基于交流斩波控制技术的水泵调速探讨

门秀利

摘 要：本文通过分析交流斩波控制技术的基本原理，在一定范围内实现对水泵的无级调速，从而满足水路循环系统根据不同环境、不同条件及不同状态下，水泵输出不同的功率曲线的要求。

关键词：交流斩波；无级调速；PWM

在工程系统循环水路中串接水泵作为水流动的动力源，是目前工程系统较为实用的一种方法，但由于工程系统工作的复杂性，其工作环境、工作条件及工作状态是随着时间而改变的，如白天的环境温度一般会高于晚上、某时段的热水使用频率及用量要高于其他时段等，而这些因素的改变往往需要循环水路水泵运行状态改变来达到节能的目的，即水泵的功率能随这些因素的变化而变化，另外，水泵的功率与转速存在一定的正比关系，所以只要能实现水泵随运行因素的变化而变化就可以实现节能的目的。

由上述问题分析可知，一般的定速水泵是不利于系统的节能的，只有实现水泵的速度可调节才可达到节能的效果，变频水泵就是节能水泵的佼佼者，但由于其价格一般要比定速水泵高出许多，因此在中国一般的工程系统研发中不被采用。本文是通过目前较为成熟的交流斩波控制技术实现对普通定速水泵无级调速的目的，达到节能的效果。

1 交流斩波控制技术基本原理

（1）交流斩波控制技术原理分析

交流斩波控制技术的简化等效电路原理如下图1所示。图中S1、S2为双向电子开关（一般采用双向可控硅）可以通过双方向的电流，并且双方向都可以控制开通和控制关断。电子开关最简单的控制规律为S1、S2的开关状态在时间上为互补，即S1接通时S2断开，S2接通时S1断开。设电子开关的工作周期为T，S1接通、S2断开的时间为Ton；S2接通、S1断开的时间为Toff。占空比D=Ton/T。S1接通、S2断开时电源电压与负载电压相等，电源为负载提供电能；S2接通、S1断开时，电源停止向负载供电，如果负载为电感性，电流通过S2形成续流通路。

（2）交流斬波控制技术数学模型基础

交流斩波控制技术从控制原理分析有以下三种控制方式：

①、脉宽调制方式（即PWM方式）：TS（周期）不变，改变Ton（导通时间）。

②、频率调制方式：Ton（导通时间）不变，改变TS（周期）。

③、混合型方式：Ton（导通时间）及TS（周期）都改变。

上述三种控制方式，其中方式1（即PWM脉宽调制方式）是目前最为有效及应用最广泛的一种，因此本文交流斩波控制技术也采用PWM脉宽调制方式。交流PWM脉宽调制基本原理与直流脉宽调制原理一样，只是斩波调制对象不同，及电路结构上要求能对交流电进行双向调制，为高频周期矩形波函数对正弦函数的调制，调制原理傅里叶展开分析如下：

由上述公式分析可知，调压原理实际就是输入电压函数Ui（t）受开关函数S（t）比例调节的结果，见下图2，从图中可以看出输出电源的交流特性基本保持了原输入电源的交流特性，只是电压的幅值有所变化，即输出电压可在输入电压范围内实现输出一定的电压范围，且保留原交流电源的特性，这也是交流斩波控制技术的基本原理，如果把该输出电压施加在水泵上，即可实现对水泵的连续调速。

2 系统设计方案及原理分析

（1）系统设计探讨

本文采用了图3所示的速度反馈式调压调速闭环控制系统，通过中央控制系统对工程系统环境、运行状态及热水需求等数据进行采集及分析，然后再采用交流斩波控制技术实现对水泵转速的调节，同时该系统还对水泵的变化设计有反馈回路，中央控制系统能实时的收集水泵运作的变化信号，并能根据该反馈信号对水泵进行相应的控制，使水泵恒定在需要的转速上。

（2）调速系统动态模型探讨

根据上图3所示的速度反馈式调压调速闭环控制系统，本文提出对系统进行动态分析和设计的动态结构框图，如下图4所示，根据调速系统动态模型可以更深入了解交流斩波控制技术对水泵调速的原理。

根据电气传动的相关知识ASR采用PI调节器，用以改善系统对水泵的调速性能。

所以

由于交流斩控调压器的响应有延迟，其最大的时延是一个开关周期Ts。因此PWM发生器与交流斩控调压器（简称PWM装置）可以看成是一个迟后环节，其传递函数为：

利用上述公式可以深入分析中央控制系统对各个部件控制电路的动态调节结果，最终实现对水泵的连续调速，见下图5所示，图中是水泵转速改变后流量与扬程的关系曲线。

3 结论

本文交流斩波控制技术采用速度反馈式调压调速闭环控制系统设计，能充分保证水泵转速输出的稳定性，同时系统还加入了ASR驱动防滑控制技术，优化了交流斩波控制技术的控制方法，有利于防止工程大功率水泵在启动时出现空转现象，另外，中央控制系统增加了环境信息、系统运行状态及热水需求等数据的采集与分析技术，实现了中央控制系统对水泵的智能调节，大大的降低了系统的能源损耗。

参考文献

[1]陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]房绪鹏.斩控式交流调压器的几种新型拓扑[J] 电力电子技术，2002.

[3]黄俊，王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]毛行奎，张文雄.交流斩波控制调压技术探讨论文.福州大学，2004.