汽轮机循环水供热中对水泵进行无级调速

    提要：为了提高热电厂效率，充分利用汽轮机循环水余热等废弃能源，利用汽轮机凝汽器循环水作为采暖供热介质，汽轮机凝汽器真空的方法，将循环水出口温度提高到60- 70℃，根据环境温度，直接利用循环水供热，也可通过加热器进一步提升温度，再供热给用户。ZNT-2000型斩波内馈交流调速系统是一种适用于风机、泵类负载节能降耗的新型高压交流调速系统，主要由YQT型斩波内馈调速电机和ZNK斩波控制装置组成，是一种以低电压（通常为220SOOV )控制高压（6一IOW的合理方案。该系统具有调速平滑、效率高、结构简单、成本低等特点。

    斩波内馈装置用于汽轮机凝汽器循环水供热

    摘    要：介绍在汽轮机循环水供热中对水泵进行无级调速的斩波内馈调速原理、硬件组成及各信号通道。
    关键词：斩波内馈调速电机  斩波控制装置  汽轮机  循环水供热系统
    一、循环水供热系统简介
    为了提高热电厂效率，充分利用汽轮机循环水余热等废弃能源，对3#汽轮发电机组循环水系统进行了改造。
    循环水供热系统流程图，如图1所示。
    利用汽轮机凝汽器循环水作为采暖供热介质，汽轮机凝汽器真空的方法，将循环水出口温度提高到60- 70℃，根据环境温度，直接利用循环水供热，也可通过加热器进一步提升温度，再供热给用户，供热面积可达一百多万平方米。

图1　　汽轮机循环水供热系统

    3＃汽轮发电机组型号为C12-4.9/0.98；凝汽器型号为N-1000-1，系统以两台循环电动泵或一台汽泵作为供热动力。当以循环汽泵作为供热动力时，选择青岛远东工业汽轮机有限公司生产的BO.55-0.7/0.2型热功联产汽轮机作为供热循环泵的调速动力。通过调节汽泵转速来达到介质恒压（6-7MPa）供热。当以循环电泵作为供热动力时，选择保定北方调速有限公司(BBT）生产的6kV、450kW (YQT2-450-8)的斩波内馈高压电动机作为循环泵调速电机。通过斩波内馈装置调节泵的转速来实现介质恒压（6-7MPa）供热。其流程为：凝汽器循环水经凝汽器、循环电泵～供热旁路或加热器～供热管网。
    循环水补水系统采用ABB公司的变频装置。
    本文仅就斩波内馈调速系统部分进行分析介绍。
    二、斩波内馈调速系统
    ZNT-2000型斩波内馈交流调速系统是一种适用于风机、泵类负载节能降耗的新型高压交流调速系统，主要由YQT型斩波内馈调速电机和ZNK斩波控制装置组成，是一种以低电压（通常为220SOOV )控制高压（6一IOW的合理方案。该系统具有调速平滑、效率高、结构简单、成本低等特点，调速系统原理图如图2所示。

        ZN—真空断路器　ZL－转子整流器　NB—有源逆变器
        ZB—斩波器　　PRB—频敏电阻
        YQT一内馈交流调速三相异步电动机
        SRD－快速熔断器　1KM～3KM—交流接触器
图2　　斩波内馈交流调速系统原理

    1．斩波内馈调速原理
    内馈调速是将内馈调速电机转子的部分电磁功率移出，使余下的电磁功率转化为机械功率，移出的功率越多，转化的机械功率越少，电机转速就越低。因此，改变移出功率的大小，就可控制输出机械功率的大小，从而调节电机转速。斩波内馈调速原理如图3所示。图3中转子功率圆斜线右边部分为移出功率，它通过电机的内馈绕组送回定子，以提高效率。内馈电机设置了内馈绕组，是接受从转子移出的功率，同时又将移出功率送还给定子。电源提供给定子绕组的功率P1＝Pem-P3=Pm，即电源供出的只是机械功率，在调速时机械功率圆面积越小，定子功率圆面积越小，电源提供给定子功率越小，电机实现高效率的节能运行。
    2.斩波内馈调速控制器的硬件组成
    斩波内馈控制器作为恒压供热控制系统的核心，要完成对系统所有输入信号的采集、输出单元的控制、控制流程及控制算法的实现等。

        Pm—机械功率　Pem—转子电磁功率
        P3—内馈绕组功率  Pes—电转差功率
图3  内馈调速功率圆示意图

    斩波内馈调速控制器硬件系统以AT89C52单片机为控制核心，包括输入、输出通道、显示键盘电路、电源电路。它以MCS一51为内核，与MCS一51系列的软硬件兼容。片内有闪存（Hash)存储器，和IBM个人计算机在软件上完全兼容，采用无源底板结构，将主板模块化，可以在故障时迅速替换，一般使用电子盘固化应用程序，还特殊设计了监视跟踪定时器，对于各种干扰造成的程序紊乱可在无人干预下自动复位。控制器的组成如图4所示。

图4　控制器组成框图

    (1)单片机89C52的数据、地址和控制总线用于扩展A/D和D/A转换器、开关量输入输出缓冲以及显示段码输出；1/0接口接受按键输入、模拟IIC总线控制串行EEPROM、输出显示位扫描线及刷新看门狗定时器。
    (2)采用MAX813L保护电路，具有上电掉电复位、手动复位、看门狗定时器等功能。
    (3)采用GAL16V8芯片译码对外设芯片进行片选。
    (4)单片机89C52通过ⅡC串行总线对串行EEPROM进行读写访问操作，系统设定的数据和一些掉电时需要保护的数据存储在串行EEPROM 24C02中。
    (5)供热母管压力信号和供热压力给定信号通过ADC0809进行A/D转换输入至单片机89C52。ADC0809是8位逐次逼近式、单片CMOS集成A/D转换器，具有锁存功能的8路模拟量多路开关，可对8路输入模拟量信号分时进行转换，还具有多路开关的地址译码和锁存电路、比较器、逐次逼近寄存器SAR、控制与时序电路等。
    (6)单片机89C52对斩波内馈调速装置的逆变器的控制信号是通过并行接口芯片8155进行D/A转换获得，转换成低电压门极控制信号，来控制斩波器的自关断开关的门极，将斩波内馈调速装置内固定的直流电变成可调的直流电，再经过斩波内馈调速装置内的逆变器转换成三相交流电反送至电动机定子绕组。

(7)16位定时器／计数器8253芯片、晶振电路、14位定时器／计数的可编程RAM/10扩展器8155芯片和功率放大器组成斩波内馈调速装置内的逆变器的触发装置。
    (8)系统控制接触器的数字量通过74LS373进行锁存输出。
    (9）系统的开关量状态信号通过与译码电路共用的GAL16V8输入单片机。
    (10）显示电路采用扫描方式，具有功耗低、成本低的特点，其中段码输出采用锁存器74LS373，位码输出采用4一10译码器74LS145。
    (11)单片机89C52通过D/A转换器DAC0832将开关控制信号输出至内馈斩波器。
    3.I/0通道单元
    (1)供热母管压力测量信号和供热压力给定信号通道
    供热母管压力测量信号和供热压力给定信号为模拟量输入信号，硬件结构如图5所示。①输入级R1为运算放大器OP2B的输入电阻，同时R1和C1组成模拟输入信号的滤波电路，滤除压力信号中的高频干扰；二极管D1起输入嵌位作用，防止输入模拟电压过大；二极管D2起输入反相保护，防止输入模拟电压为负信号。②隔离放大器。运算放大器OP2B、电容C12、电阻R16、R17、Rl8、电位器W2和光电耦合器M02组成模拟信号的隔离放大电路。其中W2和光电耦合器M02组成输出级，M02A和M02B的初级串联，共用一个激励电流，R17为限流电阻，M02B和R18形成负反馈。由于M02A和M02B为同一封装的双光电耦合器TLP521-2，因此可以认为它们的传递函数的温度特性和电流非线性完全一致，一个作为输出，一个作为反馈，补偿了它们的非线性，又起到了模拟信号的隔离作用，能很好地隔离共模干扰。由于光电耦合器初、次级之间存在传输延时，M02B和R18组成的负反馈电路容易引起自激，因此电容C12就是消除自激振荡。③A/D转换器采用ADC0809芯片，是8位逐次逼近式A/D转换器，转换速度快，可接受8路模拟量输入信号，在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位的二进制数字量。
 

图5　模拟量输入通道

    (2)斩波器开关控制信号通道
    斩波内馈调速装置的斩波器开关是单片机的模拟量输出信号，其硬件结构图如图6所示。

图6　斩波器开关触发信号的模拟量输出通道

    由于DAC0832 8位D/A换转器，片内有输入数据寄存器，故可以直接与单片机接口。DAC以电流形式输出，需要外接运算放大器转换为电压输出信号，以便触发斩波器开关的导通。采自中国资产管理网
    本系统中DAC0832采用单缓冲器工作方式，即分别将输入锁存器的引脚和DAC寄存器相应的控制信号引脚连在一起，使一个数据直接写入DAC寄存器，立即进行D/A转换，此时锁存器不起作用。图中ILE接＋5V, IOUT2接地，IOUT1输出电流经运算放大器变换后输出单极性电压信号：片选信号 和数据传送控制信号XFER都与89C52的地址线相连，因此输入锁存器和DAC0832的地址都为7FFFH。均与89C52的写信号线 相连。CPU对DAC0832执行一次写操作，则将一个数据直接写入DAC寄存器，DAC0832的输出模拟量随之变化。由于DAC0832具有数字量的输入锁存功能，故数字量可以直接从89C52的PO口送入。
    (3)斩波内馈调速器触发信号通道
    单片机控制触发装置由单片机89C52、一块16位的定时／计数器芯片8253、晶振电路和一块带14位定时／计数的可编程RAM/IO扩展器8155组成。其硬件结构如图7所示。

图7　　触发电路

    三相同步信号经RC移相后使其过零点时正好都对准六个自然换相点。再经三个电压比较器输出20ms的三相同步方波信号至单片机89C52。单片机监测到这三位状态字，即可进入软件认相，并作出±A、±B、±C的标志，以供最小逆变角际定时和触发控制用。本系统有源逆变器的控制脉冲不再移动，而是锁定在最小逆变角，使有源逆变的触发脉冲非常可靠；功率调节由斩波开关来完成。
    本系统采用脉冲列触发方式，六个触发脉冲由8155 B口送出，由外部电路调制成频率为2kHz的脉冲列，经功放后，分别送至六个可控硅的门极。
    三、结论
    作为循环水供应动力的循环电动泵，通过斩波内馈装置系统来调节泵的转速来实现介质恒压供热，实现了微机控制，完全满足生产工艺流程的要求，达到了节省电能的目的，这种调速方式较常规变频调速方式有诸多优点。
    参考资料
    1　郑学坚．微型计算机原理及应用．清华大学出版社，2001
    2　李全利．单片机原理及应用技术．高等教育出版社，2001
    3　陈伯时．电力拖动自动控制系统．机械工业出版社，1992
    4　王兆安．电力电子变流技术．机械工业出版社，1999