（电机与电器专业论文）风机的恒风量控制系统.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e l e v a n t t e c h n o l o g i e s ，p e o p l em a k et h e i rc h o i c e st o c o m f o r t a b l ea i rc o n d i t i o ns y s t e m st oi n s t e a dt h et r a d i t i o n a lv e n t i l a t i o n e q u i p m e n t c o n s t a n ta i r - f l o wc o n t r o li san e wm e t h o d ，w h e nt h ep i p er e s i s t a n c eh a sc h a n g e d ，t h i s m e t h o dc o n t r o l st h er o t a t es p e e dt om a k et h ed e f f e r e n ta i r - f l o wc o n s t a n t n e wt y p e a i r - c o n d i t i o ns y s t e mw i t ht h i sm e t h o di sf a s td e v e l o p i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c e so fm o t o ra n dp i p es y s t e m f i r s t ，t h e nc o m b i n e sb e m o u l ie q u a t i o nt of i n dt h ep o i n to fs t a b i l i z e dw o r k i n go fm o t o r t h e ni n t r o d u c ean e wm e t h o do fc o n s t a n ta i r - f l o wc o n t r o lf r o mp r e s e n t i n gt h ep i p e r e s i s t a n c e ，w h i c hi n c l u d e sa l o n gr e s i s t a n c ea n dl o c a lr e s i s t a n c e n e x tw ed e s i g na n d e x p e r i m e n tam o t o rc o n t r o ls y s t e mu s i n gt h en e wm e t h o do fc o n s t a n ta i r - f l o w , w h i c h u s e sm c 6 8 h c 9 0 8 m r 8t h a tf r e e s c a l ec o r p o r a t i o nd e s i g n sf o rm o t o rc o n t r o l ，w h i c hh a s ap o w e rf a c t o rc o r r e c t i n g ( p f c ) m o d e l t h er e s u l to ft h es y s t e me x p e r i m e n ts h o w st h e s y s t e mi sc o r r e c t ，a n dm a k e st h ec o n s t a n ta i r - f l o w a tl a s t u s ev b6 0t op r o g r a m m e t h er u n n i n gs o f t w a r et oa c h i e v el o n g d i s t a n c ec o n t r o lw i t hm o d b u sp r o t o c 0 1 k e y w o r d s a i r - c o n d i t i o ns y s t e ma i r - b l o w e rc o n s t a n ta i rf l o wc o n t r o lm o d b u s 浙江大学硕l 学位论文 第一章绪论 随着社会的发展，人们对生产和生活的环境有了更高的要求，舒适的空调系 统成为人们的首选。建筑物是人们生活与工作的场所，现在人们大约有五分之四 的时间是在建筑物中度过的。随着社会的发展，人们已经逐渐认识到建筑环境对 人类的寿命、工作效率、产品质量都起着极为重要的作用。因此现代建筑不应仅 具有挡风遮雨的功能，而且还应该提供一个温、湿度宜人、空气清新、光照柔和、 宁静舒适的环境。随着科学技术的进一步发展，人们在生产和科学实验时，对环 境也提出了更为苛刻的条件。人们的这些要求导致了空气调节技术的产生与发 展。恒风量控制是一种在通风空调系统管网阻力变化的情况下，控制风机转速以 维持恒定的风量输出的控制方法。运用此技术的空调系统是智能化空调系统的代 表，极具研究意义。 1 1 变风量式空调系统简介 空气调节是使房问或封闭空问的空气温度、湿度、洁净度和气体流速等参数 达到给定要求，并提供足够量的新鲜空气的技术。空气调节简称空调。空调可以 对建筑物的热湿环境、空气品质进行全面控制，以保证生产工艺和科学实验过程 或人们对温度的舒适度需要。空调系统一般由空气处理设备、冷热介质输配系统 ( 包括风机、水泵、风道、风口与水管等) 和空调术端装置组成。 变风量式空调系统可根据室内负荷变化自动调节送风量，是一种先进的空调 系统，本文研究的恒风量控制空调系统就属于变风量式空调系统。如果室内负荷 下降，该系统在减少送风量、满足舒适需要的同时，还具有非常显著的节能效果。 变风量式空调系统的工作原理是利用改变室内的送风量来实现对室内温度 调节的全空气空调系统。该系统的主要优点是：由于风量随负荷的变化而变化， 因而节省系统耗能，运行经济：可以对同一建筑物的不同房间进行温度的自动控 制。系统的主要缺点是：室内相对湿度控制质量差；风量减小时，会影响室内气 流分布；变风量末端装置价格高；控制系统较复杂，设备仞投资较高。 图l 一1 所示是典型的变风量单风道空调系统。送入每个区或房间的送风量 由变风量末端机组控制。每个变风量未端机组可带若干个风口( 如图中1 ，2 风 浙江大学硕f 学位论文 口) 。当室内负荷变化时，则由变风量末端机组根据室内温度调节送风量，以维 持室内温度。 当房间负荷变得很小时，就有可能使送风量过小，导致室内得不到足够量的 新风或室内气流分配不均匀，最终使室内温度不均匀，影响人体舒适感。因此变 风量末端机组都有定位装置，当送风量减小到一定值时就不再减j , d 1 1 【5 l 。 图i i 变风苗单风道空调系统 a h 一空气处理机组v u 一变风量术端机组r f 一回风机s f 一送风机 1 一送风口2 一回风口 1 2 恒风量控制技术的现状与发展趋势 1 9 世纪后半叶，欧、美等发达国家纺织工业迅速发展，生产过程对室内空 气温湿度和洁净度等提出了较严格的要求，暖通空调技术得到广泛的应用。2 0 世纪2 0 年代，伴随压缩机制冷机的快速发展，暖通空调技术丌始大量应用于以 保证室内环境舒适为目的的公共建筑环境控制中。自2 0 世纪8 0 年代以来，计算 机与其他高新技术加速应用，促进了空调技术的发展。智能化空调系统逐渐走近 人们的视线1 2 0 1 。 1 2 i 恒风量控制技术的现状 目前，国内外的风机恒风量控制技术主要分为两种 ( 1 ) 基于使用静压传感器或相关设备的恒风量控制 浙江人学硕 ：学位论空 若在通风机管网内安装静压传感器，实时监控管网内的静压变化，根据管网 内静压变化，调节风机的转速，运用经典控制理论中的p i d 控制可以很好的达到 恒风量控制的效果。 在这种控制方法中，静压印。由静压传感器实时监控，并传给控制器计算 出在当时风机转速 时的系统动压锄，然后可计算出转速”时的风机的气流量 q ，由于风机叶片在设计生产以后其结构形状不变，在不同转速运行下，离心式 和轴流式风机的速度三角形的形状不发生较大变化，可以近似认为不同速度下的 速度三角形相似，风机的总机械能卸即风机的总压头可由风机的转速胛决定。 若空调系统管网发生变化，影响到管网静压的变化，可以很快的从其静压传感器 中测得，并实时调整风机的转速，克服管网的静压变化，达到恒风量控制目的。 但在一些中小型的管网中和一些特殊场合，不便安装静压传感器，而且静压 传感器的价格很高，不利于节约成本。和安装静压传感器类似，有一种方法在圆 形管网内安装一个阀门和弹簧，当静压改变时，通过静压作用在受压平面上压强 的大小，引起弹簧的伸缩，使得连接弹簧的阀门开通，关断，最后达到调节流过 阀门的气体流量的大小。该方法精确度有限，只能在流量要求不高的条件下使用， 而且弹簧的使用寿命也制约了通风机整体的使用寿命。 ( 2 ) 基于速度传感器和实验参数的恒风量控制 这罩介绍了一种不需要静压传感器就能控制风机气体流量的方法。该方法是 先通过实验手段，计算出在不同静压下流过风机的气体流量与风机速度的关系， 然后绘制成一组流量与速度的曲线通过观察发现此时这组曲线具有良好的线性 关系，可以通过几组特殊的流量速度曲线计算出其他各种流量时的曲线，然后把 这些数掘储存在存储芯片中，在控制中使用。 整个方法的框图如图1 2 所示，首先输入气体流量的设定值q ，选择任一 速度k 运行风机，稳定运行后，采样此时的风机线电压反馈，根据电压反馈值和 流量设定值q ，查表出现在的流量和速度的比例常数k ，计算应该达到的速度 k = q ，k ，通过速度控制，达到此时的速度稳定点，再根据电压反馈值测出 浙江人学硕l ：学位论文 下一个比例常数，计算应达到的下一个速度，这样循环直到达到系统的要求。 图1 2 基于速度传感器和实验参数的恒风鼋控制系统的结构框图 表1 1 中所示为系统运行的参数，u 电压反馈的标么值，k 常量， v 电机的转速，前三次调整使风机流量达到1 2 0 0 立方英尺分( c f m ) ，后系 统关闭一个阀门，控制器此时限定风机速度为6 0 5 ( r p m ) ，电压上升，得到新 的速度设定值，控制器再次调整风机速度，最后达到恒风量控制。 表1 1 基于速度传感器和实验参数的恒风革控制系统的参数表 uk v ( r p m ) 1o 1 9 32 o o4 0 0 20 2 6 5 1 9 7 5 5 0 0 30 _ 3 5 21 9 8 46 0 5 40 3 9 71 5 0 7 0 0 在这种方法下，通风机的风机使用的是异步电机，可以很简单的采样到电机 的定子线电压，而电机输出功率的大小，反映了风机管网内消耗在各种阻力上的 损耗变化情况，这些损耗和风机管网内的静压变化是一致的。使用这种方法通风 机系统不需要安装昂贵的静压传感器，节约了成本，节省了空问i h 。 浙江人学硕1 1 学位论文 1 2 2 恒风量控制技术的发展趋势 恒风量控制技术的发展主要受到系统管网阻力难于计算的影响。随着现代高 性能c p u 技术的发展，流体力学中对气流模型的仿真计算得到了飞速进步，通 过测量具体系统的参数，可以在高性能的计算机中仿真出气流的运动状况，使得 管网阻力系数的计算更加简便。恒风量控制技术将随着这些阻力系数计算的解决 得到更好更快的发展。 而随着计算机与其他高新技术的加速应用，恒风量空调系统也将向网络化方 面发展。现在建筑物自动化系统( b a s ) 的发展方向是，发展网上工具，从而实 现b a s 和普通建筑物商业应用软件之间的信息共享。网上控制系统( w e b a c c e s s i b l ec o n t r o ls y s t e m s ，w a c s ) 提供建筑物自动控制系统的全部权限，通过普 通浏览器就可以获得，控制和监控的电脑不需要配授权的软件。计算机控制台将 取代自动调温器用以控制室内环境，通过这些技术的发展，智能化空调技术将实 现无人监控，远距离遥控的新局面。 1 3 本文的主要工作 本文对恒风量空调系统的发展和现状作了简要的综述，然后对风机和管网系 统的特点、性能作了介绍，并提出了一种新的恒风量控制方法。结合这个新方法 设计了一套软硬件设备，并进行了实验，验证了新方法的正确性。 本文的主要工作有： 1 介绍了恒风量空调系统的发展和现状 2 介绍了风机和管网系统的特性 3 提出了一种新的恒风量控制方法 4 设计了应用新方法的软硬件电路 5 设计了应用m o d b u s 通讯协议的远程控制软件 浙江大学硕l ：学位论文 第二章空调系统中的风机与管网特性 在空气调节系统中，气体都是通过风机来实现输送的，系统的管网则是气体 流向各个独立空间的输送轨道。从能量的观点看，风机把外部输入的机械能，传 递给气体，转化为气体的压力能，以克服气体在系统管网中的各种损失，满足气 体所需的足够动能。 2 1 风机叶栅简介 风机按工作原理可分为叶片式风机和容积式风机。容积式风机利用风机内的 容积变化来对气体做功。叶片式风机则是通过与轴一起旋转的转子上的叶片来对 气体做功。在这里我们主要讨论叶片式风机在空调系统中的作用。 2 1 1 平面叶栅的几何参数和气流参数 在通风机的叶轮上截取一个半径为r 的圆环，可以得到由形状相同的叶片切 面所组成、彼此以相同距离沿圆周排成的一个环形表面，称为环形叶栅。将环形 叶栅展开到平面上所得到的为平面直列叶栅。 翼型是沿主气流的流动方向上叶片横截面的几何形状。在轴流通风机中，叶 片的翼型有机翼型及圆弧板翼型等。常见的机翼型叶片可分为两种：翼型下表面 是平的或接近于平的；翼型中线是弧形的。 翼弦连接翼型中线两端点的直线称为翼弦，也叫作翼型内弦：翼弦的前、 后端点分别为翼型的前缘点和后缘点。通过翼型的后端点与翼型下表面相切的切 线称为翼型外弦。 翼型中线翼型轮廓线的各内切圆的中心连线，称为翼型中线。在通风机 中，翼型中线可以是单圆弧、双圆弧或近似的抛物线，不过通常多采用单圆弧作 为翼型中线。如下图所示。 b 弦长，翼弦的长度，图中od 线； 口叶片安装角，为翼型外弦与叶栅额线问的央角； 咿翼型安装角，为翼型与叶栅额线问的夹角； 6 浙江大学硕 学位论文 a a 线叶栅前额线，叶栅中各翼型前缘点的连线； b b 线叶栅后额线，叶栅中各翼型后缘点的连线； 图2 1 叶棚几何参数和气流参数 c c 线叶栅轴线，与叶栅额线垂直的直线： ，栅距，平面直列叶栅中相邻两翼型上对应点间的距离； 届。翼型进口几何角，为通过翼型前缘点向翼型中线所做切线与前额线 问的央角： 屐。翼型出口几何角，为通过翼型后缘点向翼型中线所做切线与后额线 日j 的夹角； 气流进口相对速度，即叶栅进v j 前未受叶栅干扰时的气流相对速度； w 气流出口相对速度，即叶栅出v j 外不受叶栅影响时的气流相对速度； 浙江大学硕j 二学位论文 w 胛平均相对速度矢量，= ( w l + w ：) 2 屈进口气流角，为气流进口相对速度与叶栅额线间的夹角 屈出口气流角，为气流出口相对速度与叶栅额线间的夹角 尾平均相对速度矢量与叶栅额线问的夹角； 口冲角，为平均相对速度矢量与翼弦问的夹角。 风机的平面直列叶栅是分析气体流过风机叶轮的理想模型，在流体力学当中 许多研究都是在此模型基础上展开的。本文介绍的恒风量控制方法也要涉及风机 的转速和通过风机的气流量之间的关系。 2 1 2 气流经过叶栅的流动 气流经过无限长的平面直列叶栅时，在它流过一个叶片的同时还要受到相邻 其他叶片的影响，使得流过叶片后的气流速度和大小与孤立叶片时的情况不同。 在通风与空调系统中使用最多的风机是离心式风机和轴流式风机，下面我们分别 对离心式和轴流式风机来分析气流经过它们的平面直列叶栅时的流动情况。 在叶栅的前面和后面，分别取断面1 和2 ，如下图所示： 图2 2 气流经过平面直# d n l 棚的速度二角形 在断面】处，气流以相对速度彬流向平面直列叶栅。在断面2 处，气流以 相对速度流出。叶栅以速度“向右面移动，“= ”= ”：。c l 、c 2 分别为气流进、 出口的速度。 8 浙江人学硕i 学位论文 ( 1 ) 离心式风机的性能 在离心式风机中，气体在几乎与转动轴线垂直的流面上流过叶轮。离心式风 机主要是利用转动离心力来产生压强升，提供给气体足够的压强升，使得气体在 垂直与风机轴线的方向上运动。这种风机的使用流量相对较小，通常用于高压强 升和小流量的情况。 理想状况下离心式风机的压头与速度的关系可表示为： p = p c u 2 c 2 。一“1 c l 。)( 2 _ 1 ) p 气流经过风机的压强升；( p a ) p 气体的密度；( 堙m 3 ) c l 气体进入离心式风机的速度；( m s ) “半径r i 处的切向速度；( m s ) 彤蜀处的相对速度；( m s ) 图2 3 离心式通风机的进山口速度二角形 g 。g 的切向分速度；( m s ) c i g 的法向分速度；( m s ) “：半径恐处的切向速度；( m s ) r 处的相对速度；( m s ) 9 浙江大学硕i ：学位论文 c 2 。c 2 的切向分速度；( m s ) c 2 。c 2 的法向分速度。( m s ) c 1 ，嘶构成离心式风机的进口速度三角形a 同理c 2 ，u 2 ，构成离心 式风机的出口速度三角形。 离心式风机的流量q ( m s ) q = 石( 一砰) c 2 ， ( 2 2 ) 在离心式通风机的进出口速度三角形中，半径r 、足处的切向速度、“：都 与此时的风机速度1 1 ( r p m ) 有关。 = 2 7 r n r l 6 0 ( 2 3 ) u 2 = 2 x n r 2 6 0 ( 2 4 ： ( 2 ) 轴流式风机的性能 在轴流式风机中，气体基本上沿着以转动轴线为中心的圆柱面或圆锥面流 动。在同一半径的圆周面上，气体的进i s l 与出口速度基本相同。该风机叶片的根 部圆周速度小，产生的压强升较小，通常用于低压强升大流量的场合。 理想情况下轴流式风机的理论全压升为： p = ( c 2 。一c j 。) = p u a e ( 卜5 ) 幽2 4 轴流式风机的速度二角形 浙江大学硕i 。学位论文 彤气流进口相对速度；( m s ) 气流出口相对速度；( m s ) 平均相对速度矢量；( m l s ) 图2 4 所示为轴流式风机的速度三角形，其中的参数与图2 1 中说明的 一样。与离心式通风机类似，c j ，彤构成进口速度三角形，g ，“：，构 成出口速度三角形，由于轴流式通风机的气流流向是沿着转动轴线方向前进的， 在半径r 处的截面上，进1 3 和出口的切向速度相等，即： u l = “2 = ( 2 1 ) 根据轴流式通风机的速度三角形有：q 。= c ic o s c t l ，c 2 。= c 2 c o s 盯2 ， c l ：= c is i n t z j ，c 2 ：= c 2s i n a 2 。 轴流式通风机中气流延轴向流动的分速度c ，为： c l ：= c 2 ：= e ( 2 7 ) 轴流式通风机的流量q ( m 3 s ) 9 = 三( d 2 一d 2 ) e ( 2 - 8 ) 式中d 通风机的外轮直径；( m ) d 通风机的整流罩直径。( m ) 离心式和轴流式通风机在空调系统中提供能量给系统中流过的气流，使气流 产生足够的压头，而气流的压头又影响到流过系统的气体流量1 2 1 1 ”埘l 。 2 2 通风空调系统的管网介绍 在通风和空气调节系统中，气体的输送都是通过管网来完成的。气流在管网 中通过时会造成各种损失。特别的在管网中会有过滤器存在，也会带来损失，且 过滤器随着过滤气流时h j 的增加，其阻力也在不断增加。各种阻力的变化会造成 气流在管网中流动得不到足够多的压头，达不到系统所需要的气体流量，对空调 房日j 的舒适度带来影响。 浙江人学硕 学位论文 2 2 1 风管的阻力计算 风管内空气流动的阻力可以分为两种，一种是由于空气本身的粘滞性以及与 管壁问的摩擦而产生的沿程能量损失，称为沿程阻力或摩擦阻力；另一种是空气 流过局部构件或设备时由于流速的大小和方向变化造成气流质点的紊乱和碰撞， 由此产生涡流而造成比较集中的能量损失，称为局部损失。这就是气流在管网流 动时遇到的最主要的两种阻力。 ( 1 ) 沿程阻力( 摩擦阻力) 根据流体力学原理，空气在管道内流动时沿程阻力可按下式计算。 蛾= 告譬， c z 呻， 式中瓴空气在管内流动的沿程阻力：( p a ) 丑摩擦阻力系数； p 空气密度；( 堙m 3 ) v 管内空气平均流速；( 棚s ) 卜一计算管段长度；( n q ) d 风管直径。( m ) 圆形风管单位长度的沿程阻力( 也称比摩阻) 为 = 去譬( 2 - - 1 0 ) 摩擦阻力系数五与空气在风管内的流动状态和风管管壁的粗糙度有关。在空 调系统中，风管中空气的流动状态大多属于湍流光滑区到耔l 糙区之问的过渡区， 因此摩擦阻力系数可按下式计算。 万1 - - z - 嘉+ 丽2 5 1 ) ( 2 - - 1 1 ) 式中 r 雷诺数； k 风管内壁粗糙度。( m m ) 粗糙度对摩擦阻力的影响 摩擦阻力系数不仅与雷诺数有关，还与管壁丰f 糙度有关。耔 糙度增大时，摩 浙江人学硕l ：学位论文 擦阻力也增大。在空调工程中使用各种材料制作风管，这些材料的粗糙度见下表 2 1 。 管壁的粗糙度不同时，可用粗糙度修正系数k ，修正。 以= ( 肼) 0 2 5( 2 一1 2 ) 式中k 管壁实际租糙度( m m ) ，见表2 1 ； v 风管内空气的平均流速。( m s ) 表2 1 各种材料所作风管的粗糙度 风管材料粗糙度( m m ) 薄钢板或镀锌钢板 0 1 5 0 1 8 塑料板 0 0 1 o 0 5 矿渣石膏板 1 o 矿渣混凝土板 1 5 胶合板 1 0 砖砌体 3 6 混凝土 l 3 木板 0 - 2 1 o 空气温度对摩擦阻力的影响 当风管内空气温度与计算时所用的空气温度不同时，空气密度、运动粘度和 单位长度摩擦阻力都会发生变化。这时可用温度修正系数墨进行修正。 k = ( 焉厂c 一， 式中卜一实际的空气温度。( ) 大气压力对摩擦阻力的影响 大气压力的修正系数为 k b = ( b 1 0 1 3 ) ” ( 2 1 4 ) 式中b 实际的大气压力。( k p a ) 浙江人学硕i ：e p 位论文 修正后的实际比摩阻心应为 疋= k ，k ，k 。如 式中 心计算表查得的比摩阻。( p a l m ) ( 2 ) 局部阻力 当空气流过风管的配件、部件和空气处理设备时都会产生局部阻力。局部阻 力可按下式计算。 z ：f 竽( 卜1 6 )， 式中z 局部阻力：( p a ) f 局部阻力系数。各种配和部件的f 值大部分都需要通过实验测 定来获取。 风管内空气流动阻力等于摩擦阻力和局部阻力之和，即 a p = ( 蛾+ z ) = ( 如上+ z ) ( 2 - 1 7 ) 风机管网内的阻力计算是实现恒风量控制的最大障碍，沿程阻力和局部阻力 的计算都需要大量的实验数据来测定各个阻力系数。 2 2 2 空气净化处理设备 在空调系统的管网中，空气净化处理设备是不可缺少的。在空调系统中，一 般使用过滤器进行空气净化。 ( 1 ) 空气过滤器的性能 过滤效率和穿透率 过滤效率指在额定j x l 量下，经过滤器捕集的尘粒量与过滤前空气含量的比 值。 玎= 盟1 0 0 = ( 1 - p 2 ) x 1 0 0 ：( 卜p ) x 1 0 0 ( 卜1 8 ) ，：鱼1 0 0 一 浙江人学硕l 学位论文 式中 日，岛分别为过滤前后的含尘质量浓度 p 过滤器的穿透率。过滤后空气的含尘质量浓度与过滤前空气 含尘质量浓度的比值。 过滤器的穿透率p 是其过滤器能力的另一种表示方法，与效率相比，它更强 调过滤后的效果。对于高效过滤器常用穿透率来评价其性能。 过滤器的阻力 过滤器的阻力一般包括滤料阻力和结构( 如框架、分隔片及保护面层等) 阻 力。过滤器的阻力大多是用实验的方法确定，对未沾尘的新纤维材料过滤器，常 用公式表示如下： a p = d r + b v ” ( 2 - 2 0 ) 式中口过滤器的阻力( p a ) ； v 过滤器迎风面的气流速度( m s ) ； 4 、口、m 由实验确定的系数和指数。 当过滤器沾尘后，随着沾尘量的增加阻力办增加。过滤器未沾尘的阻力称 为初阻力，一般用初阻力的2 倍作为终阻力。依此选择风机，以保证系统正常运 行。 过滤器的额定风量 气流流速会影响过滤器的过滤效率和系统的j 下常运行。常由生产厂家根据过 滤器类型和规格，选择适宜的气流速度和过滤面积所确定的过滤风量，称为过滤 器的额定风量。 过滤器的容尘量 在额定风量下，过滤器的阻力达到终阻力时，其所容纳的尘粒总质量称为过 滤器的容尘量。由于滤料性质不同，粒子的组成、粒径、密度、粘滞性及含量的 不同，过滤器的容尘量会有较大的变化范围。 在通风和空气调节系统中，管网的设计和布胃对系统的性能有很大的影响。 系统管网的阻力大小对管网中流过气体的流量起到决定性的作用，而管网中过滤 器的性能对空调系统中的气流质量也起到关键作用”) 4 1 1 5 1 2 0 ”4 1 。 浙江人学硕j 学位论文 2 3 伯努利方程 伯努利通过实验得出：理想流体在做稳定流动时，流速大的地方压强小，流 速小的地方压强大( 但并非反比关系) ，其数学表达式为： j 口+ 21 2 + p g h = 恒量 ( 2 2 1 ) 2 3 1 伯努利方程简介 根据热力学第一定理，可以导出理想不可压缩的重力流体作一维定常流动的 能量方程。对于理想流体，切应力为零，不可压缩的流体密度等于常数，在与外 界无热交换的情况下，流体的温度保持常数，既流动过程中流体的热力学能将不 发生变化，所以有： ! + z + 旦：h( 2 2 2 ) 2 9p g 式中p 静压：( n l m 2 ) p 某一截面上流体的密度：( 船i m 3 ) v 某一截面上流体的平均流速；( m l s ) g 当地重力加速度；( m l s 2 ) z 高度。( 所) 日为常数，这就是伯努利方程，是伯努利在1 7 3 8 年首先推导出来的。该方 程适用于理想不可压缩的重力流体作一维定常流动时的一条流线或者一个微元 流管上。伯努利方程表明，理想不可压缩的重力流体作一维定常流动时，在同一 流线的不同点上或者同一微元流束的不同截面上，单位重量流体的动能、位置势 能和压强势能之和等于常数。这是伯努利方程的物理意义，是能量守恒定律在这 种流动中的具体体现。 6 浙江人学硕l 一学位论文 2 3 2 伯努利方程应用在风机管网中 2 3 4 咿 厂 p、p2 p 3p 4 图2 5 通风机在通风管路上的工作 ( 1 ) 通风机和通风管路的伯努利方程 管道的入口和出口为切面l 和4 ，通风机的入口和出口为切面2 和3 。 1 和2 切面的能量方程为： 且= 见+ 罢v 2 2 + 叫 ( 2 _ 2 3 ) 式中 j 口静压( m 2 ) p 某一截面上流体的密度( 堙h n 3 ) v - - 某一截面上流体的平均流速( m s ) m 由抽风管道或工作面风道阻力引起的压力损失。 切面l 的压力为大气压力见 a = 见 ( 2 2 4 ) 3 和4 切面的能量方程为： 岛+ 詈霄= 胁+ 詈匕2 + z ( 2 - 一2 5 ) 式中h ，由压风管道或通风坑道阻力引起的压力损失。 切面4 的压力为大气压力见 p 4 2p d 浙江人学硕士学位论文 气流在切面2 和3 上的全压之差是由通风机所造成的，通风机的全压， 是出1 2 1 切面3 上的全压与入1 3 切面2 上的全压之差。 耻( ”詈哟一( p 2 + 詈v 2 2 ) ( 2 2 7 ) h = a h l + 峨+ 罢_ 2 ( 2 - - 2 8 ) 式中日通风机产生的全压 上式表明通风机产生的全压主要用于克服管道( 通风网络) 的阻力，另一部 分则维持气流正常流动所需要的速度。 通风机产生的静压 p = 以+ 崛 ( 2 2 9 ) 产生的动压罢v 4 2 通风机的全压由静压和动压组成。 = p + 罢2 ( 2 - 3 0 ) ( 2 ) 通风机的理论压力 在通风机的伯努利方程中，通风机产生的全压是在下列假设的基础上得 到： 通风机工作时没有任何能量损失，即原动机加到通风机轴上的能量全部通 过叶片传给流体。 流经通风机的流体是不可压缩的，即流体的密度认为是不变的，这对水泵 完全适用，若通j x l 机及管路内的气流速度远小于音速( 3 4 0 m s ) 时，也可认为 气流的密度不变。 流过工作轮的流体的流动是稳定流，即流过某定点的流体其物理参数( 如 加速度) 不随时间改变。 流经工作轮的流体在圆柱面上流动，即没有径向流动。 工作轮所产生的理论压力即为通风机所产生的压力。 伯努利方程足人们在分析流体流动时压强和流速关系的主要方法。在恒风量 控制系统中，为了分析风机转速和流量的关系，我们也需要应用到此方程1 3 1 1 ”1 。 浙江大学硕f 。学位论文 2 4 管路特性与风机特性 当通风和空气调节系统安装运行以后，系统正常工作。若系统管网阻力发生 变化，比如管网内有异物或空气过滤器沾尘，则会使管网静压增加，管网内气流 减少，影响系统工况。若风机的转速降低，则管网内气流得不到足够的压强升， 也会影响系统工况。要分析这些问题，则需要进一步认识管路特性和风机特性。 2 4 1 管路特性 由式2 9 和式2 一1 6 知风管的总阻力为： 印= ( 去，+ o 譬 改用风量表示，以圆型风管为例，则有： 印- 【( 告，+ 伽i p 、万4 ) 2 】r 令州( 吾“伽j p 。万4 ) 2 】 则有 印= s e 式中卸管道系统阻力；( p a ) l 风量：( m 3 s ) s 管路阻抗( 妇m 7 ) ，取决于管路的结构特性；与管路系统的沿程阻 力、局部阻力及几何形状有关，在通风空调中可以视作常数。 式2 3 4 称为管道特征方程，可以通过计算得到，也可以通过实测风量和阻 力得到此方程的曲线。由于流体运动的复杂性，只能通过实验或半实验半理论的 方法得出这些阻力系数五和f 的值，使我们在研究恒风量控制时都是通过实验得 出某状态下的系数，再进行恒风量的控制计算。 1 9 ( ( ( ( 一 一 一 一 浙江人学碗f 学位论文 2 4 2 风机特性与工作状态点 风机的特性曲线表示风机的基本工作参数问的关系。当转速一定时根据风机 的运行状况可以得到风机的风量风压特性曲线( l p ) 。如果把管道的特性曲线 与风机的l p 曲线画在同一个坐标下时，则必会相交于d 点，该点即为风机的 工作点。也就是把该风机连接到具有该管网特性的管网上运行时，风机所产生的 风量正好是管网内的流量，此时风机所产生的风压正好克服该流量下管道所产生 的阻力，使得整个空调系统达到稳定。 风机和管网的特性曲线如图2 6 所示。图中点d 为此时空调系统的工作点。 l | 研| 吣 图2 - - 6 风机特性曲线及其i ：作点 2 5 风机的运行调节 在这一节中我们介绍风机的调节运行对系统稳定工作点的影响。 浙江人学硕j ：学位论文 2 5 1 改变管网特性曲线的调节方法 通过改变管网内的阻抗大小可以改变管路的特性。在风机转速一定的情况 下，增大管网内的阻力，比如关小风管上的阀门；在管网上增加过滤器等，相当 于增加了管网内的局部阻力因而使管路阻抗值增加，管路特性曲线变陡，工作点 从原来稳定工作点0 前移到0 点。此时风机的风量减小，风压增加，轴功率减 小，效率也降低了。从图2 7 中可以看到改变管路特性后管道所产生的阻力是 n ，原来的阻力是n ，有 a p = p t 。p 2 这部分阻力的损失是由于关小风口阀门或增加的过滤器阻力所引起的，增加 阻力来减小风量要消耗风机的功率，是不经济的。当在空调系统中装有过滤器时， 随着过滤器逐渐积尘，系统的阻力增加，风量下降，也要消耗功率。 p ( 胸 p 1 p z f 国 幽2 7 改变管路特性时的i 作点变化 2 l 浙江人学硕 ：学位论文 2 5 2 改变风机特性曲线的调节方法 风机和管网的稳定工作点取决于风机和管网双方的性能，而当管网的特性不 变，即管网内的阻力不发生变化时，改变风机的特性也可以改变系统的稳定工作 点。 风机的转速发生变化时，风机的性能参数也随之改变，根据流体力学中的相 似性关系，有如下等式： 厶厶= 慢i n l ( 2 3 6 ) 见p l = ( 慢码) 2 昱4 = ( 玛t o ( 2 3 8 ) 可见用调节风机转速的方法减小风量既可满足要求又可节能。从图2 8 中 可以看到，在管路特性不变的情况下，把转速从飓调节到2 时，风机的工作点从 0 l 变到d 2 ，风量从厶增加到岛，阻力从易增加到p 2 。当把转速从强调节到吩时， 风机的工作点从q 变到q ，风量从厶减小到厶，阻力从a 减小到p ，。 p 尸打) p2 p 1 p 3 ， 工z l 恸 工 幽2 8 改变风机转述时的l ：作点变化 浙江人学硕j ：学位论文 2 6 风机和管网的联合运行 风机在使用中，总是与管网联合工作的。当系统的工作点需要改变时，可以 改变风机的速度或者改变管网的阻力使得系统输出的风量改变，而改变风机的速 度使其满足系统的要求则更加经济实用。图2 9 详细说明了调节风机的速度更 能够满足系统工作点的改变。 理想流体在空调管网中运行的基本方程由2 3 节式2 2 l 得到： p g z + p 。+ p c 2 2 = p ( 2 3 9 ) 式中：p g z 单位质量流体的位置势能； 只压强势能； 以2 2 动能： p 总机械能； p 流过系统管网的气体密度，在流过系统管网的气体速度远 小于音速3 4 0 m s 的情况时，可以认为气体密度p 不变。 管网包括通风管道及其附件，是过滤器、换热器、调节器和调节阀等的总称。 气体在通过通风机时获得全压升印，全压升印可分为动压舰和静压瓴。在 式2 - 3 9 中，可以认为p c 2 2 动能提供给气流的动压锄。脬和见则是气流经 过管网遇到的阻力所消耗的能量。当气体从管网中出来时，静压为零，气体的全 压就等于其动压。 卸= 锄+ 卸肼 ( 2 - 4 0 ) 改变风机的速度，就改变了管网内的气流从风机得到的全压升卸，在管网 阻力不变的情况下，则可以改变气流的动能，进而改变了管网的气流量。 图2 9 是调节风机转速和调节管路特性的对比，从风机原来的风量工减小 到厶。通过调节转速使风机的工作点从d 点调到0 2 点，此时风机的转速从玛下 降到，由式2 3 8 速度与轴功率的关系可知，此时风机消耗的功率下降。若通 渐江人学硕f ：学位论文 过调节阀门的大小，增加管路的局部阻力使风机管路的工作点从d 点调剑d l 点， 此时风机的转速没有发生变化，仍然是喝，风机的轴功率没有发生变化，由于管 路的局部阻力增加，风机产生的风压需要克服更大的阻力，使得气流的动能降低， 风机产生的流量也随着降低，风量从减小到厶，可见调节转速是节能的。 p ( 几) -ll 图2 - - 9 调肖风机转速和调节管路特性的对比 为了增加风量而提高转速时，应注意随叶片圆周速度的提高噪声也可能会增 加，以及叶轮的机械强度能否承受，一般应对风机的最大转速作出限制。此外， 由于功率与转速的立方成j 下比，还应注意提高转速后原有电动机是否可用。随着 变频技术在通风空调中广泛应用，提高转速是一种较好的调节措施。 2 7 一种新的恒风量控制方法 从图2 - - 9 中可以看到，若风机原来运行在稳定工作点d 2 点，风机速度为 浙江人学硕j 二学位论文 啦，后管网阻力增加，为了维持厶的风量值，应该提高风机的速度，使它达到啊， 即改变后的稳定工作点为o i ，只有这样才能维持恒定的风量输出。而如何控制 电机速度，使它达到喝，是本文提出的新方法的核心。 在风机的稳定运行过程中，如果不考虑各种损失，在理想状况下有： q m q 表示流量，”表示风机速度； h o o n 2h 表示压头； p o o n 3 p 表示所需功率，正比于风机速度的三次方。 这是流体力学中的相似性原理，当风机在稳定运行过程中，可以认为：风机 流量正比于风机转速：风机的压头正比于风机转速的平方；功率正比于风机速度 的三次方。 有关系式： 户= k n 3( 2 4 1 ) 式中k 系数。 为了使得控制更为精确，可以使用式( 2 4 2 ) 的多系数关系式进行速度计 算。在空调系统中，考虑流体在系统管网中流动带来的损失时，可以把损失分为 流动损失、泄漏损失、轮阻损失和机械损失等。其中流动损失又可分成沿程损失 和局部损失。其中沿程损失正比于风机速度的平方，其他损失也都与风机的速度 有关，因此在考虑风机实际运行时有： p ：a 月3 + b n 2 + c n + d( 2 叫2 ) 式中a 、b 、c 、d 为系数 通过对风机系统参数的测量，得到一组关于风量、转速、输出功率等的数据， 计算出这些系数，就可以得到功率p 与风机速度”的关系，进而实现恒风量控制 的目标。 本文提出的恒风量控制方法使用以下式： p = k l 行k 2 ( 2 4 3 ) 式中 k 、k ：为系数。 浙大学硕 ：学位论文 当风机运行在某个风量情况下，风机的速度和系统的输出功率近似成式( 2 - - 4 3 ) 关系，可假设此风量下的系数为k 。、k ：。而当风机风量改变系统稳定 后，此时风机的速度和功率还是这样的关系，但此时系数变为k 。、k ：。即每 个指定风量对应一个指定的系数，通过实验的方法得到这些系数，就可以很方便 的实现恒风量控制目的。 对于同一风机的不同风量下运行可以对式2 4 3 简化为： p = k ( 2 4 4 ) 式中k 为该风机的特定系数，在风机不变的情况下，可以认定它不变，而尼则 随着系统输出风量的变化而变化i h i ”1 1 ”1 。 2 8 本章小结 本章主要介绍了空气调节系统中风机和管网的特性。着重对风机叶栅、空气 净化处理设备、伯努利方程在风机管网中的应用等进行了详细介绍。通过对风机 性能和管网阻力的介绍，得出系统正常运行时的工作点，结合风机的运行调节得 出改变风机的转速来调节空调系统是一种节能的方法，最后介绍了一种新的恒风 量控制方法，为下文的软件设计提供了基础。 浙江人学硕 ：学位论文 第三章恒风量控制系统的设计 根据上面章节提到的恒风量控制方法，本章介绍了使用此方法进行控制的以 无刷直流电机为风机的系统的硬件设计和软件设计方案。 3 1 恒风量控制系统简介 根据上文提出的恒风量控制方法，本文设计了一套以单片机为核心控制器， h a l l 信号为位置传感器，并且加入功率因数校正( p f c ) 功能和功率检测处理功 能的控制无刷直流电机的恒风量控制系统。 本系统需要实现的功能和主要技术参数包括：工作电压范围：a c l 2 0 v a c 2 4 0 v ：具有功率因数校正( p f c ) 功能，要求功率因数在o 9 5 以上：恒 风量输出，要求在系统风阻变化的情况下，调节风机转速使得输出风量的变化在 5 以内；低噪声，系统采用正弦波电压控制，单片机输出6 路s p w m 信号 去驱动无刷电机；具有过流、堵转保护等功能。 3 2 硬件电路的设计 该恒风量控制系统的硬件电路主要由接口电路、p f c 功率因数校正电路、以 m c 6 8 h c 9 0 8 m r 8 单片机为核心的控制单元、f j i 级驱动单元、功率驱动单元等部 分组成。其原理框图如图3 - - 1 所示： 从图3 一l 中可以看到，在整个恒风量控制系统中，单片机是整个系统的核 心，在该系统中使用的是f r e e s c a l e 公司出品的控制电机专用的m c 6 8 h c 9 0 8 m r 8 单片机。功率因数校j 下( p f c ) 模块使用的是t l 公司生产的u u c 2 8 0 5 1 芯片。 驱动功率桥使用的是国际整流器公司的i r 2 1 0 3 功率驱动芯片。 浙江人学硕1 一学位论文 图3 一l 系统硬件电路结构框图 3 2 1 接口电路设计 该风机恒风量控制系统用于控制高压无刷直流风机。本系统的接口部分包 括：接收风量信号；接收起动停止信号；输出反映电机转速的速度信号。 接口电路如图3 2 所示： 在接口电路原理图中可见，c p 为电机的h a l l 传感器输出的脉冲讯号，通过 光耦隔离输入进单片机；g o 为起动停止信号：v 为速度反馈信号。由于系统的 上位机采用的信号是+ 2 4 v 供电，为了避免在信号输出为低电平时，使光耦 ( d 5 2 1 ) 处于放大状态，故加入稳压二极管d 8 ( 5 1 v ) ，使得在信号为低电平 时，即使输出为2 3 v ，仍然可以保护光耦不处于放大状态。 接口电路中的输入信号和输出信号一个是低电压弱电流的逻辑信号，另一个 是电压电流相对较高的驱动信号，因此需要在输入的控制信号和 m c 6 8 h c 9 0 8 m r 8 单片机之i 日j 加入光耦隔离器件。本文采用的光耦隔离器件的内 部结构与典型电路连接如图3 3 所示。 浙江人学硕1 j 学位论文 i f 圭 ( a ) 图3 一2 接口电路设计原理图 乜e v o 0 n d l n p u l v i n