基于s7-200plc的中央空調冷媒水溫度控制系統(tǒng)設計-資料下載頁

【導讀】蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書。空調對國民經濟各部門的發(fā)展和對人民物質文化生活水平的提高有著重要。的作用，這不僅意味著受控的溫度環(huán)境對各種工業(yè)生產過程的穩(wěn)定運行和保證產。品的質量和數量有重要作用，而且對提高勞動生產率，保證人體健康，創(chuàng)造舒適。的工作和生活環(huán)境有著重要的意義。該系統(tǒng)以PLC為控制核心，由兩臺75KW變頻器分別驅動三臺電動機，PLC. 根據冷媒水溫度反饋信號，從而改變與冷媒水的熱量交換量，對冷媒水的溫度進。行控制，可以實現對空調水系統(tǒng)溫度的自動控制，使其達到空調系統(tǒng)所要求的溫。近年來，隨著微電子技術，傳感器技術以及控制理論的發(fā)展，空調技術和性。能得到了很大進步，空調開始向大功率，多功能，無氟，節(jié)能，智能化，人性化。方向發(fā)展，因此傳統(tǒng)的空調難以滿足現代的發(fā)展要求。本次畢業(yè)設計采用。S7-200PLC作為中央控制單元，對中央制冷空調的冷媒水溫度控制系統(tǒng)進行設

　　

【正文】 制冷劑在 低溫蒸發(fā)器內吸收熱量，通過壓縮機消耗功，將制冷劑壓縮成高壓，使之在電冰箱或者空調器內循環(huán)，將熱量從低溫處移到高溫處。制冷劑好比人體的血液，壓縮機好比是人的心臟。 作為 制冷系統(tǒng)的心臟，無論是 在 空調、冷庫、化工制冷工藝等等工況都要有壓縮機這個重要的環(huán)節(jié)來做保障 。 壓縮機壓縮的高壓氣體經冷凝器冷凝變成高壓液體，通過節(jié)流閥（膨脹閥）節(jié)流，進入蒸發(fā)器吸熱蒸發(fā)，變成低壓蒸氣回到壓縮機 ， 周而復始。流程原理 即是 ： 壓縮 ——冷凝 ——節(jié)流 ——蒸發(fā) 。 制冷，壓縮機對工質（一般是氟里昂）進行壓縮時，工質的溫度會升高，在室外散 熱后，導回室內膨脹，膨脹時會吸熱，而且因為在室外散失了一部分熱量，所以膨脹后的溫度，一般低于壓縮前的溫度。 制冷壓縮機種類和形式很多，根蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 19 據原理可分容積型和速度型兩類，其中容積式是最為普遍的。 壓縮機壓縮氣體簡單而說就是通過改變氣體的容積來完成氣體的壓縮和輸送過程 。 (2) 壓縮機的種類與結構： 空氣壓縮機是氣源裝置中的主體，它是將原動機（通常是電動機）的機械能轉換成氣體壓力能的裝置，是壓縮空氣的氣壓發(fā)生裝置。空氣壓縮機的種類很多，按工作原理可分為容積型壓縮機和速度型壓縮機。容積型壓縮機的工作原理是壓縮氣體的 體積，使單位體積內氣體分子的密度增加以提高壓縮空氣的壓力；速度型壓縮機的工作原理是提高氣體分子的運動速度，使氣體分子具有的動能轉化為氣體的壓力能，從而提高壓縮空氣的壓力。 空調器上所配用的壓縮機，絕大多數是小型全封閉式壓縮機。早期的壓縮機都是開啟式的，即電機與壓縮機各自為獨立的機體，后來發(fā)展為半封閉式，即電動機與壓縮機同軸，均裝配在一個機殼內，殼體用螺栓緊固連接。制冷劑先后采用了二氧話硫，氯甲烷。隨著無毒，無爆炸危險的氟制冷劑 R12， R22 等的出現，機械制造加工工藝的不斷完善和有機絕緣材料的使用，才轉為生產 大量帶內裝式電動機的全封閉式壓縮機。 變頻器 (1) 變頻器概述 近年來，隨著電力電子技術、微電子技術及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，生產工藝的改進及功率半導體器件價格的降低，變頻調速越來越被工業(yè)上所采用。如何選擇性能好的變頻器應用到工業(yè)控制中，是專業(yè)技術人員和研究人員追求的目標。 水泵是空調系統(tǒng)的重要的組成部分，其耗電量非常大，占空調系統(tǒng)耗電量的 15％ 30％，這也意味著水泵節(jié)電的潛力巨大。變頻技術的應用是水泵節(jié)能運行的趨勢之一，采用變頻技術對水泵進行無級調速是一種行之有效的節(jié)電方法，也 是水泵運行節(jié)能的發(fā)展趨勢。 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，電動把 DC(直流 )轉換成 AC(交流 )的設備，利用常用電源 (AC110/220V)所供應的電力，在變頻器內變換電壓和頻率供應電機 (Motor)，控制電機速度的設備。 LS 產電銷售 Starvert 系列。變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型 是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。變頻器雖為靜止裝置，但也有像濾波電容器、冷卻風扇那樣的消耗器件，如果對它們進行定期蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 20 的維護，可望有 10 年以上的壽命。變頻器分為主回路方式 [電壓型、電流型 ]的變頻器和開關方式[PAM(Pulse Amplitude Modulation)PWM(Power Width Modulation)]的變頻器。控制方式有 V/F 控制、 Sensorless 控制、矢量控制等 變頻器的特點： 變頻器使用目的 : 節(jié)約能原、提高品質和維護性、縮小占地面積、創(chuàng)造舒適的環(huán)境。 變頻器優(yōu)點： 可進行持續(xù)、廣泛的可變速運轉；以感應電機的控制，維護性和內配置性優(yōu)秀； Soft stop/start；啟動電流低；便于進行電子制動；可進行高速云轉；節(jié)約電力。 本次設計所采用的 VF7 變頻器將在第四章詳細介紹 (2) 變頻器的保護功能： 變頻器的保護功能可分為以下兩類： 1）檢知異常狀態(tài)后自動地進行修正動作，如過電流失速防止，再生過電壓失速防止。 2）檢知異常后封鎖電力半導體器件 PWM 控制信號，使電機自動停車。如過電流切斷、再生過電壓切斷、半導體冷卻風扇過熱和瞬時 停電保護等。 (3) 變頻器分類 1） 變頻器按其供電電壓分為：低壓變頻器（ 110V/220V/380V）、中壓變頻器（ 500V/660V/1140V）、高壓變頻器（ 3KV/）。 2） 變頻器按其控制方式分為： V/F（電壓 /頻率）控制、矢量控制、直接轉矩控制三種主要方式。 3） 變頻器按其功 能分為：恒轉矩型變頻器、恒功率型變頻器、平方轉矩型變頻器、簡易型變頻器、專用型變頻器。 4） 變頻器按其直流電源的性質分為：電流型變頻器和電壓型變頻器。 5） 變頻器按其機殼外形分為：塑殼變頻器、鐵殼變頻器、柜式變頻器及無外殼特殊（專用）變頻器。 6） 變頻器按其輸出功率 大小分為：小功率變頻器（ 10KW 以下）、中功率變頻器 （ 100KW 以下）、大功率變頻器（ 100KW 以上）。 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 21 (4) 變頻器工作原理和控制方式 如下圖所示是變頻器的基本構成： 交 流 電 交 流 電 （商用電源） （頻率和電壓可調的交流電） 變頻器的基本構成 變頻器的工作原理 我們知道，交流電動機的同步轉速表達式 為 n＝ 60 f(1－ s)/p （ 1） 式中 ： n———異步電動機的轉速； f———異步電動機的頻率； s———電動機轉差率； p———電動機極對數。 由式 (1)可知，轉速 n與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f即可改變電動機的轉速，當頻率 f在 0～ 50Hz的范圍內變化時，電動機轉 速調節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能的調速手段。 變頻器控制方式 低壓通用變頻輸出電壓為 380～ 650V，輸出功率為 ～ 400kW，工作頻率為 0～ 400Hz，它的主電路都采用交 — 直 — 交電路。其控制方式經歷了以下四代。 1） U/f=C 的正弦脈寬調制（ SPWM）控制方式 其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉 矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉矩能力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，整流電路 逆變電路 直流中間電路 控 制 電 路 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 22 轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調速。 2) 電壓空間矢量（ SVPWM）控制方式 它是以三 相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉矩的調節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 3) 矢量控制（ VC）方式 矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流 Ia、Ib、 Ic、通過三相――二相變換，等效成兩相靜 止坐標系下的交流電流 Ia1Ib1，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流 Im It1（ Im1 相當于直流電動機的勵磁電流； It1 相當于與轉矩成正比的電樞電流），然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉 子磁鏈難以準確觀測，系統(tǒng)特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。 4) 直接轉矩控制（ DTC）方式 1985 年，德國魯爾大學的 DePenbrock 教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型， 控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。 5) 矩陣式交 — 交控制方式 VVVF 變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交 — 直 — 交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低，諧波電流大，直流電路需要大的儲能電容，再生能量又不能反饋回電網，即不能進行四象限運行。為此，矩陣式交 — 交變頻應運而生。由于矩陣式交 — 交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容 。它能實現功率因數為 l，輸入電流為正弦且能四象限運行，系蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 23 統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。具體方法是： a)控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實現無速度傳感器方式； b)自動識別（ ID）依靠精確的電機數學模型，對電機參數自動識別； c)算出實際值對應定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實際的轉矩、定子磁鏈、轉子速度進行實時控制； d)實現 Band— Band 控制按磁鏈和轉矩 的 Band— Band 控制產生 PWM 信號，對逆變器開關狀態(tài)進行控制。 矩陣式交 — 交變頻具有快速的轉矩響應（ 2ms），很高的速度精度（177。 2％，無 PG 反饋），高轉矩精度（ ＋ 3％）；同時還具有較高的起動轉矩及高轉矩精度，尤其在低速時（包括 0 速度時），可輸出 150％～ 200％轉矩。 (5) 變頻器的選擇 (1) 變頻器容量的選擇 變頻器容量的選擇是一個重要且復雜的問題，要考慮變頻器容量與電動機容量的匹配，容量偏小會影響電動機有效力矩的輸出，影響系統(tǒng)的正常運行，甚至損壞裝置，而容量偏大則電 流的諧波分量會增大，也增加了設備投資。 變頻器容量選擇可分三步： 1) 了解負載性質和變化規(guī)律，計算出負載電流的大小或作出負載電流圖I=f(t)。 2) 預選變頻器容量及其他。 3) 校驗預選變頻器。必要時進行過載能力和起動能力的校驗。若都通過，則預選的變頻器容量便選定了；否則從 2)開始重新進行，直到通過為止。 在滿足生產機械要求的前提下，變頻器容量越小越經濟。 （ 2） 基于不用電動機負載電流下變頻器容量的選擇 一般地說，變頻器的容量有三種 表示方法：額定電流；適配電動機的額定功率。額定視在功率。不管是哪一種表示方法，歸根到底還是對變頻器額定電流的選擇，應結合實際情況根據電動機有可能向變頻器吸收的電流來決定。通常變頻器的過載能力有兩種： ① 倍的額定電流，可持續(xù) 1 分鐘； ② 倍的額定電流，可持續(xù) 1 分鐘；而且變頻器的允許電流與過程時間呈反時限的關系。