锁相环同步切换控制应用研究

史晶

（长春职业技术学院，吉林 长春 130000）

在中、大容量供水系统中，由于供水管网铺设复杂、弯管多、控制对象具有高阶次、大滞后、强耦合、非线性及参数时变的特点，难以利用有效的解析式数学模型进行闭环控制，以及多台水泵并联运行时，水泵电机由变频电源供电向工频电源供电切换过程中所产生的过电压过电流冲击这两个难题，提出了采用锁相环同步控制技术实现变频电源和工频电源的平稳切换；采用模糊控制技术，实现供水系统的恒压控制。

1 锁相环的组成

锁相环(PLL)是以消除频率误差为目的的反馈控制电路，其输出信号的频率跟踪输入信号的频率。当输出信号频率与输入信号频率相等时，输出电压和输入电压保持固定的相位差值。锁相环路由三部分组成:鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)。如图1所示。

图1 锁相环路图的原理图

2 锁相环的相位模型

锁相环路的相位模型如图1所示。其中，为鉴相器放大倍数，为低通滤波器传递函数，为压控振荡器传递函数。

低通滤波器传递函数的不同，将导致整个锁相环路闭环传递函数的改变，从而影响环路的性能。有源比例积分环路滤波器具有低通特性和比例作用，其相频特性有超前校正作用。

3 锁相环的性能分析

3.1 锁相环路的稳态误差分析

对于工频电源的频率扰动 ，在环路动态调节过程中，系统相位误差就会逐渐减小，达到同步锁定状态时，稳态相位差趋近于零。

3.2 锁相环路的动态响应误差分析

当环路处于锁定状态时，输出频率与输入频率相同，两者之间只有一个稳态相差。在此条件下，若输入信号发生相位或频率的变化，通过环路自身的控制作用，环路输出信写会跟踪输入信号的变化。本系统锁相环路的输入信号为工频信号，工频信号50Hz上下波动时产生的频率变化量 可看作是阶跃信号：θ1(s)=△ω/s2环路误差动态响应输出曲线如图所示。由相对误差响应曲线图可知，最大的相位误差是随着ζ值的减小而增大的，当ζ=0.707时，锁相环路的相位误差响应较快，超调较小。

4 基于锁相环的恒压供水同步控制的设计

4.1 锁相环同步控制原理图

基于PLL原理的变频电源与工频电源的锁相环同步控制电路如图2所示。它具有跟踪快速性、跟踪频率准确、抗干扰能力强等优点。

4.2 锁相环的工作原理

工频电源的线电压经电压互感器降压后，由V/F转换电路变成频率为 的脉冲信号，变频器输出的线电压经电压互感器降压后，由V/F转换电路变成频率为 的脉冲信号。以工频信号 作为基准信号，与变频器的反馈输出信号 在CD4046的鉴频鉴相器中进行频率与相位比较，产生正比于频率和相位差的信号电压，此电压经低通滤波器放大后去控制变频器的输出，以实现变频器输出相电压信号与工频电源的相电压信号同频率同相位。一旦负载出现波动使变频器输出电压信号发生变化，反馈信号 就随之变化，它与给定工频信号 产生频差，此时相位比较器的输出信号发生变化，经低通滤波器放大后去改变变频器输入给定值，使变频器输出产生相应变化，直至反馈信号的频率与给定信号的频率重新达到相等，系统重新进入稳态。由于锁相系统达到稳态时，其反馈信号频率被锁定到给定信号频率上，即fo=fi，频差为零，相差保持在一个很小的范围内。此时输出允许同步切换信号，变频电源和工频电源便可实现安全、平稳地切换。

系统工作时，当水压低于给定值，在模糊PID控制器作用下，变频器输出频率达到控制器调节的上限值仍然不能满足要求时，系统投入同步切换控制状态。此时，变频器输出电压信号跟踪工频电源信号，当两个电源频率相同且相位差稳定在一个较小的数值，进入锁定状态时，集成锁相环CD4046的端子1输出高电平，系统允许同步切换控制信号送入PLC。若PLC检测到这个信号，就发出切换控制指令，实现变频电源与工频电源安全、平稳的切换。供水系统变频运行与工频运行同步切换控制主电路电气连接如图3所示。系统变频运行与工频运行同步切换控制的过程如图3。

当系统开始变频运行时，PLC控制继电器SSR2动作，其内部常开触点SW闭合，即主电气连接图中的SSR2闭合，从而使接触器KM2的线圈得电，其主触点闭合接通变频器与电机，水泵电机M变频运行；当系统进入同步锁定状态满足切换条件时，PLC控制继电器SSR1动作，其内部常开触点闭合，即主电气连接图中的SSR1闭合，从而使接触器KM1的线圈得电，主触点闭合工频电源与水泵电机接通，水泵电机M工频运行。同时，为了保证系统安全运行，通过接触器KM1和KM2的辅助触点实现系统变频与工频运行的电气连锁控制。

[1]王伟,李祖才,秦泅新.变频调速恒压供水系统.自动化技术与应用.2000，19(2):26-27

[2]徐强.全自动变频恒压供水系统的设计.西北轻工业学院学报.2000,6:102-106

[3]姜义初，王豪才，陈志云.一种基于模糊控制的恒压供水系统.电子技术应用.2005,11:21-24