固態繼電器在全新風機組中的應用

摘 要：本文介紹了應用固態繼電器及可編程邏輯控制器實現的控制全新風空調機組送風溫度的方法。使用這種方法設計的空調機控制系統在有效控制機組的這風溫度的同時大大節約了生產成本。1 控制空調機組送風溫度的原因

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　　在傳統的采用單元式空調機的空調系統中，其風系統通常都是一個循環的系統。空氣經空調機組處理后由送風管送到受控環境，與受控環境的空氣混合后再由回風管回到空調機組。如果其中對空氣品質有一定的要求，則在空調機組的進風口再引入定量的新風，再在受控環境的出風口將定量的空氣經排風管排走即可。這種情況下對受控環境的溫度控制通常是控制空調機的回風溫度，其控制方法已非常成熟。
　　然而，在某些特定的使用環境如汽車發動機的實驗室、動物實驗艙等地方，由于空氣流過受控環境后會變得有毒或有異味，不能再循環利用，必須全部排走。這時的風系統里面就沒有了回風的部份，稱為全新風系統。全新風系統中如果受控環境特別小，而風量又很大，即換氣次數特別多，在這種情況下對它的溫度控制就只能是控制空調機組的送風溫度。
2 控制空調機組送風溫度的難點
　　采用壓縮機制冷的空調機組要控制它的送風溫度，主要存在如下難點：
　　首先，實驗環境對空調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的空調系統中，也要費很多的功夫才能做到。
　　其次，單元式空調機的壓縮機是一個典型的開關部件，而出于成本及制造工藝方面的考慮，單元式空調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溫度相差達10℃ 以上。并且，由于制冷系統壓力平衡和回油的需要，壓縮機的運行和停機都有嚴格的時間限制。所以，單元式空調機組單純靠壓縮機制冷來控制送風溫度幾乎無法做到。這也是從前的空調系統在需要控制送風溫度時極少選用單元式柜機而多用制冷量連續可調的冷水機組加末端的主要原因。
　　要解決上述難點，其關鍵是要盡量使單元式空調機組的壓縮機長時間地保持穩定的狀態，同時用其他連續可調的控制方法對制冷量（或加熱量）進行微調，才能有效地對空調機組的出風溫度進行控制。
3 用固態繼電器及PLC 實現的送風溫度控制
3．1 控制系統的工作原理
　　對于單元式空調機組而言，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行微調不太現實。因此，只能從機組的另一可進行溫度調節的部件—— 加熱器處入手。如果可以通過加熱器進行熱補償，抵消壓縮機多余的冷量，那么就可以達到對制冷量進行微調的目的。基于這個理論，人們開始應用可控硅功率調節器通過導通角的變換來控制電加熱器的輸入功率，進入加熱量的調節。但是可控硅功率調節器自身的發熱量大，需要大型的散熱片和的散熱風扇，因而體積較大而且成本通常比較高，達到500元／kW 左右。
　　通過對加熱器的深入研究我們發現，單元式空調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系為
       Q=kP                  公式（1）
　　上式中的k為常數值，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系式
                    公式（2）
　　上式中的R值是加熱器的電阻值，為常數。
　　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。
　　由于交流電信號在加載到電阻性負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）成正比例關系。因此當單元式空調機組的壓縮機長期處于穩定的運行狀態（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，就能做到微調空調機組的加熱量（或制冷量）。
3．2 固態繼電器的工作原理
　　交流固態繼電器SSR（Solid state relays）是一種無觸點通斷電子開關，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，輸出端就能從關斷狀態轉變成導通狀態（無信號時呈阻斷狀態），從而控制較大負載。整個器件無可動部件及觸點，可實現相當于常用的機械式電磁繼電器一樣的功能。由于固態繼電器是由固體元件組成的無觸點開關元件，所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、不受開關壽命限制．對外界干擾小，能與邏輯電路兼容、抗*，0強、開關速度快和使用方便等一系列優點。另外，固態繼電器的成本較低，用于15kW 加熱器的固態繼電器成本大約1000元。只有可控硅功率調節器的成本十分之一。
3．3 控制系統的硬件組成及工作過程
　　控制系統的主控制器采用德國西門子公司的S7—224型PLC，因為要與固態繼電器的輸入信號匹配，因此PLC的數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個數字量輸入點和10個數字量輸出點。其中第1和第2個數字量輸出點可作脈寬調制（PWM）輸出。實際應用中我們把第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，分別置于空調機組的送風口及回風口。溫度變送器的輸出信號經模擬量模塊進行A／D轉換后變為數字化的溫度數據讀入到PLC中。電加熱器主電路的通斷控制用固態繼電器替代通常的交流接觸器。

　　主控制器根據新風進風溫度與設定送風溫度的偏差值控制壓縮機的開停機，作為送風溫度的粗調。其目的是使空氣到達加熱器前的溫度略低于設定的送風溫度。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定了一個較大的值。而加熱器的作用則是對出風溫度進行微調。設定送風溫度和實測送風溫度這兩個溫度值用作一個PID回路運算的輸入，PID運算的結果則用于加熱器輸出點的PWM輸出控制，以控制固態繼電器的 得到了用戶的*。通斷動作。控制軟件的流程圖參見圖1。
4 結束語
　　本系統采用可編程邏輯控制器及固態繼電器進行控制系統設計，硬件結構簡單，響應速度快，自動化程度高，以較低的投資成本達到了控制空調機組出風溫度的目的。一臺5HP的單元式空調，應用此方案重新設計后，在重慶某汽車生產廠的一個發動機實驗室經過近兩年的現場使用，送風溫度的精度可控制在±0．5cc以內。并且運行穩定，操作方便，

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