鎖相環(huán)同步切換控制在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝 靜，耿凡娜

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

由于供水系統(tǒng)具有大慣性、非線性分布、純滯后性、參數(shù)時(shí)變等特點(diǎn)，因此，難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述；大、中容量供水系統(tǒng)大多采用多臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)水泵運(yùn)行在變頻電源與工頻電源的切換時(shí)，系統(tǒng)的壓力由連續(xù)狀態(tài)變?yōu)椴▌?dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)等效于受到了嚴(yán)重的階躍干擾，對(duì)于大功率電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，在斷開(kāi)電源后，由于慣性的存在，轉(zhuǎn)子依然會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，在定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)消失。由于變頻轉(zhuǎn)工頻時(shí)間極短，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)依然存在，因此必須充分考慮定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)切換過(guò)程的影響。大功率電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻能否成功，關(guān)鍵在于變頻轉(zhuǎn)工頻瞬時(shí)，工頻電源和變頻輸出電源是否相位一致。

采用鎖相環(huán)同步切換技術(shù)[1]可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電源同頻率同相位的平穩(wěn)切換，在切換前變頻器輸出的頻率平穩(wěn)上升到50 Hz，然后借助同步切換裝置使變頻器輸出電壓的頻率相位同工頻電源取得一致，兩個(gè)電源在保持同步狀態(tài)下切換[2]，可大大減小電流沖擊，切換過(guò)程設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。

1 鎖相環(huán)的組成與工作原理

鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，簡(jiǎn)稱 PLL）[3]是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，其輸出信號(hào)的頻率跟蹤輸入信號(hào)的頻率。當(dāng)其輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓和輸入電壓保持固定的相位差值。特點(diǎn)是：利用外部輸入的參考信號(hào)控制環(huán)路內(nèi)部振蕩信號(hào)的頻率和相位。鎖相環(huán)由3部分組成：鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）和壓控振蕩器（VCO），圖 1[4]為鎖相環(huán)的構(gòu)成框圖，其中：

鑒相器（PD）是一個(gè)相位比較裝置，將參考輸入信號(hào) θi（t）與環(huán)路輸出信號(hào)θo（t）的相位進(jìn)行比較，輸出一個(gè)正比于兩信號(hào)相位差的電壓信號(hào)ud（t），所以鑒相器是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。

環(huán)路濾波器（LPF）的輸入為鑒相器的輸出信號(hào)，濾波器的作用是濾掉輸入信號(hào)的高頻成分后得到電壓信號(hào) uc（t）。

壓控振蕩器（VCO）受電壓信號(hào) uc（t）作用，可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的頻率fo跟蹤輸入信號(hào)頻率fi。

圖1 鎖相環(huán)（PLL）的構(gòu)成原理框圖Fig.1 Phase-Locked Loop（PLL） constitute ablock diagram

參照?qǐng)D1中各部分的作用，簡(jiǎn)要闡述鎖相環(huán)的工作原理：

1）對(duì)壓控振蕩器（VCO）的輸出fo進(jìn)行采集并分頻；

2）分頻后的信號(hào)fo和基準(zhǔn)信號(hào)fi同時(shí)輸入鑒相器（PD）；

3）鑒相器（PD）通過(guò)比較上述兩個(gè)信號(hào)的頻率差Δf=fo-fi，然后輸出一個(gè)脈沖電壓 ud（t）；

4）脈沖信號(hào) uc（t）控制壓控振蕩器（VCO），使它的頻率發(fā)生改變；

5）通過(guò)這樣的閉環(huán)控制，經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的時(shí)間，壓控振蕩器（VCO）的輸出就會(huì)穩(wěn)定于某一期望值。

鎖相環(huán)路在鎖定后，不僅能使輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)頻率嚴(yán)格同步，而且還具有頻率跟蹤特性。環(huán)路濾波器對(duì)噪聲及高頻分量起抑制作用，它對(duì)環(huán)路的參數(shù)調(diào)整起著決定性作用[5]。

2 鎖相環(huán)的相位模型

根據(jù)經(jīng)典自動(dòng)控制理論，作鎖相環(huán)（PLL）的相位模型如圖2所示。

圖2 鎖相環(huán)（PLL）的相位模型Fig.2 Phase-Locked Loop（PLL） phase model

環(huán)路濾波器（LPF）傳遞函數(shù)的不同將導(dǎo)致整個(gè)鎖相環(huán)路閉環(huán)傳遞函數(shù)的改變，從而影響環(huán)路的性能。有源比例積分環(huán)路濾波器具有低通特性和比例作用，其相頻特性有超前校正作用，傳遞函數(shù)為：

圖中各個(gè)環(huán)節(jié)的作用分別是：

鑒相器（PD）是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，鑒相器的傳遞函數(shù)為：

壓控振蕩器（VCO）的輸入信號(hào)是模擬信號(hào)，輸出信號(hào)為頻率，輸入輸出之間成線性關(guān)系。由于變頻器增益Kv能把電壓轉(zhuǎn)換成頻率，把頻率轉(zhuǎn)換成相位角，因此為積分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：

由于開(kāi)環(huán)諸環(huán)節(jié)均串聯(lián)，可得鎖相環(huán)（PLL）的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

3 鎖相環(huán)的性能分析

3.1 鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)誤差分析

對(duì)于工頻電源的頻率擾動(dòng)，在環(huán)路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程中，系統(tǒng)相對(duì)誤差就會(huì)逐漸減小，達(dá)到同步鎖定狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)態(tài)相位差趨近于零。

3.2 鎖相環(huán)路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)誤差分析

當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，輸出頻率與輸入頻率相同，兩者之間只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)相差。在此條件下，若輸入信號(hào)發(fā)生相位或頻率的變化，通過(guò)環(huán)路自身控制作用，環(huán)路輸出信號(hào)會(huì)跟蹤輸入信號(hào)的變化。本系統(tǒng)鎖相環(huán)路的輸入信號(hào)為工頻信號(hào)，工頻信號(hào)50 Hz上下波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的頻率變化量可看做是階躍信號(hào)，由相對(duì)誤差響應(yīng)曲線圖[6-7]可知，最大的相位誤差是隨著值的減小二增大的，當(dāng)ξ=0.707時(shí)，鎖相環(huán)路的相位誤差響應(yīng)較快，超調(diào)較小。

4 基于鎖相環(huán)的恒壓供水系統(tǒng)同步控制的設(shè)計(jì)

4.1 鎖相環(huán)同步控制原理圖

基于PPL原理的變頻電源與工頻電源的鎖相環(huán)同步控制電路如圖3所示[8]。它具有跟蹤快速性。跟蹤頻率準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 鎖相環(huán)同步控制電路原理圖Fig.3 Phase-Locked Loop（PLL） synchronization control circuit diagram

4.2 鎖相環(huán)的工作原理

工頻電源的線電壓經(jīng)電壓互感器降壓后，由V/F轉(zhuǎn)換電路變成頻率為f1的脈沖信號(hào)，變頻器輸出的線電壓經(jīng)電壓互感器降壓后，由V/F轉(zhuǎn)換電路變成頻率為f0的脈沖信號(hào)。以工頻信號(hào)f1作為基準(zhǔn)信號(hào)，與變頻器的反饋輸出信號(hào)f0在CD4046的鑒頻鑒相器中進(jìn)行頻率與相位比較，并產(chǎn)生正比于頻率和相位差的信號(hào)電壓，此電壓經(jīng)低通濾波器放大后去控制變頻器的輸出，以實(shí)現(xiàn)變頻器輸出相電壓信號(hào)與工頻電源的相電壓信號(hào)同頻率同相位。一旦負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)使變頻器輸出電壓信號(hào)發(fā)生變化，反饋信號(hào)f0就隨之變化，它與給定工頻信號(hào)f1產(chǎn)生頻差，此時(shí)相位比較器的輸出信號(hào)發(fā)生變化，經(jīng)低通濾波器放大后去改變變頻器輸入給定值，使變頻器輸出產(chǎn)生相應(yīng)變化，直至反饋信號(hào)的頻率f0與給定信號(hào)的頻率f1重新達(dá)到相等，系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。由于鎖相系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，其反饋信號(hào)頻率被鎖定到給定信號(hào)頻率上，即f0=f1，頻差為零，相差保持在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。此時(shí)輸出允許同步切換信號(hào)，變頻電源和工頻電源便可實(shí)現(xiàn)安全、平穩(wěn)的切換。

系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)水壓低于給定值。在模糊PID控制作用下，變頻器輸出頻率達(dá)到控制器調(diào)節(jié)的上限值仍然不能滿足要求時(shí)，系統(tǒng)投入同步切換控制狀態(tài)。此時(shí)，變頻器輸出電壓信號(hào)跟蹤工頻電源信號(hào)，當(dāng)兩個(gè)電源頻率相同且相位差穩(wěn)定在一個(gè)較小的數(shù)值，進(jìn)入鎖定狀態(tài)時(shí)，集成鎖相環(huán)CD4046的端子1輸出高電平，系統(tǒng)允許同步切換控制信號(hào)送入單片機(jī)。若單片機(jī)檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)，就發(fā)出切換控制指令，實(shí)現(xiàn)變頻電源與

工頻電源安全、平穩(wěn)切換。系統(tǒng)變頻與工頻的切換方式如下：

通常變頻器設(shè)計(jì)為工頻和變頻回路，如圖4所示。

變頻器供電時(shí)，QS1，QS2，KM1和 KM2閉合；工頻電網(wǎng)供電時(shí)QS3和KM3閉合。QS2和QS3，KM2和KM3在變頻器運(yùn)行時(shí)必須互相閉鎖，保證工頻電源與變頻電源之間進(jìn)行切換。QS1，QS2，QS3用來(lái)徹底切斷系統(tǒng)的電源[9]。

圖4 變頻與工頻電源同步切換主電路電氣圖Fig.4 Power frequency and power frequency synchronous switch main circuit electrical diagrams

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中采用鎖相環(huán)同步切換控制，可以有效地克服切換過(guò)程中的過(guò)電流問(wèn)題，切換過(guò)程設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，有利于延長(zhǎng)電機(jī)壽命。

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