變頻恒溫恒實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)內(nèi)容
一、實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)
本文試制的變頻恒溫恒濕空調(diào)機(jī)樣機(jī)選用的是變頻全封閉渦旋式壓縮機(jī)，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(fù)載功率與壓縮機(jī)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(jī)，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(jī)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(shí)，為了回收系統(tǒng)的冷凝熱量來(lái)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(jì)冷凝熱量)。圖1給出了樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)照片。
二、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(jī)的控制，很容易產(chǎn)生滯后或超調(diào)現(xiàn)象，往往使壓縮機(jī)和電子膨脹閥在短時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到匹配協(xié)同，雖然長(zhǎng)時(shí)間系統(tǒng)總會(huì)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(zhǎng)時(shí)間才能使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，這樣勢(shì)必難以保證整個(gè)制冷系統(tǒng)始終運(yùn)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(jī)同步控制方法。電子膨脹閥一壓縮機(jī)的同步控制方案的實(shí)施是壓縮機(jī)的頻率和電子膨脹閥的開(kāi)度都由過(guò)熱度和室內(nèi)溫、濕度作為控制目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體來(lái)說(shuō)，電子膨脹閥的開(kāi)度應(yīng)該根據(jù)蒸發(fā)器的出口過(guò)熱度和回風(fēng)溫、濕度來(lái)控制，一方面通過(guò)轉(zhuǎn)換器把過(guò)熱度及室內(nèi)溫、濕度轉(zhuǎn)換成電子膨脹閥的開(kāi)度信號(hào)；另一方面把電子膨脹閥的開(kāi)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓縮機(jī)的頻率信號(hào)，控制壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)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(yùn)行產(chǎn)生的振蕩。
圖中符號(hào)分別表示室外溫度、室外溫度變化率、室外相對(duì)濕度、室外相對(duì)濕度變化率、室內(nèi)溫度、室內(nèi)溫度變化率、室內(nèi)相對(duì)濕度、室內(nèi)相對(duì)濕度變化率、過(guò)熱度、過(guò)熱度變化率和壓縮機(jī)的頻率。如圖2所示，變頻壓縮機(jī)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(kāi)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(shí)施時(shí)，需要建立各項(xiàng)輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。與此同時(shí)，系統(tǒng)總是處于2種運(yùn)行狀態(tài)下，一是啟動(dòng)階段，二是正常運(yùn)行階段。通常情況下，這2個(gè)階段控制解決的問(wèn)題是不一樣的，因此有必要對(duì)這2個(gè)階段實(shí)施不同的控制方案。對(duì)于變頻恒溫恒濕空調(diào)機(jī)，根據(jù)啟動(dòng)和正常運(yùn)行時(shí)解決的問(wèn)題不同，把系統(tǒng)控制分成啟動(dòng)控制(粗調(diào)階段)和運(yùn)行控制(細(xì)調(diào)階段)。
1)粗調(diào)階段
粗調(diào)階段要解決的主要問(wèn)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(gè)階段，壓縮機(jī)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(shí)際情況預(yù)先設(shè)定)后，讓壓縮機(jī)在此頻率下高頻運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)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(dá)細(xì)調(diào)階段)。此時(shí)，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(shí)為了避免變頻壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高頻運(yùn)轉(zhuǎn)，因此也將室外溫、濕度作為輸入?yún)?shù)。室外溫度低時(shí)，可將壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率降低。
在空調(diào)啟動(dòng)階段，壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率是時(shí)刻變化的，系統(tǒng)存在一個(gè)不穩(wěn)定的過(guò)程。通過(guò)電子膨脹閥的開(kāi)度來(lái)控制過(guò)熱度往往是比較困難的，如果不能合理控制過(guò)熱度，就會(huì)造成蒸發(fā)器缺液或壓縮機(jī)回氣帶液，致使制冷機(jī)性能下降、冷量下降、可靠性差、壓縮機(jī)異常過(guò)熱和耗電增大。由于變頻空調(diào)器啟動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)為開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)規(guī)律需要預(yù)先給出。同時(shí)為了保證穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)制冷系統(tǒng)不出現(xiàn)振蕩，應(yīng)取比例增益K。小、微分時(shí)間釓小、積分時(shí)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(gè)適合于啟動(dòng)瞬態(tài)過(guò)程的值開(kāi)始，在制冷系統(tǒng)啟動(dòng)經(jīng)歷過(guò)渡時(shí)間后，以一定的速度變化到另一個(gè)適合于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的值。在粗調(diào)階段，由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)熱度的控制，因此對(duì)于變頻壓縮機(jī)，此階段的控制不引入過(guò)熱度作為其輸入?yún)?shù)，相對(duì)應(yīng)于電子膨脹閥也不引入過(guò)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(lái)適當(dāng)控制加熱量和加濕量。
2)細(xì)調(diào)階段
細(xì)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(guò)熱度在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，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(yùn)行效率。這時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)考慮加強(qiáng)對(duì)制冷劑過(guò)熱度的控制，兼顧室內(nèi)溫、濕度，以免偏離目標(biāo)過(guò)大。在細(xì)調(diào)階段，壓縮機(jī)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(shí)間內(nèi)使得室內(nèi)溫、濕度達(dá)到平衡，因此在該階段壓縮機(jī)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(shí)要求變頻壓縮機(jī)與電子膨脹閥同步控制。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，壓縮機(jī)將以一定的頻率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，除非室內(nèi)熱、濕負(fù)荷發(fā)生重大變化。此階段由于壓縮機(jī)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(guò)熱度，使得制冷劑的流量與室內(nèi)負(fù)荷匹配。此時(shí)，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(shí)與變頻壓縮機(jī)進(jìn)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(lái)調(diào)節(jié)加熱量和加濕量。當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定時(shí)，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(jī)同步白適應(yīng)PID控制，以及其它控制設(shè)備聯(lián)合動(dòng)態(tài)控制方案。同時(shí)，所有控制方案的設(shè)顯示屏均采用西門(mén)子提供的PLC控制器和可人工操作的顯示屏。
三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介及測(cè)點(diǎn)布置
實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在某空調(diào)廠(chǎng)柜機(jī)測(cè)試中心的一個(gè)大焓差實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖3給出了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的平面布置圖。室內(nèi)機(jī)(壓縮機(jī)、蒸發(fā)器以及節(jié)流機(jī)構(gòu))放置在室內(nèi)環(huán)境室，室外機(jī)(風(fēng)冷冷凝器及冷凝風(fēng)機(jī))放置在室外環(huán)境室，利用冷水機(jī)組、電加熱器和電極加濕器對(duì)室內(nèi)、室外側(cè)的環(huán)境進(jìn)行控制，通過(guò)空氣采樣器檢測(cè)室內(nèi)、室外環(huán)境的溫濕計(jì)均在西門(mén)子s7—200控制平臺(tái)上進(jìn)行，控制器以及度。
在壓縮機(jī)的進(jìn)出口和電子膨脹閥的進(jìn)出口均設(shè)有壓力變送器，用于測(cè)量壓力；在壓縮機(jī)的進(jìn)出口和冷凝器的進(jìn)出風(fēng)口布置了溫度采集點(diǎn)(采用銅一康銅熱電偶測(cè)量)，同時(shí)在蒸發(fā)器的進(jìn)出風(fēng)口設(shè)置了干濕球溫度計(jì)，用于測(cè)試進(jìn)出風(fēng)的溫度和相對(duì)濕度；樣機(jī)的電壓、電流以及輸入功率由實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)記錄；壓縮機(jī)頻率的測(cè)量和顯示由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。表1給出了測(cè)量參數(shù)以及采用的儀表。http://m.huaxiagj.com
