固態(tài)繼電器在全新風機組中的應(yīng)用

　　在傳統(tǒng)的采用單元式空調(diào)機的空調(diào)系統(tǒng)中，其風系統(tǒng)通常都是一個循環(huán)的系統(tǒng)。空氣經(jīng)空調(diào)機組處理后由送風管送到受控環(huán)境，與受控環(huán)境的空氣混合后再由回風管回到空調(diào)機組。如果其中對空氣品質(zhì)有一定的要求，則在空調(diào)機組的進風口再引入定量的新風，再在受控環(huán)境的出風口將定量的空氣經(jīng)排風管排走即可。這種情況下對受控環(huán)境的溫度控制通常是控制空調(diào)機的回風溫度，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)動機的實驗室、動物實驗艙等地方，由于空氣流過受控環(huán)境后會變得有毒或有異味，不能再循環(huán)利用，必須全部排走。這時的風系統(tǒng)里面就沒有了回風的部份，稱為全新風系統(tǒng)。全新風系統(tǒng)中如果受控環(huán)境特別小，而風量又很大，即換氣次數(shù)特別多，在這種情況下對它的溫度控制就只能是控制空調(diào)機組的送風溫度。

　　二、控制空調(diào)機組送風溫度的難點

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

　　首先，實驗環(huán)境對空調(diào)機組的控制精度要求較高，一般要求溫度精度波動范圍為±1℃ ，甚至是±0.5℃ 。這樣的要求即使在全回風的空調(diào)系統(tǒng)中，也要費很多的功夫才能做到。

　　其次，單元式空調(diào)機的壓縮機是一個典型的開關(guān)部件，而出于成本及制造工藝方面的考慮，單元式空調(diào)機組通常只配一至兩個的壓縮機，這使得壓縮機運行與停機時的送風溫度相差達10℃ 以上。并且，由于制冷系統(tǒng)壓力平衡和回油的需要，壓縮機的運行和停機都有嚴格的時間限制。所以，單元式空調(diào)機組單純靠壓縮機制冷來控制送風溫度幾乎無法做到。這也是從前的空調(diào)系統(tǒng)在需要控制送風溫度時極少選用單元式柜機而多用制冷量連續(xù)可調(diào)的冷水機組加末端的主要原因。

　　要解決上述難點，其關(guān)鍵是要盡量使單元式空調(diào)機組的壓縮機長時間地保持穩(wěn)定的狀態(tài)，同時用其他連續(xù)可調(diào)的控制方法對制冷量(或加熱量)進行微調(diào)，才能有效地對空調(diào)機組的出風溫度進行控制。

　　三、用固態(tài)繼電器及PLC 實現(xiàn)的送風溫度控制

　　1、控制系統(tǒng)的工作原理

　　對于單元式空調(diào)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行微調(diào)不太現(xiàn)實。因此，只能從機組的另一可進行溫度調(diào)節(jié)的部件—— 加熱器處入手。如果可以通過加熱器進行熱補償，抵消壓縮機多余的冷量，那么就可以達到對制冷量進行微調(diào)的目的?；谶@個理論，人們開始應(yīng)用可控硅功率調(diào)節(jié)器通過導(dǎo)通角的變換來控制電加熱器的輸入功率，進入加熱量的調(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。

　　通過對加熱器的深入研究我們發(fā)現(xiàn)，單元式空調(diào)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(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個公式，我們可以得下式

　　Q∝(U)

　　公式(3)

　　也就是說，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)。

　　由于交流電信號在加載到電阻性負載上時等同于電壓值為其有效值的直流信號。而以固定的頻率開斷該電流信號時，輸出電壓的有效值與其占空比(即接通時間與波長時間之比)成正比例關(guān)系。因此當單元式空調(diào)機組的壓縮機長期處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)(即長時間地運行或長時間地停機)時，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(diào)空調(diào)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)是一種無觸點通斷電子開關(guān)，為四端有源器件。其中兩個端子為輸入控制端，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(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)(無信號時呈阻斷狀態(tài))，從而控制較大負載。整個器件無可動部件及觸點，可實現(xiàn)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觸點開關(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.對外界干擾小，能與邏輯電路兼容、抗干擾能，0強、開關(guān)速度快和使用方便等一系列優(yōu)點。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程

　　控制系統(tǒng)的主控制器采用德國西門子公司的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(shù)字量輸出點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個數(shù)字量輸入點和10個數(shù)字量輸出點。其中第1和第2個數(shù)字量輸出點可作脈寬調(diào)制(PWM)輸出。實際應(yīng)用中我們把第2個輸出點用作電加熱器的控制。人機界面選用西門子公司的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抗干擾能力較強的電流型變送器，分別置于空調(diào)機組的送風口及回風口。溫度變送器的輸出信號經(jīng)模擬量模塊進行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。