变频恒温恒湿空调机温湿度控制精度(1)
在精密制造业和高尖端技术行业迅速发展的当今,尤其是航空航天事业、军事国防工业、精密电子工业和医疗事业,对高精度温湿度控制的恒温恒湿空调机的需求量日益增多。目前,高精度恒温恒湿控制主要通过以下几种方式实现:1) 数码涡旋压缩机或变频压缩机替代定频压缩机,利用数码涡旋压缩机和变频压缩机容量可调的特点精确控制所需求的制冷量(除湿量) ,达到高精度恒定温湿度的要求。2) 使用定频压缩机,利用可控硅PID 调节电加热量和加湿量,从而精确地调节过制冷量和过除湿量,达到恒温恒湿的调节目的。3) 与第2 种方法类似,不同的是使用的热源不一样,用可控硅PID 调节的蒸汽盘管或热水盘管取代可控硅PID 调节的电加热。这3 种方法理论上都能高精度控制环境的恒温恒湿,后两者因可控硅价格昂贵以及无法解决冷热量抵消和能源浪费的弊端,因而未能普遍推广;而第1 种方法能够有效缓解因温湿度控制的不同步性所导致的冷热量抵消,同时压缩机容量可调的特点可精确控制室内温湿度。
基于此,本文主要通过实验来研究变频恒温恒湿空调机在恒定热湿负荷以及阶跃干扰热湿负荷下的温度和相对湿度的控制精度,并提出一种适合变频恒温恒湿空调机的分阶段电子膨胀阀—变频压缩机同步自适应PID 控制方式,为高精度变频恒温恒湿空调机的开发提供指导。
实验设计
实验样机的设计
本文试制的变频恒温恒湿空调机样机选用的是变频全封闭涡旋式压缩机,频率变化范围为30～100 Hz ,额定频率(90 Hz) 下的制冷量和输入功率分别为18 kW和518 kW;选用的变频器负载功率与压缩机最大输入功率相匹配,频率的变化速率可自行调节;室外风冷冷凝器采用肋片管簇,并配有最大风量为15 000 m3Ph 的轴流变频风机,频率变化范围为0～50 Hz ;室内换热器也采用肋片管簇,换热器的换热面积采用三档控制:3313 %、6616 %和100 %;节流机构采用电子膨胀阀,调节范围为10 %～100 %;电加热器的最大加热功率为18 kW,分为2 组,加热功率各为9 kW,其中一组加热功率固定,另一组具有微调功能;电极加湿器的最大加湿量为4 kgPh ,且具有微调功能。同时,为了回收系统的冷凝热量来替代部分电加热,在系统中增加一套热回收换热器(回收20 %的设计冷凝热量) 。
控制系统设计
在变频恒温恒湿空调系统控制中,如果孤立地考虑电子膨胀阀和压缩机的控制,很容易产生滞后或超调现象,往往使压缩机和电子膨胀阀在短时间内不能达到匹配协同,虽然长时间系统总会趋于稳定,但是空调环境往往是多变的、复杂的,一旦发生变化,则需较长时间才能使系统趋于稳定,这样势必难以保证整个制冷系统始终运行在最佳状态。基于此,本控制系统采用电子膨胀阀—压缩机同步控制方法。
电子膨胀阀—压缩机的同步控制方案的实施是压缩机的频率和电子膨胀阀的开度都由过热度和室内温、湿度作为控制目标来实现。具体来说,电子膨胀阀的开度应该根据蒸发器的出口过热度和回风温、湿度来控制,一方面通过转换器把过热度及室内温、湿度转换成电子膨胀阀的开度信号;另一方面把电子膨胀阀的开度信号转换成压缩机的频率信号,控制压缩机的转速,实现压缩机与电子膨胀阀的同步控制,减小因工况的变化导致系统运行产生的振荡。
图中给出了变频恒温恒湿空调机的控制原理框图,实现了电子膨胀阀—变频压缩机的同步控制。图中的Tw 、Tw′、φw 、φw′、Tn 、Tn′、φn 、φn′、ΔTsh 、ΔTsh′和f 分别表示室外温度、室外温度变化率、室外相对湿度、室外相对湿度变化率、室内温度、室内温度变化率、室内相对湿度、室内相对湿度变化率、过热度、过热度变化率和压缩机的频率。如图2 所示,变频压缩机的控制输入参数是Tw 、Tw′、φw 、φw′、Tn 、Tn′、φn 、
φn′、ΔTsh 和ΔTsh′,输出参数是f ;电子膨胀阀的控制输入参数是Tn 、Tn′、φn 、φn′、ΔTsh 、ΔTsh′和f ,输出参数是阀的开度;电加热器和热回收换热器的控制输入参数是Tn 和Tn′,输出参数是电加热器或热回收换热器开关;电极加湿器的控制输入参数是φn 和φn′,输出参数是加湿量。在控制方式的具体实施时,需要建立各项输入参数与输出参数的一一对应关系。
与此同时,系统总是处于2 种运行状态下,一是启动阶段,二是正常运行阶段。通常情况下,这2 个阶段控制解决的问题是不一样的,因此有必要对这2 个阶段实施不同的控制方案。对于变频恒温恒湿空调机,根据启动和正常运行时解决的问题不同,把系统控制分成启动控制(粗调阶段) 和运行控制(细调阶段) 。
1) 粗调阶段
粗调阶段要解决的主要问题是尽快缩小室内温、湿度与设定目标之间的差值。在这个阶段,压缩机频率以1～3 HzPs 的速度迅速升高,升高到一定频率(可根据室外温、湿度和实际情况预先设定) 后,让压缩机在此频率下高频运转一段时间,直至室内温、湿度与设定值的差值在预先设定的范围内(即到达细调阶段) 。此时,可将室内温、湿度与设定值之间的差值及差值的变化率作为输入参数,同时为了避免变频压缩机长时间高频运转,因此也将室外温、湿度作为输入参数。室外温度低时,可将压缩机的运转频率降低。
在空调启动阶段,压缩机的运行频率是时刻变化的,系统存在一个不稳定的过程。通过电子膨胀阀的开度来精确控制过热度往往是比较困难的,如果不能合理控制过热度,就会造成蒸发器缺液或压缩机回气带液,致使制冷机性能下降、冷量下降、可靠性差、压缩机异常过热和耗电增大。由于变频空调器启动时的调节为开环调节,调节规律需要预先给出。同时为了保证稳态运行时制冷系统不出现振荡,应取比例增益Kp 小、微分时间Td小、积分时间Ti 大; 为此,修正算法的思路是: 改变PID 控制参数,让它从一个适合于启动瞬态过程的值开始,在制冷系统启动经历过渡时间后,以一定的速度变化到另一个适合于稳态运行的值。
在粗调阶段,由于无法实现对过热度的精确控制,因此对于变频压缩机,此阶段的控制不引入过热度作为其输入参数,相对应于电子膨胀阀也不引入过热度,调节规律预先给定。加热器、热回收换热器和电极加湿器根据室内温、湿度与设定值之间的差值及差值变化率来适当控制加热量和加湿量。
2) 细调阶段
细调阶段室内温、湿度与设定目标差值较小,控制的主要目标是尽量维持制冷剂的过热度在较小范围内波动,且尽量接近设定目标值,以保证室内换热器始终处于最佳供液量,提高系统的运行效率。这时,应该重点考虑加强对制冷剂过热度的控制,兼顾室内温、湿度,以免偏离目标过大。在细调阶段,压缩机的频率变化应尽量跟上室内温、湿度的变化,力求在最短的时间内使得室内温、湿度达到平衡,因此在该阶段压缩机采用温、湿度自适应控制。控制输入参数为室内温、湿度与设定值之间的差值及差值的变化率,同时要求变频压缩机与电子膨胀阀同步控制。当系统处于稳定状态时,压缩机将以一定的频率进行运转,除非室内热、湿负荷发生重大变化。
此阶段由于压缩机的频率变化并不是很大,因此电子膨胀阀的控制主要是控制蒸发器出口过热度,使得制冷剂的流量与室内负荷匹配。此时,输入控制参数为蒸发器出口温度与蒸发温度之差及差值的变化率,同时与变频压缩机进行同步控制。电加热器、热回收换热器和电极加湿器根据室内温、湿度与设定值之间的差值及差值变化率,采用PID控制来调节加热量和加湿量。当系统处于稳定时,电加热器和电极加湿器主要是微调控制。
基于上述分析,本系统采用分阶段电子膨胀阀—变频压缩机同步自适应PID 控制,以及显示屏均采用西门子提供的PLC 控制器和可人工操作的显示屏。
实验结果分析
控制环境温湿度控制精度实验对于恒温恒湿空调机的实验是必不可少的,也是检验所设计的变频恒温恒湿空调机的温、湿度控制精度能否达到所设计要求的有效检验手段。本文的精度实验主要分为两部分:一是室内控制环境热湿负荷恒定,二是室内控制环境具有阶跃干扰的热湿负荷。