斩波内馈调速系统在汽轮机循环水供热中的应用

   摘  要：本文主要介绍了利用汽轮机凝汽器循环水余热作为采暖供热介质，循环汽泵尾部排汽再利用，以及循环电动泵的变预调速装五在供热系统中的应用，并分析了它们的节能原理和系统设计方案。 
       关键词：新波内情调速电机；析波内馈控制装五；汽轮机；循环水供热系统 
       1　引言 
       在城市民用采暖系统中，一般采用过热蒸汽通过换热器将供热介质加热的方式。本方案利用汽轮机凝汽器循环水作为采暖供热介质，充分利用了汽轮机循环水余热，达到了节省能源的目的。通过适当牺牲凝汽器真空的方法，提高循环水温度，经供热旁路提供民用采暖供热，或经加热器进一步提升温度，然后再供热给用户。目前，在热电行业中，这种供热方式还处于发展阶段。 
       2  循环水供热系统方案的选择 
       为了充分利用废弃能源，提高经济运行，经厂专家组研究分析，利用汽轮机凝汽器循环水余热作为采暖供热介质，供热面积可达100多万m2。在本方案中，采用两路供热方式：一路是在环境温度较高的情况下，直接利用60一70℃循环水，通过供热旁路进行采暖供热；另一路是在环境温度较低的情况下，通过加热器进一步提升温度，然后再供热给用户。循环水供热系统如图1所示。

图1汽轮机循环水供热系统 

       

3   斩波内馈调速系统简介 
       ZNT - 2000型斩波内馈交流调速系统是一种适用于风机、泵类负载节能降耗的新型高压交流调速系统。系统主要由YQT型斩波内馈调速电机和ZNK斩波控制装置组成。斩波内馈是基于转子调速控制的调速，是一种利用低电压（通常约为220-500V）控制高压（6一lOkV）的合理方案。该系统原理新颖、性能先进、具有调速平滑、效率高、结构简单、成本低等特点，较常规变频调速系统有许多优点。调速系统原理如图2所示。 
       根据电机调速的功率控制原理，内馈调速的实质是在于将转子的部分电磁功率移出，使余下的转子功率转化为机械功率，因此移出的功率越多，转化的机械功率越少，电机转速就越低。因此，改变移出功率的大小，就可控制输出机械功率的大小，从而调节电机转速。斩波内馈调速的能量原理如图3所示。

图2斩波内馈交流调速系统原理 
      

 图3中转子功率圆斜线右边部分表示移出功率。它通过电机的内馈绕组送回定子，以提高效率。内馈电机设置了内馈绕组，目的是接收从转子移出的功率。在接收移出功率的同时，又将移出功率送还给定子。定子绕组功率P，二P em一P3 = Pm，即定子绕组供出的只是机械功率，在调速时机械功率圆面积越小、定子功率圆面积就越小，电机就可实现高效率的节能运行。

图3内馈调速功率圆示意图4斩波内馈调速控制方案 
       

在该供热系统中，选择6kV, 450kW ( YQT2 -450一8)的高压电动机作为调速电机。以循环电动泵作为供热动力，通过斩波内馈装置调节泵的转速来实现介质恒压供热，供热介质压力设定在0.6一0. 7MPa之间，能够满足一般城市居民的供热要求。对于楼层较高的居民，可通过二级加压的方法进一步提高介质压力，以便满足楼层要求。 
       斩波内馈调速控制器作为恒压供热控制系统的核心，要完成对系统所有输入信号的采集、所有输出单元的控制、所有控制流程的实现以及控制算法的实现，等等。调速控制器采用PID控制算法，它是应用最广泛的一种自动控制器，具有原理简单、易于实现、参数整定方便、结构改变灵活、适用性强、鲁棒性强等优点，对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果。 
       在本系统中，由于控制过程对精度要求不高，但要求系统控制平稳，执行机构不要频繁动作，故选用带死区的PID增量式控制算法。所谓带死区PID增量式控制算法，就是在计算机中人为地设置一个不灵敏区β，当偏差的绝对值小于β时，不会产生新的控制增量，控制量维持不变；当偏差的绝对值大于β时，则进行正常的PID增量式运算后输出。 
       4.1靳波内馈调速控制器的硬件组成
斩波内馈调速控制器硬件系统以AT89C52单片机为控制核心，包括输入通道、输出通道、显示键盘电路、电源电路。 
       AT89系列的单片机89C52为中心控制CPU,它以MCS - 51为内核，与MCS - 51系列的软硬件兼容。它体积小，使应用更加灵活，时钟频率的提高可使运算速度加快，在片内有Flash存储器（FPER-OM)，使调试开发更为方便。AT89系列的单片机是一种总线工业计算机，和IBM个人计算机在软件上完全兼容。采用无源底板结构，将主板模块化，可以在故障时迅速替换，一般使用电子盘固化应用程序，不使用机械盘运行，还特殊设计了监视跟踪定时器，对于各种干扰造成的程序紊乱可在无人干预下自动复位。控制器的控制核心的组成如图4所示。

图4控制器的控制核心组成框图 

     

  4.21/0通道单元 
       (1)供热母管压力测量信号和供热压力给定信号通道 
       供热母管压力测量信号和供热压力给定信号为 模拟量输入信号，硬件结构如图5所示。
        各组件介绍： 
        ①输入级：R1为运算放大器OP2B的输入电阻，同时Rl和Cl组成模拟输入信号的滤波电路，滤除公司压力信号中的高频干扰；二极管Dl起输入嵌位作用，防止输入模拟电压过大；二极管D2起输入反相保护，防止输入模拟电压为负信号。 
        ②隔离放大器：运算放大器OP2B、电容C12、电阻R16, Rl7, Rl8、电位器W2和光电藕合器M02组成模拟信号的隔离放大电路；由于光电祸合器具有较大的非线性，直接传送模拟量时，精度较差，而传统的调制解调电路和非线性补偿电路既复杂又庞大，在一般的控制系统中不适用。 

        图S模拟量输入通道 
       

电位器W2和光电藕合器M02组成输出级，M02A和M02B的初级串联，共用一个激励电流，假设为11, R17即为限流电阻。M02B和R18形成负反馈。假设M02A和M02B的电流非线性传递函数分别为Gl(11）和G2(I1)。则有 
       12＝Gl（11）；13＝G201） 
       对于放大器OP2B来说，根据理想运算放大器的概念有如下关系 
       U1＝13 x R18；Uo＝12xW2 
       隔离放大器的增益为G= Uo/U,，即有G=KxGl/G2，其中K=W2/Rl8o
M02A和M02B为同一封装的双光电藕合器TLP521一2，因此可以认为它们传递函数的温度特性和电流非线性完全一致，即Gl=G2，所以G= K,常数K就为隔离放大器的电压传输比。由于两个光电藕合器是对称的，一个作为输出，一个作为反馈，补偿了它们的非线性，又起到了模拟信号的隔离作用，能很好地隔离共模干扰。 
       由于光电祸合器初、次级之间存在传输延时，M02B和R18组成的负反馈电路反映延时，容易引
起自激，因此电容C12就是消除自激振荡。 
        OA/D转换器：采用ADC0809芯片，是8位逐次逼近式A/D转换器，转换速度快，可接收8路模拟量输入信号，在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位的二进制数字量。 
       由于ADC0809片内无时钟，可利用单片机提供的地址锁存信号ALE经D触发器二分频后获得。 
       由于ADC0809具有输出三态锁存器，故其8位数据输出线可直接与单片机数据总线相连。单片机的低8位地址信号在ALE作用下，锁存在74LS373中。74LS373输出的低3位分别加到ADC0809的通道选择端A, B, C，作为通道编码。将单片机的P2.7作为片选信号，与丽哀进行或非操作得到一个正脉冲加到ADC0809的ALE和START引脚上。由于ALE和START连接在一起，因此ADC0809在锁存器地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号反石和P2.7引脚经非门后产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。显然，上述操作时，P2.7应为低电平。ADC0809的EOC端经一反相器连接到单片机的P3.3端，作为中断信号。 
       采用中断信号可大大节省时间。当转换结束时，EOC向单片机发出中断申请信号，CPU响应中断请求，由中断服务子程序读取A/ D转换结果并存储到RAM中，然后启动ADC0809的下一次转换。 
       (2)斩波器开关控制信号通道 
       斩波内馈调速装置的斩波器开关是单片机的模拟量输出信号，其硬件结构如图6所示。DAC0832是国内使用较为普遍的8位D/ A转换器，由于片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC以电流形式输出，需要外接运算放大器转换为电压输出信号，以便触发斩波器开关的导通。

图6斩波器开关触发信号的模拟量输出通道 
       

在本系统中DAC0832采用单缓冲器工作方式，即分别将输入锁存器的引脚和DAC寄存器相应的控制信号引脚连在一起，使一个数据直接写入DAC寄存器，立即进行D/ A转换，此时锁存器不起作用。图中ILE接＋5V, Iou二接地，LOUT2输出电流经运算放大器变换后输出单极性电压信号；片选信号CS和数据传送控制信号XFER都与89C52的地址线相连，因此输入锁存器和DAC0832的地址都为7FFFH。WR1,WR2均与89052的写信号线WR相连。CPU对DAC0832执行一次写操作，则将一个数据直接写入DAC寄存器，DAC0832的输出模拟量随之变化。由于DAC0832具有数字量的输入锁存功能，故数字量可以直接从89052的PO口送入。 
       (3)斩波内馈调速器触发信号通道 
       单片机控制触发装置由单片机89052,1块16位的定时／计数器芯片8253、晶振电路和一块带14位定时／计数器的可编程RAM/ IO扩展器8155组成。其硬件结构如图7所示。

图7触发电路 
       三相同步信号经RC移相后使其过零点正好都对准6个自然换相点。再经3个电压比较器输出20ms的三相同步方波信号送至单片机。由于同步信号跳变即为自然换相点，单片机监测到这三位状态字，即可进入软件认相，并作出士A、士B、士C的标志，以供最小逆变角βmin定时和触发控制用。本系统有源逆变器的控制脉冲不再移动，而是锁定在最小逆变角，使有源逆变的触发脉冲非常可靠；功率调节由斩波开关来完成。
本系统采用脉冲列触发方式，6个触发脉冲由8155A口送出，由外部电路调制成频率为2kHz的脉冲列，经功放后，分别送至6个可控硅的门极。 
       5  结论 
       在该系统中，作为循环水的供应动力的循环电动泵，通过斩波内馈装置系统调节泵的转速来实现介质恒压供热，实现了微机控制，完全满足生产工艺流程的要求，达到了节省电能的目的，这种调速方式较常规变频调速方式有诸多优点。
参考文献
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[2〕李全利．单片机原理及应用技术〔M]．北京：高等教育出
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[3]陈伯时．电力拖动自动控制系统［M]．北京：机械工业出
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[4〕王兆安．电力电子变流技术〔M]．北京：机械工业出版社，
1999.
作者简介：宋继孚（1968一），男，工程硕士研究生，工程师，主
要从事热电厂电气及热工自动化工作。