固態(tài)繼電器在全新風(fēng)機(jī)組中的應(yīng)用

　　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)。空氣經(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)里面就沒有了回風(fēng)的部份，稱為全新風(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。

　　二、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。

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

　　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?；谶@個(gè)理論，人們開始應(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值是加熱器的電阻值，為常數(shù)。

　　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)。

　　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)開關(guān)元件，所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、不受開關(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、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。