智能楼宇与节能解决方案
智能楼宇与节能解决方案
摘要:根据中央空调监控系统的构成及工作原理, 讨论了通过减小交流调速中的交越失真来改善逆变器输出波形的方法, 尽可能地控制谐波影响, 降低能耗。由于整个中央空调系统中具有较多的交流调速系统, 因此其节能效果明显。
关键词: 楼宇自控; 空调监控系统; 交流调速; 节能
Building Automation and an Energy-saving solution
Abstract: According to the com position and working principle of a monitoring system for centra l air-conditioning, this paper discusses the new method o f the speed adjustment of AC mo tors in detail The inverter output w ave fo rm can be reduced by abating distortion,and the energy consumption should be decreased as much as possible by controlling harm on IC effects. Since there are quite a few speed adjustment system s for AC mo tors in the monitoring system of a centra l air conditioner, so the energy- saving effect is obvious.
Key words: automatic control system for building; monitoring system of air conditioner; speed adjustment of AC motor; energy saving
1.智能楼宇与空调监控
智能楼宇的核心是5A系统，智能楼宇就是通过通信网络系统将此5个系统进行有机的综合，集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，使建筑物具有了安全、便利、高效、节能的特点。智能楼宇是一个边沿性交叉性的学科，涉及计算机技术、自动控制、通讯技术、建筑技术等，并且有越来越多的新技术在智能楼宇中应用。
通过楼宇自控系统(这里指通常所说的小BA系统或狭义BA系统，采用先进的计算机控制技术，管理软件和节能系统程序，使建筑物机电或建筑群内的设备有条不紊、综合协调、科学地运行，从而达到有效地保证建筑物内有舒适的工作环境、实现节能、节省维护管理工作量和运行费用的目的。
智能建筑因能提供全面、高质量、安全、舒适、快捷的综合服务而倍受青睐。高度智能化的智能大厦最终都是通过智能化系统得以实现, 楼宇自动化系统是整个智能大厦建筑智能系统最重要的组成部分, 是智能大厦正常运作的前提条件。当前, 在楼宇控制系统中能耗问题已经变得尤为突出, 而其中空调系统是建筑能耗的大户, 空调能耗占整个建筑能耗的30% 以上, 人们一直以来都在采取各种技术改进冷热源、空气处理机、末端风机盘管等的性能, 能耗已经有了明显的降低。尽管如此, 中央空调系统的能耗仍然相当大, 且仍存在相当多的问题, 对其进行研究, 极具潜力, 同时也具有比较深远的社会效益和经济效益。
2.中央空调监控系统的组成及工作原理
中央空调节器系统又叫集中式空调系统, 现代化的大型建筑中通常都采用这种形式的空调系统,其工作原理如图所示。
当环境温度过高时, 空调系统通过循环方式把室内的热量带走, 以维持室内温度在一定值。当循环空气通过风机盘管时, 高温空气经过冷却盘管的铝金属先进行热交换, 盘管的铝片吸收了空气中的热量,使空气温度降低, 然后再将冷冻后的循环空气送入室内。冷却盘管的冷冻水由冷却机提供, 冷却机由压缩机、冷凝器和蒸发器组成。压缩机把制冷剂压缩, 经压缩的制冷剂进入冷凝器, 被冷却水冷却后, 变成液体, 析出的热量由冷却水带走, 并在冷却塔里排入大气。液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器进行蒸发吸热,使冷冻水降温, 然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量, 如此周而复始, 循环不断, 把室内热量带走。当环境温度过低时, 需要以热水进入风机盘管, 和上述原理相同, 空气加热后送入室内。空调监控系统主要由空调冷热源系统、空气处理机系统、新风空调机系统、末端风机盘管系统以及连接设备间的风管和其它附件组成。
2.1.空调冷、热源系统
空调冷、热源系统担负大厦和楼层间制冷和制热的任务, 并随着控制系统的自动调节控制, 满足大厦内温度的舒适性。其自动控制系统的原理如图所示。
2.2.空气处理机系统
空气处理是指对空气进行加热、冷却、加湿、干燥及净化处理, 以创造一个温度适宜并符合卫生要求的空气环境。空气处理机系统采用自动数字控制器DDC控制和手动控制相结合的方式, 对各个房间的送风温度进行调节。其控制流程如图所示。
2.3.新风空调机系统
新风空调节器系统主要对新风的供应进行调整, 以保证大厦内的空气保持清新, 清除空气循环所积蓄的陈旧空气。其主要功能是完成对空调系统中的新风量的比例以及新风的温度和湿度进行控制,同时还可以根据新风温度改变送风温度的设定值,其控制原理如图所示。
整个空调系统还包括一些其它环节, 但从这里介绍的三个部份已经足以说明, 电机执行机构是整个系统中工作必不可少、耗能最大的执行机构, 成为节能方案中重点关注的对象, 而交流调速在这些执行机构中广泛应用, 因此必须对其进行详细分析。
3.交流调速在中央空调节能方面的应用及相关问题分析
变频调速主要应用在冷冻水泵、冷却水泵、变频冷水机组、风机变频控制柜等方面, 交流调速系统主要起着变频节能、软启动与停止等功能。基于交流调速在中央空调节能方面的重要性, 我国目前交流调速理论研究和运用也不很完善, 本文重点讨论交流调速中改善死区影响来提高调速性能, 达到节能的目的。
3.1.交流调速中的交越失真
一般来说, 交流电机的DTC 控制中主要采用电压型PWM 变频器, 如图所示。
电压型逆变器是指从逆变器的主回路上看, 如果主回路等效于电压源供电, 再把电源的直流量通过开关控制元件, 转化成交流输出, 这样的逆变器称为电压型逆变器。其开关逻辑由磁链控制环和扭矩控制环共同形成。在这种控制方式下, 开关逻辑自动生成PWM控制信号。变频器输出电流波型不可能是完全光滑的正弦波形, 此时存在两种最主要的失真: 脉动失真, 交越失真。产生脉动失真的主要原因是由于扭矩环内滞环容差的影响以及磁链控制环内滞环容差的影响。原则上认为PWM 调制波形与正弦波越接近, 且滞环容差越小, 则电流的脉动越小。另一方面, 为避免逆变桥上下桥短路, 必须设置死区, 而由于死区的影响又使电流产生交越失真,这些都严重地影响了电压型变频器的输出电流质量。在这方面进行研究以期得到高质量的电流波型, 获得优良的动态性能的调速系统是很重要的。
3.2.死区中存在的问题分析
整个交流调整系统是包括电机、逆变器等许多器件在内的复杂系统, 所以分析研究应该在整个系统内进行, 不仅有理论研究, 还需包括具体的硬件实现问题。死区内所存在的主要问题是逆变器电路中的二极管续流问题。
由于电机属于感性负载(具有负载功率因数COSA) , 因为逆变器内部电路的原因, 在死区时间内会发生二极管续流问题, 如图7 所示, 以A 相为例, 当Q1导通时, A点电压为+ V d c , 当Q2导通时,A 点电压为-V dc 。在死区时间$t内, Q 1和Q2都不导通, 但是电机的感性负载性质使反馈二极管D1、D2续流, 以保持A 相电流连续。在i a 的正半周, D2续流, A 点与直流电源负极接通, A 点电压为-V d c ;在i a 的负半周, D1续流, A 点与直流电源正极接通,A 点电压为+ V dc 。在死区时间$t内, A 相正半周的输出相电压Va 应该为0, 这对于逆变器来讲, 是比较理想的情况, 实际上由于前面分析的二极管续流效应, 因D2导通, A 相的输出相电压Va实际为-V dc ; 与之对应, 死区时间$t内, A相负半周的输出相电压Va应该为0, 而因D1的续流, 在i a 的负半周A 相输出相电压却是+ V dc 。引起逆变器实际输出波形发生畸变的主要原因有: 死区与死区设置方式、感性负载时死区时间内反馈二极管的续流以及负载功率因数cosA, 其中死区和死区时间内二极管续流是使实际波形发生畸变的根本原因, 死区设置方式和负载功率因数cosA则改变误差波的脉冲分布状态。为验证以上分析的正确性, 进行M atlab 仿真,仿真中考虑了二极管的续流问题, 仿真结果如图所示。通过对图的观察分析可发现, 在每个肩部, 都有一个尖脉冲发生, 这实际上就是由逆变器内部的二极管续流引起的, 因此前边的理论分析是正确的。通过以上分析可知, 对于整个交流调整系统来讲, 如果想提高
系统性能, 消除死区带来的不良响, 控制逆变器的PWM 波形, 改善输出电流质量,必须将交流调速系统作为整体来对待, 可以肯定的是, 无论死区时间长短, 对逆变器的输出波形都会产生影响, 而且死区时间越长, 输出波形的畸变就会越严重, 含有更多的高次谐波, 而且交越失真也就越大。所以一般的控制方法都是尽量缩小死区时间,并根据实际情况对死区的影响进行补偿, 来消除由死区带来的不良影响。
4.死区的补偿
进行补偿的基本思想是设法产生一个与误差波形相似、相位相反的补偿电压来抵消或削弱误差波的影响。交流调速系统中, 主要的死区补偿有三种:电流反馈型补偿方式、电压反馈型补偿方式和向量控制电流反馈方式。这里重点讨论电流反馈型补偿方式及改进措施。
4.1.电流反馈型补偿电路
4.2.电流反馈控制方式的改进
对于整个交流调速系统而言, 引起逆变器实际输出波形发生畸变的因素很多, 一般情况下, 都是基于死区时间设置时间很短的情况进行补偿, 但包括PWM 谐波、功率开关的动态特性、以及交流电机在运行过
程中的参数变化等因素同样会影响到逆变器输出电流质量, 因而所检测到的电流误差不仅与死区影响有关, 而且与其它因素有关, 由于死区时间较小, 相对而言, 电流误差中由于死区因素引起的误差在总误差中所占的比例不大, 所以检测到的电流误差不能认为全是由于死区影响产生的。为解决这个问题可以有意将死区扩大, 让输出电流误差明显反映出是由于死区引起的, 这样才有利于采取电流补偿方法, 从而使其能真正补偿死区的影响。
除以上原因外, 由于电流反馈性补偿方式通过检测电流过零点和根据正负方向来对指令PWM 进行加或减的补偿, 系统内的噪声构成了高频噪声源,当有电流输出时, 实际上被测信号是电流信号与噪声信号的叠加, 对于检测电流过零点而言, 这使得测得的信号与真实信号之间存在着误差。这些误差使电流在过零点附近检测到的极性与实际极性有可能不同, 因而难以准确地确定出过零点的位置, 而一旦电流的极性检测发生错误, 就必然会产生死区的误补偿, 不但没有消除死区的影响, 反而有可能使影响加倍。仔细分析电机的定子电流过零点附近的情况可知, 当电流可能从负向正变化时, 如果实际的电流已经过零, 而检测到的电流仍为负值, 则由于误补偿的原因, 定子电流从负到正穿过零点的速度必然很慢, 如果此时指令电压瞬时值相对于偏差电压瞬时值比较小, 则定子电流可能偏离原来的方向而向负值变化, 这种偏离又使检测电流极性发生偏差的可能性增加, 使电流在零点附近摆过。另一种情况, 如果实际的定子电流还没有过零, 检测到的电流极性却为正, 则实际定子电流由负到正穿过零点的速度将加快, 这种变化对电流波形也会产生局部影响, 但是不改变电流变化趋势。对于电流从正到负的变化过程, 与上述情况类似。在上述两种情况中, 由于检测环节不可避免的存在着滞后而且滤波和程序计算等都需要时间, 致使第一种情况发生得更为普遍。由于误差和噪声的影响(而且这些误差和噪声是很难通过滤波的方法消除的), 在死区时间设置很短
的情况下, 这种检测电流过零的方法的精度并不是很让人满意。为此, 可将死区时间略微扩大, 使死区的影响变大, 也使死区的被检测信号与误差信号差值被放大,并对检测电流的过零点在时间上提前。实验证明,这种方法能够更有效的提高死区的补偿精度。
5.结语
空调监控系统是智能大厦楼宇自动化系统中的一个子系统, 也是监控点最多、监控范围最广、监控原理最复杂的一个系统。交流调速直接影响到中央空调乃至整个楼宇自控系统的节能。文中提出通过延长死区时间提高电流反馈型补偿方式中的检测精度, 以改善电压型PWM 逆变器输出电流质量, 从而达到提高中央空调及整个楼宇自控系统的节能效率的目的, 这对于变频调速方面的理论研究乃至楼宇自动化产业发展都有很好的帮助和借鉴作用。