超导弱温体系制冷压缩变频器的控制

　BEPCII超导腔低温系统工作流程简介超导腔低温系统工作流程如所示。高纯氦气由压缩机吸气口进入压缩机被压缩成高压氦气，经油分离系统（ORS）除油后再进入制冷机冷箱，经过两级透平膨胀降温和节流后在制冷机冷箱出口产生气液两相氦，液氦被储存在2000L杜瓦中并在压差的作用下流入超导腔液氦池，超导腔被液氦完全浸泡后保持在超导状态。超导腔液氦池内饱和氦气经多通道低温传输管线返回制冷机冷箱，经过冷箱多级换热器复温后返回压缩机吸气口。压缩机吸气压力和排气压力的控制主要是由气体调节与管理面板上的4个气动调节阀CV2250B、CV2255B、CV2150B和CV2160B来完成的。

　　BEPCII超导腔低温系统主流程图C2110B.压缩机；BUFFERTANK.130/7.5105Pa缓冲罐，STORAGETANK.130m3/14.3105Pa储气罐；PI2200B.缓冲罐压力；PI2240B.压缩机吸气压力；PI2150B.压缩机排气压力；CV2150B.卸载阀；CV2160B.加载阀；CV2250B.大旁通阀；CV2255B.小旁通阀；ORS.油分离系统；REFRIGERATORCOLDBOX.TCF50S制冷机冷箱；TURBINE.制冷机透平；A3120B.

　　BEPCII制冷机PLC控制特点BEPCII低温系统采用LINDE制冷机，其控制系统采用西门子PCS7过程控制系统，上位机采用WinCC人机界面软件监控制冷机系统的运行情况，现场控制采用西门子S7-400PLC和OP270操作面版。

　　PLC的主要编程语言是CFC（连续功能图）、STL（语句表）和SCL（结构化控制语言），采用一种改进式的PID位置式控制算法。传统的PID控制算法采用矩形积分来近似精确积分得出的PID控制的公式，是最常用的一种PID控制。其第n次采样时控制器的输出公式为：mv（n）=kP{ev（n）+TSTInj=1ev（j）+29}+M式中ev（n）是第n次采样时的误差值，KP为比例系数；TI和TD分别是积分时间常数和微分时间常数，TS是PID控制的采样周期，M是积分部分的初始值。矩形积分近似原理图如。采用矩形积分近似当TS较小时，积分的误差不大。LINDE制冷机系统的控制采用另外一种PID积分近似方法梯形近似，是采用梯形近似的积分面积图形。从图中可以看出，采用梯形近似后的面积与积分面积更接近，误差更小，其计算公式为：mv（n）=kPev（n）+kPTSTI<12ev（1）+n-1j=2ev（j）+12ev（n）>+kPTDTS+M矩形近似积分Fig.2Rectangularintegral梯形近似积分Fig.3Trapeziformintegral在LINDE制冷机系统的控制程序中，采用带死区（DeadB_W）的PI控制方式，即TD=0.在控制系统中，某些执行机构如果频繁动作，会导致小幅振荡，造成严重的机械磨损。从控制要求来说，很多系统又允许被控量在一定范围内存在误差。带死区的PID控制器（）能防止执行机构的频繁动作。当死区非线性环节的输入量（即误差ev（n））的绝对值小于设定值B时，死区非线性的输出量（即PID控制器的输入量）为0，这时PID控制器的输出分量中，比例部分和微分部分为0，积分部分保持不变，因此PID的输出保持不变，PID控制器不起调节作用，系统处于开环状态。当误差的绝对值超过设定值时，开始正常的PID控制。

　　制冷压缩机控制系统分析ESD441SFC压缩机是双螺杆、变频调速压缩机。

　　压缩机控制系统包括西格玛控制（SIGMACON-TROL）和PLC控制。SIGMACONTROL是KAESE压缩机特有的控制器，用来控制压缩机的本地启停、运行状态显示、保护和监测等。压缩机的PLC控制作为制冷机系统控制的一部分，主要用来调节压缩机吸气压力、排气压力和控制变频器，另外一个作用是对压缩机起连锁保护，防止压缩机关机。压缩机的吸气压力、排气压力和变频器控制是相互关联的，吸气压力的变化会引起压缩机转速的变化，转速的变化又会影响压缩机排气压力，但可以把各自分开来实现，如用CV2250B和CV2255B两个调节阀来调节低压侧压力，而不考虑压缩机转速变化对吸气压力的影响，用加载阀CV2160B和卸载阀CV2150B调节PI2150B而不管压缩机转速对排气压力带来的影响。压缩机稳定运行的条件是压缩机吸气压力PI2240B不高于1.4105Pa，不小于0.8105Pa；排气压力PI2150B不大于15105Pa，不小于4.5105Pa，为防止压缩机关机，CV2150B在控制PI2150B的同时还对压缩机吸气压力起连锁保护作用，CV2250B在控制PI2200B的同时对压缩机排气压力起连锁保护作用。

　　压缩机吸气压力控制压缩机吸气口与130m3/7.5105Pa缓冲罐直接连通，通过控制缓冲罐压力PI2200B的稳定来保证压缩机吸气压力PI2240B的稳定。PI2200B由小旁通阀CV2255B和大旁通阀CV2250B共同控制，控制原理如。小旁通阀CV2255B采用DN6/PN25的气动调节阀，阀门的小口径可以保证流经阀门后的氦超导腔低温系统制冷压缩机的控制气不会有大的压力波动，适合做微调旁通阀，大旁通阀CV2250B采用DN25/PN25的气动调节阀。

　　CV2255B对压缩机吸气压力控制（如aPC2240B2）的设定值（PC2240B2_Setpoint）在低温系统运行时可以通过OP270操作面板设定和修改，通常设定值是1.07105Pa.CV2250B对压缩机吸气压力控制（如bPC2240B1）的设定值为：PC2240B1_Setpoint=0.98PC2240B2_Setpoin，t该值不可以直接修改，随PC2240B2_Setpoint的改变而变化。

　　改变PI2200B、PI2150B设定值实验在BEPCII超导腔降温阶段，需要提高制冷机的制冷性能，一种方法是对冷箱一级换热器采用液氮预冷的方式，另一种方法是提高压缩机排气压力的设定值，所示为把PI2200B的设定值PC2240B2_Se-tpoint由1.07105Pa变为1.06105Pa（A点），把PI2150B的设定值PC2150B_Setpoint由12.5105Pa改为13.0105Pa（B点）的压缩机相关变量的运行曲线。

　　结束语（1）建立了深冷处理过程的热力学基本方程，探讨了非线性热传导问题的数值模拟求解方法。（2）基于实验研究探讨了深冷处理数值模拟所需的7A04铝合金材料的物性参数，并运用温度场反算法分别求解了深冷处理时铝合金试件与液氮、QCW-01型热介质之间的传热系数。

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