摘    要：介紹在汽輪機(jī)循環(huán)水供熱中對(duì)水泵進(jìn)行無級(jí)調(diào)速的斬波內(nèi)饋調(diào)速原理、硬件組成及各信號(hào)通道。
        關(guān)鍵詞：斬波內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)  斬波控制裝置  汽輪機(jī)  循環(huán)水供熱系統(tǒng)
        一、循環(huán)水供熱系統(tǒng)簡介
        為了提高熱電廠效率，充分利用汽輪機(jī)循環(huán)水余熱等廢棄能源，對(duì)3#汽輪發(fā)電機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行了改造。
        循環(huán)水供熱系統(tǒng)流程圖，如圖1所示。
        利用汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)水作為采暖供熱介質(zhì)，汽輪機(jī)凝汽器真空的方法，將循環(huán)水出口溫度提高到60- 70℃，根據(jù)環(huán)境溫度，直接利用循環(huán)水供熱，也可通過加熱器進(jìn)一步提升溫度，再供熱給用戶，供熱面積可達(dá)一百多萬平方米。

 

圖1　　汽輪機(jī)循環(huán)水供熱系統(tǒng)

        3＃汽輪發(fā)電機(jī)組型號(hào)為C12-4.9/0.98；凝汽器型號(hào)為N-1000-1，系統(tǒng)以兩臺(tái)循環(huán)電動(dòng)泵或一臺(tái)汽泵作為供熱動(dòng)力。當(dāng)以循環(huán)汽泵作為供熱動(dòng)力時(shí)，選擇青島遠(yuǎn)東工業(yè)汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的BO.55-0.7/0.2型熱功聯(lián)產(chǎn)汽輪機(jī)作為供熱循環(huán)泵的調(diào)速動(dòng)力。通過調(diào)節(jié)汽泵轉(zhuǎn)速來達(dá)到介質(zhì)恒壓（6-7MPa）供熱。當(dāng)以循環(huán)電泵作為供熱動(dòng)力時(shí)，選擇保定北方調(diào)速有限公司(BBT）生產(chǎn)的6kV、450kW (YQT2-450-8)的斬波內(nèi)饋高壓電動(dòng)機(jī)作為循環(huán)泵調(diào)速電機(jī)。通過斬波內(nèi)饋裝置調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)介質(zhì)恒壓（6-7MPa）供熱。其流程為：凝汽器循環(huán)水經(jīng)凝汽器、循環(huán)電泵～供熱旁路或加熱器～供熱管網(wǎng)。
循環(huán)水補(bǔ)水系統(tǒng)采用ABB公司的變頻裝置。
        本文僅就斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)部分進(jìn)行分析介紹。
        二、斬波內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)
        ZNT-2000型斬波內(nèi)饋交流調(diào)速系統(tǒng)是一種適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載節(jié)能降耗的新型高壓交流調(diào)速系統(tǒng)，主要由YQT型斬波內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)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(tǒng)具有調(diào)速平滑、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)，調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

 
        ZN—真空斷路器　ZL－轉(zhuǎn)子整流器　NB—有源逆變器
        ZB—斬波器　　PRB—頻敏電阻
        YQT一內(nèi)饋交流調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)
        SRD－快速熔斷器　1KM～3KM—交流接觸器
圖2　　斬波內(nèi)饋交流調(diào)速系統(tǒng)原理

        1．?dāng)夭▋?nèi)饋調(diào)速原理
        內(nèi)饋調(diào)速是將內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)子的部分電磁功率移出，使余下的電磁功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，移出的功率越多，轉(zhuǎn)化的機(jī)械功率越少，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越低。因此，改變移出功率的大小，就可控制輸出機(jī)械功率的大小，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。斬波內(nèi)饋調(diào)速原理如圖3所示。圖3中轉(zhuǎn)子功率圓斜線右邊部分為移出功率，它通過電機(jī)的內(nèi)饋繞組送回定子，以提高效率。內(nèi)饋電機(jī)設(shè)置了內(nèi)饋繞組，是接受從轉(zhuǎn)子移出的功率，同時(shí)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(jī)械功率，在調(diào)速時(shí)機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)高效率的節(jié)能運(yùn)行。
        2.斬波內(nèi)饋調(diào)速控制器的硬件組成
        斬波內(nèi)饋控制器作為恒壓供熱控制系統(tǒng)的核心，要完成對(duì)系統(tǒng)所有輸入信號(hào)的采集、輸出單元的控制、控制流程及控制算法的實(shí)現(xiàn)等。

 

        Pm—機(jī)械功率　Pem—轉(zhuǎn)子電磁功率
        P3—內(nèi)饋繞組功率  Pes—電轉(zhuǎn)差功率
圖3  內(nèi)饋調(diào)速功率圓示意圖

        斬波內(nèi)饋調(diào)速控制器硬件系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)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(nèi)核，與MCS一51系列的軟硬件兼容。片內(nèi)有閃存（Hash)存儲(chǔ)器，和IBM個(gè)人計(jì)算機(jī)在軟件上完全兼容，采用無源底板結(jié)構(gòu)，將主板模塊化，可以在故障時(shí)迅速替換，一般使用電子盤固化應(yīng)用程序，還特殊設(shè)計(jì)了監(jiān)視跟蹤定時(shí)器，對(duì)于各種干擾造成的程序紊亂可在無人干預(yù)下自動(dòng)復(fù)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(jī)89C52的數(shù)據(jù)、地址和控制總線用于擴(kuò)展A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、開關(guān)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(shí)器。
        (2)采用MAX813L保護(hù)電路，具有上電掉電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、看門狗定時(shí)器等功能。
        (3)采用GAL16V8芯片譯碼對(duì)外設(shè)芯片進(jìn)行片選。
        (4)單片機(jī)89C52通過ⅡC串行總線對(duì)串行EEPROM進(jìn)行讀寫訪問操作，系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)和一些掉電時(shí)需要保護(hù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在串行EEPROM 24C02中。
        (5)供熱母管壓力信號(hào)和供熱壓力給定信號(hào)通過ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸入至單片機(jī)89C52。ADC0809是8位逐次逼近式、單片CMOS集成A/D轉(zhuǎn)換器，具有鎖存功能的8路模擬量多路開關(guān)，可對(duì)8路輸入模擬量信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，還具有多路開關(guān)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(shí)序電路等。
        (6)單片機(jī)89C52對(duì)斬波內(nèi)饋調(diào)速裝置的逆變器的控制信號(hào)是通過并行接口芯片8155進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換獲得，轉(zhuǎn)換成低電壓門極控制信號(hào)，來控制斬波器的自關(guān)斷開關(guān)的門極，將斬波內(nèi)饋調(diào)速裝置內(nèi)固定的直流電變成可調(diào)的直流電，再經(jīng)過斬波內(nèi)饋調(diào)速裝置內(nèi)的逆變器轉(zhuǎn)換成三相交流電反送至電動(dòng)機(jī)定子繞組。
        (7)16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器8253芯片、晶振電路、14位定時(shí)器／計(jì)數(shù)的可編程RAM/10擴(kuò)展器8155芯片和功率放大器組成斬波內(nèi)饋調(diào)速裝置內(nèi)的逆變器的觸發(fā)裝置。
        (8)系統(tǒng)控制接觸器的數(shù)字量通過74LS373進(jìn)行鎖存輸出。
        (9）系統(tǒng)的開關(guān)量狀態(tài)信號(hào)通過與譯碼電路共用的GAL16V8輸入單片機(jī)。
        (10）顯示電路采用掃描方式，具有功耗低、成本低的特點(diǎn)，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(jī)89C52通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832將開關(guān)控制信號(hào)輸出至內(nèi)饋斬波器。
        3.I/0通道單元
        (1)供熱母管壓力測(cè)量信號(hào)和供熱壓力給定信號(hào)通道
供熱母管壓力測(cè)量信號(hào)和供熱壓力給定信號(hào)為模擬量輸入信號(hào)，硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。①輸入級(jí)R1為運(yùn)算放大器OP2B的輸入電阻，同時(shí)R1和C1組成模擬輸入信號(hào)的濾波電路，濾除壓力信號(hào)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(hù)，防止輸入模擬電壓為負(fù)信號(hào)。②隔離放大器。運(yùn)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(hào)的隔離放大電路。其中W2和光電耦合器M02組成輸出級(jí)，M02A和M02B的初級(jí)串聯(lián)，共用一個(gè)激勵(lì)電流，R17為限流電阻，M02B和R18形成負(fù)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(rèn)為它們的傳遞函數(shù)的溫度特性和電流非線性完全一致，一個(gè)作為輸出，一個(gè)作為反饋，補(bǔ)償了它們的非線性，又起到了模擬信號(hào)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(jí)之間存在傳輸延時(shí)，M02B和R18組成的負(fù)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(zhuǎn)換器采用ADC0809芯片，是8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度快，可接受8路模擬量輸入信號(hào)，在程序控制下對(duì)任意通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到8位的二進(jìn)制數(shù)字量。

 圖5　模擬量輸入通道

        (2)斬波器開關(guān)控制信號(hào)通道
        斬波內(nèi)饋調(diào)速裝置的斬波器開關(guān)是單片機(jī)的模擬量輸出信號(hào)，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。
 

圖6　斬波器開關(guān)觸發(fā)信號(hào)的模擬量輸出通道

        由于DAC0832 8位D/A換轉(zhuǎn)器，片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器，故可以直接與單片機(jī)接口。DAC以電流形式輸出，需要外接運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓輸出信號(hào)，以便觸發(fā)斬波器開關(guān)的導(dǎo)通。
        本系統(tǒng)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(yīng)的控制信號(hào)引腳連在一起，使一個(gè)數(shù)據(jù)直接寫入DAC寄存器，立即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，此時(shí)鎖存器不起作用。圖中ILE接＋5V, IOUT2接地，IOUT1輸出電流經(jīng)運(yùn)算放大器變換后輸出單極性電壓信號(hào)：片選信號(hào) 和數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)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(hào)線 相連。CPU對(duì)DAC0832執(zhí)行一次寫操作，則將一個(gè)數(shù)據(jù)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(shù)字量的輸入鎖存功能，故數(shù)字量可以直接從89C52的PO口送入。
        (3)斬波內(nèi)饋調(diào)速器觸發(fā)信號(hào)通道
單片機(jī)控制觸發(fā)裝置由單片機(jī)89C52、一塊16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器芯片8253、晶振電路和一塊帶14位定時(shí)／計(jì)數(shù)的可編程RAM/IO擴(kuò)展器8155組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

 

圖7　　觸發(fā)電路

        三相同步信號(hào)經(jīng)RC移相后使其過零點(diǎn)時(shí)正好都對(duì)準(zhǔn)六個(gè)自然換相點(diǎn)。再經(jīng)三個(gè)電壓比較器輸出20ms的三相同步方波信號(hào)至單片機(jī)89C52。單片機(jī)監(jiān)測(cè)到這三位狀態(tài)字，即可進(jìn)入軟件認(rèn)相，并作出±A、±B、±C的標(biāo)志，以供最小逆變角際定時(shí)和觸發(fā)控制用。本系統(tǒng)有源逆變器的控制脈沖不再移動(dòng)，而是鎖定在最小逆變角，使有源逆變的觸發(fā)脈沖非常可靠；功率調(diào)節(jié)由斬波開關(guān)來完成。
        本系統(tǒng)采用脈沖列觸發(fā)方式，六個(gè)觸發(fā)脈沖由8155 B口送出，由外部電路調(diào)制成頻率為2kHz的脈沖列，經(jīng)功放后，分別送至六個(gè)可控硅的門極。
        三、結(jié)論
        作為循環(huán)水供應(yīng)動(dòng)力的循環(huán)電動(dòng)泵，通過斬波內(nèi)饋裝置系統(tǒng)來調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)介質(zhì)恒壓供熱，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)控制，完全滿足生產(chǎn)工藝流程的要求，達(dá)到了節(jié)省電能的目的，這種調(diào)速方式較常規(guī)變頻調(diào)速方式有諸多優(yōu)點(diǎn)。