斬波內饋調速系統在汽輪機循環水供熱中的應用

   摘  要：本文主要介紹了利用汽輪機凝汽器循環水余熱作為采暖供熱介質，循環汽泵尾部排汽再利用，以及循環電動泵的變預調速裝五在供熱系統中的應用，并分析了它們的節能原理和系統設計方案。 
       關鍵詞：新波內情調速電機；析波內饋控制裝五；汽輪機；循環水供熱系統 
       1　引言 
       在城市民用采暖系統中，一般采用過熱蒸汽通過換熱器將供熱介質加熱的方式。本方案利用汽輪機凝汽器循環水作為采暖供熱介質，充分利用了汽輪機循環水余熱，達到了節省能源的目的。通過適當犧牲凝汽器真空的方法，提高循環水溫度，經供熱旁路提供民用采暖供熱，或經加熱器進一步提升溫度，然后再供熱給用戶。目前，在熱電行業中，這種供熱方式還處于發展階段。 
       2  循環水供熱系統方案的選擇 
       為了充分利用廢棄能源，提高經濟運行，經廠專家組研究分析，利用汽輪機凝汽器循環水余熱作為采暖供熱介質，供熱面積可達100多萬m2。在本方案中，采用兩路供熱方式：一路是在環境溫度較高的情況下，直接利用60一70℃循環水，通過供熱旁路進行采暖供熱；另一路是在環境溫度較低的情況下，通過加熱器進一步提升溫度，然后再供熱給用戶。循環水供熱系統如圖1所示。

圖1汽輪機循環水供熱系統 

       

3   斬波內饋調速系統簡介 
       ZNT - 2000型斬波內饋交流調速系統是一種適用于風機、泵類負載節能降耗的新型高壓交流調速系統。系統主要由YQT型斬波內饋調速電機和ZNK斬波控制裝置組成。斬波內饋是基于轉子調速控制的調速，是一種利用低電壓（通常約為220-500V）控制高壓（6一lOkV）的合理方案。該系統原理新穎、性能先進、具有調速平滑、效率高、結構簡單、成本低等特點，較常規變頻調速系統有許多優點。調速系統原理如圖2所示。 
       根據電機調速的功率控制原理，內饋調速的實質是在于將轉子的部分電磁功率移出，使余下的轉子功率轉化為機械功率，因此移出的功率越多，轉化的機械功率越少，電機轉速就越低。因此，改變移出功率的大小，就可控制輸出機械功率的大小，從而調節電機轉速。斬波內饋調速的能量原理如圖3所示。

圖2斬波內饋交流調速系統原理 
      

 圖3中轉子功率圓斜線右邊部分表示移出功率。它通過電機的內饋繞組送回定子，以提高效率。內饋電機設置了內饋繞組，目的是接收從轉子移出的功率。在接收移出功率的同時，又將移出功率送還給定子。定子繞組功率P，二P em一P3 = Pm，即定子繞組供出的只是機械功率，在調速時機械功率圓面積越小、定子功率圓面積就越小，電機就可實現高效率的節能運行。

圖3內饋調速功率圓示意圖4斬波內饋調速控制方案 
       

在該供熱系統中，選擇6kV, 450kW ( YQT2 -450一8)的高壓電動機作為調速電機。以循環電動泵作為供熱動力，通過斬波內饋裝置調節泵的轉速來實現介質恒壓供熱，供熱介質壓力設定在0.6一0. 7MPa之間，能夠滿足一般城市居民的供熱要求。對于樓層較高的居民，可通過二級加壓的方法進一步提高介質壓力，以便滿足樓層要求。 
       斬波內饋調速控制器作為恒壓供熱控制系統的核心，要完成對系統所有輸入信號的采集、所有輸出單元的控制、所有控制流程的實現以及控制算法的實現，等等。調速控制器采用PID控制算法，它是應用最廣泛的一種自動控制器，具有原理簡單、易于實現、參數整定方便、結構改變靈活、適用性強、魯棒性強等優點，對于大多數控制對象都能獲得滿意的控制效果。 
       在本系統中，由于控制過程對精度要求不高，但要求系統控制平穩，執行機構不要頻繁動作，故選用帶死區的PID增量式控制算法。所謂帶死區PID增量式控制算法，就是在計算機中人為地設置一個不靈敏區β，當偏差的絕對值小于β時，不會產生新的控制增量，控制量維持不變；當偏差的絕對值大于β時，則進行正常的PID增量式運算后輸出。 
       4.1靳波內饋調速控制器的硬件組成
斬波內饋調速控制器硬件系統以AT89C52單片機為控制核心，包括輸入通道、輸出通道、顯示鍵盤電路、電源電路。 
       AT89系列的單片機89C52為中心控制CPU,它以MCS - 51為內核，與MCS - 51系列的軟硬件兼容。它體積小，使應用更加靈活，時鐘頻率的提高可使運算速度加快，在片內有Flash存儲器（FPER-OM)，使調試開發更為方便。AT89系列的單片機是一種總線工業計算機，和IBM個人計算機在軟件上完全兼容。采用無源底板結構，將主板模塊化，可以在故障時迅速替換，一般使用電子盤固化應用程序，不使用機械盤運行，還特殊設計了監視跟蹤定時器，對于各種干擾造成的程序紊亂可在無人干預下自動復位。控制器的控制核心的組成如圖4所示。

圖4控制器的控制核心組成框圖 

     

  4.21/0通道單元 
       (1)供熱母管壓力測量信號和供熱壓力給定信號通道 
       供熱母管壓力測量信號和供熱壓力給定信號為 模擬量輸入信號，硬件結構如圖5所示。
        各組件介紹： 
        ①輸入級：R1為運算放大器OP2B的輸入電阻，同時Rl和Cl組成模擬輸入信號的濾波電路，濾除公司壓力信號中的高頻干擾；二極管Dl起輸入嵌位作用，防止輸入模擬電壓過大；二極管D2起輸入反相保護，防止輸入模擬電壓為負信號。 
        ②隔離放大器：運算放大器OP2B、電容C12、電阻R16, Rl7, Rl8、電位器W2和光電藕合器M02組成模擬信號的隔離放大電路；由于光電禍合器具有較大的非線性，直接傳送模擬量時，精度較差，而傳統的調制解調電路和非線性補償電路既復雜又龐大，在一般的控制系統中不適用。 

        圖S模擬量輸入通道 
       

電位器W2和光電藕合器M02組成輸出級，M02A和M02B的初級串聯，共用一個激勵電流，假設為11, R17即為限流電阻。M02B和R18形成負反饋。假設M02A和M02B的電流非線性傳遞函數分別為Gl(11）和G2(I1)。則有 
       12＝Gl（11）；13＝G201） 
       對于放大器OP2B來說，根據理想運算放大器的概念有如下關系 
       U1＝13 x R18；Uo＝12xW2 
       隔離放大器的增益為G= Uo/U,，即有G=KxGl/G2，其中K=W2/Rl8o
M02A和M02B為同一封裝的雙光電藕合器TLP521一2，因此可以認為它們傳遞函數的溫度特性和電流非線性完全一致，即Gl=G2，所以G= K,常數K就為隔離放大器的電壓傳輸比。由于兩個光電藕合器是對稱的，一個作為輸出，一個作為反饋，補償了它們的非線性，又起到了模擬信號的隔離作用，能很好地隔離共模干擾。 
       由于光電禍合器初、次級之間存在傳輸延時，M02B和R18組成的負反饋電路反映延時，容易引
起自激，因此電容C12就是消除自激振蕩。 
        OA/D轉換器：采用ADC0809芯片，是8位逐次逼近式A/D轉換器，轉換速度快，可接收8路模擬量輸入信號，在程序控制下對任意通道進行A/D轉換，得到8位的二進制數字量。 
       由于ADC0809片內無時鐘，可利用單片機提供的地址鎖存信號ALE經D觸發器二分頻后獲得。 
       由于ADC0809具有輸出三態鎖存器，故其8位數據輸出線可直接與單片機數據總線相連。單片機的低8位地址信號在ALE作用下，鎖存在74LS373中。74LS373輸出的低3位分別加到ADC0809的通道選擇端A, B, C，作為通道編碼。將單片機的P2.7作為片選信號，與麗哀進行或非操作得到一個正脈沖加到ADC0809的ALE和START引腳上。由于ALE和START連接在一起，因此ADC0809在鎖存器地址的同時也啟動轉換。在讀取轉換結果時，用單片機的讀信號反石和P2.7引腳經非門后產生的正脈沖作為OE信號，用以打開三態輸出鎖存器。顯然，上述操作時，P2.7應為低電平。ADC0809的EOC端經一反相器連接到單片機的P3.3端，作為中斷信號。 
       采用中斷信號可大大節省時間。當轉換結束時，EOC向單片機發出中斷申請信號，CPU響應中斷請求，由中斷服務子程序讀取A/ D轉換結果并存儲到RAM中，然后啟動ADC0809的下一次轉換。 
       (2)斬波器開關控制信號通道 
       斬波內饋調速裝置的斬波器開關是單片機的模擬量輸出信號，其硬件結構如圖6所示。DAC0832是國內使用較為普遍的8位D/ A轉換器，由于片內有輸入數據寄存器，故可以直接與單片機接口。DAC以電流形式輸出，需要外接運算放大器轉換為電壓輸出信號，以便觸發斬波器開關的導通。

圖6斬波器開關觸發信號的模擬量輸出通道 
       

在本系統中DAC0832采用單緩沖器工作方式，即分別將輸入鎖存器的引腳和DAC寄存器相應的控制信號引腳連在一起，使一個數據直接寫入DAC寄存器，立即進行D/ A轉換，此時鎖存器不起作用。圖中ILE接＋5V, Iou二接地，LOUT2輸出電流經運算放大器變換后輸出單極性電壓信號；片選信號CS和數據傳送控制信號XFER都與89C52的地址線相連，因此輸入鎖存器和DAC0832的地址都為7FFFH。WR1,WR2均與89052的寫信號線WR相連。CPU對DAC0832執行一次寫操作，則將一個數據直接寫入DAC寄存器，DAC0832的輸出模擬量隨之變化。由于DAC0832具有數字量的輸入鎖存功能，故數字量可以直接從89052的PO口送入。 
       (3)斬波內饋調速器觸發信號通道 
       單片機控制觸發裝置由單片機89052,1塊16位的定時／計數器芯片8253、晶振電路和一塊帶14位定時／計數器的可編程RAM/ IO擴展器8155組成。其硬件結構如圖7所示。

圖7觸發電路 
       三相同步信號經RC移相后使其過零點正好都對準6個自然換相點。再經3個電壓比較器輸出20ms的三相同步方波信號送至單片機。由于同步信號跳變即為自然換相點，單片機監測到這三位狀態字，即可進入軟件認相，并作出士A、士B、士C的標志，以供最小逆變角βmin定時和觸發控制用。本系統有源逆變器的控制脈沖不再移動，而是鎖定在最小逆變角，使有源逆變的觸發脈沖非常可靠；功率調節由斬波開關來完成。
本系統采用脈沖列觸發方式，6個觸發脈沖由8155A口送出，由外部電路調制成頻率為2kHz的脈沖列，經功放后，分別送至6個可控硅的門極。 
       5  結論 
       在該系統中，作為循環水的供應動力的循環電動泵，通過斬波內饋裝置系統調節泵的轉速來實現介質恒壓供熱，實現了微機控制，完全滿足生產工藝流程的要求，達到了節省電能的目的，這種調速方式較常規變頻調速方式有諸多優點。
參考文獻
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作者簡介：宋繼孚（1968一），男，工程碩士研究生，工程師，主
要從事熱電廠電氣及熱工自動化工作。