CN107143004B - 一种基于pwm滤波的供水系统均流量电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于PWM滤波的供水系统均流量电路，包括：变频恒压均流量控制单元、生成单元和逆变单元，无需通信总线即可实现泵组自主均输出流量控制，具有结构简单，稳定可靠；将模拟信号求差转化为数字PWM信号导通时间求差，具有很强的抗干扰能力；通过二极管D和异或门电路即可组成和PWM_max导通时间求差电路，该电路结构简单，稳定可靠，成本低廉；提供的并联变频供水控制系统具有结构简单、成本低、可靠性高，实用性强等特点，为水泵并联变频控制提供了一种新的方案。

Description

一种基于PWM滤波的供水系统均流量电路

技术领域

本发明涉及一种基于PWM滤波的供水系统均流量电路，特别适用于并联变频供水系统中对各台水泵供水流量均衡性要求较高的供水场合。

背景技术

目前，自来水厂及小区二次加压供水等场合的变频恒压供水系统通常将多台变频水泵并联起来使用，以增大其供水能力。常用的并联变频恒压供水系统主要实现恒压供水，确保供水压力符合要求。由于每台水泵及变频控制器存在一定差异，如果不对供水系统每台水泵进行均输出流量控制，其必然导致一部分水泵流量过大，而另外一部分水泵过小。极端情况下，水泵流量过大会导致水泵及其变频控制器处于严重超载，损坏设备。同样，流量过小亦即小流量情况下，水泵运行频率过低，导致水泵效率低下和水泵电机发热严重，同样会引起设备故障，降低供水系统可靠性低和寿命。

图1所示为目前常用的并联变频供水系统结构示意图，每个水泵进水口通过进水支管连接到总供水管，每个水泵出水口通过出水支管连接到总出水管供水给用户。每台水泵均配备一台变频恒压控制器用于供水压力控制。实际供水压力由安装于出水管上的压力传感器检测，并将压力信号反馈给每台变频恒压控制器。变频恒压控制器通过运行恒压控制算法，对各台水泵进行变频调速，从而达到恒压供水的目的。

但是，这样的并联变频恒压供水系统都会存在一个非常普遍的问题——即水泵输出流量不平衡问题。

由于水泵，变频器、进出水水管等存在不一致性问题，只对供水压力进行控制，并不能实现各台水泵输出流量均衡调节。采用并联供水方式，因其出水口扬程相同，等效管阻小的水泵流量偏大，导致输出功率负荷偏大。与此同时，等效管阻大的水泵流量偏小，导致输出功率负荷偏小。严重情况下，输出流量大的水泵及变频器处于超载工作，导致机械和电气故障几率增大，寿命减短；输出流量小的水泵及变频器工作频率过低，引起水泵的低频发热严重，效率低下，同样导致设备电气故障几率增大，寿命减短。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供了一种结构简单、水泵输出流量均衡效果好、运行稳定的供水系统均流量电路，可实现供水范围内泵组输出流量均衡分配。

本发明提供一种基于PWM滤波的供水系统均流量电路，其包括变频恒压均流量控制单元、生成单元和逆变单元，其中变频恒压均流量控制单元包括：

采样单元AD，实时采样供水系统的压力p_w(t)和电压信号Δv_i(t)；

PWM调制模块，将供水系统内的表征水泵输出流量的水泵运行频率f_i(t)调制成周期为T，导通时间为的PWM信号

同步触发信号单元，用于将信号同步；

6路PWM信号PWM₁～PWM₆，用于驱动逆变单元，

所述生成单元将表征第i台(1≤i≤n)水泵输出流量对应的PWM信号与表征最大输出流量水泵的流量对应的PWM信号PWM_max的偏差量进行滤波，得到表征流量偏差的信号Δv_i(t)。

所述生成单元包括：

最大导通时间PWM信号获取电路，获取导通时间最大的PWM信号PWM_max，其导通时间为

PWM信号导通时间差获取电路，获取同步的与PWM_max的导通时间差

滤波电路，对进行滤波，得到表征流量偏差的电压信号Δv_i(t)。

所述滤波电路为由电阻R_f,电容C_f组成的低通滤波器。

所述PWM信号导通时间差获取电路包括异或门，所述异或门的一个输入端接PWM调制模块的输出单，另一个输入端获取最大导通时间PWM信号PWM_max，在两个输入端之间并联二极管D。

所述PWM调制模块由数字PWM调制实现或由模拟PWM调制电路实现。

本发明具有以下优势：

本发明无需通信总线即可实现泵组自主均输出流量控制，具有结构简单，稳定可靠；

本发明将模拟信号求差转化为数字PWM信号导通时间求差，具有很强的抗干扰能力；

本发明通过二极管D和异或门电路即可组成和PWM_max导通时间求差电路，该电路结构简单，稳定可靠，成本低廉；

本发明提供的并联变频供水控制系统具有结构简单、成本低、可靠性高，实用性强等特点，为水泵并联变频控制提供了一种新的方案。

附图说明

图1为并联变频供水系统结构图。

图2为并联变频供水控制系统电路图。

图3为恒压均流量控制算法框图。

图4为PWM信号导通时间差获取电路及原理。

图5为最大导通时间PWM信号获取电路。

图6为流量偏差生成单元电路图。

图7为调制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作进一步说明：

如图所示，本发明提供

图1为并联变频供水系统结构图，该结构图总体上说明了并联变频供水系统组成方式，其包括水源、进水控制阀、稳流调节罐、出水控制阀、排污阀、水泵总进水管、阀门i、变频器i、水泵i、止回阀i、闸阀i、水泵总出水管、压力罐、压力传感器。其中：1≤i≤n。水源主要为江河水库或者自来水管等水源；进水控制阀用于控制水源进水口；稳流调节罐主要用于缓冲进水压力的波动和沉淀泥沙等污物；排污阀用于排除稳流调节罐中泥沙等污垢及清洗稳流调节罐时的污水；水泵总进水管为各台水泵进水来源；阀门i用于控制水泵的进水；水泵i和变频器i用于对进水进行加压控制，从而使输出水压达到设定压力。止回阀i用于防止总出水管的水回流，确保水单向流出；闸阀i用于控制水泵i的出水口；水泵总出水管用于汇集各台水泵的出水，实现水泵并联供水；压力罐用于稳定供水压力，消除供水压力剧烈波动；压力传感器用于实时检测水泵出水压力。

由水泵相似定律可知，流量Q与运行速度n之间满足：

由于离心水泵动力装置使用的是交流异步电机，并同轴连接。根据《机电传动控制》(邓星钟等，华中科技大学出版社，第五版)交流电动机章节内容可知，异步电机转速n满足：

其中：f为异步电机电源频率，亦为变频器输出频率；S为转差率；P为异步电机极对数；

由于异步电机采用变频调速控制，所以S基本保持不变，所以联立公式(1)、(2)可得：

图1所示并联变频供水系统中水泵和变频器均为相同型号，因而其n台水泵扬程特性和变频器输出特性可认为一致，所以对于运行的第i台水泵和第j台水泵在t时刻的输出流量与运行频率f_i(t)、f_j(t)满足：

由公式(4)可知，第i台水泵的输出流量与第j台水泵的输出流量的比值为第i台水泵运行频率f_i(t)与第j台水泵运行频率f_j(t)的比值。由于水泵并联方式供水，其水泵出水口压力几乎相同。因而最大流量水泵即为最大功率的水泵，其对应着最大的运行频率。令：则有：

由公式(5)可得：

令水泵i的输出流量与最大输出流量偏差为则：

令水泵i的运行频率f_i(t)与最大运行频率f_max(t)偏差为Δf_i(t)，则：

Δf_i(t)＝f_max(t)-f_i(t) (8)

联立方程(6)，(7)，(8)可得：

从水泵铭牌上可以获得或者计算出工频情况下即f_N＝50Hz的额定扬程P_N，额定流量Q_N。由于并联供水系统的水泵为相同型号，依据水泵相似定理和公式(3)可得：

联立公式(9)，(10)可得：

借鉴最大电流均流法的思想，将输出流量最大的水泵上的输出流量作为整个并联供水系统的流量基准，其余水泵以它为基准来调整自身的输出流量，从而达到均流量的目标。所以，为以最大输出流量为基准的偏差量。

为克服模拟均流量总线信号易受干扰和数字均流量总线需要复杂的通信接口和通信协议等不足，我们可将表征水泵输出流量的变频器运行频率f_i(t)调制为导通时间为的PWM信号确定的周期为T，其调制原理图如图7所示，可知：

其中：F_max为变频器输出频率上限，一般情况下为工频，即F_max＝50；所以可得：

同理，对于满足的PWM信号有：

其中：

联立方程(11)，(12)，(13)，(14)，可得：

其中：Q_N为水泵的在额定情况下的输出流量。

由公式(15)可知，要想获得的值就必须先捕获PWM信号的导通时间但对于一些低成本的处理器(比如低成本单片机等)来说，其外设资源有限，不具有高速捕获单元，为兼容低端芯片场合，可以对ΔPWMⁱ _Q(t)进行低通滤波，获取其平均电压值。

R_f,C_f组成的低通滤波器的截止频率f_z为：

由低通滤波器的知识可知，当输入信号的频率远大于截止频率f_z时，其滤波器输出信号为该信号的直流分量即平均值。因而只需周期T、f_z满足：此时，低通滤波器输出信号Δv_i(t)为：

其中：VCC为芯片的供电电源电压值。联立方程(15)，(17)可得：

由公式(18)可知，只要获取到水泵额定流量Q_N、供电电源电压VCC和滤波器输出电压Δv_i(t)就可得到流量偏差进而可以实现均输出流量控制。

图2所示为并联变频供水系统电路图，该电路图说明了并联供水系统变频恒压均流量控制单元、逆变单元、压力传感器、同步信号、均流量总线、水泵等连接示意图。从图中可以直观了解系统的内部功能结构和组成。相应功能为：①变频恒压均流量控制单元主要包含恒压控制算法、均流量补偿算法、矢量变频控制、SVPWM和计算ΔQ_o ⁱ _ut(t)等模块组成，通过调节水泵运行频率f_i(t)实现恒压供水和均流量功能。变频矢量控制和SVPWM将频率f_i(t)逆变为六路PWM信号PWM₁～PWM₆；②逆变单元将PWM₁～PWM₆进行隔离放大，用于驱动6个功率管(MOSFET、IGBT)将高压直流电逆变为三相对称交流电用于驱动水泵工作；③压力传感器用于实时检测输出供水压力p_w(t)，并反馈给变频恒压均功率控制单元；④同步信号：提供/接收同步时钟信号，用于进行同步输出控制，即具有相同时刻的上升沿；⑤均流量总线：提供最大流量水泵对应的PWM信号PWM_max。

图3所示为恒压均流量控制算法框图，由恒压控制、流量偏差计算、均流量补偿算法，矢量变频控制和SVPWM组成。在采样p_w(t)、Δv_i(t)的基础上实现对供水系统的恒压均流量控制。

图4为PWM信号导通时间差获取电路及原理图。由逻辑代数可知，两个数字信号异或运算法则是：两个信号相同为0，不同为1。从图4中可以看出，求取相同周期T和相同上升沿时刻的同步信号和PWM_max导通时间之差，只需要对PWM_max进行异或运算即可，其输出信号逻辑关系上满足：

所以的导通时间满足：

图5为最大导通时间PWM信号获取电路，由于PWMⁱ _Q(t)(1≤i≤n)具有相同的周期T并且进行了同步，使的上升沿出现在同一时刻。由《电工电子学》知识可知：二极管D的共阴极输出信号为导通时间最长的PWM信号，即PWM_max，其导通时间为

图6所示为流量偏差生成单元电路图。其详细阐明了通过二极管D得到PWM_max，与PWM_max通过异或门得到流量偏差信号和由R_f,C_f组成的低通滤波器对进行滤波得到电压信号Δv_i(t)。

图7所示为将水泵运行频率f_i(t)调制为的原理。由相似三角形原理可知：

其中：F_max为水泵运行的最高频率，一般为工频50Hz，即F_max＝50。

基于以上原理，本发明所述一种基于PWM滤波的供水系统均流量电路的工作过程为：

(1)第i台水泵变频恒压均流量控制单元采样并联供水系统压力信号p_w(t)和Δv_i(t)，然后执行恒压控制算法和均流量补偿控制算法(该均功率控制算法是基于最大值均流原理)，得出水泵运行频率f_i(t)。通过矢量变频控制和SVPWM，将f_i(t)调制为六路PWM信号PWM₁～PWM₆，用于驱动逆变电路实现水泵的变频调速；

(2)变频恒压控制单元将当前运行频率f_i(t)经过PWM调制得到导通时间为的信号该信号通过同步触发单元进行同步，实现在相同时刻出现上升沿；

(3)通过最大导通时间PWM获取电路获取PWM_max，并经过PWM导通时间求差电路得到和PWM_max的导通时间之差

(4)经由R_f,C_f组成的滤波器进行滤波，得到表征第i台水泵输出流量与系统中最大输出流量水泵的流量之差的电压量Δv_i(t)，从而实现并联供水系统水泵的均输出流量控制。

实施例不应视为对本发明的限制，任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于PWM滤波的供水系统均流量电路，其特征在于：其包括变频恒压均流量控制单元、生成单元和逆变单元，其中变频恒压均流量控制单元包括：

采样单元AD，实时采样供水系统的压力p_w(t)和电压信号Δv_i(t)；

PWM调制模块，将供水系统内的表征水泵输出流量的水泵运行频率f_i(t)调制成周期为T，导通时间为的PWM信号

同步触发信号单元，用于将信号同步；

6路PWM信号PWM₁～PWM₆，用于驱动逆变单元，

所述生成单元将表征第i台(1≤i≤n)水泵输出流量对应的PWM信号与表征最大输出流量水泵的流量对应的PWM信号PWM_max的偏差量进行滤波，得到表征流量偏差的信号Δv_i(t)。

2.根据权利要求1所述的一种基于PWM滤波的供水系统均流量电路，其特征在于，所述生成单元包括：

最大导通时间PWM信号获取电路，获取导通时间最大的PWM信号PWM_max，其导通时间为PWM信号导通时间差获取电路，获取同步的与PWM_max的导通时间差

滤波电路，对进行滤波，得到表征流量偏差的电压信号Δv_i(t)。

3.根据权利要求2所述的一种基于PWM滤波的供水系统均流量电路，其特征在于，所述滤波电路为由电阻R_f,电容C_f组成的低通滤波器。

4.根据权利要求2所述的一种基于PWM滤波的供水系统均流量电路，其特征在于，所述PWM信号导通时间差获取电路包括异或门，所述异或门的一个输入端接PWM调制模块的输出单，另一个输入端获取最大导通时间PWM信号PWM_max，在两个输入端之间并联二极管D。

5.根据权利要求1所述的一种基于PWM滤波的供水系统均流量电路，其特征在于，所述PWM调制模块由数字PWM调制实现或由模拟PWM调制电路实现。