本發(fā)明涉及一種基于pwm濾波的供水系統(tǒng)均流量電路，特別適用于并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)中對各臺水泵供水流量均衡性要求較高的供水場合。

背景技術(shù)：

目前，自來水廠及小區(qū)二次加壓供水等場合的變頻恒壓供水系統(tǒng)通常將多臺變頻水泵并聯(lián)起來使用，以增大其供水能力。常用的并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)恒壓供水，確保供水壓力符合要求。由于每臺水泵及變頻控制器存在一定差異，如果不對供水系統(tǒng)每臺水泵進(jìn)行均輸出流量控制，其必然導(dǎo)致一部分水泵流量過大，而另外一部分水泵過小。極端情況下，水泵流量過大會(huì)導(dǎo)致水泵及其變頻控制器處于嚴(yán)重超載，損壞設(shè)備。同樣，流量過小亦即小流量情況下，水泵運(yùn)行頻率過低，導(dǎo)致水泵效率低下和水泵電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，同樣會(huì)引起設(shè)備故障，降低供水系統(tǒng)可靠性低和壽命。

圖1所示為目前常用的并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，每個(gè)水泵進(jìn)水口通過進(jìn)水支管連接到總供水管，每個(gè)水泵出水口通過出水支管連接到總出水管供水給用戶。每臺水泵均配備一臺變頻恒壓控制器用于供水壓力控制。實(shí)際供水壓力由安裝于出水管上的壓力傳感器檢測，并將壓力信號反饋給每臺變頻恒壓控制器。變頻恒壓控制器通過運(yùn)行恒壓控制算法，對各臺水泵進(jìn)行變頻調(diào)速，從而達(dá)到恒壓供水的目的。

但是，這樣的并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)都會(huì)存在一個(gè)非常普遍的問題——即水泵輸出流量不平衡問題。

由于水泵，變頻器、進(jìn)出水水管等存在不一致性問題，只對供水壓力進(jìn)行控制，并不能實(shí)現(xiàn)各臺水泵輸出流量均衡調(diào)節(jié)。采用并聯(lián)供水方式，因其出水口揚(yáng)程相同，等效管阻小的水泵流量偏大，導(dǎo)致輸出功率負(fù)荷偏大。與此同時(shí)，等效管阻大的水泵流量偏小，導(dǎo)致輸出功率負(fù)荷偏小。嚴(yán)重情況下，輸出流量的水泵及變頻器處于超載工作，導(dǎo)致機(jī)械和電氣故障幾率增大，壽命減短；輸出流量小的水泵及變頻器工作頻率過低，引起水泵的低頻發(fā)熱嚴(yán)重，效率低下，同樣導(dǎo)致設(shè)備電氣故障幾率增大，壽命減短。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、水泵輸出流量均衡效果好、運(yùn)行穩(wěn)定的供水系統(tǒng)均流量電路，可實(shí)現(xiàn)供水范圍內(nèi)泵組輸出流量均衡分配。

本發(fā)明提供一種基于pwm濾波的供水系統(tǒng)均流量電路，其包括變頻恒壓均流量控制單元、生成單元和逆變單元，其中變頻恒壓均流量控制單元包括：

采樣單元ad，實(shí)時(shí)采樣供水系統(tǒng)的壓力pw(t)和電壓信號δvi(t)；

pwm調(diào)制模塊，將供水系統(tǒng)內(nèi)的表征水泵輸出流量的水泵運(yùn)行頻率fi(t)調(diào)制成周期為t，導(dǎo)通時(shí)間為的pwm信號

同步觸發(fā)信號單元，用于將信號同步；

6路pwm信號pwm1～pwm6，用于驅(qū)動(dòng)逆變單元，

所述生成單元將表征第i臺(1≤i≤n)水泵輸出流量對應(yīng)的pwm信號與表征最大輸出流量水泵的流量對應(yīng)的pwm信號pwmmax的偏差量進(jìn)行濾波，得到表征流量偏差的信號δvi(t)。

所述生成單元包括：

最大導(dǎo)通時(shí)間pwm信號獲取電路，獲取導(dǎo)通時(shí)間最大的pwm信號pwmmax，其導(dǎo)通時(shí)間為

pwm信號導(dǎo)通時(shí)間差獲取電路，獲取同步的與pwmmax的導(dǎo)通時(shí)間差

濾波電路，對進(jìn)行濾波，得到表征流量偏差的電壓信號δvi(t)。

所述濾波電路為由電阻rf,電容cf組成的低通濾波器。

所述pwm信號導(dǎo)通時(shí)間差獲取電路包括異或門，所述異或門的一個(gè)輸入端接pwm調(diào)制模塊的輸出單，另一個(gè)輸入端獲取最大導(dǎo)通時(shí)間pwm信號pwmmax，在兩個(gè)輸入端之間并聯(lián)二極管d。

所述pwm調(diào)制模塊由數(shù)字pwm調(diào)制實(shí)現(xiàn)或由模擬pwm調(diào)制電路實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：

本發(fā)明無需通信總線即可實(shí)現(xiàn)泵組自主均輸出流量控制，具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠；

本發(fā)明將模擬信號求差轉(zhuǎn)化為數(shù)字pwm信號導(dǎo)通時(shí)間求差，具有很強(qiáng)的抗干擾能力；

本發(fā)明通過二極管d和異或門電路即可組成和pwmmax導(dǎo)通時(shí)間求差電路，該電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，成本低廉；

本發(fā)明提供的并聯(lián)變頻供水控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，為水泵并聯(lián)變頻控制提供了一種新的方案。

附圖說明

圖1為并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2為并聯(lián)變頻供水控制系統(tǒng)電路圖。

圖3為恒壓均流量控制算法框圖。

圖4為pwm信號導(dǎo)通時(shí)間差獲取電路及原理。

圖5為最大導(dǎo)通時(shí)間pwm信號獲取電路。

圖6為流量偏差生成單元電路圖。

圖7為調(diào)制原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明：

如圖所示，本發(fā)明提供

圖1為并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)圖總體上說明了并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)組成方式，其包括水源、進(jìn)水控制閥、穩(wěn)流調(diào)節(jié)罐、出水控制閥、排污閥、水泵總進(jìn)水管、閥門i、變頻器i、水泵i、止回閥i、閘閥i、水泵總出水管、壓力罐、壓力傳感器。其中：1≤i≤n。水源主要為江河水庫或者自來水管等水源；進(jìn)水控制閥用于控制水源進(jìn)水口；穩(wěn)流調(diào)節(jié)罐主要用于緩沖進(jìn)水壓力的波動(dòng)和沉淀泥沙等污物；排污閥用于排除穩(wěn)流調(diào)節(jié)罐中泥沙等污垢及清洗穩(wěn)流調(diào)節(jié)罐時(shí)的污水；水泵總進(jìn)水管為各臺水泵進(jìn)水來源；閥門i用于控制水泵的進(jìn)水；水泵i和變頻器i用于對進(jìn)水進(jìn)行加壓控制，從而使輸出水壓達(dá)到設(shè)定壓力。止回閥i用于防止總出水管的水回流，確保水單向流出；閘閥i用于控制水泵i的出水口；水泵總出水管用于匯集各臺水泵的出水，實(shí)現(xiàn)水泵并聯(lián)供水；壓力罐用于穩(wěn)定供水壓力，消除供水壓力劇烈波動(dòng)；壓力傳感器用于實(shí)時(shí)檢測水泵出水壓力。

由水泵相似定律可知，流量q與運(yùn)行速度n之間滿足：

由于離心水泵動(dòng)力裝置使用的是交流異步電機(jī)，并同軸連接。根據(jù)《機(jī)電傳動(dòng)控制》(鄧星鐘等，華中科技大學(xué)出版社，第五版)交流電動(dòng)機(jī)章節(jié)內(nèi)容可知，異步電機(jī)轉(zhuǎn)速n滿足：

其中：f為異步電機(jī)電源頻率，亦為變頻器輸出頻率；s為轉(zhuǎn)差率；p為異步電機(jī)極對數(shù)；

由于異步電機(jī)采用變頻調(diào)速控制，所以s基本保持不變，所以聯(lián)立公式(1)、(2)可得：

圖1所示并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)中水泵和變頻器均為相同型號，因而其n臺水泵揚(yáng)程特性和變頻器輸出特性可認(rèn)為一致，所以對于運(yùn)行的第i臺水泵和第j臺水泵在t時(shí)刻的輸出流量與運(yùn)行頻率fi(t)、fj(t)滿足：

由公式(4)可知，第i臺水泵的輸出流量與第j臺水泵的輸出流量的比值為第i臺水泵運(yùn)行頻率fi(t)與第j臺水泵運(yùn)行頻率fj(t)的比值。由于水泵并聯(lián)方式供水，其水泵出水口壓力幾乎形同。因而最大流量水泵即為最大功率的水泵，其對應(yīng)著最大的運(yùn)行頻率。令：則有：

由公式(5)可得：

令水泵i的輸出流量與最大輸出流量偏差為則：

令水泵i的運(yùn)行頻率fi(t)與最大運(yùn)行頻率fmax(t)偏差為δfi(t)，則：

δfi(t)＝fmax(t)-fi(t)(8)

聯(lián)立方程(6)，(7)，(8)可得：

從水泵銘牌上可以獲得或著計(jì)算出工頻情況下即fn＝50hz的額定揚(yáng)程pn，額定流量qn。由于并聯(lián)供水系統(tǒng)的水泵為相同型號，依據(jù)水泵相似定理和公式(3)可得：

聯(lián)立公式(9)，(10)可得：

借鑒最大電流均流法的思想，將輸出流量最大的水泵上的輸出流量作為整個(gè)并聯(lián)供水系統(tǒng)的流量基準(zhǔn)，其余水泵以它為基準(zhǔn)來調(diào)整自身的輸出流量，從而達(dá)到均流量的目標(biāo)。所以，為以最大輸出流量為基準(zhǔn)的偏差量。

為克服模擬均流量總線信號易受干擾和數(shù)字均流量總線需要復(fù)雜的通信接口和通信協(xié)議等不足，我們可將表征水泵輸出流量的變頻器運(yùn)行頻率fi(t)調(diào)制為導(dǎo)通時(shí)間為的pwm信號確定的周期為t，其調(diào)制原理圖如圖7所示，可知：

其中：fmax為變頻器輸出頻率上限，一般情況下為工頻，即fmax＝50；所以可得：

同理，對于滿足的pwm信號有：

其中：

聯(lián)立方程(11)，(12)，(13)，(14)，可得：

其中：qn為水泵的在額定情況下的輸出流量。

由公式(15)可知，要想獲得的值就必須先捕獲pwm信號的導(dǎo)通時(shí)間但對于一些低成本的處理器(比如低成本單片機(jī)等)來說，其外設(shè)資源有限，不具有高速捕獲單元，為兼容低端芯片場合，可以對進(jìn)行低通濾波，獲取其平均電壓值。

rf,cf組成的低通濾波器的截止頻率fz為：

由低通濾波器的知識可知，當(dāng)輸入信號的頻率遠(yuǎn)大于截止頻率fz時(shí)，其濾波器輸出信號為該信號的直流分量即平均值。因而只需周期t、fz滿足：此時(shí)，低通濾波器輸出信號δvi(t)為：

其中：vcc為芯片的供電電源電壓值。聯(lián)立方程(15)，(17)可得：

由公式(18)可知，只要獲取到水泵額定流量qn、供電電源電壓vcc和濾波器輸出電壓δvi(t)就可得到流量偏差進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)均輸出流量控制。

圖2所示為并聯(lián)變頻供水系統(tǒng)電路圖，該電路圖說明了并聯(lián)供水系統(tǒng)變頻恒壓均流量控制單元、逆變單元、壓力傳感器、同步信號、均流量總線、水泵等連接示意圖。從圖中可以直觀了解系統(tǒng)的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)和組成。相應(yīng)功能為：①變頻恒壓均流量控制單元主要包含恒壓控制算法、均流量補(bǔ)償算法、矢量變頻控制、svpwm和計(jì)算等模塊組成，通過調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行頻率fi(t)實(shí)現(xiàn)恒壓供水和均流量功能。變頻矢量控制和svpwm將頻率fi(t)逆變?yōu)榱穚wm信號pwm1～pwm6；②逆變單元將pwm1～pwm6進(jìn)行隔離放大，用于驅(qū)動(dòng)6個(gè)功率管(mosfet、igbt)將高壓直流電逆變?yōu)槿鄬ΨQ交流電用于驅(qū)動(dòng)水泵工作；③壓力傳感器用于實(shí)時(shí)檢測輸出供水壓力pw(t)，并反饋給變頻恒壓均功率控制單元；④同步信號：提供/接收同步時(shí)鐘信號，用于進(jìn)行同步輸出控制，即具有相同時(shí)刻的上升沿；⑤均流量總線：提供最大流量水泵對應(yīng)的pwm信號pwmmax。

圖3所示為恒壓均流量控制算法框圖，由恒壓控制、流量偏差計(jì)算、均流量補(bǔ)償算法，矢量變頻控制和svpwm組成。在在采樣pw(t)、δvi(t)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對供水系統(tǒng)的恒壓均流量控制。

圖4為pwm信號導(dǎo)通時(shí)間差獲取電路及原理圖。由邏輯代數(shù)可知，兩個(gè)數(shù)字信號異或運(yùn)算法則是：兩個(gè)信號相同為0，不同為1。從圖4中可以看出，求取相同周期t和相同上升沿時(shí)刻的同步信號和pwmmax導(dǎo)通時(shí)間之差，只需要對pwmmax進(jìn)行異或運(yùn)算即可，其輸出信號邏輯關(guān)系上滿足：

所以的導(dǎo)通時(shí)間滿足：

圖5為最大導(dǎo)通時(shí)間pwm信號獲取電路，由于具有相同的周期t并且進(jìn)行了同步，使的上升沿出現(xiàn)在同一時(shí)刻。由《電工電子學(xué)》知識可知：二極管d的共陰極輸出信號為導(dǎo)通時(shí)間最長的pwm信號，即pwmmax，其導(dǎo)通時(shí)間為

圖6所示為流量偏差生成單元電路圖。其詳細(xì)闡明了通過二極管d得到pwmmax，與pwmmax通過異或門得到流量偏差信號和由rf,cf組成的低通濾波器對進(jìn)行濾波得到電壓信號δvi(t)。

圖7所示為將水泵運(yùn)行頻率fi(t)調(diào)制為的原理。由相似三角形原理可知：

其中：fmax為水泵運(yùn)行的最高頻率，一般為工頻50hz，即fmax＝50。

基于以上原理，本發(fā)明所述一種基于pwm濾波的供水系統(tǒng)均流量電路的工作過程為：

(1)第i臺水泵變頻恒壓均流量控制單元采樣并聯(lián)供水系統(tǒng)壓力信號pw(t)和δvi(t)，然后執(zhí)行恒壓控制算法和均流量補(bǔ)償控制算法(該均功率控制算法是基于最大值均流原理)，得出水泵運(yùn)行頻率fi(t)。通過矢量變頻控制和svpwm，將fi(t)調(diào)制為六路pwm信號pwm1～pwm6，用于驅(qū)動(dòng)逆變電路實(shí)現(xiàn)水泵的變頻調(diào)速；

(2)變頻恒壓控制單元將當(dāng)前運(yùn)行頻率fi(t)經(jīng)過pwm調(diào)制得到導(dǎo)通時(shí)間為的信號該信號通過同步觸發(fā)單元進(jìn)行同步，實(shí)現(xiàn)在相同時(shí)刻出現(xiàn)上升沿；

(3)通過最大導(dǎo)通時(shí)間pwm獲取電路獲取pwmmax，并經(jīng)過pwm導(dǎo)通時(shí)間求差電路得到和pwmmax的導(dǎo)通時(shí)間之差

(4)經(jīng)由rf,cf組成的濾波器進(jìn)行濾波，得到表征第i臺水泵輸出流量與系統(tǒng)中最大輸出流量水泵的流量之差的電壓量δvi(t)，從而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)供水系統(tǒng)水泵的均輸出流量控制。

實(shí)施例不應(yīng)視為對本發(fā)明的限制，任何基于本發(fā)明的精神所作的改進(jìn)，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。