鎖相環同步切換控制在恒壓供水系統中的應用

謝 靜，耿凡娜

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

由于供水系統具有大慣性、非線性分布、純滯后性、參數時變等特點，因此，難以用精確的數學模型描述；大、中容量供水系統大多采用多臺水泵并聯運行，當水泵運行在變頻電源與工頻電源的切換時，系統的壓力由連續狀態變為波動狀態，系統等效于受到了嚴重的階躍干擾，對于大功率電動機來說，在斷開電源后，由于慣性的存在，轉子依然會高速旋轉，在定子線圈產生的感應電動勢不會在極短的時間內消失。由于變頻轉工頻時間極短，這個反電動勢依然存在，因此必須充分考慮定子感應電動勢對切換過程的影響。大功率電機變頻轉工頻能否成功，關鍵在于變頻轉工頻瞬時，工頻電源和變頻輸出電源是否相位一致。

采用鎖相環同步切換技術[1]可實現兩個電源同頻率同相位的平穩切換，在切換前變頻器輸出的頻率平穩上升到50 Hz，然后借助同步切換裝置使變頻器輸出電壓的頻率相位同工頻電源取得一致，兩個電源在保持同步狀態下切換[2]，可大大減小電流沖擊，切換過程設備運行平穩。

1 鎖相環的組成與工作原理

鎖相環（Phase-Locked Loop，簡稱 PLL）[3]是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，其輸出信號的頻率跟蹤輸入信號的頻率。當其輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓和輸入電壓保持固定的相位差值。特點是：利用外部輸入的參考信號控制環路內部振蕩信號的頻率和相位。鎖相環由3部分組成：鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO），圖 1[4]為鎖相環的構成框圖，其中：

鑒相器（PD）是一個相位比較裝置，將參考輸入信號 θi（t）與環路輸出信號θo（t）的相位進行比較，輸出一個正比于兩信號相位差的電壓信號ud（t），所以鑒相器是一個比例環節。

環路濾波器（LPF）的輸入為鑒相器的輸出信號，濾波器的作用是濾掉輸入信號的高頻成分后得到電壓信號 uc（t）。

壓控振蕩器（VCO）受電壓信號 uc（t）作用，可以實現輸出信號的頻率fo跟蹤輸入信號頻率fi。

圖1 鎖相環（PLL）的構成原理框圖Fig.1 Phase-Locked Loop（PLL） constitute ablock diagram

參照圖1中各部分的作用，簡要闡述鎖相環的工作原理：

1）對壓控振蕩器（VCO）的輸出fo進行采集并分頻；

2）分頻后的信號fo和基準信號fi同時輸入鑒相器（PD）；

3）鑒相器（PD）通過比較上述兩個信號的頻率差Δf=fo-fi，然后輸出一個脈沖電壓 ud（t）；

4）脈沖信號 uc（t）控制壓控振蕩器（VCO），使它的頻率發生改變；

5）通過這樣的閉環控制，經過一個很短的時間，壓控振蕩器（VCO）的輸出就會穩定于某一期望值。

鎖相環路在鎖定后，不僅能使輸出信號頻率與輸入信號頻率嚴格同步，而且還具有頻率跟蹤特性。環路濾波器對噪聲及高頻分量起抑制作用，它對環路的參數調整起著決定性作用[5]。

2 鎖相環的相位模型

根據經典自動控制理論，作鎖相環（PLL）的相位模型如圖2所示。

圖2 鎖相環（PLL）的相位模型Fig.2 Phase-Locked Loop（PLL） phase model

環路濾波器（LPF）傳遞函數的不同將導致整個鎖相環路閉環傳遞函數的改變，從而影響環路的性能。有源比例積分環路濾波器具有低通特性和比例作用，其相頻特性有超前校正作用，傳遞函數為：

圖中各個環節的作用分別是：

鑒相器（PD）是一個比例環節，鑒相器的傳遞函數為：

壓控振蕩器（VCO）的輸入信號是模擬信號，輸出信號為頻率，輸入輸出之間成線性關系。由于變頻器增益Kv能把電壓轉換成頻率，把頻率轉換成相位角，因此為積分環節，其傳遞函數為：

由于開環諸環節均串聯，可得鎖相環（PLL）的開環傳遞函數為：

3 鎖相環的性能分析

3.1 鎖相環的穩態誤差分析

對于工頻電源的頻率擾動，在環路動態調節過程中，系統相對誤差就會逐漸減小，達到同步鎖定狀態時，穩態相位差趨近于零。

3.2 鎖相環路的動態響應誤差分析

當環路處于鎖定狀態時，輸出頻率與輸入頻率相同，兩者之間只有一個穩態相差。在此條件下，若輸入信號發生相位或頻率的變化，通過環路自身控制作用，環路輸出信號會跟蹤輸入信號的變化。本系統鎖相環路的輸入信號為工頻信號，工頻信號50 Hz上下波動時產生的頻率變化量可看做是階躍信號，由相對誤差響應曲線圖[6-7]可知，最大的相位誤差是隨著值的減小二增大的，當ξ=0.707時，鎖相環路的相位誤差響應較快，超調較小。

4 基于鎖相環的恒壓供水系統同步控制的設計

4.1 鎖相環同步控制原理圖

基于PPL原理的變頻電源與工頻電源的鎖相環同步控制電路如圖3所示[8]。它具有跟蹤快速性。跟蹤頻率準確、抗干擾能力強等優點。

圖3 鎖相環同步控制電路原理圖Fig.3 Phase-Locked Loop（PLL） synchronization control circuit diagram

4.2 鎖相環的工作原理

工頻電源的線電壓經電壓互感器降壓后，由V/F轉換電路變成頻率為f1的脈沖信號，變頻器輸出的線電壓經電壓互感器降壓后，由V/F轉換電路變成頻率為f0的脈沖信號。以工頻信號f1作為基準信號，與變頻器的反饋輸出信號f0在CD4046的鑒頻鑒相器中進行頻率與相位比較，并產生正比于頻率和相位差的信號電壓，此電壓經低通濾波器放大后去控制變頻器的輸出，以實現變頻器輸出相電壓信號與工頻電源的相電壓信號同頻率同相位。一旦負載出現波動使變頻器輸出電壓信號發生變化，反饋信號f0就隨之變化，它與給定工頻信號f1產生頻差，此時相位比較器的輸出信號發生變化，經低通濾波器放大后去改變變頻器輸入給定值，使變頻器輸出產生相應變化，直至反饋信號的頻率f0與給定信號的頻率f1重新達到相等，系統重新進入穩態。由于鎖相系統達到穩態時，其反饋信號頻率被鎖定到給定信號頻率上，即f0=f1，頻差為零，相差保持在一個很小的范圍內。此時輸出允許同步切換信號，變頻電源和工頻電源便可實現安全、平穩的切換。

系統工作時，當水壓低于給定值。在模糊PID控制作用下，變頻器輸出頻率達到控制器調節的上限值仍然不能滿足要求時，系統投入同步切換控制狀態。此時，變頻器輸出電壓信號跟蹤工頻電源信號，當兩個電源頻率相同且相位差穩定在一個較小的數值，進入鎖定狀態時，集成鎖相環CD4046的端子1輸出高電平，系統允許同步切換控制信號送入單片機。若單片機檢測到這個信號，就發出切換控制指令，實現變頻電源與

工頻電源安全、平穩切換。系統變頻與工頻的切換方式如下：

通常變頻器設計為工頻和變頻回路，如圖4所示。

變頻器供電時，QS1，QS2，KM1和 KM2閉合；工頻電網供電時QS3和KM3閉合。QS2和QS3，KM2和KM3在變頻器運行時必須互相閉鎖，保證工頻電源與變頻電源之間進行切換。QS1，QS2，QS3用來徹底切斷系統的電源[9]。

圖4 變頻與工頻電源同步切換主電路電氣圖Fig.4 Power frequency and power frequency synchronous switch main circuit electrical diagrams

5 結束語

實踐證明，在變頻調速恒壓供水系統中采用鎖相環同步切換控制，可以有效地克服切換過程中的過電流問題，切換過程設備平穩運行，有利于延長電機壽命。

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