基于PLC的中央空调温度器控制系统设计 - 图文(3)

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会按照室内具体温度进行控制，使室内不会有合理的温度，既浪费了能源，也不会使给人们舒适的生活。这种控制方式非常的简单，但是，这种控制方式存在着很多问题：

①在工频的条件下启动大功率的水泵风机等设备会造成很大的启动电流，影响电网的稳定性，也会给中央空调温度控制器设备造成一定的损坏。此外且水泵、风机等设备一直工作在工频状态下，会造成机械磨损严重，是使用寿命大大缩短。

②不管室内的温度如何变化，中央空调温度控制器一直都工作在工频状态，使系统的能耗始终在最大值处。很多因素会影响中央空调温度控制器的负荷，比如天气变化，昼夜变化，室内热源的变化，人流的多少等都会影响。这种变化的负荷决定了中央空调温度控制器的输出应该是一个变量，必须根据负荷变化来改变空调的输出[2]。 (2)电机变频控制计算

电机是中央空调温度控制器的最主要的器件，就像人体的心脏，为了中央空调温度控制器的运行提供动力，电机也是中央空调温度控制器最耗电的器件之一。所以，要想降低能耗，合理的给室内输出冷量就必须控制电机的转速，既通过变频控制转速。

根据电机转速的公式：

n?n1(1?s) (3.1) n1?60f/p (3.2)

n1:同步转速，单位为r/min； p:磁极对数；

n:电动机实际转速；

f:电源频率，单位为Hz；

s:异步电动机的转差率。

根据公式，我们可以知道，通过改变电机的、改变旋转磁场频率f、改变电机极对数p来改变电机转速，电机对数p和滑差s不易改变。因此，我们可以通过改变电源的频率p来改变电动机的转速。从某种意义上说，变频器就是一个改变电源频率的交流电源。

三相异步电机定子每相电动势的有效值是：

Eg?4.44f1?N1Km?m (3.3)

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式中：

Eg：每相的感应电动势的有效值，单位为V； f1：定子频率，单位为Hz； N1：定子每相绕组串联匝数； Kn1：基波绕组系数；

?m：每极气隙磁通量。

由公式(3.3)可知：不改变变Eg和f1，磁通不变。 变频调速需要考虑两种情况：基频以下和基频以上。 ①基频以下调速

由(3-3)可知，保持磁通量不变从基频fm向下调节，同时会降低Eg，绕组中的感应电动势是很难控制的，但电动势较高，可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认定定子相电压U1?E，则得1/f等于常数。

低频时，U1和Eg都较小，定子阻抗压降所占的份量都比较显着，不能在忽略。这时，可以人为的把电压U1抬高一些，以便近似的补偿定子压降。b线为带定子的压降补偿的恒压频比控制特性，a线为无补偿的。如图3—2所示。

U1/Vba0fmf/Hz

图3.2 恒压频比控制特性

②基频以上调速

在基频以上调速时，频率可以从fm往上增高，但电压U1磁通与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上两种情况合起来，可得到异步电动机的变频调速控制

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特性，如图3.3所示。如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能长期运行，这时转矩基本上随磁通变化。在基频以下，属于“恒转矩调速”的调速，而在基频以上，基本上属于“恒功率调速”。

U1/V恒转矩调速Um恒功率调速0fmf/Hz

图3.3 异步电动机变频调速控制特性

在中央空调温度控制器水系统中，最主要的运行设备是水泵。水泵调速运行节电的理论之一是水泵学比例律。幽水泵学比例律可知，对于同一台水泵，当以不同转速运行时，水泵的流量Q，扬程H，轴功率P与转速n有如下关系[10]

Q1n1? (3.4) Q2n2

H1n1?()2 (3.5) H2n23

P1?n1? ??? (3.6)

P2?n2?

由以上公式知，转速与流量成正比，与扬程的平方成正比，与轴功率立方成

正比。所以，当转速降低时，功率的减少要远比流量的减少量大的多，通过控制频率的变化，来控制流量的大小，这就是变频控制的核心思想。

这种控制方式相比传统的控制方法有很多的优点： a这种控制的启动为软启动，对电网的稳定性影响比较小。 b调速的范围较广。 3.1.3 变频器的选择

变频器是系统的一个关键的器件，所以选择正确的变频器是非常重要的。要选择变频器，我们首先要熟悉变频器的负载特性。

变频器的选择原则：

⑴根据负载特性选择变频器。

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⑵选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据。

⑶容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。

⑷选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。 本设计采用SIEMENS公司的MM400作为变频器。MICROMASTER 440 相比普通的变频器相比应用更加的广泛，有更高的动态响应。这些优点可以是系统有一致的高驱动性能。

MM440有很多的优点：易于调试；易于安装；可由IT电源供电；响应是快速并且可重复；很广的参数的范围；电缆连接简便；模块化设计，配置灵活；有多个继电器输出；2 个模拟输出；开关频率高，降低电动机运行的噪音；具有多个模拟量输；详细的变频器状态信息和完整的信息功能。

MM440保护功能：过压/欠压保护；变频器过温保护；使用PTC通过数字输入实现电动机过热保护；接地故障保护；短路保护；闭锁电动机保护；防止电动机失速；参数联锁。 3.1.4 使用注意的问题 ⑴物理环境

①工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55。

②腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，会腐蚀元器件的引线、印刷电路板，并且会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能，在这种情况下，应把控制箱制成封闭式结构，并进行换气。

③振动和冲击。除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。

④变频器应该安装在控制柜内部。变频器最好安装在控制柜内的中部；变频器要垂直安装，正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风、进风的大元件。

⑤如果特殊用户在使用中需要取掉键盘，则变频器面板的键盘孔，一定要用胶带严格密封或者采用假面板替换，防止粉尘大量进入变频器内部。 ⑵电气环境

①防止电磁波干扰。变频器周围产生了很多干扰电磁波，电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。

②防止输入端过电压。如果输入端高电压作用时间长，会使变频器输入端损坏，所以，在实际运用中，要核实变频器的输入电压、单相还是三相和变频器使

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用额定电压。

3.2 电机的软启动原理及应用

3.2.1 软启动的介绍

电机的电压从零慢慢升高到标准电压，这个过程中的启动电流就有传统控制的不可控制变为可控，而且还可以进行调整，从而使整个过程中不会产生冲击转矩，对系统的影响较小。

软启动器是一种集电机软起动、软停车、多种保护功能于一体的电机控制装置。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。 3.2.2 软启动工作原理

软启器的调压器是三相反并联晶闸管，它是被接在电动机定子和电源之间。这种电路与三相全控桥式整流电路很相似。软启动控制电机时，晶闸管输出电压不断增大，从而是电动机的转速逐渐增加，最后晶闸管完全导通，使电动机工作在额定电压下进行工作，从而实现平滑启动。当电机的转速达到要求的转速时，软启动的过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，给电动机提供正常的额定电压，从而降低晶闸管的热损耗，来延长软启动器的使用寿命，并且可以避免电网受到谐波污染[3]。 3.2.3 软启动的优点

⑴电网电压产生波动，影响电网中其他设备的正常运行

交流电机在额定电压下直接起动时，起动电流会是额定电流的的4～7倍，电机容量较小时对电网那个的影响比较小，但是当电机的很大时，4～7被的额定电流会是电网的电压几句下降，使同一个电网的其他设备的正常运行受到影响。在软起动器启动时，起动电流会是额定电流的2～3倍，在电网允许的波动范围之内，对其他设备的影响很小。 ⑵降低电机寿命，伤害电机绝缘

4～7倍的额定电流产生的很多的焦耳热，作用于导线外绝缘，从而使绝缘老化，进而降低电机的使用寿命；4～7倍的额定电流所产生的机械力会使导线之间产生摩擦，也会使寿命降低；高压开关合闸时，触头会产生抖动，这会在电

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