(chǎn)廠的一個發(fā)動機實驗室經(jīng)過近兩年的現(xiàn)場使用,，送風(fēng)溫度的精度可控制在±0．5cc以內(nèi),。并且運行穩(wěn)定，操作方便,，

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