基于plc的中央空调温度控制系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的中央空调温度控制系统设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

原理，控制 原理，以及中央空调 性能的指标。 为下一步对中央空调的各部分的设计奠定基础。 青岛理工大学毕业设计（论文） 6 第 3 章 中央空调控制系统的硬件设计 本章主要对本次设计中用到的硬件进行介绍以及选择， 包括主要的变频器，可编程控制器，温度传感器，人机界面的选择等。 通过本章对硬件的设计，可以基本确定本次设计的基本结构以及各主要部分的组成。 变频器 变频器 的介绍 变频器 是结合了 微电子技术与变频 技术，通过改变 电机 工作 频率 来 改变电动机转速的装置。 变频器主要由整流、滤波、逆变、检测单元 、 微处理 单元、驱动单元等组成。 变频器 是通过控制绝缘栅双极型晶体管的 开断来 改变 输出 的频率 ，从而达到电机所需要的转速来控制室内的温度 ， 从而 达到 既满足人们的舒适要求并且节约能源的目的。 变频器 还具有 过流、过压、过载 等保护功能。 图 变频器 变频器主要有三部分组成：整流器、平波回路和 逆变器。 整流器：它把工频电源变换为直流电源。 逆变器： 与整流器的功能相反，将直流电变成交流电。 平波回路： 整流和逆变都会产生较大的脉动电压，为了减少对设备的损坏和稳定电网， 采用电感和电容 来 吸收脉动电压 或电流。 变频调速的原理 (1)工频控制介绍 早前，国内的中央空调系统，基本上都采用传统的定流量控制方式。 只要启动空调主机，冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔风机都在 50Hz 工频状态下运行。 循环水的流量是一定的，当负荷变化是，循环水量不会改变，也就是不会按照室内青岛理工大学毕业设计（论文） 7 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 电机是中央空调的 最主要的器件，就像人体的心脏，为了中央空调的运行提供动力，电机也是中央空调最耗电的器件之一。 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： )1(1 snn  () pfn /601 () 1n :同步转速，单位为 /minr ； 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： 114 .4 4g m mE f N K  () 式中： gE ：每相的 感应电动势 的 有效值，单位为 V ； 青岛理工大学毕业设计（论文） 8 1f ： 定子频率，单位为 Hz ； 1N： 定子每相绕组串联匝数； 1nK ： 基波绕组系数； m ： 每极气隙磁通量。 由 公 式 ()可 知 ：不改变变 gE 和 1f ，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 (33)可知，保持磁通量不变从 基频 mf 向下调节，同时 会 降低 gE ，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 1UE ，则得 1/f 等于 常数。 低频时， 1U 和 gE 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 1U 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。 U 1 / Vf / H zf m0ab 图 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 mf 往上增高，但电压 1U 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 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 ”。 青岛理工大学毕业设计（论文） 9 U 1 / VU m恒 转 矩 调 速 恒 功 率 调 速f m f / H z0 图 异步电动机变频调速控制特性 在中央空调水系统中，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] 2121 nn () 22121 )(nnHH  () 32121  nnPP () 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。 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。 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。 青岛理工大学毕业设计（论文） 10 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。 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用额定电压。 青岛理工大学毕业设计（论文） 11 电机的软启动 原理及应用 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。 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]。 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 会在电机定子绕组上 造成 操作过电压， 操作过电压有时会达到额定电压 的 6 倍以上， 这样的高压会对设备造成损坏，影响使用寿命。 青岛理工大学毕业设计（论文） 12 软启动与变频器的对比 软起动器和变频器是两种不同用途的产品。 软起动器 按其工作原理就是一个调压器， 当 电机起动时， 降低输出电压，但是频率并不会发生改变。 变频器也有软启动功能， 但是变频器是 通过改变电源频率 来 实现 的，不会降低电压。 本次设计中，将软启动器和变频器一起配合 使用，由变频器带动一台 水 泵变速运行， 一个 软启动器 控制其他电机的 操作， 由变频器控制的水泵 可 以 定时轮换使各泵运行 的 时间 相 均衡， 从而时各台水泵的寿命得到延长。 PLC选型 可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统， 专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。 它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展。