固態(tài)繼電器在全新風(fēng)機組中的應用

　　在傳統的采用單元式空調機的空調系統中，其風(fēng)系統通常都是一個(gè)循環(huán)的系統?？諝饨?jīng)空調機組處理后由送風(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)管回到空調機組。如果其中對空氣品質(zhì)有一定的要求，則在空調機組的進(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。這種情況下對受控環(huán)境的溫度控制通常是控制空調機的回風(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(chē)發(fā)動(dòng)機的實(shí)驗室、動(dòng)物實(shí)驗艙等地方，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)系統里面就沒(méi)有了回風(fēng)的部份，稱(chēng)為全新風(fēng)系統。全新風(fēng)系統中如果受控環(huán)境特別小，而風(fēng)量又很大，即換氣次數特別多，在這種情況下對它的溫度控制就只能是控制空調機組的送風(fēng)溫度。

　　二、控制空調機組送風(fēng)溫度的難點(diǎn)

　　采用壓縮機制冷的空調機組要控制它的送風(fēng)溫度，主要存在如下難點(diǎn)：

　　首先，實(shí)驗環(huán)境對空調機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)的空調系統中，也要費很多的功夫才能做到。

　　其次，單元式空調機的壓縮機是一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)部件，而出于成本及制造工藝方面的考慮，單元式空調機組通常只配一至兩個(gè)的壓縮機，這使得壓縮機運行與停機時(shí)的送風(fēng)溫度相差達10℃ 以上。并且，由于制冷系統壓力平衡和回油的需要，壓縮機的運行和停機都有嚴格的時(shí)間限制。所以，單元式空調機組單純靠壓縮機制冷來(lái)控制送風(fēng)溫度幾乎無(wú)法做到。這也是從前的空調系統在需要控制送風(fēng)溫度時(shí)極少選用單元式柜機而多用制冷量連續可調的冷水機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機組的壓縮機長(cháng)時(shí)間地保持穩定的狀態(tài)，同時(shí)用其他連續可調的控制方法對制冷量(或加熱量)進(jìn)行微調，才能有效地對空調機組的出風(fēng)溫度進(jìn)行控制。

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

　　1、控制系統的工作原理

　　對于單元式空調機組而言，由于前面提到的壓縮機控制上的缺陷，要對壓縮機的制冷量進(jìn)行微調不太現實(shí)。因此，只能從機組的另一可進(jìn)行溫度調節的部件—— 加熱器處入手。如果可以通過(guò)加熱器進(jìn)行熱補償，抵消壓縮機多余的冷量，那么就可以達到對制冷量進(jìn)行微調的目的?；谶@個(gè)理論，人們開(kāi)始應用可控硅功率調節器通過(guò)導通角的變換來(lái)控制電加熱器的輸入功率，進(jìn)入加熱量的調節。但是可控硅功率調節器自身的發(fā)熱量大，需要大型的散熱片和專(zhuān)用的散熱風(fēng)扇，因而體積較大而且成本通常比較高，達到500元/kW 左右。

　　通過(guò)對加熱器的深入研究我們發(fā)現，單元式空調機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。

　　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。

　　由于交流電信號在加載到電阻性負載上時(shí)等同于電壓值為其有效值的直流信號。而以固定的頻率開(kāi)斷該電流信號時(shí)，輸出電壓的有效值與其占空比(即接通時(shí)間與波長(cháng)時(shí)間之比)成正比例關(guān)系。因此當單元式空調機組的壓縮機長(cháng)期處于穩定的運行狀態(tài)(即長(cháng)時(shí)間地運行或長(cháng)時(shí)間地停機)時(shí)，只要想辦法改變加載在電加熱器兩端的電壓信號的占空比，就能做到微調空調機組的加熱量(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(kāi)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，輸出端就能從關(guān)斷狀態(tài)轉變成導通狀態(tài)(無(wú)信號時(shí)呈阻斷狀態(tài))，從而控制較大負載。整個(gè)器件無(wú)可動(dòng)部件及觸點(diǎn)，可實(shí)現相當于常用的機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(kāi)關(guān)元件，所以與電磁繼電器相比具有工作可靠、不受開(kāi)關(guān)壽命限制.對外界干擾小，能與邏輯電路兼容、抗干擾能，0強、開(kāi)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。只有可控硅功率調節器的成本十分之一。

　　3、控制系統的硬件組成及工作過(guò)程

　　控制系統的主控制器采用德國西門(mén)子公司的S7—224型PLC，因為要與固態(tài)繼電器的輸入信號匹配，因此PLC的數字量輸出點(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)數字量輸入點(diǎn)和10個(gè)數字量輸出點(diǎn)。其中第1和第2個(gè)數字量輸出點(diǎn)可作脈寬調制(PWM)輸出。實(shí)際應用中我們把第2個(gè)輸出點(diǎn)用作電加熱器的控制。人機界面選用西門(mén)子公司的TD200文本顯示器。該型號顯示器可同屏顯示2X20字符，帶背景光并支持中文顯示。

　　溫度變送器選用兩個(gè)抗干擾能力較強的電流型變送器，分別置于空調機組的送風(fēng)口及回風(fēng)口。溫度變送器的輸出信號經(jīng)模擬量模塊進(jìn)行A/D轉換后變?yōu)閿底只臏囟葦祿x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。