变频恒温恒湿空调机温湿度控制精度(2) 

恒定热湿负荷下温、湿度控制精度动态实验结果分析

恒定热湿负荷下的精度控制实验是将室内机放置在室内环境室(室内的环境由实验样机来控制) ,室外机放置在室外环境室(室外的环境由实验室来控制) 。室内恒定的热湿负荷是由特制的电极加湿器(加湿能力为4 kgPh) 以及电加热器(加热能力为6kW) 提供。了室外环境温度控制在35 ℃,室内环境温度维持在22 ℃,相对湿度控制在55 % ,室内温度、相对湿度、压缩机的运转频率、电子膨胀阀开度、过热度、热回收换热器的状态、电加热器的状态以及电极加湿器的状态随运行时间的变化情况。图中需要说明的是,1 表示热回收换热器和电加热器处于开启状态,0 表示热回收换热器、电加热器以及电极加湿器处于关闭状态。

由图中可知,压缩机频率的变化与室内温度的变化趋势基本相同,从启动到开始稳定运行的20min 期间,由于温度设定值与实测值之间的偏差造成压缩机的运转频率和室内温度存在着一定的波动。但是,压缩机频率的波动和温度变化的同步性比较好,这说明了本文设计的分阶段电子膨胀阀—变频压缩机同步自适应PID 控制方法对于缓解温度调节的延迟十分有效。从室内温度的波动幅度来看,通过短暂的温度波动,当运行20 min 后,室内温度和压缩机的频率逐渐趋于稳定,室内温度的波动幅度在013~015 ℃,也就是说室内温度的控制精度可达到±013~ ±015 ℃。从图中还可看出,由于初始的室内温度相对于设定温度较低,故系统的热回收换热器和电加热器在运行初始阶段全部开启,同时实验样机的出力相对于室内的负荷较大,因此为了控制整个环境的温度控制精度,需要热回收换热器和电加热器来平衡过制冷量。同时也可看出,热回收换热器能够替代部分或全部的电加热器,进而实现对出风温度的加热,很好地平衡了系统多余的制冷量。

由上图可以看出,压缩机频率的变化与室内相对湿度的变化的同步性较好,也进一步说明了本文设计的控制方法对于缓解温、湿度调节的延迟和超调现象十分有效。从室内相对湿度的波动幅度来看,在不稳定阶段,最大波动幅度为5 %;运行20 min后,室内相对湿度和压缩机的频率逐渐趋于稳定,室内相对湿度的波动幅度在3 %以内,也就是说室内相对湿度的控制精度可达到3 %。从图中还可看出,电极加湿器在运行的大部分时间内都处于关闭状态,这主要是由于控制环境的初始相对湿度较高,同时系统在控制温、湿度时,实测相对湿度与设定值之间的偏差大部分时间都在允许电极加湿器处于关闭的偏差值内。

由上图可知,在整个运行过程中,压缩机频率的变化与电子膨胀阀开度的变化趋势一致,几乎不存在延迟现象。从而也证明了本文所设计的分阶段电子膨胀阀—变频压缩机同步自适应PID 控制方案是准确的,能够很好地解决系统控制的延迟现象。与此同时,系统的过热度在整个实验过程中波动很小,这说明电子膨胀阀对系统过热度的控制比较精确,具有很好的调节能力。

热湿负荷阶跃干扰下温、湿度控制精度动态实验结果分析

室外环境温度控制在35℃,室内环境温度控制在22 ℃,相对湿度控制在55 % ,具有热湿负荷阶跃干扰下,室内温度、相对湿度、压缩机的运转频率、电子膨胀阀开度、过热度、热回收换热器的状态、电加热器的状态以及电极加湿器的状态随运行时间的变化情况。室内热湿负荷阶跃干扰是由实验室控制室内环境的蒸汽加湿器和热水换热器提供。图中需要说明的是,1 表示热回收换热器和电加热器处于开启状态,0 表示热回收换热器、电加热器以及电极加湿器处于关闭状态。

由图中显示的结果可以看出,在系统引入热湿负荷干扰之前,室内环境在实验样机的控制下,通过20 min 短暂波动后,系统逐步趋于稳定,并能长时间运行,温度控制精度能够维持在013~015℃,相对湿度控制精度能够维持在2 %~3 %。在引入干扰前,系统的运行情况与前述类似。在10 :20~10 :30 时间段,利用控制室内环境室的蒸汽加湿器和热水换热器引入热湿负荷阶跃干扰,同时对室内进行加热和加湿,室内温度迅速升高,相对湿度反而下降较快,这主要是由于在加湿过程同时也在加热,整个加热能力大于加湿能力,温度的急剧上升导致相对湿度下降。在干扰期间,由于温度和相对湿度严重偏离设定值,故压缩机始终在高频100 Hz 下运行,热回收换热器和电加热器始终关闭,电极加湿器100 %负荷运行。在当干扰结束后,室内环境的温度和相对湿度在变频恒温恒湿空调机的作用下,温度和相对湿度只经过6 min 波动,就能够迅速稳定在设定值附近,并长时间维持温度控制精度为013~015 ℃,相对湿度控制精度为2 %~3 %。从图中也可看出,在初始运行过程中,由于室内实测的温湿度与设定值偏差较大,此时压缩机在高频下运行;随着室内温湿度逐渐接近设定值,压缩机的运转频率也随之下降,频率从100 Hz 下降到50 Hz 左右,并持续稳定运行;在引入干扰后,由于室内温度迅速上升,相对湿度下降,在温度参数的作用下,压缩机频率也迅速升高至100 Hz ,加热器随即完全关闭,由于相对湿度低,电极加湿器100 %开启对室内加湿,经过短暂的调节后,室内环境的温度和相对湿度稳定到所设定的范围之内,此时压缩机频率又降低至60Hz 左右稳定运行,电极加湿器在此后的大部分时间内关闭,热回收换热器和电加热器用于抵消多余的冷量,以维持较高的温度和相对湿度控制精度。

由图中可以看出,压缩机的运转频率和电子膨胀阀的开度无论是在有干扰引入还是无干扰的情况下,始终保持着一致的步调,几乎不存在延迟现象。从而证明了实验样机所设计的分阶段电子膨胀阀—变频压缩机同步自适应PID 控制方案无论有无外界干扰,均能够很好地解决系统控制的延迟现象。系统的过热度在整个实验过程中,波动较小,这说明电子膨胀阀对过热度的控制比较精确,具有很好的调节能力。

随着航天航空事业、电子信息工业、医疗事业以及军事工业的迅速发展,对于高精度变频恒温恒湿空调机的需求量将越来越大。本文通过实验研究了变频恒温恒湿空调机的动态温、湿度精度控制特性,实验样机无论在恒定热湿负荷还是阶跃干扰热湿负荷下,都能实现温度控制精度在±015 ℃以内,相对湿度精度在±3 %以内。同时,本文提出的分阶段电子膨胀阀—变频压缩机同步自适应PID 控制方式,能够很好地缓解控制上的延迟和超调,可为今后控制系统研究与开发提供参考。最后,本文研究成果将能够为进一步开发高精度变频恒温恒湿空调机产品提供理论和实践指导。

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