基于交流斬波控制技術(shù)的水泵調(diào)速探討

門(mén)秀利

摘 要：本文通過(guò)分析交流斬波控制技術(shù)的基本原理，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而滿(mǎn)足水路循環(huán)系統(tǒng)根據(jù)不同環(huán)境、不同條件及不同狀態(tài)下，水泵輸出不同的功率曲線的要求。

關(guān)鍵詞：交流斬波；無(wú)級(jí)調(diào)速；PWM

在工程系統(tǒng)循環(huán)水路中串接水泵作為水流動(dòng)的動(dòng)力源，是目前工程系統(tǒng)較為實(shí)用的一種方法，但由于工程系統(tǒng)工作的復(fù)雜性，其工作環(huán)境、工作條件及工作狀態(tài)是隨著時(shí)間而改變的，如白天的環(huán)境溫度一般會(huì)高于晚上、某時(shí)段的熱水使用頻率及用量要高于其他時(shí)段等，而這些因素的改變往往需要循環(huán)水路水泵運(yùn)行狀態(tài)改變來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，即水泵的功率能隨這些因素的變化而變化，另外，水泵的功率與轉(zhuǎn)速存在一定的正比關(guān)系，所以只要能實(shí)現(xiàn)水泵隨運(yùn)行因素的變化而變化就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

由上述問(wèn)題分析可知，一般的定速水泵是不利于系統(tǒng)的節(jié)能的，只有實(shí)現(xiàn)水泵的速度可調(diào)節(jié)才可達(dá)到節(jié)能的效果，變頻水泵就是節(jié)能水泵的佼佼者，但由于其價(jià)格一般要比定速水泵高出許多，因此在中國(guó)一般的工程系統(tǒng)研發(fā)中不被采用。本文是通過(guò)目前較為成熟的交流斬波控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)普通定速水泵無(wú)級(jí)調(diào)速的目的，達(dá)到節(jié)能的效果。

1 交流斬波控制技術(shù)基本原理

（1）交流斬波控制技術(shù)原理分析

交流斬波控制技術(shù)的簡(jiǎn)化等效電路原理如下圖1所示。圖中S1、S2為雙向電子開(kāi)關(guān)（一般采用雙向可控硅）可以通過(guò)雙方向的電流，并且雙方向都可以控制開(kāi)通和控制關(guān)斷。電子開(kāi)關(guān)最簡(jiǎn)單的控制規(guī)律為S1、S2的開(kāi)關(guān)狀態(tài)在時(shí)間上為互補(bǔ)，即S1接通時(shí)S2斷開(kāi)，S2接通時(shí)S1斷開(kāi)。設(shè)電子開(kāi)關(guān)的工作周期為T(mén)，S1接通、S2斷開(kāi)的時(shí)間為T(mén)on；S2接通、S1斷開(kāi)的時(shí)間為T(mén)off。占空比D=Ton/T。S1接通、S2斷開(kāi)時(shí)電源電壓與負(fù)載電壓相等，電源為負(fù)載提供電能；S2接通、S1斷開(kāi)時(shí)，電源停止向負(fù)載供電，如果負(fù)載為電感性，電流通過(guò)S2形成續(xù)流通路。

（2）交流斬波控制技術(shù)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)

交流斬波控制技術(shù)從控制原理分析有以下三種控制方式：

①、脈寬調(diào)制方式（即PWM方式）：TS（周期）不變，改變Ton（導(dǎo)通時(shí)間）。

②、頻率調(diào)制方式：Ton（導(dǎo)通時(shí)間）不變，改變TS（周期）。

③、混合型方式：Ton（導(dǎo)通時(shí)間）及TS（周期）都改變。

上述三種控制方式，其中方式1（即PWM脈寬調(diào)制方式）是目前最為有效及應(yīng)用最廣泛的一種，因此本文交流斬波控制技術(shù)也采用PWM脈寬調(diào)制方式。交流PWM脈寬調(diào)制基本原理與直流脈寬調(diào)制原理一樣，只是斬波調(diào)制對(duì)象不同，及電路結(jié)構(gòu)上要求能對(duì)交流電進(jìn)行雙向調(diào)制，為高頻周期矩形波函數(shù)對(duì)正弦函數(shù)的調(diào)制，調(diào)制原理傅里葉展開(kāi)分析如下：

由上述公式分析可知，調(diào)壓原理實(shí)際就是輸入電壓函數(shù)Ui（t）受開(kāi)關(guān)函數(shù)S（t）比例調(diào)節(jié)的結(jié)果，見(jiàn)下圖2，從圖中可以看出輸出電源的交流特性基本保持了原輸入電源的交流特性，只是電壓的幅值有所變化，即輸出電壓可在輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出一定的電壓范圍，且保留原交流電源的特性，這也是交流斬波控制技術(shù)的基本原理，如果把該輸出電壓施加在水泵上，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的連續(xù)調(diào)速。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及原理分析

（1）系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

本文采用了圖3所示的速度反饋式調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)中央控制系統(tǒng)對(duì)工程系統(tǒng)環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)及熱水需求等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及分析，然后再采用交流斬波控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，同時(shí)該系統(tǒng)還對(duì)水泵的變化設(shè)計(jì)有反饋回路，中央控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)的收集水泵運(yùn)作的變化信號(hào)，并能根據(jù)該反饋信號(hào)對(duì)水泵進(jìn)行相應(yīng)的控制，使水泵恒定在需要的轉(zhuǎn)速上。

（2）調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型探討

根據(jù)上圖3所示的速度反饋式調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，本文提出對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖4所示，根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型可以更深入了解交流斬波控制技術(shù)對(duì)水泵調(diào)速的原理。

根據(jù)電氣傳動(dòng)的相關(guān)知識(shí)ASR采用PI調(diào)節(jié)器，用以改善系統(tǒng)對(duì)水泵的調(diào)速性能。

所以

由于交流斬控調(diào)壓器的響應(yīng)有延遲，其最大的時(shí)延是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts。因此PWM發(fā)生器與交流斬控調(diào)壓器（簡(jiǎn)稱(chēng)PWM裝置）可以看成是一個(gè)遲后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

利用上述公式可以深入分析中央控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)部件控制電路的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的連續(xù)調(diào)速，見(jiàn)下圖5所示，圖中是水泵轉(zhuǎn)速改變后流量與揚(yáng)程的關(guān)系曲線。

3 結(jié)論

本文交流斬波控制技術(shù)采用速度反饋式調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能充分保證水泵轉(zhuǎn)速輸出的穩(wěn)定性，同時(shí)系統(tǒng)還加入了ASR驅(qū)動(dòng)防滑控制技術(shù)，優(yōu)化了交流斬波控制技術(shù)的控制方法，有利于防止工程大功率水泵在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，另外，中央控制系統(tǒng)增加了環(huán)境信息、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及熱水需求等數(shù)據(jù)的采集與分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了中央控制系統(tǒng)對(duì)水泵的智能調(diào)節(jié)，大大的降低了系統(tǒng)的能源損耗。

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