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燃气壁挂炉烟道特性自适应控制系统设计与应用

广东百威电子有限公司 刘治田 刘勇 赵喜球 王伟



摘 要 本文介绍了一种新型的燃气壁挂炉控制系统,它主要由PWM调速的直流无刷风机和具有自适应功能的壁挂炉控制器组成,这个系统能够自动监测燃气壁挂炉烟道特性的变化并调整风机的转速,使燃气壁挂炉的燃烧保持在一种良好的状态,从而提高了燃气壁挂炉的使用性能。

关键词 烟道特性;自适应;恒风量控制;PWM调速


1 引言

目前大气燃烧式燃气壁挂炉占据国内分户采暖的大部分市场,它技术成熟、性能稳定、价格适中、适合我国气源特点。上世纪90年代燃气壁挂炉从欧洲进入中国市场,国内燃气具企业也是从那时开始设计和生产燃气壁挂炉。多年来,壁挂炉的给排气系统一直是使用交流单相异步罩极电机,这种电机的特点是不用辅助绕组和启动电容器,结构简单、可靠耐用、噪音低。随着社会的发展和技术的进步,人们对燃气壁挂炉的性能提出新的要求,这些要求可归纳为安全可靠、节能减排、低噪音、适应性强、用户体验感好。分析当前壁挂炉的给排气控制系统,我们认为至少存在以下三点不足:

(1)因单相异步罩极电机的调速性能较差,所以壁挂炉给排气系统的抗吹风和抗烟道堵塞能力较弱;

(2)在额定热负荷燃烧时过剩空气正常、热效率较高,但在中负荷和小负荷段运行时,过剩空气太多,热效率较低;

(3)GB 25034-2010中明确要求,当壁挂炉在吹风状态和堵塞状态下燃烧时,烟气中的CO含量不准超过0.2%,超过0.2%时必须停机。因为目前的给排气系统抗吹风能力有限,所以给用户的使用也带来很多的不便。

针对以上问题,我们设计了一套能够自动适应壁挂炉烟道特性的控制系统,系统采用PWM调速的直流无刷风机,极大地提高了壁挂炉的抗吹风能力和抗烟道堵塞能力,同时也提高了壁挂炉在低负荷段燃烧的热效率。


2 自适应控制系统的可行性分析

2.1 燃气壁挂炉的烟道特性

燃气壁挂炉的给排气系统由同轴烟管(也可以是别的烟管)、平衡箱、燃烧器、热交换器组成,给排气系统的特性也就是本文所说的烟道特性。根据流体力学原理,烟道特性可用一个二次函数表示,风机的总压头是用来克服烟道的阻力,并且在出口处造成一定的速度头。即:

        H=(λω2γ1/4R+ξω2γ+ω2γ)/2g       (1)

其中:λ——沿程(摩擦)阻力系数;

ω——空气的流速(m/s);

l——烟管的长度(m);

γ——空气的密度(kg/m3

R——水力半径(m);

ζ——局部阻力系数;

g——重力加速度(m/s)。

第一项为沿程阻力损失,它与烟管的水力半径R、长度l和沿程阻力系数λ有关。

第二项为局部阻力损失,是当气体进入或离开烟道时,以及烟管有弯曲或变更截面时产生的。

第三项为烟气离开烟管时的速度头,它能确保有一定的风量排出烟管。

从式(1)得知,烟道特性是一个二次函数(风量Q=气流速度ω×等效截面积S),也就是说,压力头和风量是二次函数的关系,即:H=A×Q2。

在烟道堵塞或外界吹风状态时,系数A在发生变化;烟道阻力越大,系数A越大。

图1是壁挂炉的烟道特性分析和风机工作点变化的示意图。


2.2 PWM调速的直流风机的特性

所谓风机特性就是指风机的风压和风量的关系,当给定一个调速电压Vp时,风机特性为P=f﹙Q﹚。风机特性函数比较复杂,一般情况下通过试验来确定。

本文所述的PWM方式调速的直流无刷风机的特性是一族曲线,不同的调速电压对应不同的曲线,图3画出了PWM方式调速风机特性曲线族中的三条。

2.3 控制系统的实现方法

直流风机有一个典型的特性:在给定的调速电压下,当烟道阻力增大时风机电流减小、转速提高,本系统主要就是利用这一特性而设计的。

我们利用图1对系统实现的可行性,做一个简单的分析:

曲线1、曲线2、曲线3表示了不同烟道特性的三条曲线,曲线1是正常情况,曲线2表示烟道阻力增大,曲线3表示烟道阻力很大。

曲线A、曲线B、曲线C是当调速电压Vp不同时的风机特性曲线,曲线C的调速电压大于曲线B的调速电压,曲线B的调速电压大于曲线A的调速电压。

我们假设风机曲线为A、烟道特性为曲线1时,风机的工作点为a,风量为Q1,此时壁挂炉正常燃烧;如果因堵风等原因造成烟道特性转变为2时,工作点从a转移到b,造成风量Q明显减少。

为了保证风量不变,我们加大了风机的调速电压使风机特性转变为曲线B,此时工作点转移到c,保证了风量为Q1。

同理,当烟道特性转变为曲线3时,通过改变风机的调速电压使风机特性转变为曲线C,这样风机的工作点也就由a点转移到e点,确保了供给燃烧系统的风量为Q1。


3 自适应控制系统设计

3.1 硬件电路设计

PWM调速直流风机的外部接口是输入电压VDD、参考端VSS、调速电压Vp、转速反馈FG,其中调速电压Vp大小的变化范围是1V~5V(或是频率固定的PWM信号,高电平的宽度决定转速的高低),转速反馈FG是输出信号,它等于实际转速n的4倍。图2给出了控制器驱动风机的原理框图。


为了测量风机电流的大小,我们在控制器的内部设计了电流采样电路,即在参考端VSS经采样电阻后再接入控制器的GND。

采样的电流近似等于通过电机电枢的电流,采样电路见图3,采样电阻R1的电压经过放大器后接入MCU的A/D转换器。

3.2 软件设计

软件设计是本自适应控制系统的核心和关键,它需要解决三个主要问题:

(1)建立自适应控制的数学模型Q=Fun(I,N),其目的是实现恒风量运行,所谓的恒风量运行是指当壁挂炉的烟道特性发生变化时实时调整风机的转速,使其在每一个热负荷点的风量基本保持不变。

(2)实时检测电流和转速的变化,通过有效的算法快速识别烟道堵塞和外界吹风的程度,然后决定是否停机进入安全保护状态;

(3)点火时抗烟道堵塞和外界吹风。在烟道堵塞和外界吹风不太严重的时候能够主动提速正常点火燃烧,而不应停机保护影响用户采暖。



软件设计方法简述如下:

根据比例阀的控制电流计算驱动风机的理论调速电压W(10位二进制的PWM值),把理论调速电压等效为理论设定的风量Q0,当机器运行时,当前风量Q会随着风机的电流、转速的变化而变化。设定一个算式Q=Fun(I,N),其中I是风机当前电流,N是风机当前转速,当排气系统的阻力未发生变化时,其实际的烟道特性与标准的烟道特性相同,W=Q0=Q,则不启动抗风压程序,风机调速电压PWM=W;当排气系统因烟道有堵塞或有吹风等现象而造成阻力增大时,转速N上升,电流I下降,则启动抗风压程序,按照Q=Fun(I,N),进行计算,计算出的Q值将下降,那么风机调速电压PWM=W+△W,增加△W使W=Q,当此时W>Q时,则再进入下一轮的循环和计算,其循环结束的条件是W=Q;当热水器的烟道阻力恢复正常(如吹风减小、烟道堵塞物去除后),W<Q,此时,逐步减小调速电压增量△W,每减少一次,则按照Q=Fun(I,N)进行计算,其循环结束的条件是W=Q或△W=0。 

点火时抗烟道堵塞或外界吹风是一个很重要的性能,它关系到用户体验和壁挂炉的使用安全。当壁挂炉从停止燃烧状态转入运行状态启动风机旋转后,先检测和判断烟道特性,当发现有风量偏小(烟道部分堵塞或有吹风现象)时,主动提高转速再次判断是否满足点火风量,如果满足点火条件则点火运行;如果不满足点火条件则提醒用户并进入安全停机状态。


4 结语

(1)表1是该自适应控制系统在某型号燃气壁挂炉上运行测试的结果。从表中的结果可以看出,壁挂炉的抗风性能明显提高,烟道阻力在300Pa前都可以正常工作。

(2)系统的抗烟道堵塞和抗吹风能力与PWM调速的直流无刷风机的特性有关,风机特性包括风机的输出功率,输出功率越大,则抗吹风能力越强。

(3)在确保不产生冷凝水的情况下,使用PWM调速的直流无刷风机可以按负荷的大小控制供给燃烧器的风量,提高壁挂炉在中低负荷段的热效率,还可以降低运行噪音。

(4)当壁挂炉在高海拔地区使用时,因空气密度减小同样会导致风机的电流减小、转速提高,本系统也会自动提高转速加大供给燃烧器的风量。该系统对海拔高度变化的自适应能力和效果还有待进一步测试和验证。



参考文献:

[1] GB 25034-2010.《燃气采暖热水炉》.

[2] 刘治田 赵喜球 王伟 唐崇云.《燃气热水器排烟系统直流调速风机应用的探讨》.中国城市燃气学会应用专业委员会2014年行业论文集.


主编点评:

本文研究的燃气采暖热水炉(壁挂炉)的风机为适应烟道阻力的变化而自适应变频,调节输出电压和转速来匹配阻力变化。研究方向值得肯定,壁挂炉的烟道对于壁挂炉整体性能的影响事实上是很大的,但是大家对于烟道的重要性一直没有重视。尽管本文不是研究烟道,而是研究对于使用PWM控制风机提出设计上的解决方案。希望进一步研究后续空气密度(高海拔)的影响和变频对于燃烧效率提高的意义。

 
 


  
 
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