【文章內(nèi)容簡介】 原理，控制 原理，以及中央空調(diào) 性能的指標(biāo) 。為下一步對中央空調(diào)的各部分的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ) 。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 3 章 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本章主要對本次設(shè)計(jì)中用到的硬件進(jìn)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(jī)界面的選擇等。通過本章對硬件的設(shè)計(jì)，可以基本確定本次設(shè)計(jì)的基本結(jié)構(gòu)以及各主要部分的組成。 變頻器 變頻器 的介紹 變頻器 是結(jié)合了 微電子技術(shù)與變頻 技術(shù)，通過改變 電機(jī) 工作 頻率 來 改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)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(dá)到電機(jī)所需要的轉(zhuǎn)速來控制室內(nèi)的溫度 ， 從而 達(dá)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(hù)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(chǎn)生較大的脈動(dòng)電壓，為了減少對設(shè)備的損壞和穩(wěn)定電網(wǎng)， 采用電感和電容 來 吸收脈動(dòng)電壓 或電流 。 變頻調(diào)速的原理 (1)工頻控制介紹 早前，國內(nèi)的中央空調(diào)系統(tǒng)，基本上都采用傳統(tǒng)的定流量控制方式。只要啟動(dòng)空調(diào)主機(jī)，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔風(fēng)機(jī)都在 50Hz 工頻狀態(tài)下運(yùn)行。 循環(huán)水的流量是一定的，當(dāng)負(fù)荷變化是，循環(huán)水量不會改變，也就是不會按照室內(nèi)青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 具體溫度進(jìn)行控制，使室內(nèi)不會有合理的溫度，既 浪費(fèi)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(dòng)大功率的水泵風(fēng)機(jī)等設(shè)備會造成很大的啟動(dòng)電流，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，也會給中央空調(diào)設(shè)備造成一定的損壞。此外 且水泵、風(fēng)機(jī)等 設(shè)備一直工作在工頻狀態(tài)下，會造成機(jī)械磨損嚴(yán)重，是使用壽命大大縮短 。 ② 不管室內(nèi)的溫度如何變化，中央空調(diào)一直都工作在工頻狀態(tài)，使系統(tǒng)的能耗始終在最大值處 。 很多因素會影響中央空調(diào)的負(fù)荷，比如天氣變化，晝夜變化，室內(nèi)熱源的變化 ，人流的多少等都會影響。這種變化的負(fù)荷決定了中央空調(diào)的輸出應(yīng)該是一個(gè)變量，必須根據(jù)負(fù)荷變化來改變空調(diào)的輸出 [2]。 (2)電機(jī)變頻控制計(jì)算 電機(jī)是中央空調(diào)的 最主要的器件，就像人體的心臟，為了中央空調(diào)的運(yùn)行提供動(dòng)力，電機(jī)也是中央空調(diào)最耗電的器件之一。所以，要想降低能耗，合理的給室內(nèi)輸出冷量就必須控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，既通過變頻控制轉(zhuǎn)速。 根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速的公式： )1(1 snn ?? () pfn /601? () 1n :同步轉(zhuǎn)速，單位為 /minr ； p :磁極對數(shù) ； n :電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速 ； f :電源頻率，單位為 Hz ； s :異步電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)差率。 根據(jù)公式，我們可以知道，通過 改變 電機(jī) 的 、改變旋轉(zhuǎn)磁場頻率 f 、改變電機(jī)極對數(shù) p 來改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)對數(shù) 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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 從某種意義上說，變頻器就是一個(gè) 改變電源頻率的交流電源 。 三相異步 電機(jī)定子每相電動(dòng)勢的有效值是： 114 .4 4g m mE f N K ??? () 式中： gE ：每相的 感應(yīng)電動(dòng)勢 的 有效值，單位為 V ； 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 1f ： 定子頻率，單位為 Hz ； 1N： 定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)； 1nK ： 基波繞組系數(shù)； 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(diào)速 需要考慮兩種情況 ： 基頻以下和基頻以上 。 ① 基頻 以 下調(diào)速 由 (33)可知，保持磁通量不變從 基頻 mf 向下調(diào)節(jié)，同時(shí) 會 降低 gE ，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢是很難控制的，但電動(dòng)勢較高，可以忽略電子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)定定子相電壓 1UE? ，則得 1/f 等于 常數(shù)。 低頻時(shí)， 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(shí)，可以人為的把電壓 1U 抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降。 b 線 為 帶定子 的 壓降補(bǔ)償?shù)暮銐侯l比控制特性， a 線為無補(bǔ)償?shù)摹Ｈ鐖D 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(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，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(dāng)于直流電機(jī)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(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速控制特性，如圖 所示。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電動(dòng)機(jī)都能長期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。在基頻以下，屬于 “ 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 ” 的調(diào)速，而在基頻以上，基本上屬于 “ 恒功率調(diào)速 ” 。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 U 1 / VU m恒 轉(zhuǎn) 矩 調(diào) 速 恒 功 率 調(diào) 速f m f / H z0 圖 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性 在中央空調(diào)水系統(tǒng)中，最主要的運(yùn)行設(shè)備是水泵。水泵調(diào)速運(yùn)行節(jié)電的理論之一是水泵學(xué)比例律。幽水泵學(xué)比例律可知，對于同一臺水泵，當(dāng)以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，水泵的流量 Q，揚(yáng)程 H，軸功率 P 與轉(zhuǎn)速 n 有如下關(guān)系 [10] 2121 nn? () 22121 )(nnHH ? () 32121 ??????? nnPP () 由 以上公式 知，轉(zhuǎn)速與流量成正比， 與 揚(yáng)程的平方成正比，與軸功率立方成正比。 所以 ，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低 時(shí)， 功率的減少要遠(yuǎn)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(tǒng)的控制方法有很多的優(yōu)點(diǎn)： a 這種控制的啟動(dòng)為軟 啟動(dòng)，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響比較小。 b 調(diào)速的范圍較廣。 變頻器的選擇 變頻器是系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)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(fù)載特性。 變頻器的選擇原則： ⑴ 根據(jù)負(fù)載特性選擇變頻器。 ⑵ 選擇變頻器時(shí)應(yīng)以實(shí)際電機(jī)電流值作為變頻器選擇的依據(jù)。 ⑶ 容易發(fā)生由于紋波電流而引起的過電流跳閘現(xiàn)象，所以應(yīng)選擇比通常容量稍大的變頻器。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 ⑷ 選擇用于高速電動(dòng)機(jī)的變頻器時(shí)，應(yīng)比普通電動(dòng)機(jī)的變頻器稍大一些。 本設(shè)計(jì)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(yīng)用更加的廣泛，有更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 。 這些優(yōu)點(diǎn)可以是系統(tǒng)有一致的高驅(qū)動(dòng)性能。 MM440 有很多的優(yōu)點(diǎn)： 易于調(diào)試；易于安裝；可由 IT 電源供電；響應(yīng)是快速 并且 可重復(fù)；很廣 的 參數(shù)的范圍；電纜連接簡便；模塊化設(shè)計(jì)，配置靈活； 有多個(gè)繼電器輸出； 2 個(gè)模擬輸 出； 開關(guān)頻率高 ，降低電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的噪音 ； 具有多個(gè)模擬量輸 ； 詳細(xì)的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能。 MM440 保護(hù)功能： 過壓 /欠壓保護(hù)；變頻器過溫保護(hù)；使用 PTC 通過數(shù)字輸入實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過熱保護(hù)；接地故障保護(hù)；短路保護(hù)；閉鎖電動(dòng)機(jī)保護(hù)；防止電動(dòng)機(jī)失速；參數(shù)聯(lián)鎖。 使用注意的問題 ⑴ 物理環(huán)境 ① 工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，產(chǎn)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(yīng)把 控制箱制成封閉式結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行換氣。 ③ 振動(dòng)和沖擊。除了提高控制柜的機(jī)械強(qiáng)度、遠(yuǎn)離振動(dòng)源和沖擊源外，還應(yīng)使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開關(guān)之類產(chǎn)生振動(dòng)的元器件。 ④ 變頻器應(yīng)該安裝在控制柜內(nèi)部。變頻器最好安裝在控制柜內(nèi)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(fēng)、進(jìn)風(fēng)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(yán)格密封或者采用假面板替換，防止粉塵大量進(jìn)入變頻器內(nèi)部 。 ⑵ 電氣環(huán)境 ① 防止電磁波干擾。變頻器周圍產(chǎn)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(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應(yīng)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(shí)間長，會使變頻器輸入端損壞 ，所以， 在實(shí)際運(yùn)用中，要核實(shí)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 電機(jī)的軟啟動(dòng) 原理及應(yīng)用 軟啟動(dòng)的介紹 電機(jī)的電壓從零慢慢升高 到 標(biāo)準(zhǔn)電壓 ， 這個(gè)過 程中的啟動(dòng)電流就有傳統(tǒng)控制的不可控制變?yōu)榭煽?，而且還可以進(jìn)行調(diào)整，從而使整個(gè)過程中不會產(chǎn)生沖擊轉(zhuǎn)矩，對系統(tǒng)的影響較小。 軟啟動(dòng)器是一種集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車、多種保護(hù)功能于一體的電機(jī)控制裝置。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路 。 變頻器是用于需要調(diào)速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時(shí)改變頻率；軟起動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器，用于電機(jī)起動(dòng)時(shí)，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。 軟啟動(dòng)工作原理 軟啟器 的 調(diào)壓器 是 三相反并聯(lián)晶閘管， 它是被接在 電動(dòng)機(jī)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(dòng)控制電機(jī)時(shí)，晶閘管輸出電壓不斷增大 ， 從而是 電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)速逐漸增加 ， 最后 晶閘管 完全 導(dǎo)通， 使 電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓 下進(jìn)行工作 ， 從而 實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)。 當(dāng) 電機(jī) 的轉(zhuǎn)速 達(dá)到 要求的轉(zhuǎn)速 時(shí)，軟 啟動(dòng) 的 過程結(jié)束，軟啟動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管， 給 電動(dòng)機(jī) 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(dòng)器的使用壽命，并且可以避免電網(wǎng)受到諧波污染 [3]。 軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) ⑴ 電網(wǎng)電壓 產(chǎn)生 波動(dòng)， 影響電網(wǎng)中其他設(shè)備的正常運(yùn)行 交流電 機(jī)在 額定電壓下直接起動(dòng)時(shí) ，起動(dòng)電流會是額定電流的 的 4～ 7 倍 ，電機(jī)容量較小時(shí)對電網(wǎng)那個(gè)的影響比較小，但是 當(dāng)電機(jī)的 很 大時(shí)， 4～ 7 被的額定電流 會 是電網(wǎng)的電壓幾句下降 ， 使同一個(gè)電網(wǎng)的其他設(shè)備的正常運(yùn)行受到影響 。 在 軟起動(dòng) 器啟動(dòng) 時(shí)，起動(dòng)電流 會是 額定電流的 2～ 3 倍，在電網(wǎng)允許的波動(dòng)范圍之內(nèi)，對其他設(shè)備的影響很小。 ⑵ 降低電機(jī)壽命，傷害電機(jī)絕緣 4～ 7 倍 的額定 電流產(chǎn)生的 很多的 焦耳熱 ，作用于 導(dǎo)線外絕緣， 從而 使絕緣老化 ，進(jìn)而降低電機(jī)的使用 壽命 ； 4～ 7 倍 的額定 電流 所 產(chǎn)生的機(jī)械力 會 使導(dǎo)線之間產(chǎn)生摩擦，也會使壽命降低； 高壓開關(guān) 合閘時(shí) ， 觸頭 會產(chǎn)生 抖動(dòng) ，這 會在電機(jī)定子繞組上 造成 操作過電壓， 操作過電壓有時(shí)會達(dá)到額定電壓 的 6 倍以上， 這樣的高壓會對設(shè)備造成損壞，影響使用壽命 。 青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 軟啟動(dòng)與變頻器的對比 軟起動(dòng)器和變頻器是兩種不同用途的產(chǎn)品。軟起動(dòng)器 按其工作原理就是一個(gè)調(diào)壓器， 當(dāng) 電機(jī)起動(dòng)時(shí)， 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(dòng)功能， 但是變頻器是 通過改變電源頻率 來 實(shí)現(xiàn) 的，不會降低電壓 。 本次設(shè)計(jì)中，將軟啟動(dòng)器和變頻器一起配合 使用，由變頻器帶動(dòng)一臺 水 泵變速運(yùn)行， 一個(gè) 軟啟動(dòng)器 控制其他電機(jī)的 操作， 由變頻器控制的水泵 可 以 定時(shí)輪換使各泵運(yùn)行 的 時(shí)間 相 均衡， 從而時(shí)各臺水泵的壽命得到延長。 PLC選型 可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)， 專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)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(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 PLC 及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展