Оптимизация управления и структуры систем вентиляции

В настоящее время рынок вентиляционного оборудования делится на два основных сегмента. Первый — центральные системы вентиляции и кондиционирования и соответствующие комплексы систем автоматического управления с возможностью центральной диспетчеризации объектов. Второй — модульные системы, собираемые из отдельных компонентов, в зависимости от конкретной задачи, а также функционально законченные приточные установки. В настоящее время именно этот сегмент наиболее востребован потребителем и поэтому активно развивается.

Типовая вентиляционная система
Рис. 1
М1 - привод воздушной заслонки
Ф - воздушный фильтр
ЭК - электрокалорифер
М2 - вентилятор
ДТК - канальный датчик температуры воздуха

Приборы автоматики для модульных систем значительно проще и дешевле, чем для ЦСК, как в производстве, так и в эксплуатации. При использовании в модульных системах вентиляции электрического калорифера могут применяться два регулятора — температуры воздуха и скорости вентилятора. А в случае применения водяного калорифера могут использоваться простейшие контроллеры.

С развитием рынка требования к потребительским свойствам систем управления возрастают. В последнее время заметен определенный интерес к универсальным многофункциональным контроллерам, которые позволяют с помощью одного прибора управлять всеми параметрами и режимами вентиляционной системы.

Рассмотрим типовую вентиляционную систему (рис. 1) и определим оптимальные требования к контроллеру.

Для оптимальной работы всей системы контроллер должен, во-первых, поддерживать заданную температуру в вентиляционном канале и управлять оборотами приточного вентилятора. Во-вторых, он должен автоматически включать вентилятор при включении электрокалорифера и выдавать сигнал управления на открытие/закрытие воздушной заслонки при включении/выключении вентилятора. Также контроллер должен обеспечивать блокировку включения вентилятора и электрокалорифера при их перегреве или по внешним аварийным сигналам.

Структурная схема контроллера
Рис. 2
СВ — канал управления вентилятором
КВ — силовой ключ управления однофазным вентилятором
С1...С3 — каналы управления нагревателем
К1, К2 — силовые электронные ключи
К3 — электромагнитное реле дополнительной секции нагревателя
Стрелками условно показаны входы для подключения канального датчика температуры, аварийной сигнализации и пульта дистанционного управления

Рассмотрим оптимальный алгоритм управления приточной вентиляционной установкой на примере универсального микропроцессорного контроллера РВТМ230 производства завода «НЭПТ». Он выполнен в виде моноблока, в котором микропроцессорный блок совмещен с симисторными силовыми модулями управления электрокалорифером и однофазным вентилятором, что значительно упрощает монтаж. Контроллер имеет жидкокристаллический дисплей, отображающий режимы работы и информацию о текущем состоянии системы вентиляции, а также панель управления. Структурная схема контроллера показана на рис. 2.

Для простых регуляторов оборотов однофазных вентиляторов наибольшую опасность представляют пусковые токи. В целях их минимизации необходимо обеспечить плавный пуск, что возможно только при организации управления с помощью микропроцессора.

Первой особенностью алгоритма работы контроллера РВТМ230 является режим «мягкого» пуска системы вентиляции. Выход на температурный режим происходит при низких оборотах вентилятора (25%), что сокращает время выхода на режим, уменьшает заброс холодного воздуха и минимизирует пусковые токи.

рис.  3
Рис. 3
К1...К3 — силовые элементы управления
С1...С3 — управляющие сигналы
Т1...Т3 — группы ТЭНов Iн=I1+I2+I3 — общий ток нагрузки
Uп — напряжение питания

Вторая особенность — возможность автоматически снижать обороты вентилятора при недостаточной мощности электронагревателя и большом перепаде температур на входе и выходе, чтобы не «захолодить» помещение. Если нагреть воздух в канале вентиляции до заданной температуры на минимальных оборотах (20%) не удается, контроллер автоматически выключает всю систему. Для сохранения данного алгоритма при использовании трехфазного вентилятора и частотного преобразователя (инвертора) имеется дополнительный выход управляющего напряжения 0...10В.

Как правило, электрокалорифер имеет несколько тепловых нагревательных элементов (ТЭН), что позволяет разделить его на секции и, тем самым, снизить общий коммутируемый ток нагрузки. Рассмотрим способы управления электрокалориферами различных типов.

Cхема подключения двухсекционного нагревателя с  использованием фаз L1  и  L2
Рис. 4

При небольшой разнице температур на входе и выходе, что обычно бывает в межсезонье, нет необходимости одновременно включать все ТЭНы. Температура воздуха в канале вентиляции пропорциональна мощности нагревателя, времени включения ТЭНов, перепаду температуры вход/выход, производительности вентилятора и конструктивным характеристикам электрокалорифера.

Q=Рт·n ·tвкл·∆T·k, где
Рт — мощность ТЭНа нагревателя. Рн=Iн.Uп, Iн=I1+I2+I3 (I1...I3 — ток каждой группы ТЭНов);
Tвкл — время включения нагревателя при заданном периоде регулирования;
∆T — перепад температуры вход/выход;
n — количество включенных ТЭНов
k — коэффициент пропорциональности, учитывающий теплопередачу ТЭН→воздух при заданной производительности вентилятора.

Следовательно, при уменьшении количества работающих ТЭНов необходимо пропорционально увеличить время включенного состояния. При этом также пропорционально снижается коммутируемый ток и повышается срок службы силовых элементов системы и ТЭНов.

Для реализации данного метода необходимо использовать контроллер, который имеет два или три последовательных канала управления силовыми ключами с соответствующим программным обеспечением.

Контроллер РВТМ230 имеет три канала управления — два из них (С1, С2) предназначены для последовательного регулирования температуры, а третий канал (С3) — релейного типа (электромеханическое реле с нормально разомкнутыми контактами), — подключает дополнительную секцию нагревателя (с помощью внешнего силового реле) при низкой внешней температуре. Два независимых симисторных силовых ключа могут управляться как от одного, так и от разных каналов. Для снижения помех в момент включения нагрузки предусмотрена коммутация при нулевом значении напряжения и тока в нагрузке.

Частный случай подключения трехсекционного двухфазного нагревателя
Рис. 5

Рассмотрим способы подключения разных типов нагрузки к контроллеру.

Однофазные нагреватели, в зависимости от конструкции, имеет смысл разделить на секции в соотношении по мощности 1:1 или 1:1:1 (см. рис. 3).

Каждая группа ТЭНов подключена к своему каналу. При небольшой ∆T работает канал К1, и перепад тока в силовой линии составляет I1. При увеличении перепада температуры и выходе канала К1 на максимум, включается канал К2. В силовой линии в это время постоянно течет ток I1, а перепад тока равен I2. При выходе системы на максимум релейно подключается канал К3, а канал К2 отключается, что снижает среднюю потребляемую мощность при обеспечении заданной температуры в вентиляционном канале. При снижении ∆T последовательно отключаются каналы в обратном порядке. В случае подключения двухсекционного нагревателя — для снижения затрат на внешнее силовое реле — используются каналы К1 и К2.

Работа контроллера с двухфазной нагрузкой аналогична работе с однофазной, что видно из рис. 4 а,б.

Стандартная схема соединения трехфазных нагревателей
Рис. 6

На рис. 4а представлена схема подключения двухсекционного нагревателя с использованием фаз L1 и L2. Следует обратить внимание на то, что если две другие пары фаз не загружены соизмеримой нагрузкой, то может возникнуть «перекос». Более предпочтителен вариант подключения, показанный на рис. 4б.

На рис. 5 показан частный случай подключения трехсекционного двухфазного нагревателя. Фактически это подключение трехфазной нагрузки «треугольником» с использованием нагревателей с рабочим напряжением 380В переменного тока.

При данном подключении максимально используются возможности контроллера и не возникает «перекоса» фаз.

Трехфазные нагреватели обычно соединяются по стандартной схеме, приведенной на рис. 6.

Схема подключения трехфазного нагревателя
Рис. 7

В этом случае оба силовых ключа фаз L1, L2 управляются синхронно от одного канала. Контроллер РВТМ230 позволяет управлять трехфазным нагревателем с помощью встроенных силовых ключей К1 от первого канала С1, а каналы С2 и С3 использовать для управления двумя дополнительными секциями нагревателей для повышения общей мощности электрокалорифера. Следует иметь ввиду, что канал С2 предназначен для управления внешним силовым блоком или твердотельным реле (К2), а при использовании канала С3 необходим внешний контактор К3. Надо также учитывать, что для правильной работы контроллера в режиме регулирования температуры, дополнительная секция, подключаемая к каналу С3 (К3), по мощности не должна быть больше суммарной мощности двух секций, подключенных к каналам С1 и С2.

Имея два последовательных канала регулирования, можно подключить трехфазный нагреватель таким образом, что он превратится в двухсекционный. Схема подключения показана на рис. 7.

Получается две секции с соотношением мощностей 1:1, и уже нет необходимости вносить какие-либо изменения в стандартную схему электрокалорифера.

Михаил Герасимов, начальник отдела автоматики завода «НЭПТ»