鎖相環(huán)同步切換控制應(yīng)用研究

史晶

（長春職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130000）

在中、大容量供水系統(tǒng)中，由于供水管網(wǎng)鋪設(shè)復(fù)雜、彎管多、控制對象具有高階次、大滯后、強(qiáng)耦合、非線性及參數(shù)時(shí)變的特點(diǎn)，難以利用有效的解析式數(shù)學(xué)模型進(jìn)行閉環(huán)控制，以及多臺水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，水泵電機(jī)由變頻電源供電向工頻電源供電切換過程中所產(chǎn)生的過電壓過電流沖擊這兩個(gè)難題，提出了采用鎖相環(huán)同步控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)變頻電源和工頻電源的平穩(wěn)切換；采用模糊控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的恒壓控制。

1 鎖相環(huán)的組成

鎖相環(huán)(PLL)是以消除頻率誤差為目的的反饋控制電路，其輸出信號的頻率跟蹤輸入信號的頻率。當(dāng)輸出信號頻率與輸入信號頻率相等時(shí)，輸出電壓和輸入電壓保持固定的相位差值。鎖相環(huán)路由三部分組成:鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LF)和壓控振蕩器(VCO)。如圖1所示。

圖1 鎖相環(huán)路圖的原理圖

2 鎖相環(huán)的相位模型

鎖相環(huán)路的相位模型如圖1所示。其中，為鑒相器放大倍數(shù)，為低通濾波器傳遞函數(shù)，為壓控振蕩器傳遞函數(shù)。

低通濾波器傳遞函數(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。

3 鎖相環(huán)的性能分析

3.1 鎖相環(huán)路的穩(wěn)態(tài)誤差分析

對于工頻電源的頻率擾動 ，在環(huán)路動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)相位誤差就會逐漸減小，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，若輸入信號發(fā)生相位或頻率的變化，通過環(huán)路自身的控制作用，環(huán)路輸出信寫會跟蹤輸入信號的變化。本系統(tǒng)鎖相環(huán)路的輸入信號為工頻信號，工頻信號50Hz上下波動時(shí)產(chǎn)生的頻率變化量 可看作是階躍信號：θ1(s)=△ω/s2環(huán)路誤差動態(tài)響應(yīng)輸出曲線如圖所示。由相對誤差響應(yīng)曲線圖可知，最大的相位誤差是隨著ζ值的減小而增大的，當(dāng)ζ=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)的恒壓供水同步控制的設(shè)計(jì)

4.1 鎖相環(huán)同步控制原理圖

基于PLL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2所示。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)。

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 的脈沖信號，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 的脈沖信號。以工頻信號 作為基準(zhǔn)信號，與變頻器的反饋輸出信號 在CD4046的鑒頻鑒相器中進(jìn)行頻率與相位比較，產(chǎn)生正比于頻率和相位差的信號電壓，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與工頻電源的相電壓信號同頻率同相位。一旦負(fù)載出現(xiàn)波動使變頻器輸出電壓信號發(fā)生變化，反饋信號 就隨之變化，它與給定工頻信號 產(chǎn)生頻差，此時(shí)相位比較器的輸出信號發(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，直至反饋信號的頻率與給定信號的頻率重新達(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)，其反饋信號頻率被鎖定到給定信號頻率上，即fo=fi，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，變頻電源和工頻電源便可實(shí)現(xiàn)安全、平穩(wěn)地切換。

系統(tǒng)工作時(shí)，當(dāng)水壓低于給定值，在模糊PID控制器作用下，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跟蹤工頻電源信號，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送入PLC。若PLC檢測到這個(gè)信號，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)的切換。供水系統(tǒng)變頻運(yùn)行與工頻運(yùn)行同步切換控制主電路電氣連接如圖3所示。系統(tǒng)變頻運(yùn)行與工頻運(yùn)行同步切換控制的過程如圖3。

當(dāng)系統(tǒng)開始變頻運(yùn)行時(shí)，PLC控制繼電器SSR2動作，其內(nèi)部常開觸點(diǎn)SW閉合，即主電氣連接圖中的SSR2閉合，從而使接觸器KM2的線圈得電，其主觸點(diǎn)閉合接通變頻器與電機(jī)，水泵電機(jī)M變頻運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入同步鎖定狀態(tài)滿足切換條件時(shí)，PLC控制繼電器SSR1動作，其內(nèi)部常開觸點(diǎn)閉合，即主電氣連接圖中的SSR1閉合，從而使接觸器KM1的線圈得電，主觸點(diǎn)閉合工頻電源與水泵電機(jī)接通，水泵電機(jī)M工頻運(yùn)行。同時(shí)，為了保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，通過接觸器KM1和KM2的輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)變頻與工頻運(yùn)行的電氣連鎖控制。

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