門秀利

摘 要：本文通過分析交流斬波控制技術(shù)的基本原理，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對水泵的無級調(diào)速，從而滿足水路循環(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；無級調(diào)速；PWM

在工程系統(tǒng)循環(huán)水路中串接水泵作為水流動的動力源，是目前工程系統(tǒng)較為實用的一種方法，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)是隨著時間而改變的，如白天的環(huán)境溫度一般會高于晚上、某時段的熱水使用頻率及用量要高于其他時段等，而這些因素的改變往往需要循環(huán)水路水泵運行狀態(tài)改變來達到節(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，所以只要能實現(xiàn)水泵隨運行因素的變化而變化就可以實現(xiàn)節(jié)能的目的。

由上述問題分析可知，一般的定速水泵是不利于系統(tǒng)的節(jié)能的，只有實現(xiàn)水泵的速度可調(diào)節(jié)才可達到節(jié)能的效果，變頻水泵就是節(jié)能水泵的佼佼者，但由于其價格一般要比定速水泵高出許多，因此在中國一般的工程系統(tǒng)研發(fā)中不被采用。本文是通過目前較為成熟的交流斬波控制技術(shù)實現(xiàn)對普通定速水泵無級調(diào)速的目的，達到節(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)的簡化等效電路原理如下圖1所示。圖中S1、S2為雙向電子開關(guān)（一般采用雙向可控硅）可以通過雙方向的電流，并且雙方向都可以控制開通和控制關(guān)斷。電子開關(guān)最簡單的控制規(guī)律為S1、S2的開關(guān)狀態(tài)在時間上為互補，即S1接通時S2斷開，S2接通時S1斷開。設(shè)電子開關(guān)的工作周期為T，S1接通、S2斷開的時間為Ton；S2接通、S1斷開的時間為Toff。占空比D=Ton/T。S1接通、S2斷開時電源電壓與負載電壓相等，電源為負載提供電能；S2接通、S1斷開時，電源停止向負載供電，如果負載為電感性，電流通過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)通時間）。

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

③、混合型方式：Ton（導(dǎo)通時間）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)制對象不同，及電路結(jié)構(gòu)上要求能對交流電進行雙向調(diào)制，為高頻周期矩形波函數(shù)對正弦函數(shù)的調(diào)制，調(diào)制原理傅里葉展開分析如下：

由上述公式分析可知，調(diào)壓原理實際就是輸入電壓函數(shù)Ui（t）受開關(guān)函數(shù)S（t）比例調(diào)節(jié)的結(jié)果，見下圖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，即可實現(xiàn)對水泵的連續(xù)調(diào)速。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案及原理分析

（1）系統(tǒng)設(shè)計探討

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)，通過中央控制系統(tǒng)對工程系統(tǒng)環(huán)境、運行狀態(tài)及熱水需求等數(shù)據(jù)進行采集及分析，然后再采用交流斬波控制技術(shù)實現(xiàn)對水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，同時該系統(tǒng)還對水泵的變化設(shè)計有反饋回路，中央控制系統(tǒng)能實時的收集水泵運作的變化信號，并能根據(jù)該反饋信號對水泵進行相應(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)，本文提出對系統(tǒng)進行動態(tài)分析和設(shè)計的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖4所示，根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)模型可以更深入了解交流斬波控制技術(shù)對水泵調(diào)速的原理。

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

所以

由于交流斬控調(diào)壓器的響應(yīng)有延遲，其最大的時延是一個開關(guān)周期Ts。因此PWM發(fā)生器與交流斬控調(diào)壓器（簡稱PWM裝置）可以看成是一個遲后環(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)對各個部件控制電路的動態(tài)調(diào)節(jié)結(jié)果，最終實現(xiàn)對水泵的連續(xù)調(diào)速，見下圖5所示，圖中是水泵轉(zhuǎn)速改變后流量與揚程的關(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，能充分保證水泵轉(zhuǎn)速輸出的穩(wěn)定性，同時系統(tǒng)還加入了ASR驅(qū)動防滑控制技術(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時出現(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)運行狀態(tài)及熱水需求等數(shù)據(jù)的采集與分析技術(shù)，實現(xiàn)了中央控制系統(tǒng)對水泵的智能調(diào)節(jié)，大大的降低了系統(tǒng)的能源損耗。

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