于 柏，夏 華

（1.天津商業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300134；2.天津商業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟學(xué)院，天津 300134）

0 引言

泵系統(tǒng)啟?？刂蒲b置是供水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，是保障供水安全、可靠，提供優(yōu)質(zhì)水源的關(guān)鍵設(shè)備。泵系統(tǒng)在啟停過程中由于電機的固有特性和水泵的負載特性普遍存在著沖擊電流、轉(zhuǎn)矩浪涌、停機關(guān)泵水錘等現(xiàn)象[1]，其中超高的啟動電流易對電網(wǎng)形成沖擊，危害電網(wǎng)的安全運行，促進電機線圈老化；巨大的轉(zhuǎn)矩浪涌對電機及傳動設(shè)備產(chǎn)生猛烈沖擊，造成設(shè)備損壞，直接影響設(shè)備的使用壽命；停機關(guān)閉水錘更具破壞性，輕則造成管路破裂跑水，降低設(shè)備的使用壽命，重則釀成危及人身和泵站安全的事故。這些現(xiàn)象的發(fā)生都對供水系統(tǒng)安全運行造成了致命的危害。

針對上述問題的存在，我們研發(fā)了一種集晶閘管變流技術(shù)、電力電子技術(shù)、鎖相環(huán)技術(shù)、參數(shù)優(yōu)化識別技術(shù)和微處理技術(shù)于一體的全新調(diào)壓調(diào)速軟控裝置，該裝置能實現(xiàn)泵類供水系統(tǒng)的優(yōu)化控制，有效降低故障率，節(jié)約維護費用，節(jié)能降耗，達到科學(xué)管理，保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，確保設(shè)備和人身安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

軟控系統(tǒng)由三相晶閘管主電路和控制電路組成，其中控制電路主要由檢測電路、微處理器、驅(qū)動電路等部分構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

主電路選用三對反并聯(lián)大功率晶閘管（SCR）串接于電動機的三相供電線路上，組成不帶零線的三角形（或星型）電路，根據(jù)異步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩與電機的輸入電壓平方成正比（F∝U2）的關(guān)系，只要改變電機輸入電壓就可實現(xiàn)電機調(diào)速，利用晶閘管的開關(guān)控制特性，通過改變晶閘管的觸發(fā)角，來調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓，實現(xiàn)控制電機的平穩(wěn)加減速[2]。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)控制電路可對水泵電機運行進行有效控制，尤其是啟動和停機過渡過程的控制，能夠依據(jù)運行負載的情況條件，自動優(yōu)化調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)矩。當CPU接到鍵盤優(yōu)化指令時，首先進行系統(tǒng)初始化，完成第一個啟動周期的電壓、電流檢測并不斷按泵的負載特性曲線（提前寫入CPU中）進行比較、分析、計算、儲存，進而確定功率因數(shù)角、時間常數(shù)、限流值、突跳電壓值等參數(shù)，由此完成不同泵系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)置。當CPU接收到鍵盤的開停機指令時，把由同步電源整形、濾波檢測到的同步信號經(jīng)分析計算出移相角的大小，送入觸發(fā)驅(qū)動電路，送出六路觸發(fā)脈沖，通過功率驅(qū)動及脈沖調(diào)制、脈沖隔離電路來控制SCR導(dǎo)通角度，對電機的定子電壓進行調(diào)整，完成泵系統(tǒng)啟停過程的加減速控制，達到優(yōu)化控制電機啟停特性目的[3]。

2 控制電路工作原理

控制電路原理圖如圖2所示。

圖2 控制電路原理圖

2.1 信息檢測輸入輸出

1）同步電源檢測電路

軟啟動器需要與電網(wǎng)進行同步操作，這就要求控制電路一定要與電網(wǎng)嚴格同步，同步電源檢測就是為了實現(xiàn)此功能而設(shè)立的，通過利用現(xiàn)代通信技術(shù)中的鎖相環(huán)技術(shù)來解決微機控制軟啟動器的觸發(fā)同步信號抗干擾問題，CD4046鎖相環(huán)具有自動頻率跟蹤、相位自動檢測等功能，最重要的是利用其窄帶特性把受到嚴重干擾的有用信號的諧波分量濾掉，完好地恢復(fù)其本來面目。CD4046鎖相環(huán)由相位比較器、電壓控制振蕩器和低通濾波器三個基本單元構(gòu)成，其原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鎖相環(huán)原理結(jié)構(gòu)圖

從主電路三相線路中，直接接入一相，取其同步過零信息，以A相為例，將A相接入LM393相位比較器，當主電路電壓過零時比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，這就是同步信號。將此同步信號輸入CD4046鎖相環(huán)的BIN端做為被鎖定信號，這個信號與壓控振蕩器分頻后的頻率共同經(jīng)過相位比較器，此相位比較器的的輸出Vc經(jīng)低通濾波器得到一個控制電壓Vd，壓控振蕩器根據(jù)這個信號做出調(diào)整，從Vo端輸出調(diào)整后的頻率，直至最后輸出的頻率與輸入頻率的頻差在允許范圍之內(nèi)為止，這就將頻率鎖定在與電網(wǎng)同步的范圍之內(nèi)，這個信號最終接入AT89C51的INT1口，通過中斷使CPU與電網(wǎng)同步工作。

2）電流反饋檢測

在限流控制模式和泵停機模式中，為實現(xiàn)電流閉環(huán)控制需要隨時反饋當前的電流值，這就要求電路要有一個實時的電流反饋信號，這個電流反饋信號從經(jīng)過控制后的電動機上取得即時電流值大小，電流反饋檢測把這個電流值通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，PI控制及閉環(huán)電流反饋電路計算出電流的偏差值，送入CPU，由CPU作出相應(yīng)處理，進而實現(xiàn)恒流控制。

3）鍵盤及顯示部分

鍵盤及顯示接口是控制系統(tǒng)與操作人員進行交互的窗口，既可及時反映系統(tǒng)運行的重要狀態(tài)，又能在必要時實現(xiàn)適當?shù)娜斯じ深A(yù)。鍵盤顯示芯片8279是鍵盤輸入和數(shù)碼顯示控制的專用器件，能自動實現(xiàn)去抖動和重鍵處理功能并提供中斷支持，由于動態(tài)掃描功能是由8279內(nèi)部完成，所以控制程序不需要對顯示進行維持。鍵盤顯示部分可進行初始值及控制模式設(shè)定等操作，電動機啟動前將設(shè)定值送入CPU中，并讓CPU做初始化處理，同時各種優(yōu)化操作也可由鍵盤進行控制，顯示部分是為了讓各項參數(shù)更加直觀，配合鍵盤輸入而設(shè)置的，同時當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可顯示故障代碼，方便操作人員準確判斷故障。

2.2 微處理器部分

本裝置選用51系列單片機AT89C51，此低電壓、高性能的CMOS 8位微控制器為嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價的解決方案[4]。通過其CPU我們可以進行控制方式選擇、參數(shù)自整定、觸發(fā)角度計算、故障診斷數(shù)學(xué)模型建立、優(yōu)化控制等相關(guān)功能的實現(xiàn)，具體的控制算法和選擇問題由軟件來完成解決。

2.3 觸發(fā)驅(qū)動電路

從CPU的輸出端口，經(jīng)過CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理，計算出合適的觸發(fā)角度，根據(jù)這個數(shù)值發(fā)出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電路采用雙窄觸發(fā)脈沖，并對觸發(fā)信號進行調(diào)制，把觸發(fā)電平與調(diào)制信號相疊加，變成高頻觸發(fā)信號，調(diào)制后的高頻信號被接入到功率集成驅(qū)動芯片ULN2003中，ULN2003為高電壓、大電流集成功率驅(qū)動電路，每片有七路驅(qū)動電路，每路可提供500mA的驅(qū)動電流，高頻觸發(fā)信號再通過脈沖隔離電路實現(xiàn)對主電路中SCR導(dǎo)通角度的控制，完成電機電壓的控制功能。

3 系統(tǒng)功能和技術(shù)特點

1）采用參數(shù)識別優(yōu)化控制技術(shù)和智能控制技術(shù)，實現(xiàn)功率因數(shù)、時間常數(shù)、限流倍數(shù)、起跳電壓等參變量的自整定自優(yōu)化，實現(xiàn)了水泵電機平滑軟起軟停的全數(shù)字控制。

2）采用鎖相環(huán)技術(shù)，設(shè)計同步信號的軟硬件鎖相，實現(xiàn)良好的環(huán)路動態(tài)性和穩(wěn)態(tài)性，抑制噪聲源，有效地解決同步信號的干擾問題。

3）軟硬件相結(jié)合，運用智能控制算法，設(shè)計軟件故障識別模塊，建立故障級別檔案，設(shè)立完善的系統(tǒng)保護功能，最大限度的縮小因控制系統(tǒng)故障造成的硬停機。

4）采用功率集成模塊與調(diào)制電路、脈沖隔離電路相結(jié)合，控制SCR的開通角度，完成調(diào)壓控制功能，提高抗干擾性，確保觸發(fā)的可靠性和一致性。

5）設(shè)計多種啟停機方式，以實現(xiàn)不同類型的負載啟停轉(zhuǎn)矩特性的最優(yōu)化控制。

6）三對晶閘管反并聯(lián)接成三相三線調(diào)壓電路，負載接成星型或角型不設(shè)中性線電路，消除三次諧波的干擾。

7）強化電源濾波，采用模塊化設(shè)計，強化接地和布線工藝，接入反響偏置電路、看門狗、光電耦合隔離電路等，建立完善的抗干擾系統(tǒng)，有效地克服各種高強電磁波的干擾。

4 結(jié)束語

泵系統(tǒng)軟控裝置經(jīng)現(xiàn)場運行測試，有效地降低了啟動電流，啟動電流由7.5降至3倍的額定電流值；改善了電網(wǎng)質(zhì)量，啟動電壓由147V降到35V左右[5]；消除了停泵水錘，由原來的3倍運行壓力降至為零，百分之百消除了水錘現(xiàn)象；同時大幅度降低了維護成本和維修頻率，有效延長了泵系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，確保了系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)定運行，具有良好的市場前景和較高的應(yīng)用價值。