斬波內饋裝置用于汽輪機凝汽器循環水供熱
摘 要：介紹在汽輪機循環水供熱中對水泵進行無級調速的斬波內饋調速原理、硬件組成及各信號通道。
關鍵詞：斬波內饋調速電機 斬波控制裝置 汽輪機 循環水供熱系統
一、循環水供熱系統簡介
為了提高熱電廠效率，充分利用汽輪機循環水余熱等廢棄能源，對3#汽輪發電機組循環水系統進行了改造。
循環水供熱系統流程圖，如圖1所示。
利用汽輪機凝汽器循環水作為采暖供熱介質，汽輪機凝汽器真空的方法，將循環水出口溫度提高到60- 70℃，根據環境溫度，直接利用循環水供熱，也可通過加熱器進一步提升溫度，再供熱給用戶，供熱面積可達一百多萬平方米。
圖1 汽輪機循環水供熱系統
3＃汽輪發電機組型號為C12-4.9/0.98；凝汽器型號為N-1000-1，系統以兩臺循環電動泵或一臺汽泵作為供熱動力。當以循環汽泵作為供熱動力時，選擇青島遠東工業汽輪機有限公司生產的BO.55-0.7/0.2型熱功聯產汽輪機作為供熱循環泵的調速動力。通過調節汽泵轉速來達到介質恒壓（6-7MPa）供熱。當以循環電泵作為供熱動力時，選擇保定北方調速有限公司(BBT）生產的6kV、450kW (YQT2-450-8)的斬波內饋高壓電動機作為循環泵調速電機。通過斬波內饋裝置調節泵的轉速來實現介質恒壓（6-7MPa）供熱。其流程為：凝汽器循環水經凝汽器、循環電泵～供熱旁路或加熱器～供熱管網。
循環水補水系統采用ABB公司的變頻裝置。
本文僅就斬波內饋調速系統部分進行分析介紹。
二、斬波內饋調速系統
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，主要由YQT型斬波內饋調速電機和ZNK斬波控制裝置組成，是一種以低電壓（通常為220SOOV )控制高壓（6一IOW的合理方案。該系統具有調速平滑、效率高、結構簡單、成本低等特點，調速系統原理圖如圖2所示。
ZN—真空斷路器 ZL－轉子整流器 NB—有源逆變器
ZB—斬波器 PRB—頻敏電阻
YQT一內饋交流調速三相異步電動機
SRD－快速熔斷器 1KM～3KM—交流接觸器
圖2 斬波內饋交流調速系統原理
1．斬波內饋調速原理
內饋調速是將內饋調速電機轉子的部分電磁功率移出，使余下的電磁功率轉化為機械功率，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。斬波內饋調速原理如圖3所示。圖3中轉子功率圓斜線右邊部分為移出功率，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，是接受從轉子移出的功率，同時又將移出功率送還給定子。電源提供給定子繞組的功率P1＝Pem-P3=Pm，即電源供出的只是機械功率，在調速時機械功率圓面積越小，定子功率圓面積越小，電源提供給定子功率越小，電機實現高效率的節能運行。
2.斬波內饋調速控制器的硬件組成
斬波內饋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、輸出單元的控制、控制流程及控制算法的實現等。
Pm—機械功率 Pem—轉子電磁功率
P3—內饋繞組功率 Pes—電轉差功率
圖3 內饋調速功率圓示意圖
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、輸出通道、顯示鍵盤電路、電源電路。它以MCS一51為內核，與MCS一51系列的軟硬件兼容。片內有閃存（Hash)存儲器，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，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。控制器的組成如圖4所示。
圖4 控制器組成框圖
(1)單片機89C52的數據、地址和控制總線用于擴展A/D和D/A轉換器、開關量輸入輸出緩沖以及顯示段碼輸出；1/0接口接受按鍵輸入、模擬IIC總線控制串行EEPROM、輸出顯示位掃描線及刷新看門狗定時器。
(2)采用MAX813L保護電路，具有上電掉電復位、手動復位、看門狗定時器等功能。
(3)采用GAL16V8芯片譯碼對外設芯片進行片選。
(4)單片機89C52通過ⅡC串行總線對串行EEPROM進行讀寫訪問操作，系統設定的數據和一些掉電時需要保護的數據存儲在串行EEPROM 24C02中。
(5)供熱母管壓力信號和供熱壓力給定信號通過ADC0809進行A/D轉換輸入至單片機89C52。ADC0809是8位逐次逼近式、單片CMOS集成A/D轉換器，具有鎖存功能的8路模擬量多路開關，可對8路輸入模擬量信號分時進行轉換，還具有多路開關的地址譯碼和鎖存電路、比較器、逐次逼近寄存器SAR、控制與時序電路等。
(6)單片機89C52對斬波內饋調速裝置的逆變器的控制信號是通過并行接口芯片8155進行D/A轉換獲得，轉換成低電壓門極控制信號，來控制斬波器的自關斷開關的門極，將斬波內饋調速裝置內固定的直流電變成可調的直流電，再經過斬波內饋調速裝置內的逆變器轉換成三相交流電反送至電動機定子繞組。
(7)16位定時器／計數器8253芯片、晶振電路、14位定時器／計數的可編程RAM/10擴展器8155芯片和功率放大器組成斬波內饋調速裝置內的逆變器的觸發裝置。
(8)系統控制接觸器的數字量通過74LS373進行鎖存輸出。
(9）系統的開關量狀態信號通過與譯碼電路共用的GAL16V8輸入單片機。
(10）顯示電路采用掃描方式，具有功耗低、成本低的特點，其中段碼輸出采用鎖存器74LS373，位碼輸出采用4一10譯碼器74LS145。
(11)單片機89C52通過D/A轉換器DAC0832將開關控制信號輸出至內饋斬波器。
3.I/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。①輸入級R1為運算放大器OP2B的輸入電阻，同時R1和C1組成模擬輸入信號的濾波電路，濾除壓力信號中的高頻干擾；二極管D1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、R17、Rl8、電位器W2和光電耦合器M02組成模擬信號的隔離放大電路。其中W2和光電耦合器M02組成輸出級，M02A和M02B的初級串聯，共用一個激勵電流，R17為限流電阻，M02B和R18形成負反饋。由于M02A和M02B為同一封裝的雙光電耦合器TLP521-2，因此可以認為它們的傳遞函數的溫度特性和電流非線性完全一致，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。由于光電耦合器初、次級之間存在傳輸延時，M02B和R18組成的負反饋電路容易引起自激，因此電容C12就是消除自激振蕩。③A/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，可接受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。
圖5 模擬量輸入通道
(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，其硬件結構圖如圖6所示。
圖6 斬波器開關觸發信號的模擬量輸出通道
由于DAC0832 8位D/A換轉器，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。
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, IOUT2接地，IOUT1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 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。均與89C52的寫信號線 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89C52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89C52、一塊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移相后使其過零點時正好都對準六個自然換相點。再經三個電壓比較器輸出20ms的三相同步方波信號至單片機89C52。單片機監測到這三位狀態字，即可進入軟件認相，并作出±A、±B、±C的標志，以供最小逆變角際定時和觸發控制用。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，六個觸發脈沖由8155 B口送出，由外部電路調制成頻率為2kHz的脈沖列，經功放后，分別送至六個可控硅的門極。
三、結論
作為循環水供應動力的循環電動泵，通過斬波內饋裝置系統來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。