【文章內容簡介】 原理，控制 原理，以及中央空調 性能的指標 。為下一步對中央空調的各部分的設計奠定基礎 。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 6 第 3 章 中央空調控制系統的硬件設計 本章主要對本次設計中用到的硬件進行介紹以及選擇， 包括主要的變頻器，可編程控制器，溫度傳感器，人機界面的選擇等。通過本章對硬件的設計，可以基本確定本次設計的基本結構以及各主要部分的組成。 變頻器 變頻器 的介紹 變頻器 是結合了 微電子技術與變頻 技術，通過改變 電機 工作 頻率 來 改變電動機轉速的裝置 。變頻器主要由整流、濾波、逆變、檢測單元 、 微處理 單元、驅動單元等組成。變頻器 是通過控制絕緣柵雙極型晶體管的 開斷來 改變 輸出 的頻率 ，從而達到電機所需要的轉速來控制室內的溫度 ， 從而 達到 既滿足人們的舒適要求并且節(jié)約能源的目的。 變頻器 還具有 過流、過壓、過載 等保護功能 。 圖 變頻器 變頻器主要有三部分組成：整流器、平波回路和 逆變器。 整流器：它把工頻電源變換為直流電源 。 逆變器： 與整流器的功能相反，將直流電變成交流電。 平波回路： 整流和逆變都會產生較大的脈動電壓，為了減少對設備的損壞和穩(wěn)定電網， 采用電感和電容 來 吸收脈動電壓 或電流 。 變頻調速的原理 (1)工頻控制介紹 早前，國內的中央空調系統，基本上都采用傳統的定流量控制方式。只要啟動空調主機，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風機都在 50Hz 工頻狀態(tài)下運行。 循環(huán)水的流量是一定的，當負荷變化是，循環(huán)水量不會改變，也就是不會按照室內青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 7 具體溫度進行控制，使室內不會有合理的溫度，既 浪費了能源，也不會使給人們舒適的生活。這種控制方式非常的簡單，但是，這種控制方式存在著很多問題 ： ① 在工頻的條件下啟動大功率的水泵風機等設備會造成很大的啟動電流，影響電網的穩(wěn)定性，也會給中央空調設備造成一定的損壞。此外 且水泵、風機等 設備一直工作在工頻狀態(tài)下，會造成機械磨損嚴重，是使用壽命大大縮短 。 ② 不管室內的溫度如何變化，中央空調一直都工作在工頻狀態(tài)，使系統的能耗始終在最大值處 。 很多因素會影響中央空調的負荷，比如天氣變化，晝夜變化，室內熱源的變化 ，人流的多少等都會影響。這種變化的負荷決定了中央空調的輸出應該是一個變量，必須根據負荷變化來改變空調的輸出 [2]。 (2)電機變頻控制計算 電機是中央空調的 最主要的器件，就像人體的心臟，為了中央空調的運行提供動力，電機也是中央空調最耗電的器件之一。所以，要想降低能耗，合理的給室內輸出冷量就必須控制電機的轉速，既通過變頻控制轉速。 根據電機轉速的公式： )1(1 snn ?? () pfn /601? () 1n :同步轉速，單位為 /minr ； p :磁極對數 ； n :電動機實際轉速 ； f :電源頻率，單位為 Hz ； s :異步電動 機的轉差率。 根據公式，我們可以知道，通過 改變 電機 的 、改變旋轉磁場頻率 f 、改變電機極對數 p 來改變電機轉速，電機對數 p 和 滑差 s 不易改變。 因此，我們可以通過改變電源的頻率 p 來改變電動機的轉速。 從某種意義上說，變頻器就是一個 改變電源頻率的交流電源 。 三相異步 電機定子每相電動勢的有效值是： 114 .4 4g m mE f N K ??? () 式中： gE ：每相的 感應電動勢 的 有效值，單位為 V ； 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 8 1f ： 定子頻率，單位為 Hz ； 1N： 定子每相繞組串聯匝數； 1nK ： 基波繞組系數； m? ： 每極氣隙磁通量。 由 公 式 ()可 知 ：不改變變 gE 和 1f ，磁通不變。 變頻調速 需要考慮兩種情況 ： 基頻以下和基頻以上 。 ① 基頻 以 下調速 由 (33)可知，保持磁通量不變從 基頻 mf 向下調節(jié)，同時 會 降低 gE ，繞組中的感應電動勢是很難控制的，但電動勢較高，可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認定定子相電壓 1UE? ，則得 1/f 等于 常數。 低頻時， 1U 和 gE 都較小，定子阻抗壓降所占的份量都比較顯著，不能在忽略。這時，可以人為的把電壓 1U 抬高一些，以便近似的補償定子壓降。 b 線 為 帶定子 的 壓降補償的恒壓頻比控制特性， a 線為無補償的。如圖 3— 2 所示。 U 1 / Vf / H zf m0ab 圖 恒壓頻比控制特性 ② 基頻以上調速 在基頻以上調速時，頻率可以從 mf 往上增高，但電壓 1U 磁通與頻率成反比的降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。 把基頻以下 和基頻以上兩種情況合起來，可得到異步電動機的變頻調速控制特性，如圖 所示。如果電動機在不同的轉速下都具有額定電流，則電動機都能長期運行，這時轉矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于 “ 恒轉矩調速 ” 的調速，而在基頻以上，基本上屬于 “ 恒功率調速 ” 。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 9 U 1 / VU m恒 轉 矩 調 速 恒 功 率 調 速f m f / H z0 圖 異步電動機變頻調速控制特性 在中央空調水系統中，最主要的運行設備是水泵。水泵調速運行節(jié)電的理論之一是水泵學比例律。幽水泵學比例律可知，對于同一臺水泵，當以不同轉速運行時，水泵的流量 Q，揚程 H，軸功率 P 與轉速 n 有如下關系 [10] 2121 nn? () 22121 )(nnHH ? () 32121 ??????? nnPP () 由 以上公式 知，轉速與流量成正比， 與 揚程的平方成正比，與軸功率立方成正比。 所以 ，當轉速降低 時， 功率的減少要遠比流量的減少量大的多，通過控制頻率的變化，來控制流量的大小，這就是變頻控制的核心思想。 這種控制方式相比傳統的控制方法有很多的優(yōu)點： a 這種控制的啟動為軟 啟動，對電網的穩(wěn)定性影響比較小。 b 調速的范圍較廣。 變頻器的選擇 變頻器是系統的一個關鍵的器件，所以選擇正確的變頻器是非常重要的。要選擇變頻器，我們首先要熟悉變頻器的負載特性。 變頻器的選擇原則： ⑴ 根據負載特性選擇變頻器。 ⑵ 選擇變頻器時應以實際電機電流值作為變頻器選擇的依據。 ⑶ 容易發(fā)生由于紋波電流而引起的過電流跳閘現象，所以應選擇比通常容量稍大的變頻器。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 10 ⑷ 選擇用于高速電動機的變頻器時，應比普通電動機的變頻器稍大一些。 本設計采用 SIEMENS 公司的 MM400 作為變頻器。 MICROMASTER 440 相比普通的變頻器相比應用更加的廣泛，有更高的動態(tài)響應 。 這些優(yōu)點可以是系統有一致的高驅動性能。 MM440 有很多的優(yōu)點： 易于調試；易于安裝；可由 IT 電源供電；響應是快速 并且 可重復；很廣 的 參數的范圍；電纜連接簡便；模塊化設計，配置靈活； 有多個繼電器輸出； 2 個模擬輸 出； 開關頻率高 ，降低電動機運行的噪音 ； 具有多個模擬量輸 ； 詳細的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能。 MM440 保護功能： 過壓 /欠壓保護；變頻器過溫保護；使用 PTC 通過數字輸入實現電動機過熱保護；接地故障保護；短路保護；閉鎖電動機保護；防止電動機失速；參數聯鎖。 使用注意的問題 ⑴ 物理環(huán)境 ① 工作溫度。變頻器內部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產品一般要求為 0～ 55。 ② 腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，會腐蝕元器件的引線、印刷電路板 ，并且 會加速塑料器件的老化，降低絕緣性能，在這種情況下，應把 控制箱制成封閉式結構，并進行換氣。 ③ 振動和沖擊。除了提高控制柜的機械強度、遠離振動源和沖擊源外，還應使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內電磁開關之類產生振動的元器件。 ④ 變頻器應該安裝在控制柜內部。變頻器最好安裝在控制柜內的中部；變頻器要垂直安裝，正上方和正下方要避免安裝可能阻擋排風、進風的大元件。 ⑤ 如果特殊用戶在使用中需要取掉鍵盤，則變頻器面板的鍵盤孔，一定要用膠帶嚴格密封或者采用假面板替換，防止粉塵大量進入變頻器內部 。 ⑵ 電氣環(huán)境 ① 防止電磁波干擾。變頻器周圍產生了很多干擾電磁波，電磁波對附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內儀表和電子系統，應該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對儀表的干擾 。 ② 防止輸入端過電壓。如果輸入端高電壓作用時間長，會使變頻器輸入端損壞 ，所以， 在實際運用中，要核實變頻器的輸入電壓、單相還是三相和變頻器使用額定電壓。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 11 電機的軟啟動 原理及應用 軟啟動的介紹 電機的電壓從零慢慢升高 到 標準電壓 ， 這個過 程中的啟動電流就有傳統控制的不可控制變?yōu)榭煽兀疫€可以進行調整，從而使整個過程中不會產生沖擊轉矩，對系統的影響較小。 軟啟動器是一種集電機軟起動、軟停車、多種保護功能于一體的電機控制裝置。它的主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電路 。 變頻器是用于需要調速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率；軟起動器實際上是個調壓器，用于電機起動時，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。 軟啟動工作原理 軟啟器 的 調壓器 是 三相反并聯晶閘管， 它是被接在 電動機定子和電源之間。這種電路 與 三相全 控橋式整流電路 很相似 。 軟啟動控制電機時，晶閘管輸出電壓不斷增大 ， 從而是 電動機 的轉速逐漸增加 ， 最后 晶閘管 完全 導通， 使 電動機工作在額定電壓 下進行工作 ， 從而 實現平滑啟動。 當 電機 的轉速 達到 要求的轉速 時，軟 啟動 的 過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管， 給 電動機 提供正常的額定電壓 ， 從而 降低晶閘管的熱損耗， 來延長軟啟動器的使用壽命，并且可以避免電網受到諧波污染 [3]。 軟啟動的優(yōu)點 ⑴ 電網電壓 產生 波動， 影響電網中其他設備的正常運行 交流電 機在 額定電壓下直接起動時 ，起動電流會是額定電流的 的 4～ 7 倍 ，電機容量較小時對電網那個的影響比較小，但是 當電機的 很 大時， 4～ 7 被的額定電流 會 是電網的電壓幾句下降 ， 使同一個電網的其他設備的正常運行受到影響 。 在 軟起動 器啟動 時，起動電流 會是 額定電流的 2～ 3 倍，在電網允許的波動范圍之內，對其他設備的影響很小。 ⑵ 降低電機壽命，傷害電機絕緣 4～ 7 倍 的額定 電流產生的 很多的 焦耳熱 ，作用于 導線外絕緣， 從而 使絕緣老化 ，進而降低電機的使用 壽命 ； 4～ 7 倍 的額定 電流 所 產生的機械力 會 使導線之間產生摩擦，也會使壽命降低； 高壓開關 合閘時 ， 觸頭 會產生 抖動 ，這 會在電機定子繞組上 造成 操作過電壓， 操作過電壓有時會達到額定電壓 的 6 倍以上， 這樣的高壓會對設備造成損壞，影響使用壽命 。 青島理工大學畢業(yè)設計（論文） 12 軟啟動與變頻器的對比 軟起動器和變頻器是兩種不同用途的產品。軟起動器 按其工作原理就是一個調壓器， 當 電機起動時， 降低輸出電壓，但是頻率并不會發(fā)生改變。 變頻器也有軟啟動功能， 但是變頻器是 通過改變電源頻率 來 實現 的，不會降低電壓 。 本次設計中，將軟啟動器和變頻器一起配合 使用，由變頻器帶動一臺 水 泵變速運行， 一個 軟啟動器 控制其他電機的 操作， 由變頻器控制的水泵 可 以 定時輪換使各泵運行 的 時間 相 均衡， 從而時各臺水泵的壽命得到延長。 PLC選型 可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統， 專門在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。 PLC 及其有關的外圍設備都應按照易于與工業(yè)控制系統形成一個整體，易于擴展