一種電磁加熱供暖優化控制方法與流程
2023-11-04 05:19:57 4
本發明涉及一種自動化技術領域的優化控制方法，尤其是涉及一種電磁加熱供暖優化控制方法。
背景技術：
我國大約有60％以上的區域，冬季氣溫在0℃以下。據不完全統計，我國冬季需要進行室內供暖的居民和單位用戶達到數億戶。
傳統的燃煤鍋爐供暖方式在消耗寶貴的煤炭資源的同時，向空氣中排出大量的煙塵，給城市的空氣造成嚴重的汙染。雖然燃油鍋爐相對燃煤鍋爐減少了煙塵排放，但是其煙氣對大氣的汙染同樣存在諸多問題尚未得到解決。同時，燃煤鍋爐結構、管道散熱、傳導熱阻、延期排放等問題都會使得燃燒效率下降和傳輸過程中的熱力損失增加，在這些因素的共同影響下，整個鍋爐的熱效率相當低下(只能達到35％左右)，這是礦石燃料熱值轉換效率的最大缺陷。即使是採用燃油或者重油來替代燃煤，也不能從根本上起到提高能源效率和改善環境的作用。因此有必要尋找清潔能源來替代現有的礦石燃料解決冬季供暖問題，以便消除佔比較大的礦石燃料燃燒所引起的我國北方地區的霧霾現象的汙染源。
儘管燃氣供暖具有一定的技術優勢，即具有清潔、燃燒與傳熱效率高、設備運行穩定、啟動快速等特點。但是，燃氣鍋爐供熱也存在一些缺點，即易燃、易爆，而且有一定的毒性；熱泵啟動以及火焰燃燒時，噪音較大，存在一定汙染問題；燃氣鍋爐供熱，平均單位面積耗氣量偏高，且高低差別很大；最大的問題還在於天然氣價格有上漲趨勢，勢必會增大用戶的經濟負擔。
鑑於我國絕大多數城鎮已經普遍實施分級電價收費辦法，這就為推廣應用電磁加熱取暖提供了社會公益性基礎。電磁加熱供暖同樣也只有在電網谷荷時段才具備經濟優勢。因此，當前在我國的諸多地方開始嘗試採用電磁加熱與燃氣複合供暖技術，以追求技術經濟效益的最大化。
所謂電磁加熱，即採用變頻技術，在頻率為20～25khz的交變磁通作用下，使纏繞於金屬管導體外的導電線圈對導體產生強大的渦流，致使金屬導體被加熱，迅速升溫。電磁加熱具有突出的技術特點是：熱轉換效率可以高達98％，相對燃油、燃氣和其他電供暖設備可節能35％以上。當然，其節能環保與安全可靠，以及維護等諸多方面更比燃氣供暖勝出一籌。
如何確保燃氣與電磁加熱混合供暖的最優經濟效益成為當前急需解決的技術問題。
本發明就是在此技術背景下，提供一種高頻電磁加熱供暖在電網谷荷時段低電價條件下進一步節約電能和降低用戶經濟負擔的優化控制方法。
經文獻檢索發現，嚴志明、黃大坤、張秀彬的「冬季供暖優化設計」(《建築電氣》2014年第9期)較為詳盡地闡述了電磁加熱與燃氣複合供暖的優化設計方法，但是在電磁加熱供暖時間段的控制方法仍然停留於設定目標溫度的穩定調節而未提供優化控制技術以達到進一步節能的效果。
繼續經文獻檢索未發現，與本發明相同或相近的公開發表技術。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種電磁加熱供暖優化控制方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種電磁加熱供暖優化控制方法，包括以下步驟：
步驟一，設置電磁加熱供暖檢控硬體系統，該硬體系統包括電磁加熱器、功率轉換器、交流電源、控制器、工質溫度檢測器、室溫傳感器；
步驟二，優化控制過程，採用室溫反饋與工質溫度反饋的雙閉環控制，並依據室溫與工質溫度的偏差，以及室溫偏離狀態的邏輯判定來確定電磁加熱電源的開通或關閉。
所述的硬體系統具體連接關係如下：
所述的交流電源通過功率轉換器將50hz市電轉換為高頻電磁功率輸出至電磁加熱器，電磁加熱器對流經其間的工質水進行加熱；
所述的室溫傳感器用於傳感被供暖房屋空間的實時溫度，並將室溫傳感信號輸至控制器室溫傳感信號入口；
所述的工質溫度檢測器用於檢測流經電磁加熱器的工質水的實時溫度，並將工質水溫度檢測信號輸至控制器工質水溫度信號入口；
所述的控制器根據接收到的室溫傳感信號和工質水溫度信號，通過電磁加熱供暖優化控制功率轉換器輸出控制指令信號，控制流經電磁加熱器線圈中的高頻交變電流的開通或關閉，使得流經電磁加熱器的工質水得到相應的熱能，並對工質水溫度與房屋室溫隨著發生相應的調節。
所述電磁加熱器，是呈現圓筒狀的金屬管，其外層饒有供高頻交變電流流經的導電線圈。
所述功率轉換器，是將市電50hz交流電源轉換為高頻交變電功率的電力電子逆變電路。具體採用ac/ac轉換電路。所述ac/ac轉換電路，即通過可調脈衝寬度控制信號(pwm)對電力電子轉換主電路實施輸出頻率與電壓的轉換控制，使其50hz市電在pwm控制作用下，從50hz交流電輸入直接轉換為所需的特定頻率和特定功率的輸出。
所述的步驟二具體為：
步驟1.令工質水實時溫度為t1、室溫實時溫度為t2，t1-t2＝δ為兩者之間的溫差；t0為設定室溫；
步驟2.判定δ是否小於ε，如果δ＜ε，則執行步驟3；否則，繼續檢測工質水溫度和室溫，功率轉換器處於關閉狀態，即
p＝0公式一
其中，ε為設定閾值；p為電磁加熱功率變換器的功率輸出；
步驟3.判定t2是否小於或等於t0，如果t2≤t0，則執行步驟4；否則，執行公式一，即功率轉換器持續處於關閉狀態；
步驟4.開通功率轉換器，即
p＝pf公式二
其中，pf為以頻率f輸出的高頻功率；
步驟5.持續檢測工質水溫度和房屋室溫，如果t2＞t0，執行步驟6；否則功率轉換器繼續處於開通狀態，即持續執行公式二；
步驟6.判定ε是否等於δ，如果δ＝ε，則執行公式一，即功率轉換器繼續處於關閉狀態，並返回步驟2；否則維持功率轉換器處於開通狀態，即返回步驟4，持續執行公式二。
對步驟1-6進行周而復始，使功率轉換器始終處於開通與關閉的輪換狀態，因此在確保房屋室溫滿足人們需求而達到舒適的情況下，利用功率轉換器處於關閉狀態來節省電能，起到有效節能的目的。
該方法的節電效果為
其中，tτ＝τ(1)＝τ2-τ1為電源功率轉換器輸出高頻功率的時間段，t0為室溫變化周期，t0＝τ1-τ0，τ0為功率轉換器運行的開始時刻，τ1為功率轉換器運行過程經過關閉後的第一次開啟時刻，τ2為功率轉換器運行過程經過第一次開通時刻τ1後的第一次關閉時刻。
與現有技術相比，本發明利用電網谷荷時段，即夜間22:00至凌晨6:00之間的電網荷谷電價收費時段，採用一種優化控制方法使得電磁加熱供暖電能消耗更為節省，經濟成本也更為低廉；目前絕大多數地區的電網谷荷時段電價僅是峰荷時段電價的一半。因此供暖經濟成本要比燃氣供暖低，加之本發明的優化控制方法使得電磁加熱供暖更加經濟可行，而且收到節能的效果。
附圖說明
圖1為本發明所屬的電磁加熱供暖檢控硬體系統框圖
圖2為功率轉換器電路結構框圖
圖3為本發明電磁加熱供暖優化控制方法控制流程圖
圖4為實施例工質水實時溫度與房間實時室溫及其溫差曲線圖
在圖1中，電磁加熱供暖檢控硬體系統包含：電磁加熱器1、功率轉換器2、50hz交流電源3、電源控制器4、工質水溫度檢測5、室溫傳感6；電磁加熱器1包含：導電線圈11、金屬管12、高頻交變電流13、交變渦流14、工質水15。
在圖2中，功率轉換器2包含：ac/ac轉換主電路21、pwm控制器22、電氣輸出參數檢測器23、pwm信號發生器24、電壓參數反饋信號25、頻率參數反饋信號26、功率轉換器2輸出埠27。所述電氣輸出參數，包含頻率與電壓信息。
在圖4中，t1為工質實時溫度、t2為室溫實時溫度，δ＝t1-t2為兩者之間的溫差；t0為設定室溫；ε為由實驗確定的判定閾值；pf為以頻率f輸出的高頻功率；圍繞ε上下震動的曲線為δ的實驗變化曲線；圍繞t0上下震動的曲線為室溫t2的實驗變化曲線；τ0為電磁加熱供暖檢控硬體系統開機的初始時刻，τi為電磁加熱供暖檢控硬體系統運行過程優化控制方法的邏輯判斷時間節點，也是功率轉換器2開通或者關閉的時間節點，i＝1,2,3.4,5...。
具體實施方式
下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應屬於本發明保護的範圍。
如圖1所示，本實施例電磁加熱供暖檢控硬體系統包括：電磁加熱器1、功率轉換器2、50hz交流電源3、電源控制器4、工質溫度檢測5、室溫傳感6；其中，電磁加熱器1包含：導電線圈11、金屬管12、高頻交變電流13、交變渦流14、工質水15。
所述高頻交變電流13，採用頻率為20khz的高頻交變電流。
所述電磁加熱供暖檢控硬體系統工作原理是：交流電源通過功率轉換器2將市電50hz交流電源3轉換為20khz高頻電磁功率輸出至電磁加熱器1，電磁加熱器1對流經其間的工質水進行加熱。室溫傳感6用於傳感被供暖房屋空間的實時溫度，並將室溫傳感信號輸至電源控制器4室溫傳感信號入口；工質溫度檢測5用於檢測流經電磁加熱器1的工質水的實時溫度，並將工質水溫度檢測信號輸至電源控制器4工質水溫度信號入口。電源控制器4根據接收到的室溫傳感信號和工質水溫度信號，通過電磁加熱供暖優化控制方法控制流經電磁加熱器1導電線圈11中的高頻交變電流13的開通或關閉，使得流經電磁加熱器1的工質水15得到相應的熱能，因此工質水15溫度與房屋室溫隨著發生相應的調節。
所述電磁加熱器1，呈現圓筒狀金屬管12，其外層饒有供高頻交變電流流經的導電線圈11；流經導電線圈11的高頻20khz交變電流13在金屬管12內形成交變渦流14致使工質水15產生熱能。
所述功率轉換器2，是將市電50hz交流電源轉換為20hz高頻交變電功率的電力電子ac/ac變換主電路21。所述ac/ac變換電路21，即通過可調脈衝寬度控制信號(pwm)對電力電子轉換主電路21實施輸出頻率與電壓的轉換控制，使其50hz市電在pwm控制作用下，從50hz交流電輸入直接轉換為所需的特定頻率20hz和特定功率的輸出。
如圖2所示，功率轉換器2的工作過程是：輸出參數檢測器23實時檢測功率轉換器2輸出參數，pwm控制器22根據接收到的電壓參數反饋信號25和頻率參數反饋信號26決策並輸出控制指令，控制pwm信號發生器24的脈衝寬度形成特定脈衝寬度的pwm控制信號，ac/ac轉換主電路21在pwm控制信號作用確定相應的頻率和電壓輸出至輸出埠27。
所述pwm控制器22，即數字程序運算器，如dsp控制模塊。當控制指令改變pwm脈衝寬度，被調節pwm信號的頻率發生相應改變，進而改變ac/ac轉換主電路21的輸出頻率與電壓值，如頻率為20khz、電壓為220v。當pwm控制器22關閉pwm信號發生器24輸出信號時，ac/ac轉換主電路21也被關閉，即輸出功率p為0。
如圖3與圖4所示，電磁加熱供暖優化方法步驟如下：
步驟1.令，工質實時溫度為t1、室溫實時溫度為t2，t1-t2＝δ為兩者之間的溫差；t0為設定室溫。
步驟2.取ε＝30℃，如果δ＜ε，則執行步驟3；否則，繼續檢測工質水溫度和房屋室溫，功率轉換器處於關閉狀態，即
p＝0公式一
步驟3.如果t2≤t0，則執行步驟4；否則，執行(公式一)，即功率轉換器持續處於關閉狀態。
步驟4.開通功率轉換器，即
p＝pf公式二
步驟5.持續檢測工質水溫度和房屋室溫，如果t2＞t0，執行步驟6；否則功率轉換器繼續處於開通狀態，即持續執行(公式二)。
步驟6.如果δ＝ε，則執行(公式一)，即功率轉換器繼續處於關閉狀態，並返回步驟2；否則維持功率轉換器處於開通狀態，即返回步驟4，持續執行(公式二)。
如此，周而復始，使功率轉換器始終處於開通與關閉的輪換狀態，因此在確保房屋室溫滿足人們需求而達到舒適的情況下，利用功率轉換器處於關閉狀態來節省電能，起到有效節能的目的。其節電(節能)效果為
經實測結果證實：在電網谷荷時段，相對於「恆溫控制」或「僅僅根據設定室溫調節」，本發明節電效果達到30％至50％。
所述「恆溫控制」，即以設定工質水14溫度為電磁加熱供暖系統的穩定控制參考溫度值。所述「僅僅根據設定室溫調節」，即以設定室溫為電磁加熱供暖系統的穩定調節參考溫度值。
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。