變頻恒溫恒實驗研究設(shè)計內(nèi)容

一、實驗樣機的設(shè)計

本文試制的變頻恒溫恒濕空調(diào)機樣機選用的是變頻全封閉渦旋式壓縮機，頻率變化范圍為30一100 I-Iz，額定頻率(90 Hz)下的制冷量和輸入功率分別為18 kW和5.8 kW；選用的變頻器負載功率與壓縮機輸入功率相匹配，頻率的變化速率可自行調(diào)節(jié)；室外風(fēng)冷冷凝器采用肋片管簇，并配有風(fēng)量為15 000 m3／h的軸流變頻風(fēng)機，頻率變化范圍為0.50 Hz；室內(nèi)換熱器也采用肋片管簇，換熱器的換熱面積采用三檔控制：33.3％、66.6％和100％；節(jié)流機構(gòu)采用電子膨脹閥，調(diào)節(jié)范圍為10％一100％；電加熱器的加熱功率為18 kW，分為2組，加熱功率各為9 kW，其中一組加熱功率固定，另一組具有微調(diào)功能；電極加濕器的加濕量為4 kg／h，且具有微調(diào)功能。

同時，為了回收系統(tǒng)的冷凝熱量來替代部分電加熱，在系統(tǒng)中增加一套熱回收換熱器(回收20％的設(shè)計冷凝熱量)。圖1給出了樣機的實驗照片。

二、控制系統(tǒng)設(shè)計

在變頻恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)控制中，如果孤立地考慮電子膨脹閥和壓縮機的控制，很容易產(chǎn)生滯后或超調(diào)現(xiàn)象，往往使壓縮機和電子膨脹閥在短時間內(nèi)不能達到匹配協(xié)同，雖然長時間系統(tǒng)總會趨于穩(wěn)定，但是空調(diào)環(huán)境往往是多變的、復(fù)雜的，一旦發(fā)生變化，則需較長時間才能使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，這樣勢必難以保證整個制冷系統(tǒng)始終運行在狀態(tài)。基于此，本控制系統(tǒng)采用電子膨脹閥一壓縮機同步控制方法。電子膨脹閥一壓縮機的同步控制方案的實施是壓縮機的頻率和電子膨脹閥的開度都由過熱度和室內(nèi)溫、濕度作為控制目標(biāo)來實現(xiàn)。具體來說，電子膨脹閥的開度應(yīng)該根據(jù)蒸發(fā)器的出口過熱度和回風(fēng)溫、濕度來控制，一方面通過轉(zhuǎn)換器把過熱度及室內(nèi)溫、濕度轉(zhuǎn)換成電子膨脹閥的開度信號；另一方面把電子膨脹閥的開度信號轉(zhuǎn)換成壓縮機的頻率信號，控制壓縮機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)壓縮機與電子膨脹閥的同步控制，減小因工況的變化導(dǎo)致系統(tǒng)運行產(chǎn)生的振蕩。

圖中符號分別表示室外溫度、室外溫度變化率、室外相對濕度、室外相對濕度變化率、室內(nèi)溫度、室內(nèi)溫度變化率、室內(nèi)相對濕度、室內(nèi)相對濕度變化率、過熱度、過熱度變化率和壓縮機的頻率。如圖2所示，變頻壓縮機的控制輸入?yún)?shù)是丁。電加熱器和熱回收換熱器的控制輸入?yún)?shù)是L和死，輸出參數(shù)是電加熱器或熱回收換熱器開關(guān)；電極加濕器的控制輸入?yún)?shù)是‰和‰，輸出參數(shù)是加濕量。在控制方式的具體實施時，需要建立各項輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的一一對應(yīng)關(guān)系。與此同時，系統(tǒng)總是處于2種運行狀態(tài)下，一是啟動階段，二是正常運行階段。通常情況下，這2個階段控制解決的問題是不一樣的，因此有必要對這2個階段實施不同的控制方案。對于變頻恒溫恒濕空調(diào)機，根據(jù)啟動和正常運行時解決的問題不同，把系統(tǒng)控制分成啟動控制(粗調(diào)階段)和運行控制(細調(diào)階段)。

1)粗調(diào)階段

粗調(diào)階段要解決的主要問題是盡快縮小室內(nèi)溫、濕度與設(shè)定目標(biāo)之間的差值。在這個階段，壓縮機頻率的速度迅速升高，升高到一定頻率(可根據(jù)室外溫、濕度和實際情況預(yù)先設(shè)定)后，讓壓縮機在此頻率下高頻運轉(zhuǎn)一段時間，直至室內(nèi)溫、濕度與設(shè)定值的差值在預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)(即到達細調(diào)階段)。此時，可將室內(nèi)溫、濕度與設(shè)定值之間的差值及差值的變化率作為輸人參數(shù)，同時為了避免變頻壓縮機長時間高頻運轉(zhuǎn)，因此也將室外溫、濕度作為輸入?yún)?shù)。室外溫度低時，可將壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率降低。

在空調(diào)啟動階段，壓縮機的運行頻率是時刻變化的，系統(tǒng)存在一個不穩(wěn)定的過程。通過電子膨脹閥的開度來控制過熱度往往是比較困難的，如果不能合理控制過熱度，就會造成蒸發(fā)器缺液或壓縮機回氣帶液，致使制冷機性能下降、冷量下降、可靠性差、壓縮機異常過熱和耗電增大。由于變頻空調(diào)器啟動時的調(diào)節(jié)為開環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)規(guī)律需要預(yù)先給出。同時為了保證穩(wěn)態(tài)運行時制冷系統(tǒng)不出現(xiàn)振蕩，應(yīng)取比例增益K。小、微分時間釓小、積分時間t大；為此，修正算法的思路是：改變PID控制參數(shù)，讓它從一個適合于啟動瞬態(tài)過程的值開始，在制冷系統(tǒng)啟動經(jīng)歷過渡時間后，以一定的速度變化到另一個適合于穩(wěn)態(tài)運行的值。在粗調(diào)階段，由于無法實現(xiàn)對過熱度的控制，因此對于變頻壓縮機，此階段的控制不引入過熱度作為其輸入?yún)?shù)，相對應(yīng)于電子膨脹閥也不引入過熱度，調(diào)節(jié)規(guī)律預(yù)先給定。加熱器、熱回收換熱器和電極加濕器根據(jù)室內(nèi)溫、濕度與設(shè)定值之間的差值及差值變化率來適當(dāng)控制加熱量和加濕量。

2)細調(diào)階段

細調(diào)階段室內(nèi)溫、濕度與設(shè)定目標(biāo)差值較小，控制的主要目標(biāo)是盡量維持制冷劑的過熱度在較小范圍內(nèi)波動，且盡量接近設(shè)定目標(biāo)值，以保證室內(nèi)換熱器始終處于供液量，提高系統(tǒng)的運行效率。這時，應(yīng)該重點考慮加強對制冷劑過熱度的控制，兼顧室內(nèi)溫、濕度，以免偏離目標(biāo)過大。在細調(diào)階段，壓縮機的頻率變化應(yīng)盡量跟上室內(nèi)溫、濕度的變化，力求在最短的時間內(nèi)使得室內(nèi)溫、濕度達到平衡，因此在該階段壓縮機采用溫、濕度自適應(yīng)控制。控制輸入?yún)?shù)為室內(nèi)溫、濕度與設(shè)定值之間的差值及差值的變化率，同時要求變頻壓縮機與電子膨脹閥同步控制。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，壓縮機將以一定的頻率進行運轉(zhuǎn)，除非室內(nèi)熱、濕負荷發(fā)生重大變化。此階段由于壓縮機的頻率變化并不是很大，因此電子膨脹閥的控制主要是控制蒸發(fā)器出口過熱度，使得制冷劑的流量與室內(nèi)負荷匹配。此時，輸入控制參數(shù)為蒸發(fā)器出口溫度與蒸發(fā)溫度之差及差值的變化率，同時與變頻壓縮機進行同步控制。電加熱器、熱回收換熱器和電極加濕器根據(jù)室內(nèi)溫、濕度與設(shè)定值之間的差值及差值變化率，采用PID控制來調(diào)節(jié)加熱量和加濕量。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定時，電加熱器和電極加濕器主要是微調(diào)控制。

基于上述分析，本系統(tǒng)采用分階段電子膨脹閥一變頻壓縮機同步白適應(yīng)PID控制，以及其它控制設(shè)備聯(lián)合動態(tài)控制方案。同時，所有控制方案的設(shè)顯示屏均采用西門子提供的PLC控制器和可人工操作的顯示屏。

三、實驗設(shè)備簡介及測點布置

實驗樣機在某空調(diào)廠柜機測試中心的一個大焓差實驗室中進行了實驗測試。圖3給出了樣機實驗臺的平面布置圖。室內(nèi)機(壓縮機、蒸發(fā)器以及節(jié)流機構(gòu))放置在室內(nèi)環(huán)境室，室外機(風(fēng)冷冷凝器及冷凝風(fēng)機)放置在室外環(huán)境室，利用冷水機組、電加熱器和電極加濕器對室內(nèi)、室外側(cè)的環(huán)境進行控制，通過空氣采樣器檢測室內(nèi)、室外環(huán)境的溫濕計均在西門子s7—200控制平臺上進行，控制器以及度。

在壓縮機的進出口和電子膨脹閥的進出口均設(shè)有壓力變送器，用于測量壓力；在壓縮機的進出口和冷凝器的進出風(fēng)口布置了溫度采集點(采用銅一康銅熱電偶測量)，同時在蒸發(fā)器的進出風(fēng)口設(shè)置了干濕球溫度計，用于測試進出風(fēng)的溫度和相對濕度；樣機的電壓、電流以及輸入功率由實驗室內(nèi)的測試系統(tǒng)自動記錄；壓縮機頻率的測量和顯示由變頻器來實現(xiàn)。表1給出了測量參數(shù)以及采用的儀表。http://m.zgshfp.com