（电机与电器专业论文）中央空调变频调速控制及保护系统的研究.pdf

中央空调变频调速控制及保护系统的研究 r e s e a r c h0 nv 撕a b l ef r e q u e n c yr e g i l l a t i n gs p e e d 锄dp m t e c t i o ns y s t e mo f ( b n t r a la i r c o n d i t i o n a b s t r a c t a s 钾e r y e 虹咖s ，t h ec n e r g yi sb 鹤i cr e s o u r so fn a t i 衄a lc c 0 小m l i cd e v c l o p m e n t a s e v c r yp f 0 融沿i 锄d 删eo fo 盯c o u n t r ya 陀b e i i l gd e v e l o p e d 啪s t 如t l y ，t h c 衄e r g yq u e s t i i s t s t a n d i n gd a yb yd a yi n 叫r u n 时，孤d 蚰曲l ct os o l v ea ta l li nl h cn e a rf l l t u ，t h e e n e r g y n s c n r a t i o ni sq u i t ea r d u o u s hs u c he n v i l ：咖e n l s 勰t h e 瓤眦印d ，耐6 c eb 1 0 c k ， m m c r d a ib u i l d i n g ，h o t e lo fm o d 啪f h c t o r y ，e 缸，山ec c n 仃a la i rc o n d i t i o n c rs y s t c i ni s i n d i s p 姐s a b l e ，t h o u 曲i t 啪p r d v i d eac o m f o n a b l ee n v i 咖m 曲tf b fp e o p l e ，b i l tt h ep o w c r n s u m p t i i s q l l i t c l 缸g e s o ，p a y i n ga t t 蛐t i t oe n v 加砌e n t a lp m t c c i i o n柚d e r g y 一蕊e i n g 蛐yd a yb yd a yp c o p l e ，蛐e r 醪- c o 璐e n ，i n gp r o b l e mt l l i so f t h cc c n t i a la i r o d i t i o n c ri sak e yt 。c h l l d o g yp r o b l e mt h tp c o p l ee 】【p e c tt os o l v e l 仃a la i rc o n d m o n c rs y s t 锄a i rb l o w c rb c s i d e sd i s s i p a t i 曲胁e r 科o ft h eh 伪t 咖p u t e r ，n e c z e ，c 0 0 1w a t c rp u m pw h e t h e r t h es c c o n dl 盯g e s tc 0 璐u m e 衄e r g ye q u i p m e n t ， b e c a u a i rb l o w 盯，丘i c e z ed i s p o s i t i o fc 0 0 l a n tp 哪pl a r g en o w ( s e t st h ed a y 锄o u n tf 把e 伽t t i i sb 鹤i s ) 叭m m c rt o 锄et ot h e 嘲a i n ，柚db e c a u o ft h ec l i m a t es i t i l a “w h i l eu s i n g a c t u a l l y s u c hc h a n g 曙o fd i f 酹e n tf 弛塔勰。蛳e c t i v en o wa d i v i t yo 叫，c t c ，咖s t a n t c h a n g eo fn c c e s 鼢r yl o a d ( 1 0 a ds c l d o m a c h 髂t h em a x i m u m ) s oi no r d c rt om a k et h e s y s t e m a t i ct 衄p e m 眦o fc c n 仃a la i ro 嘶d i t i 衄c rs t e a d y ，n e c dt h ea i rb l o w 盯a c c o r d i n gt ot h e 0 p e r a t i n gm o d ec h 柚g c ，舭眩e ，t h e o l 锄tp u m pi s 媳g i l l a t c d ，t h i sn c e d sb e n c r 跚t 劬a t i c a l l y 伽胁n c dm o d u l e n 0 w ，w i t he l e c t 血柚de l c c 的正c 僦h n o l o g y ，d e v e l o p m 如t o fm i 锄e l e 吲ct e c h n i q u e ，u s ef b q u e n c y0 0 n v e r s i 劬璐f e rs p c e dt e c h n o l o g ya n dp l c 卸t o m a t i cc o n 扛d ls ) r s t 锄啪e m i z ct h ee l e c 仃i c e r g ，r 卸dr a i t h e 卸舳a 雠d e g r c eo f t h es y s t e mb yal 盯g cm a r g i nn o w ，a l g 州t ht h c 白e c i l n i c a ld c v e l o p m 锄t0 fe l e 删c 舯1 w e f e l e c t r i 璐眦h n 童q ，m i c r o - c l e c t 删c s ，t h ea p p l i c a t i o ft h ct e c h n i q u eo ft h e 训a b l e r c q u 蚰c y 锄di l ca u t 咖t i u y n t r o ls y s t 衄c a ns g v ed e c t f i c i t y 即e r 罟黟w i ms i 掣1 i 丘c a m e c o n 锄ye l e c t r i cp o m r 柚d t h ee x a l t a t i s y s t c m0 f 卸妇n a t i o na n dm a k c 让忙s y s t e mh a v ea l o to fa d v a n t a g 髂，f o r 强锄p l e 也ec d i b i l i t y ，s 仃u c t u r co fm o v 锄e n tt ds i m p l i 句，蛐p l o nt o m a i n t a j n0 0 n v e n i t s o “c 锄b cu s c df o rl a t e l yc c n 仃a la i r n m t i 0 f tu pt h e 印骼t i i 沈阳工业大学硕士学位论文 h 0 慨沁m 卸s i i na l 啪u df b rt 0a 掣e a td e a lo f t e c b n i q u er c f o 咖a t i o fo l dt 峙。髓t r a l a i r n d i t i o i l 胁et h ec x t c n s i v e l ya p p l i c dr c a l m t l l i st e x th 勰e x p l a i n c ds o m eb a s i ct l l i n 】【i n g s 孤dm e t h o d st h a tt h es y s t 锄疵 叭t o m a t i o n “t h eo e n t 豫l 出c o n d i t i o n e ri s 黜l l e da n de n c r g y c o n s e r v a t i o ni sd e s i 弘e d 晰e n y ，h a v e 硼0 0 m m d e dc x c h 吼g i n gt h e 缸q u e n c yc o n v e r s i 0 ft h em o t o r 锄da d j i l s 血g t h ec h a r a c t e r i s t i c0 ft h es p e e d 柚d e r g y o o n s e r v i n g 砸n c i p l e ，h a v i n ga l s o 砌期岫e n d e d s i 唧e 雎s 7 2 0 0m a i nf l l i l d i t ot o u c ht h el u m p 柚df u n c t 油，p i da l g o r i u 蛐a d j u s t st h c a p p l i t i _ o ni nt h e n s t a n tv 0 l t a g ew a t e r 蛐p p l ys y s t c mo ft h es p e e di n 丘e q u c y0 0 n v e 陪i o n a n dh 鹤m a d ead 枷l e di n s t r i l c t i t om a i l lr c t 哪c i r c u i t 粕dh a r d w a r ep a r to fc o n t r o l l i i l gt h c m t i l m 咖i to ft h es y s t c m t h i ss u 呖c c “sm a i n l yt oe x p c nt e m p e r a m r et 0m e 勰u r et ot h ea i r n d i t i o n c r ，a d o p tt h e 矗蜘u 即c yo o n v c n e rt or c g i i l a t ct h er o t a t i 伽a ls p e c do ft h ec e i l 打a la i r c o n d i t i o n e r ，m a l 【ei tn l nh i 曲- e f 晒衄t l y ，a c t l i e v et h e e f g y 0 0 n s e r v i n gg o a l k e yw o r d s ：c 明t r a la i r - 咖d i 戗，v n a b kn q 啪c yr e 印l a 吐n g 鄙憾d p i ，p m ， n i z 珂c o n 价o i i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：丞垒! 生日期：盛揸占。z 苫。y l 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：江j 耋导师签名：墨生鬓日期：逮竺孕蔓。2i 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 问题的提出及解决方案 现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境，中央空调系统是不可缺少的。中央 空调系统是一个系统工程，由风机、水泵、空调机组、风机盘管等部件构成：该系统分 为冷冻水系统、冷却水系统、空调主机、冷却塔风机这几个子系统。正因为中央空调系 统是由这几个大的子系统构成。这必将使其在能量消耗方面大大提高。据估计，中央空 调的全年能耗为建筑物全年能耗的4 0 6 0 ，而其设备所耗能量又主要用在冷源及输 送系统上。因而空调冷源和输送部分是空调自控节能设计的关键。 制冷机房的控制器应能控制主机冷热的启停监测机组的运行状态故障状态及供回 水温度和流量值，并能通过系统主机计算出大厦的实际冷负荷由此决定冷水机组开启的 台数以达到节能的目的。利用主机运行信号和故障报警信号构成反馈控制自动停止水泵 和冷却塔风机的运行。节能控制的构想是在过渡季节，每日温度变化较大时冷负荷变化 也较大，因此主机和水泵的台数控制有着明显的节能意义。用冷冻水回水温度控制台数 和冷冻水供回总管的压差自动调节控制主机的台数方法相比较，前者有更直接的效果。 在以往的设计中只注意控制主机的台数而主机停止运行后水泵和冷却塔风机却仍然在 作无意义的运行，在冷水机组带负荷的运行过程中由本机控制按冷冻水出水温度( 一般 可设定在7 一1 2 摄氏度) 调节负荷，当冷冻水温度达到设定值后，主机会有一个间歇停机 时间，如果冷负荷较小，其中一台主机无须再起动运行，这时可利用主机停机信号向停机 切换的电脉冲起动延时器发出指令，经过一定时间的延迟，停止相应水泵和冷却塔风机 的运行，同时关闭相应的电动阀。这一控制节省了电能而且当有一台主机发生故障停机 时水泵和冷却塔风机亦停止运行。如果故障类型为超低温停机为了保护蒸发器水泵将继 续运转作保护性运行。此外因冷冻机全负荷运行时能耗约占全部设备的6 0 ，所以设计 控制改进冷冻杌的运行性能也对节能影响较大啪。本文介绍的是利用变频器调节功能、 兼顾节能效果和冷却效果的控制方案。反馈信号是被控制量温差，或者说，是与温差 大小成正比的电流信号。因为水塔风机是用来降低冷却塔中的水温，加速热量的散发的， 实际上是用来降低冷却泵的进水温度的。所以，其控制依据便是冷却泵的进水温度。具 中央空调变频调速控制及保护系统的研究 体地说，则：当冷却泵的进水温度较低时，可以只开一台风机，并且低速运行：当进水 温度升高时，风机的转速也加快，当进水温度升高到某个设定的限值时，则将第一台风 机切换至工频，同时起动第二台风机。 1 2 相关技术发展概况 1 2 1 中央空调国内外发展状况 随着我国经济体制改革步伐的加快及w t o 的加入，中央空调行业同其它行业一样面 临前所未有的巨大挑战和机遇。一方面，作为一个技术上较为成熟、各方面管理较为规 范的行业，中央空调行业很早就进入与国际知名品牌共同争夺市场的竞争，也正是在这 样一种优胜劣汰强大压力的冲击和激励下，国内中央空调生产企业在参加国际竞争中逐 渐积累了经验，在实现国际资源优化配置的过程中，将把更多优秀的民族品牌推向国际 市场。在激烈的市场竞争中占据有利地位；同时，中国巨大的市场潜力也将吸引更多的国 际资金、技术和人才等关键生产要素的进入，从而加速整个中央空调行业的发展。另一 方面，随着市场竞争的白热化，随着消费者需求的多样化、个性化和环保化，将促使生产 企业及时转变观念、调整思路，重新定位，主动迎接新的挑战。因此，在“新经济”的良 好形势下，如何调整中央空调产业结构和企业经营思路，寻求技术和产品的创新之处，最 大限度地满足消费群体的多层次需求将成为制约和推动整个中央空调行业迅猛发展的 主导因素我们不难预测，在未来5 1 0 年，我国中央空调行业无论在技术、产品、市场 需求、企业经营机制以及行业产业结构等方面都将出现较大的飞跃啪啪。 在国外空调市场上，一直有日派和美派两大中央空调派系。其中日派以大金和日立 为代表，主要产销多联体( 一拖多) 和水系统的中央空调；而美派以麦克维尔和约克为 代表，主要产销风管机。在中央空调市场迅速崛起之时，日美两大中央空调派也悄然进 入中国市场。由于日美两个派系的中央空调体形庞大，安装复杂，价格昂贵使他们难以 进入寻常百姓家。与此形成鲜明对比的是，在国外品牌进入中国市场的同时，国内的中 央空调品牌凭借其原有的技术优势、完善的销售渠道和稳固的售后网络在这一新领域先 声夺人，捷足先登。这些品牌的代表是在家电业以创新而著称的海尔，另一个则是原来 在空调业并不显眼的清华同方。早在1 9 9 6 年，海尔就开始涉足中央空调领域。因为，他 沈阳工业大学硕士学位论文 们在开拓国际市场的同时发现了中央空调市场的巨大潜力。他们凭借在空调变频技术上 的优势，迅速在变频一拖多技术领域有了建树。由于变频一拖多空调成本合理，安装相 对比较简便，容易和装修结合在一起，比较适合消费者的口味。海尔在中国市场上成了 多联体( 一拖多) 派系中央空调的象征。清华同方的代表作是水冷系统的户式中央空调， 其推出的系列水冷中央空调在市场也着实风光了一把。日美两派与本土中央空调品牌 “土洋之争”的结果也是用户选择的结果。海尔变频一拖多与清华同方水系统的家用中 央空调脱颖而出，源于它最符合目前空调的消费国情旧”。 1 2 2 变频调速系统 交频调速具有高效率、宽范围和高精度等特点，是运用最广、最有发展前途的调速 方式。交流电机变频调速系统的种类很多，从5 0 年代提出的电压源型变频器开始，相继 发展了电流源型、脉宽调制型等各种变频器。目前变频调速的主要方案有：交一交变频 调速，交一直一交变频调速，同步电动机自控式变频调速系统，正弦波脉宽调制( s p w l d ， 矢量控制、直接转矩控制交频调速等，而且无速度传感技术日益成熟，许多智能技术逐 步渗透到其中，如模糊控制、专家系统、神经网络、自适应控制等，与这些控制方式相 结合，大大提高了变频器调速系统的控制效果，这些变频器调速技术的发展很大程度上 依赖于大功率半导体器件的制造水平以及电力电子技术的发展水平“1 。 1 3 论文的设计思想与主要工作及解决的关键问题 中央空调变频调速控制及保护系统设计的构造特点和节能技术要求可以从以下3 个 方面考虑：( 1 ) 交频控制柜的设计；( 2 ) 可编程控制器( p l c ) 系统的设计；( 3 ) 模糊 控制的研究。图1 1 所示为系统的结构图。 变频控制柜的设计应使它满足以下特点：( 1 ) 占用体积小，方便安装及操作；( 2 ) 控制功能齐全：设备有启动冲击电流小、自我检测、自动启停、故障报警并启动备用泵 的功能；( 3 ) 保护功能齐全：电动机过载过热保护( 输出短路) 接地保护，中间回路过 压、欠压保护，主电源缺相保护；( 4 ) 变频控制柜采用三种控制方式：分别是手动、和 自动控制。“手动”为“自动”故障时设置的一种应急启动方式，采用直接启动方式， 中央空调变频调速控制及保护系统的研究 “自动”系统调试后一般设置在此状态下，此状态下系统将紧随用户参数，全自动变频 软调节水泵投入运行，以保持空调主机进出水温差恒定脚嘲。 图1 1 系统结构图 f i 吕1 1s y s t c ms 岫l c t u 变频控制柜的工作原理：空调冷冻( 冷却) 水泵、风机专用变频控制系统由变频控制 柜水泵机组传感采样信号构成一个闭环控制系统。传感器提供采样信号，采样信号经过 一系列处理后输入到智能中央控制器，智能中央处理器接收管网的实际信号与用户设定 的值进行比较，利用偏差值控制变频器的输出频率，以改变电机输出，使系统根据负荷 状况自动调整各水泵的运行参数，达到节能的目的。当水泵全速运行时实际温( 压) 差 大于设定温( 压) 差，则将变频泵切换为工频供电，由变频器软启动另一台水泵。当水 泵以下限频率运行时，实际温( 压) 差小于设定温( 压) 差，则自动停止工频泵，由变 频泵运行直至全部泵处于休眠状态。从而达到变频变量恒温( 压) 供水“”“”。 变频控制节能分析：变频控制能使水泵达到最优的节能效果空调系统中水泵运 行时，由于工作情况的变化需要对水泵随时进行调节。通常采用以下三种方法：1 改变 叶轮：通过切割叶轮直径降低水泵的输入功率以达到节能；2 电磁耦合器：通过开启阀 沈阳工业大学硕士学位论文 门减少水泵的流量以达到节能的效果：3 变频器：通过变频控制调节水泵的转速以达到 节能的效果。变频控制是最好的节能措施。能达到最优的节能效果“”。 由于人体舒适感的模糊性和空调系统的复杂性，人们难于建立关于空调系统自动控 制的控制目标和控制对象的精确数学模型，这样以精确数学模型为必要条件的现代控制 理论应用于中央空调系统已有许多不能解决的问题，而基于模糊理论的控制技术具有不 需要知道控制目标和对象的精确数学模型，适用于具有大滞后和非线性时交系统“”。 中央空调变频调速控制及保护系统的研究 2 中央空调变频调速算法研究 2 1 变频调速的原理 2 1 1 变频调速的基本原理 变频调速的基本原理“”“”，异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步 转速，其同步转速由电动机的磁极个数和电源频率所决定： n o 一6 0 厂p ( 2 1 ) 式中：为同步转速，单位为r m i n ； ，_ 为电源频率，单位为h z ； p - 为磁极对数。 异步电动机的转速总是小于其同步转速，异步电机的实际转速可由下式给出： 雄ln o ( 1 一s ) 暑6 0 ，1 ( 1 一s ) p( 2 2 ) 式中：n - 为电动机实际转速； s - 为异步电动机的转差率。 由式( 2 2 ) 可知，改变参妻鼢，j 中的任意一个就可以改变电动机的转速，即对异步电 动机进行调速控制。因此，可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。 从某种意义上说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。 在电动机调速时，一个重要的因素时希望保持每极磁通量丸为额定值不变。磁通太 弱，没有充分利用电机的磁心，是一种浪费；若要增大磁通，又会使磁通饱和，从而导 致过大的励磁电流，严重时会因为绕组过热而损坏电机。对于直流电机来说，励磁系统 是独立的，所以只要对电枢反应的补偿合适，保持九不变是很容易做到的。在交流异步 电机种，磁通是定子和转子合成产生的。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： e g 一4 4 4 ，l l k t 丸 ( 2 3 ) 式中：e 。气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为v ： 定子频率，单位为h z ： 沈阳工业大学硕士学位论文 l 定子每相绕组串联匝数： 足。基波绕组系数： 丸每极气隙磁通量。 由公式( 2 3 ) 可知，只要控制好e 。和 ，便可以控制磁通不变。需要考虑基频( 额 定频率) 以下和基频以上两种情况： ( 1 ) 基频以下调速 即采用恒定的电动势。由上式可知，要保持丸不变，但频率 从额定值，_ 。向下 调节时，必须同时降低e 然而绕组中的感应电动势是难以控制的，但电动势较高， 可以忽略电子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压【，一e 则得1 ，一常数。 ， 低频时，【，和e 。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，抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压 频比控制特性为6 线，无补偿的为硪。如图2 1 所示。 ( 2 ) 基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从厶往上增高，但电压u 1 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特性， 如图2 2 如果电动机在不同的转速下都具有额定电流，则电动机都能在温升容许的条 件下长期运行，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”。 2 1 2 变频控制的节能原理 冷冻泵电机容量是按照天气最热即热交换量最大时设计的，由于季节和昼夜温差的 变化，环境气候的差异，以及人员的流动，实际上，很多时间热交换值远小于设计值。热交 换的大小由冷冻水的流量控制，而冷冻水的流量由冷冻泵电机的转速决定。 中央空调变频调速控制及保护系统的研究 之 主 之 i “血 o o 图2 1 恒压频比控制特性 f i g 2 1h s t i i l gv o l t a g ef 把q u e n c yr a t e 湖t f o lp e c u l i a r i t y m 小畦 h 睦 图2 2 异步电动机变频调速控制特性 f i g 2 2a s y c h m n o 惦n 帕t 0 璐v a r i a b i ef 把q u e n c yf c g u l a t i n gs p d 嘲t f 川d 咖c i c f 沈阳工业大学硕士学位论文 风机、水泵类负载属于平方转矩负载，即转矩坞转速，7 的平方成正比，而电机轴的 输出功率形一r - n 一行5 ，即电机轴上的输出功率与转速的三次方成正比。由此可见，当 电机的转速稍有下降时，电机功率损耗就会大幅度的下降，耗电量也就大为减少。过去 由于电机转速不可调，电机只能工作在开或停两种状态，即当冷负荷很小的时候，也必 须至少开一台，电机的功耗远大于实际负荷的需要，从而造成不必要的能耗通过降低 风机、水泵转速的方法来达到节电的效果，可用一个节电率的指针来定量的描述。由于 转速口与频率力茂正比，即以一印厂( 1 一s ) p ，若将电机的运行频率由原来的5 0 h z 下调到 4 0 h z 时，则电机的实际转速阼降为额定转速厅。的0 8 即忍- o 锄。 由于电机的额定功率为，一妇。5 ，因此，电机运行在4 0 h z 时的实际功率为： 暇一妊，一k ( o 瓤o ) 5 0 5 1 2 砌。5 一o 5 1 2 ( 2 4 ) 式中：节电率：o 一) 一( 一0 5 1 刃) 瞩= 4 8 8 由此可见，若风机和水泵的电机运行在4 0 h z 时，理论上，电机实际消耗的功率只有 额定功率的一半左右。此时，理论上的节电率为4 8 8 交流变频调速的节电效果相当 显着，经济效益十分可观“。 电机耗电量决定于其输出功率，而电机转速与供电频率成正比，n “，所以电机转 速稍有下降，即稍为降低供电频率，输出功率将大幅度下降。若电机转速能根据实际所需 的热交换量来调整，电机的功率将大大减少，从而显著降低节约电能“”。 2 1 3 变频器的选择依据 常规设计的交流电动机，通常都是在额定频率、额定电压下工作的。此时，轴上输 出转矩、输出功率都可以达到额定值。在变频调速的情况下，供电频率是变化的，电机 的实际输出也会变化。由于变频器有一定的通用性，因此在与不同拖动场合的电机配合 时，需要选配相应的变频器“”。 在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流 大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功 率。按连续恒负载运转时所需的变频器容量( k v a ) 的计算式计算： 正匕叩s 妒 ( 2 5 ) 中央空调变频调速控制及保护系统的研究 p c nl k 一3 u _ l m 啦绚 k2 船w ( 2 7 ) 式中：昂负载所要求的电动机的轴输出功率，单位为w ： 珂屯动机的效率( 通常约o 8 5 ) ； c d s 舻电动机的功率因数( 通常约0 7 5 ) ； ，电动机电压，单位为v ； ，龟动机电流，单位为a ； 七电流波形的修正系数，对p 删方式，取七一1 0 5 ； ，0 交频器的额定容量； o 变频器的额定电流。 根据以上的介绍以及系统功能的需求，我选择了西门子m i c r 洲a s t e r 4 4 0 变频器。 在生产过程自动控制的发展历程中，p i d 控制是历史最久、生命力最强的基本控制 方式。在本世纪4 0 年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制 方式。p i d 控制具有很多优点。”。 ( 1 ) 算法简单，使用方便，容易通过简单的硬件和软件方式实现： ( 2 ) 适应性强，可以广泛的应用于各种行业； 由于其有这些优点，p i d 控制直到现在仍然是应用最广泛的基本控制方式之一。温 度是一个普通而又重要的物理量，在许多领域里，人们需对温度进行测量和控制，长期 以来，国内外科技工作者对温度控制器进行了广泛深入的研究，产生了大批温度控制器， 如：性能成熟、应用广泛的p i d 调节器、智能控制p i d 调节器、自适应控制等“”。 2 2p i d 算法在变频调速中的应用 2 2 1 常规p l d p i d 在温度控制中已使用数十年，是一种成熟的技术，它具有结构简单，易于理解 和实现，且一些高级控制都是以p i d 为基础改进的。在工业过程控制中，4 0 9 6 以上的控制 系统回路具有p i d 结构。在目前的温度控制领域，应用十分广泛。 沈阳工业大学硕士学位论文 p i d 调节器又称为比例积分微分调节器，它具有比例、积分、微分三种调节，可见， 温度p d 调节器有三个可设定参数，即比例放大系数、积分时阋常数、微分时间常数。 对一个控制系统而言，合理地设置这三个参数，可取得较好的控制效果。 p i d 控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下： ( 1 ) 比例增益部分( p ) 用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量， 能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除 系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。 ( 2 ) 积分部分( i ) 表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与 偏差持续的时间有关，即与偏差对时问的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发 生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此积分作用主要是用来消除系 统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间常数 口 t ，t 越大，积分作用越弱，反之则越强。然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对 系统的偏差变化做出快速反应。1 。 ( 3 ) 微分部分( d ) 可以对输入的变化趋势做出反应，即它的输入与输出的大小无关， 但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的振荡，减小超调量，使系统趋向 稳定，减小调节时间，用来改善系统的动态特性。由于微分环节在系统传递函数中引入 了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。 p i d 的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节 作用，不会影响其它的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种 控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节 器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的 组合，如p i 控制算法，p d 控制算法和p i d 控制算法胁1 。 2 2 2p l c 的p i d 模块分析研究 西门子公司从s 7 2 0 0 系列p l c 中的c p u 2 1 5 ，c p u 2 1 6 开始增加了用于闭环控制的p i d 模块。“。我选用的是德国西门子公司的s 7 2 0 0 型p l c ，主模块c p u 2 2 6 。 在我们使用的p l c 中，是通过p i d 调节器来调节输出，保证偏差值为零，使系统达到 稳定状态8 ”。在系统中，偏差。是给定值s p ( 希望值) 和过程变量p v ( 实际值) 的差。p i d 中央空调变频调速控制及保护系统的研究 控制的原理基于公式( 2 8 ) 所示的方程，它描述了输出彤俐作为比例项、积分项和微分 项的运算参数关系脚1 。 m o ) - k c e + t 上础+ e 出，d f + 膨。 ( 2 8 ) 式中：膨( f ) p i d 回路的输出，是时间的函数； e p i d 回路的增益： e p i d 回路的偏差( 给定值与被控制变量之差) ； 材。p i d 回路输出的初始值。 为了在计算机中实现这一这个控制功能，公式( 2 8 ) 所描述的连续函数必须进行离 散化，即对误差进行周期性的采样并计算输出值。离散式方程如公式( 2 9 ) 所示： m 。一l 正匕+ 柳。+ 4 d l ( 2 9 ) 式中：m 。第，l 采样时刻的计算值： 肘e 第忍采样时刻的比例项值； 柳。第开采样时刻的积分项值； 脱阢第，l 采样时刻的微分项值。 ( 1 ) 比例项。 比例项 正只是增益墨和偏差e 的乘积。其中k 。决定系统输出对偏差的灵敏度， 偏差p 是给定值s 只与过程变量p k 之差。c p u 采用的计算比例项的方程如式( 2 1 0 ) ： 腻已一也( j s ：一p k ) ( 2 1 0 ) ( 2 ) 积分项。 积分项值埘。与偏差的累积和成正比。c p u 采用的计算积分项的方程如式( 2 1 1 ) ： 巩一k 伍z ) ( 阮一p k ) + 麟 ( 2 1 1 ) ( 3 ) 微分项。 l d ：- 蜒( 磁2 i x p k 。一p k ) ( 2 1 2 ) 式中：s 只采样时刻n 的给定值； 以增益； 沈阳工业大学硕士学位论文 尸k 采样时刻n 的过程变量值； p 屹。采样时刻n 一1 的过程变量； 研采样时刻n _ 1 的积分项( 积分项前值) ： 砖弓彩样时间； z 积分时间； 财微分时间常数。 从公式( 2 1 2 ) 可以看出，为了计算下一采样肘刻的微分项值，必须保存过程变量， 而不是偏差。在第一采样时刻，初始化为，吒。一f e 对于不同的控制系统，需要根据不同的控制对象，选用不同的控制环节伽。而且， 不同控制对象的给定值和过程变量都是现实世界的值，他们的大小、范围和工程单位都 可能不一样。所以在进行p i d 指令对这些值进行计算之前，必须把他们转换成标准的浮 点型实数，这样才能进行p i d 运算。同样，经过了p i d 运算以后的回路输出值一般为控制 变量，而且输出的也是经过标准化了的实数，所以在回路输出驱动模拟输出之前，必须 把回路输出转换为相应的1 6 位整数，即通过标准化过程的逆过程，将回路输出值转换成 相应的能驱动模拟输出的值嘲。 2 2 3p i d 控制器设计及实现 西门子公司从s 7 2 0 0 系列p l c 中的c p u 2 1 5 ，c p u 2 1 6 开始增加了用于闭环控制的p i d 指 令。西门予公司的s 7 2 0 0 系列的p l c 都有配套的s t e p 7 一毗c r o w i n 3 2 编程软件，该软件可 以在p c 机上运行，为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。 s t e p 7 一m i c r o w i n 提供了p i d 指令向导，指导使用者定义一个闭环控制过程的p i d 算法， 该算法程序由编程软件自动插入到主程序中。p i d 的组态设计包括以下内容：( 1 ) 确定 所要控制的p i d 指令编号( 回路编号) ：( 2 ) 选择参数控制表存放的位置以及闭环控制的 参数；( 3 ) 确定p i d 回路的输入和输出控制参数；( 4 ) 确定p i d 回路的报警选项以及报警 参数；( 5 ) 指定用于计算的数据存储区域；( 6 ) 指定初始化子过程和中断的名称；( 7 ) 确 认设计的p i d 算法名称陆1 。 中央空调交频调速控制及保护系统的研究 2 3 模糊控制算法研究 2 3 1 模糊控制系统工作原理 人的经验可用一系列具有模糊性的语言来表达，这就是模糊条件语句，再用模糊逻 辑推理对系统的实时输入状态观测量进行处理，则可产生相应的控制决策，这就是模糊 控制渊。 最基本的模糊控制系统如图2 3 。 墨为系统设定值，置为系统输出值，它们都是清晰量。从圈中可看出它和传统韵控 制系统结构没有多大区别，只是用模糊控制器替代传统的数字控制器幽1 嘲。 语言规则 图2 3 模糊控制系统 f 皓2 1 3f h z z y n n o ls y s t e m 输入量是系统的偏差值y ，在计算机控制系统中它是数字量，具有确定值的清晰量， 通过模糊化处理，用模糊语言变量y 来描述偏差，若以t ( n 记l ，的语言值集合，有： t ( n = ( 负大、负中、负小、o 、正小、正中、正大) 语言规则模块是一个规则库，设y 是输入，控制u 为输出，规则形式为： 规则1 ：i fy j ，i h e n 矾，e l s e 规则2 ：i fy 2t h e n 配，e l s e 沈阳工业大学硕士学位论文 规则n ：kt h e n 巩每一条规则可建立一个模糊关系凰系统总的模糊关系 为它们的并集。 若己知系统的输入如对应模糊变量，应用合成推理法，可得模糊输出变量广， 矿2y r ，( ，还要转化为清晰值，进行清晰化处理变成确定值m ，这就是模糊控制量的 输出值，通过地的调整控制作用，使偏差y 尽量小。 一般说，模糊控制器有三个主要的功能模块：模糊化、模糊推理、清晰化协。 2 3 2 空调装置模糊控制系统 所谓空调装置模糊控制系统是在原有微电脑控制基础上增加了模糊逻辑控制规则。 人的舒适度不仅取决于温度，还有湿度、辐射等，为达到舒适，不能采用原有简 单的温湿度控制，而要根据人体的综合感觉来进行调节，控制。 模糊控制根据温度、湿度、辐射、气流、穿衣量、活动量各种舒适性影响因素进行 综合调节，利用不同传感器进行监测判断，对室内温度，相对湿度等参数进行计算，组 合出许多模式并进行选择、推算，挑选出在当时室内条件下空调的最佳运转方式”1 。 ( 1 ) 变量模糊化 在控制系统中，温度偏差e 、温度偏差变化率c 和控制量电压输出u 的变化，实际 上都是确切的数字，而不是模糊集。为了使用模糊控制技术，必须把温度偏差e 和温度 偏差变化率c 变化的精确量转化为模糊集，然后才能输入给模糊算法器进行处理。本控 制系统中按温度偏差e 的大小将其分为八个模糊子集：n l ( 负大) 、删( 负中) 、n s ( 负 小) 、n 0 ( 负零) 、p o ( 正零) 、p s ( 正小) 、刚( 正中) 、p l ( 正大) 。为了推理、 合成以及模糊运算的需要，先将温度偏差e 离散化，转算到一5 至+ 5 之间的1 2 个档级 上。类似，可将温度偏差变化率c 分为n l ( 负大) 、嗍( 负中) 、n s ( 负小) 、0 ( 零) 、 p s ( 正小) ，刚( 正中) 、p l ( 正大) 七个模糊子集和1 1 个档级。总结多次仿真与试 验的经验，分别得到温度偏差e 和温度偏差变化率c 的隶属度表，如表2 1 、表2 2 所 示。 ( 2 ) 模糊推理 中央空调变频调速控制及保护系统的研究 模糊控制器的主要任务是根据模糊规则，对模糊变量进行判断和推理，得相应的输 出模糊子集。“。模糊控制规则是由经验总结成的一条条规则。由于本系统采用二输入 单输出的模糊控制器，因此模糊控制规则用语言形式来表达为： i f 历a n dat h e n 所 i f 历a n dgt h e n 以 i f 丘a n d t h e n 以 表2 1 偏差e 的隶属度表 1 a b 2 1d e v i a i i o nem e m b e r s h i pd c g r e et a b l c 表2 2 变化率c 的隶属度表 t a b 2 2c l l 柚g e 姐t ec m e m b e r s h i pd c g f e et a 埘e 沈阳工业大学硕士学位论文 其中，为控制量输出模糊集。根据每一条语句，都可以推出相应的模糊关系尼。整个系 统的总控制规则对应的模糊关系厅为： 式中：r 总模糊关系； 蜀模糊关系1 ： r 。模糊关系n ： 足某一模糊关系。 r 。墨v 恐v “r 。二墨 ( 2 1 3 ) 在实际模糊控制系统中，将模糊规则制成一个模糊规则表存放在模糊控制器的存储 器中，通过查表得到相应的模糊控制输出m 1 。本系统的模糊控制规则如表2 3 所示。 表2 3 模糊控制规则表 t a b 。 2 3f u z z yc o n t r 0 1n l l et a b l e ( 3 ) 模糊清晰化 被控对象只能接受一个控制量，这就需要从输出的模糊子集中判决一个控制量。即 是要推导出一个由模糊集合到普通集合的映射，这个映射称为判决，由判决得到相应的 精确控制量。在模糊判决中，最重要的步骤是将模糊量转化为精确量，常用的方法有最 中央空调变频调速控制及保护系统的研究 大隶属度法、加权平均判决法和取中位数法。本系统中采用加权平均判决法，其执行量 u 。由下式( 2 1 4 ) 计算。 p 一。善t 飑7 善t 但1 4 式中：地为输出模糊子集的隶属度； t _ 为权系数，其数值由实际情况来决定。 最后，将执行量转换为最终的控制开关量，由开关量去控制执行单元的固体继电器 完成投切电容器的任务。 2 3 3 空调装置模糊控制结果 模糊控制具有超调量小，稳差小，节能1 5 一2 0 ，实验表明空调的模糊控制具有 如下优点： ( 1 ) 控制过程优良，舒适性提高。 ( 2 ) 压缩机无频繁起停，因而有利于节能和延长空调装置使用寿命，实验表明，用 常规控制方法，1 h 内压缩机起停6 次，而用模糊控制方法无1 次起停，并且电耗只及前 者的7 6 。 ( 3 ) 不同型号和规格的空调装置能使用相同的控制规则，因而，大大简化了软件的 设计。 2 4 本章小结 对于水压控制环节而言，p i d 控制是一种简单有效的控制方法。本章分析了变频调 速的原理，分析了p i d 控制器的基本原理和分类，总结了p i d 参数对p i d 算法的影响，对 模糊控制算法进行了研究。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 中央空调变频调速及控制系统硬件设计 3 1 变频器原理 变频器分为交一交和交一直一交两种形式。交一交变频其可将工频交流直接变换成 频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交一直一交变频器则是先把工频交 流电通过整流变成直流电