CN104901543A - 电解法压载水管理系统电解电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电解法压载水管理系统电解电源及其控制方法，包括功率回路和控制回路，压载水管路海水流量信号经过放大后，输出到控制回路的单片机和模糊PID控制器；活性物质浓度信号、压载水管路海水流量信号和电流反馈信号进入单片机后经过单片机的运算处理，将运算结果给到模糊PID控制器，模糊PID控制器对电流反馈信号、单片机给定的运算结果、压载水管路流量信号进行处理，并将信号输出给开关管驱动电路，后者对功率回路中移相全桥变换器进行控制，从而改变直流输出的大小。本发明的优点是：在开关电源技术的基础上，引入海水流量信号作为电解法压载水系统的控制信号，有效提高了电解法压载水管理系统对压载水管路中活性物质浓度的控制精度。

Description

电解法压载水管理系统电解电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电解法压载水管理系统电解电源及其控制方法，属于船舶压载水处理领域。

背景技术

现有电解法压载水管理系统基本由活性物质浓度检测单元、电解电源、电解槽、控制单元组成。上述各个部分分别是不同的模块，成本高，体积大。其工作流程为：活性物质浓度检测单元检测压载水管路活性物质浓度，控制单元接收到活性物质浓度检测单元所检测的活性物质浓度信号，根据控制逻辑进行运算从而控制电解电源的电流输出，电流在电解槽内对海水进行电解，产生活性物质进入压载水管路，从而改变压载水管路中活性物质的浓度。

现有技术中的每个控制循环都必须经过控制单元的运算才能改变电解电源的输出电流，响应速度慢，并且在此控制过程中，没有考虑到压载水管路中的海水流量变化对活性物质浓度的影响，因为压载水管路中的海水流量并不是一个非常稳定的值，也是在一定范围内波动，直接影响压载水管路中活性物质的浓度，导致现有电解法压载水管理系统无法将压载水管路中的活性物质控制到很高的精度。

发明内容

本发明目的是提供一种电解法压载水管理系统电解电源，以解决现有技术存在的控制精度差、设备模块多、体积大的问题。

本发明的技术方案是：一种电解法压载水管理系统电解电源，其特征在于，包括功率回路和控制回路：

该功率回路包括依次连接的交流整流电路、交流滤波电路、移相全桥变换器、高频变压器和高频输出滤波电路；移相全桥变换器与软开关电路电原理性连接；

该控制回路包括单片机、显示及按键电路以及依次连接的压载水管路海水流量信号隔离放大电路、模糊PID控制器、移相控制器、开关管驱动电路，开关管驱动电路的输出端与移相全桥变换器电原理性连接；在压载水管路海水流量信号隔离放大电路的输入端连接压载水管路海水流量信号，在该单片机的不同接口分别连接压载水管路海水流量信号隔离放大电路的输出端、模糊PID控制器的对应输入端、移相控制器的对应输入端、显示及按键电路、活性物质浓度信号和电压反馈信号；在单片机和模糊PID控制器的一端均与电流反馈信号连接；

在运行过程中，活性物质浓度信号作为直流输出的粗调信号，将压载水管路中的活性物质浓度控制在给定的范围，压载水管路海水流量信号作为微调信号，通过模糊PID控制器和单片机，快速的对直流输出进行微调，提高压载水管路中活性物质浓度的控制精度。

在所述的单片机上连接有用于与上位机进行通讯串口通讯端，单片机对压载水管路海水流量进行实时监测，上位机通过MODBUS协议对该电解电源进行远程控制和监测。

所述的活性物质浓度给定的范围为5～15ppm，连续可调；活性物质浓度误差≤±1ppm；电流控制误差≤1%；电源效率≥90%；半载纹波系数≤10%。

一种所述的电解法压载水管理系统电解电源的控制方法，其特征在于，所述的压载水管路海水流量信号经过压载水管路海水流量信号隔离放大电路隔离放大后，分别输出到单片机和模糊PID控制器；电流反馈信号分别输出到单片机和模糊PID控制器；活性物质浓度信号、压载水管路海水流量信号和电流反馈信号进入单片机后经过单片机的运算处理，将运算结果给到模糊PID控制器，模糊PID控制器对电流反馈信号、单片机给定的运算结果、压载水管路流量信号经放大后的信号进行处理，处理结果给移相控制器，移相控制器将信号输出给开关管驱动电路，开关管驱动电路对功率回路中移相全桥变换器进行控制，从而改变直流输出的大小。

本发明的优点是：在开关电源技术的基础上，引入海水流量信号作为电解法压载水系统的控制信号，在实船安装使用过程中，在压载水管路海水流量大范围波动的情况下，仍可以保持压载水管路中的活性物质浓度误差≤±1ppm，有效的提高了电解法压载水管理系统对压载水管路中活性物质浓度的控制精度。本发明结构简单，产品体积和重量小，制备成本低，使用操作方便，节省能源。

附图说明

图1是本发明的总体构成框图。

具体实施方式

参见图1，本发明一种电解法压载水管理系统电解电源，包括交流整流电路1，交流滤波电路2，全桥变换器3，高频变压器4，高频输出整流滤波电路5，软开关电路6，压载水管路海水流量信号隔离放大电路7，模糊PID控制器8，移相控制器9，开关管驱动电路10，单片机11，显示及按键电路12，交流输入电源21，直流输出22，压载水管路海水流量信号23，活性物质浓度信号24，电压反馈信号25，电流反馈信号26，串口通讯27。

本实施例的功率回路由交流整流电路1、交流滤波电路2、移相全桥变换器3、软开关电路6、高频变压器4、高频输出滤波电路5电连通组合构成；其交流整流电路1输入端连接交流输入电源21，其输出端与交流滤波电路2输入端连通，交流滤波电路2及软开关电路6输出端与移相全桥变换器3原理性电连通，移相全桥变换器3输出端与高频变压器4输入端连通，高频变压器4输出端与高频输出整流滤波电路5输入端连通，高频输出整流电路5输出直流输出22。

本实施例的控制回路由压载水管路海水流量信号隔离放大电路7、模糊PID控制器8、移相控制器9、开关管驱动电路10、单片机11、显示及按键电路12电连通组合构成。压载水管路海水流量信号23连接压载水管路海水流量信号隔离放大电路7输入端，压载水管路海水流量信号隔离放大电路7输出端分别连接单片机11和模糊PID控制器8，电流反馈信号26分别单片机11和模糊PID控制器8，显示及按键电路12、活性物质浓度信号24、电压反馈信号25、串口通讯端27分别与连接单片机11的不同接口连接，单片机11对压载水管路海水流量进行实时监测，其串口通讯端27与上位机进行通讯，上位机通过MODBUS协议对本发明进行远程控制和监测。

本实施例的信号处理及控制过程如下：压载水管路海水流量信号23经过压载水管路海水流量信号隔离放大电路7隔离放大后，分别输出到单片机11和模糊PID控制器8；电流反馈信号26分别输出到单片机11和模糊PID控制器8；活性物质浓度信号24、压载水管路海水流量信号23和电流反馈信号26进入单片机11后经过单片机11的运算处理，将运算结果给到模糊PID控制器8，模糊PID控制器8对电流反馈信号26、单片机11给定的运算结果、压载水管路流量信号23经放大后的信号进行处理，处理结果给移相控制器9，移相控制器9将信号输出给开关管驱动电路10，开关管驱动电路10对功率回路中移相全桥变换器3进行控制（常规开关电源技术中的移相全桥变换电路的控制原理），从而改变直流输出22的大小。

本发明该实施例上电启动后，单片机控制系统11根据接收到的压载水管路海水流量23的值以及显示及按键电路12所给定的活性物质浓度确定直流输出22的初始值，在运行过程中，活性物质浓度信号24作为直流输出22的粗调信号，将压载水管路中的活性物质浓度控制在给定的范围，压载水管路海水流量信号23作为微调信号，通过模糊PID控制器8和单片机11，快速的对直流输出22进行微调，提高压载水管路中活性物质浓度的控制精度。

本发明的功率回路采用全桥开关结构，控制方法为移相全桥变换器的模糊PID控制，有效实现开关电源技术在电解法压载水管理系统领域的扩展应用问题，既具备开关电源技术的优点，又兼顾电解法压载水管理系统对电解电源的控制要求，有效的提高了压载水主管路中活性物质的控制精度及稳定性。

本发明的移相全桥变换器3为模糊PID控制；软开关电路6输出的参数根据主回路相关参数计算得到，并根据具体实验结果进行调整，通过波形测试，实现软开关功效，有效降低开关损耗；显示及按键电路12设在触摸屏上，显示压载水管路的参数，通过按键调整各项参数（根据常规的开关电源原理）。

本发明工作时：工频交流电经整流滤波电路2后产生直流；直流电流进入移相全桥变换器3产生高频方波信号；同时，由软开关电路6控制移相全桥变换器3的软开关过程；移相全桥变换器3的驱动信号由开关管驱动电路10产生；移相全桥变换器3产生的高频方波信号经高频变压器4变换为合适的低压高频信号，该信号经高频输出整流滤波电路5滤波后输出需要的直流电流。移相全桥变换器3的开关管驱动电路10是按照以下过程产生移相全桥变换器3的驱动信号的：压载水管路中活性物质浓度信号24和压载水管路海水流量信号23经过处理后，经模/数转换后进入单片机11，并与所设定的压载水管路中活性物信浓度比较，按照比较结果，模糊PID控制器8产生信号通过移相控制器9给到开关管驱动电路10产生相应的驱动信号，从而调整直流输出电流22大小。初始给定压载水管路参数通过显示及按键电路12调整产生。

本发明在开机时接收压载水管路海水流量信号23，根据压载水管路海水流量信号23调整初始给定，自动适应不同流量的压载水管路，不需要人工选择，避免了不适当的初始给定引起的电流冲击对电解槽造成损害；对压载水管路海水流量信号23和活性物质浓度信号24进行有效隔离放大，抑制共模信号的干扰；同时对活性物质浓度信号24进行可靠滤波放大，提高活性物质浓度信号24控制的稳定性。

本发明的主要参数如下：给定活性物质浓度范围为5~15ppm连续可调；活性物质浓度误差≤±1ppm；电流控制误差≤1%；电源效率≥90%；半载纹波系数≤10%。

本发明涉及的电解电源产品是电源产品在电解法压载水管理系统领域的扩展应用，在技术途径上兼顾开关电源技术和电解法压载水的参数控制，本发明采用独特的功率回路拓扑结构及活性物质浓度信号采集、隔离放大技术，不同的压载水管路海水流量自适应技术，同时采用功能高度集成的模糊控制芯片，过程的动态响应品质优于常规的PID控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性，降低设计难度，提高设备可靠性，其整机结构原理新颖，原理简单，产品体积和重量小，制备成本低，使用操作方便，节省能源。

根据实际运行情况及详细性能测试表明，本发明运行可靠稳定，转换效率高，操作简便，能将压载水管路中的活性物质浓度控制在精确的范围内，同时将原有电解法压载水处理系统中控制系统、活性物质检测系统的功能有机整合进入电解电源，并参与到电解电源的硬件控制中，减小了整个电解法压载水处理系统的体积重量，降低了成本。

本发明能够提高电解法压载水管理系统的活性物质的控制精度，减低成本，减小系统体积和重量的电解法压载水管理系统电解电源。具备：交流整流电路输入端连接交流输入电源，输出端与交流滤波电路连通，交流滤波电路输出端、软开关电路、移相全桥变换器的模糊PID控制驱动电路和高频变压器的输入端口分别与全桥变换器原理性电连通，高频变压器输出端与高频整流滤波电路输入端电对接，高频整流滤波电路输出端输出直流电源；移相全桥变换器的模糊PID控制驱动电路由活性物质浓度信号隔离放大电路、压载水管路海水流量信号隔离放大电路、移相全桥变换器的模糊PID控制器、开关管驱动电路、显示及按键电路和单片机连通构成；实现了降低产品生产成本、提高精度、提高效率、降低能耗、减小产品体积和重量的目的。

Claims (4)

1.一种电解法压载水管理系统电解电源，其特征在于，包括功率回路和控制回路：

该功率回路包括依次连接的交流整流电路、交流滤波电路、移相全桥变换器、高频变压器和高频输出滤波电路；移相全桥变换器与软开关电路电原理性连接； 

该控制回路包括单片机、显示及按键电路以及依次连接的压载水管路海水流量信号隔离放大电路、模糊PID控制器、移相控制器、开关管驱动电路，开关管驱动电路的输出端与移相全桥变换器电原理性连接；在压载水管路海水流量信号隔离放大电路的输入端连接压载水管路海水流量信号，在该单片机的不同接口分别连接压载水管路海水流量信号隔离放大电路的输出端、模糊PID控制器的对应输入端、移相控制器的对应输入端、显示及按键电路、活性物质浓度信号和电压反馈信号；在单片机和模糊PID控制器的一端均与电流反馈信号连接；

在运行过程中，活性物质浓度信号作为直流输出的粗调信号，将压载水管路中的活性物质浓度控制在给定的范围，压载水管路海水流量信号作为微调信号，通过模糊PID控制器和单片机，快速的对直流输出进行微调，提高压载水管路中活性物质浓度的控制精度。

2.根据权利要求1所述的电解法压载水管理系统电解电源，其特征在于，在所述的单片机上连接有用于与上位机进行通讯串口通讯端，单片机对压载水管路海水流量进行实时监测，上位机通过MODBUS协议对该电解电源进行远程控制和监测。

3.根据权利要求1所述的电解法压载水管理系统电解电源，其特征在于，所述的活性物质浓度给定的范围为5～15ppm，连续可调；活性物质浓度误差≤±1ppm；电流控制误差≤1%；电源效率≥90%；半载纹波系数≤10%。

4.一种权利要求1所述的电解法压载水管理系统电解电源的控制方法，其特征在于，所述的压载水管路海水流量信号经过压载水管路海水流量信号隔离放大电路隔离放大后，分别输出到单片机和模糊PID控制器；电流反馈信号分别输出到单片机和模糊PID控制器；活性物质浓度信号、压载水管路海水流量信号和电流反馈信号进入单片机后经过单片机的运算处理，将运算结果给到模糊PID控制器，模糊PID控制器对电流反馈信号、单片机给定的运算结果、压载水管路流量信号经放大后的信号进行处理，处理结果给移相控制器，移相控制器将信号输出给开关管驱动电路，开关管驱动电路对功率回路中移相全桥变换器进行控制，从而改变直流输出的大小。