基于交流斬波控制技術的水泵調速探討

門秀利

摘 要：本文通過分析交流斬波控制技術的基本原理，在一定范圍內實現對水泵的無級調速，從而滿足水路循環系統根據不同環境、不同條件及不同狀態下，水泵輸出不同的功率曲線的要求。

關鍵詞：交流斬波；無級調速；PWM

在工程系統循環水路中串接水泵作為水流動的動力源，是目前工程系統較為實用的一種方法，但由于工程系統工作的復雜性，其工作環境、工作條件及工作狀態是隨著時間而改變的，如白天的環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水路水泵運行狀態改變來達到節能的目的，即水泵的功率能隨這些因素的變化而變化，另外，水泵的功率與轉速存在一定的正比關系，所以只要能實現水泵隨運行因素的變化而變化就可以實現節能的目的。

由上述問題分析可知，一般的定速水泵是不利于系統的節能的，只有實現水泵的速度可調節才可達到節能的效果，變頻水泵就是節能水泵的佼佼者，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研發中不被采用。本文是通過目前較為成熟的交流斬波控制技術實現對普通定速水泵無級調速的目的，達到節能的效果。

1 交流斬波控制技術基本原理

（1）交流斬波控制技術原理分析

交流斬波控制技術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（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斷。電子開關最簡單的控制規律為S1、S2的開關狀態在時間上為互補，即S1接通時S2斷開，S2接通時S1斷開。設電子開關的工作周期為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形成續流通路。

（2）交流斬波控制技術數學模型基礎

交流斬波控制技術從控制原理分析有以下三種控制方式：

①、脈寬調制方式（即PWM方式）：TS（周期）不變，改變Ton（導通時間）。

②、頻率調制方式：Ton（導通時間）不變，改變TS（周期）。

③、混合型方式：Ton（導通時間）及TS（周期）都改變。

上述三種控制方式，其中方式1（即PWM脈寬調制方式）是目前最為有效及應用最廣泛的一種，因此本文交流斬波控制技術也采用PWM脈寬調制方式。交流PWM脈寬調制基本原理與直流脈寬調制原理一樣，只是斬波調制對象不同，及電路結構上要求能對交流電進行雙向調制，為高頻周期矩形波函數對正弦函數的調制，調制原理傅里葉展開分析如下：

由上述公式分析可知，調壓原理實際就是輸入電壓函數Ui（t）受開關函數S（t）比例調節的結果，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實現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的基本原理，如果把該輸出電壓施加在水泵上，即可實現對水泵的連續調速。

2 系統設計方案及原理分析

（1）系統設計探討

本文采用了圖3所示的速度反饋式調壓調速閉環控制系統，通過中央控制系統對工程系統環境、運行狀態及熱水需求等數據進行采集及分析，然后再采用交流斬波控制技術實現對水泵轉速的調節，同時該系統還對水泵的變化設計有反饋回路，中央控制系統能實時的收集水泵運作的變化信號，并能根據該反饋信號對水泵進行相應的控制，使水泵恒定在需要的轉速上。

（2）調速系統動態模型探討

根據上圖3所示的速度反饋式調壓調速閉環控制系統，本文提出對系統進行動態分析和設計的動態結構框圖，如下圖4所示，根據調速系統動態模型可以更深入了解交流斬波控制技術對水泵調速的原理。

根據電氣傳動的相關知識ASR采用PI調節器，用以改善系統對水泵的調速性能。

所以

由于交流斬控調壓器的響應有延遲，其最大的時延是一個開關周期Ts。因此PWM發生器與交流斬控調壓器（簡稱PWM裝置）可以看成是一個遲后環節，其傳遞函數為：

利用上述公式可以深入分析中央控制系統對各個部件控制電路的動態調節結果，最終實現對水泵的連續調速，見下圖5所示，圖中是水泵轉速改變后流量與揚程的關系曲線。

3 結論

本文交流斬波控制技術采用速度反饋式調壓調速閉環控制系統設計，能充分保證水泵轉速輸出的穩定性，同時系統還加入了ASR驅動防滑控制技術，優化了交流斬波控制技術的控制方法，有利于防止工程大功率水泵在啟動時出現空轉現象，另外，中央控制系統增加了環境信息、系統運行狀態及熱水需求等數據的采集與分析技術，實現了中央控制系統對水泵的智能調節，大大的降低了系統的能源損耗。

參考文獻

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