固态继电器在全新风机组中的应用

固态继电器在全新风机组中的应用

摘 要：本文介绍了应用固态继电器及可编程逻辑控制器实现的控制全新风空调机组送风温度的方法。使用这种方法设计的空调机控制系统在有效控制机组的这风温度的同时大大节约了生产成本。1 控制空调机组送风温度的原因

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　　在传统的采用单元式空调机的空调系统中，其风系统通常都是一个循环的系统。空气经空调机组处理后由送风管送到受控环境，与受控环境的空气混合后再由回风管回到空调机组。如果其中对空气品质有一定的要求，则在空调机组的进风口再引入定量的新风，再在受控环境的出风口将定量的空气经排风管排走即可。这种情况下对受控环境的温度控制通常是控制空调机的回风温度，其控制方法已非常成熟。
　　然而，在某些特定的使用环境如汽车发动机的实验室、动物实验舱等地方，由于空气流过受控环境后会变得有毒或有异味，不能再循环利用，必须全部排走。这时的风系统里面就没有了回风的部份，称为全新风系统。全新风系统中如果受控环境特别小，而风量又很大，即换气次数特别多，在这种情况下对它的温度控制就只能是控制空调机组的送风温度。
2 控制空调机组送风温度的难点
　　采用压缩机制冷的空调机组要控制它的送风温度，主要存在如下难点：
　　首先，实验环境对空调机组的控制精度要求较高，一般要求温度精度波动范围为±1℃ ，甚至是±0．5℃ 。这样的要求即使在全回风的空调系统中，也要费很多的功夫才能做到。
　　其次，单元式空调机的压缩机是一个典型的开关部件，而出于成本及制造工艺方面的考虑，单元式空调机组通常只配一至两个的压缩机，这使得压缩机运行与停机时的送风温度相差达10℃ 以上。并且，由于制冷系统压力平衡和回油的需要，压缩机的运行和停机都有严格的时间限制。所以，单元式空调机组单纯靠压缩机制冷来控制送风温度几乎无法做到。这也是从前的空调系统在需要控制送风温度时极少选用单元式柜机而多用制冷量连续可调的冷水机组加末端的主要原因。
　　要解决上述难点，其关键是要尽量使单元式空调机组的压缩机长时间地保持稳定的状态，同时用其他连续可调的控制方法对制冷量（或加热量）进行微调，才能有效地对空调机组的出风温度进行控制。
3 用固态继电器及PLC 实现的送风温度控制
3．1 控制系统的工作原理
　　对于单元式空调机组而言，由于前面提到的压缩机控制上的缺陷，要对压缩机的制冷量进行微调不太现实。因此，只能从机组的另一可进行温度调节的部件—— 加热器处入手。如果可以通过加热器进行热补偿，抵消压缩机多余的冷量，那么就可以达到对制冷量进行微调的目的。基于这个理论，人们开始应用可控硅功率调节器通过导通角的变换来控制电加热器的输入功率，进入加热量的调节。但是可控硅功率调节器自身的发热量大，需要大型的散热片和的散热风扇，因而体积较大而且成本通常比较高，达到500元／kW 左右。
　　通过对加热器的深入研究我们发现，单元式空调机组通常使用的是电阻式加热器。电阻式加热器的加热功率与输入功率的关系为
       Q=kP                  公式（1）
　　上式中的k为常数值，表示加热器的效率。
　　而电加热器的输入功率与输入电压之间的关系式
                    公式（2）
　　上式中的R值是加热器的电阻值，为常数。
　　综合上述2个公式，我们可以得下式
     Q∝（U）                  公式（3）
　　也就是说，电阻式加热器的加热功率是加载在电阻两端的电压值U的函数。
　　由于交流电信号在加载到电阻性负载上时等同于电压值为其有效值的直流信号。而以固定的频率开断该电流信号时，输出电压的有效值与其占空比（即接通时间与波长时间之比）成正比例关系。因此当单元式空调机组的压缩机长期处于稳定的运行状态（即长时间地运行或长时间地停机）时，只要想办法改变加载在电加热器两端的电压信号的占空比，就能做到微调空调机组的加热量（或制冷量）。
3．2 固态继电器的工作原理
　　交流固态继电器SSR（Solid state relays）是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输出之间电气隔离（浮空）。在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转变成导通状态（无信号时呈阻断状态），从而控制较大负载。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用的机械式电磁继电器一样的功能。由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以与电磁继电器相比具有工作可靠、不受开关寿命限制．对外界干扰小，能与逻辑电路兼容、抗*，0强、开关速度快和使用方便等一系列优点。另外，固态继电器的成本较低，用于15kW 加热器的固态继电器成本大约1000元。只有可控硅功率调节器的成本十分之一。
3．3 控制系统的硬件组成及工作过程
　　控制系统的主控制器采用德国西门子公司的S7—224型PLC，因为要与固态继电器的输入信号匹配，因此PLC的数字量输出点必须是直流输出型而不能用继电器输出型。S7—224属于小型PLC，共有14个数字量输入点和10个数字量输出点。其中第1和第2个数字量输出点可作脉宽调制（PWM）输出。实际应用中我们把第2个输出点用作电加热器的控制。人机界面选用西门子公司的TD200文本显示器。该型号显示器可同屏显示2X20字符，带背景光并支持中文显示。
　　温度变送器选用两个抗*力较强的电流型变送器，分别置于空调机组的送风口及回风口。温度变送器的输出信号经模拟量模块进行A／D转换后变为数字化的温度数据读入到PLC中。电加热器主电路的通断控制用固态继电器替代通常的交流接触器。

　　主控制器根据新风进风温度与设定送风温度的偏差值控制压缩机的开停机，作为送风温度的粗调。其目的是使空气到达加热器前的温度略低于设定的送风温度。为了使压缩机不会频繁启停，压缩机开机温度与停机温度之间的温度差设定了一个较大的值。而加热器的作用则是对出风温度进行微调。设定送风温度和实测送风温度这两个温度值用作一个PID回路运算的输入，PID运算的结果则用于加热器输出点的PWM输出控制，以控制固态继电器的 得到了用户的*。通断动作。控制软件的流程图参见图1。
4 结束语
　　本系统采用可编程逻辑控制器及固态继电器进行控制系统设计，硬件结构简单，响应速度快，自动化程度高，以较低的投资成本达到了控制空调机组出风温度的目的。一台5HP的单元式空调，应用此方案重新设计后，在重庆某汽车生产厂的一个发动机实验室经过近两年的现场使用，送风温度的精度可控制在±0．5cc以内。并且运行稳定，操作方便，

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