固態(tài)繼電器在全新風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)的控制全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度的方法。使用這種方法設(shè)計(jì)的空調(diào)機(jī)控制系統(tǒng)在有效控制機(jī)組的這風(fēng)溫度的同時(shí)大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。  

　　關(guān)鍵詞：固態(tài)繼電器；全新風(fēng)系統(tǒng)；可編程邏輯控制器；脈寬調(diào)制；占空比；導(dǎo)通角  

　　1 控制空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度的原因  

　　在傳統(tǒng)的采用單元式空調(diào)機(jī)的空調(diào)系統(tǒng)中，其風(fēng)系統(tǒng)通常都是一個(gè)循環(huán)的系統(tǒng)?？諝饨?jīng)空調(diào)機(jī)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(jī)組。如果其中對(duì)空氣品質(zhì)有一定的要求，則在空調(diào)機(jī)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(duì)受控環(huán)境的溫度控制通常是控制空調(diào)機(jī)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)艙等地方，由于空氣流過(guò)受控環(huán)境后會(huì)變得有毒或有異味，不能再循環(huán)利用，必須全部排走。這時(shí)的風(fēng)系統(tǒng)里面就沒(méi)有了回風(fēng)的部份，稱(chēng)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(duì)它的溫度控制就只能是控制空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)溫度。  

　　2 控制空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度的難點(diǎn)  

　　采用壓縮機(jī)制冷的空調(diào)機(jī)組要控制它的送風(fēng)溫度，主要存在如下難點(diǎn)：  

　　首先，實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)空調(diào)機(jī)組的控制精度要求較高，一般要求溫度精度波動(dòng)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(fèi)很多的功夫才能做到。  

　　其次，單元式空調(diào)機(jī)的壓縮機(jī)是一個(gè)典型的開(kāi)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(jī)組通常只配一至兩個(gè)的壓縮機(jī)，這使得壓縮機(jī)運(yùn)行與停機(jī)時(shí)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(jī)的運(yùn)行和停機(jī)都有嚴(yán)格的時(shí)間限制。所以，單元式空調(diào)機(jī)組單純靠壓縮機(jī)制冷來(lái)控制送風(fēng)溫度幾乎無(wú)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(shí)極少選用單元式柜機(jī)而多用制冷量連續(xù)可調(diào)的冷水機(jī)組加末端的主要原因。  

　　要解決上述難點(diǎn)，其關(guān)鍵是要盡量使單元式空調(diào)機(jī)組的壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間地保持穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)用其他連續(xù)可調(diào)的控制方法對(duì)制冷量（或加熱量）進(jìn)行微調(diào)，才能有效地對(duì)空調(diào)機(jī)組的出風(fēng)溫度進(jìn)行控制。  

　　3 用固態(tài)繼電器及PLC 實(shí)現(xiàn)的送風(fēng)溫度控制  

　　3．1 控制系統(tǒng)的工作原理  

　　對(duì)于單元式空調(diào)機(jī)組而言，由于前面提到的壓縮機(jī)控制上的缺陷，要對(duì)壓縮機(jī)的制冷量進(jìn)行微調(diào)不太現(xiàn)實(shí)。因此，只能從機(jī)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(guò)加熱器進(jìn)行熱補(bǔ)償，抵消壓縮機(jī)多余的冷量，那么就可以達(dá)到對(duì)制冷量進(jìn)行微調(diào)的目的。基于這個(gè)理論，人們開(kāi)始應(yīng)用可控硅功率調(diào)節(jié)器通過(guò)導(dǎo)通角的變換來(lái)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專(zhuān)用的散熱風(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(guò)對(duì)加熱器的深入研究我們發(fā)現(xiàn)，單元式空調(diào)機(jī)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[固態(tài)繼電器在全新風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)的控制全新風(fēng)空調(diào)機(jī)組送風(fēng)溫度的方法。使用這種方法設(shè)計(jì)的空調(diào)機(jī)控制系統(tǒng)在有效控制機(jī)組的這風(fēng)溫度的同時(shí)大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。 關(guān)鍵詞：固態(tài)繼電器；全...

　　綜合上述2個(gè)公式，我們可以得下式   Q∝（U） 公式（3）  

　　也就是說(shuō)，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(hào)在加載到電阻性負(fù)載上時(shí)等同于電壓值為其有效值的直流信號(hào)。而以固定的頻率開(kāi)斷該電流信號(hào)時(shí)，輸出電壓的有效值與其占空比（即接通時(shí)間與波長(zhǎng)時(shí)間之比）成正比例關(guān)系。因此當(dāng)單元式空調(diào)機(jī)組的壓縮機(jī)長(zhǎng)期處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)（即長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行或長(zhǎng)時(shí)間地停機(jī)）時(shí)，只要想辦法改變加載在電加熱器兩端的電壓信號(hào)的占空比，就能做到微調(diào)空調(diào)機(jī)組的加熱量（或制冷量）。  

[$page]　　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(wú)觸點(diǎn)通斷電子開(kāi)關(guān)，為四端有源器件。其中兩個(gè)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(hào)，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)（無(wú)信號(hào)時(shí)呈阻斷狀態(tài)），從而控制較大負(fù)載。整個(gè)器件無(wú)可動(dòng)部件及觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于常用的機(jī)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(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件，所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、不受開(kāi)關(guān)壽命限制．對(duì)外界干擾小，能與邏輯電路兼容、抗干擾能，0強(qiáng)、開(kāi)關(guān)速度快和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。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(guò)程  

　　控制系統(tǒng)的主控制器采用德國(guó)西門(mén)子公司的S7—224型PLC，因?yàn)橐c固態(tài)繼電器的輸入信號(hào)匹配，因此PLC的數(shù)字量輸出點(diǎn)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(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)。其中第1和第2個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)可作脈寬調(diào)制（PWM）輸出。實(shí)際應(yīng)用中我們把第2個(gè)輸出點(diǎn)用作電加熱器的控制。人機(jī)界面選用西門(mén)子公司的TD200文本顯示器。該型號(hào)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(gè)抗干擾能力較強(qiáng)的電流型變送器，分別置于空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)口及回風(fēng)口。溫度變送器的輸出信號(hào)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(jī)的開(kāi)停機(jī)，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(jī)不會(huì)頻繁啟停，壓縮機(jī)開(kāi)機(jī)溫度與停機(jī)溫度之間的溫度差設(shè)定了一個(gè)較大的值。而加熱器的作用則是對(duì)出風(fēng)溫度進(jìn)行微調(diào)。設(shè)定送風(fēng)溫度和實(shí)測(cè)送風(fēng)溫度這兩個(gè)溫度值用作一個(gè)PID回路運(yùn)算的輸入，PID運(yùn)算的結(jié)果則用于加熱器輸出點(diǎn)的PWM輸出控制，以控制固態(tài)繼電器的 得到了用戶(hù)的一致好評(píng)。通斷動(dòng)作?？刂栖浖牧鞒虉D參見(jiàn)圖1。  

　　4 結(jié)束語(yǔ)  

　　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(jì)，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，自動(dòng)化程度高，以較低的投資成本達(dá)到了控制空調(diào)機(jī)組出風(fēng)溫度的目的。一臺(tái)5HP的單元式空調(diào)，應(yīng)用此方案重新設(shè)計(jì)后，在重慶某汽車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)的一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)近兩年的現(xiàn)場(chǎng)使用，送風(fēng)溫度的精度可控制在±0．5cc以?xún)?nèi)。并且運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便。

　　參考文獻(xiàn)：  

　　[1]德國(guó)西門(mén)子公司．SIMATIC S7—200可編程序控制器系統(tǒng)手冊(cè)[M]．2002．  
　　[2]吳金宏，吳吳．S／HS固態(tài)繼電器原理與應(yīng)用[J]．世界電子元器件第l期。