基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统及方法
基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气和热力工程技术领域，具体涉及一种基于斩波电路控制的电热储 能装置的控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 当前，雾霾天气已成为城市污染的普遍现象，冬季尤为严重，其中燃煤供暖是最重 要的污染源；北方地区风力资源丰富，是我国开展风力发电的最主要区域，受电网调度的影 响，北方地区冬季为保障供暖需要，热电厂处于满负荷运行，弃用风电现象严重，造成大量 风资源浪费，制约影响了风电产业的进一步发展；另一方面，北方城市冬季供热能力不足， 供热以燃煤为主，清洁供热比例低，燃烧大量煤炭，既严重污染了大气环境，又增加城市交 通运输压力，影响城市景观形象。
[0003] 在北方城市大规模地推广利用风电的清洁热源解决城市供热及工业生产热源，完 全符合国家产业支持方向，可以最大限度地利用风力资源，实现风电全部就近消纳，优化平 衡电网；实现风电清洁供热，减少燃煤污染物排放，对于改善我国的大气环境，实现节能减 排目标，促进风电产业健康发展都具有十分重要的意义。
[0004] 电锅炉能在国外发达国家已普遍应用，其比较其它热源形式的供热设备具有以下 优点：对环境没有污染、无三废排放、清洁无噪音，并且操作简单、维修方便、自动化程度高、 常压运行、安全可靠、便于控制等优点；电锅炉供热在国外发展很快，国内对于电锅炉的需 求也越来越大，目前电锅炉不具备电压调节能力，使用普通的变频电路调压，又会导致过多 的可控器件的使用，增加产品成本，因此对加热丝的控制只有开关两种状态，调温困难对电 锅炉的控制能力弱，此外目前电锅炉的加热采用集中加热，可能导致"窝热"现象，缩短加热 丝寿命，使用开环控制方式，温度控制要随时根据输出温度来人为调节，控制困难，并且不 能补偿扰动对温度的影响，使得输出温度往往达不到设定值。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的缺点，本发明提出一种基于斩波电路控制的电热储能装置的控制 系统及方法，以达到减少可控器件数量、防止"窝热"现象、提高输出温度精度和简化操作的 目的。
[0006] -种基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，包括风机、固体蓄热体、 气-水换热器和水泵，还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、可编程 逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和 第三电压连续可调加热控制电路；
[0007] 所述可编程逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续 可调加热控制电路和第三电压连续可调加热控制电路均设置于固体蓄热体上；所述固体蓄 热体设置有中空通道，第一温度传感器、第一电压连续可调加热控制电路内部的电热丝、第 二电压连续可调加热控制电路内部的电热丝和第三电压连续可调加热控制电路内部的电 热丝均固定设置于固体蓄热体中空通道的通道壁上；所述固体蓄热体中空通道的一端通过 风管连接风机的出风端口，固体蓄热体中空通道的另一端通过风管连接气-水换热器的通 气管道；所述气-水换热器的进水端口连接电热储能装置供热管的出水端口，气-水换热器 出水端口通过水管连接水泵的抽水端口，水泵的出水端口连接电热储能装置供热管的进水 端口；所述第二温度传感器设置于气-水换热器的进水端口，第三温度传感器设置于水泵 的出水端口；
[0008] 所述第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和第三 电压连续可调加热控制电路结构相同，均包括单相桥式不控整流电路、斩波电路和缓冲电 路；
[0009] 所述单相桥式不控整流电路的第一连接端同时连接缓冲电路的第一连接端和斩 波电路的第一连接端，单相桥式不控整流电路的第二连接端连接斩波电路的第二连接端， 缓冲电路的第二连接端连接斩波电路的第三连接端。
[0010] 所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的输出端共同连接可编 程逻辑控制器的输入端；可编程逻辑控制器的第一输出端同时连接第一电压连续可调加热 控制电路的输入端、第二电压连续可调加热控制电路的输入端和第三电压连续可调加热控 制电路的输入端，可编程逻辑控制器的第二输出端连接变频器的输入端；变频器的输出端 连接风机的输入端。
[0011] 所述单相桥式不控整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二 极管；
[0012] 所述第一二极管的阳极连接第二二极管的阴极，并连接交流电源，第一二极管的 阴极连接第三二极管的阴极，并作为单相桥式不控整流电路的第一连接端，第二二极管的 阳极连接第四二极管的阳极，并作为单相桥式不控整流电路的第二连接端，第三二极管的 阳极连接第四二极管的阴极，并连接交流电源。
[0013] 所述斩波电路包括第一电容、第二电容、第五二极管、一个电热丝、一个电感和一 个功率晶体管；
[0014] 所述第一电容的一端连接功率晶体管的集电极，并作为斩波电路的第一连接端， 第一电容的另一端同时连接第五二极管的阳极、第二电容的一端和电热丝的一端，并作为 斩波电路的第二连接端；功率晶体管的发射极同时连接电感的一端和第五二极管的阴极， 并作为斩波电路的第三连接端，将功率晶体管的基级作为电压连续可调加热控制电路的输 入端；电感的另一端同时连接第二电容的另一端和电热丝的另一端；所述电压连续可调加 热控制电路包括第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和第三 电压连续可调加热控制电路。
[0015] 所述缓冲电路包括第六二极管、第一电阻和第三电容；
[0016] 所述第一电阻的一端连接第六二极管的阳极，并作为缓冲电路的第一连接端，第 一电阻的另一端同时连接第六二极管的阴极和第三电容的一端，将第三电容的另一端作为 缓冲电路的第二连接端。
[0017] 采用基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统进行的控制方法，包括以下步 骤：
[0018] 步骤1、启动系统，采用第一温度传感器采集固体蓄热体温度，将固体蓄热体温度 转化成固体蓄热体温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对固 体蓄热体温度电压信号进行A/D转换，获得固体蓄热体温度值；
[0019] 步骤2、采用第二温度传感器采集气-水换热器的进水温度，将气-水换热器的进 水温度转化成气-水换热器进水温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻 辑控制器对气-水换热器进水温度电压信号进行A/D转换，获得气-水换热器进水温度值；
[0020] 步骤3、采用第三温度传感器采集水泵的出水温度，将水泵的出水温度转化成水泵 出水温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对水泵出水温度电 压信号进行A/D转换，获得水泵出水温度值；
[0021] 步骤4、在可编程逻辑控制器中设定电热储能装置的温度标准值，所述电热储能装 置的温度标准值包括固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进水温度标准值和水泵出水 温 度标准值，根据所设定电热储能装置的温度标准值，对电热储能装置温度进行调节，具体 步骤如下：
[0022] 步骤4. 1、在可编程逻辑控制器中设定固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进 水温度标准值和水泵出水温度标准值；
[0023] 步骤4. 2、采用可编程逻辑控制器，判断实际固体蓄热体温度值是否达到固体蓄热 体温度标准范围，若是，执行步骤4. 3,否则，执行步骤4. 5 ;
[0024] 步骤4. 3、采用可编程逻辑控制器，判断实际气-水换热器进水温度值是否达到 气-水换热器进水温度标准值，若是，执行步骤4. 4,否则，执行步骤4. 7 ;
[0025] 步骤4. 4、采用可编程逻辑控制器，判断实际水泵出水温度值是否达到水泵出水温 度标准值，若是，执行步骤5,否则，执行步骤4. 8 ;
[0026] 步骤4. 5、设定固体蓄热体温度范围个数，并设定每个固体蓄热体温度范围所对应 的输出电压占空比，获得实际固体蓄热体温度所在的固体蓄热体温度范围；
[0027] 步骤4. 6、采用第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路 和第三电压连续可调加热控制电路，根据实际固体蓄热体温度所在固体蓄热体温度范围对 应的输出电压占空比，调节输出电压，进而调节固体蓄热体温度，并返回执行步骤4. 2 ;
[0028] 步骤4. 7、采用可编程逻辑控制器，获得气-水换热器进水温度标准值与实际 气-水换热器进水温度值之差，并将差值进行D/A转换，获得气-水换热器进水温度差值电 压信号发送到变频器，风机根据变频器的输出频率调节风速，实现进水温度调高，并返回执 行步骤4. 3 ;
[0029] 步骤4. 8、采用可编程逻辑控制器，获得水泵出水温度标准值与实际水泵出水温度 值之差，并将差值进行D/A转换，获得水泵出水温度差值电压信号发送到变频器，风机根据 变频器的输出频率调节风速，实现出水温度调高，并返回执行步骤4. 4 ;
[0030] 步骤5、停止系统，完成对电热储能装置的温度调节。
[0031] 本发明的优点：
[0032] 本发明的电压连续可调加热控制电路，与传统的整流电路相比采用先不控整流， 再斩波的方式，减少了可控器件的数量；三相母线上各相连接相同的电路，既能防止三相不 平衡导致的电路故障，也能将各相的电热丝分区域放置，方便对各区域温度的控制，防止了 "窝热"现象的产生；电压幅值可连续调节，可以对温度进行更为精准的控制；使用闭环控 制，用户只需通过可编程逻辑控制器对温度进行设置，便可以输出恒定温度；使用可编程逻 辑控制器作为装置的控制核心，操作过程简单、直观，用户只需经简单培训即可操作。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明一种实施例的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统结构 示意图；
[0034] 图2为本发明一种实施例的电压连续可调加热控制电路原理图；
[0035] 图3为本发明一种实施例的单相桥式不控整流电路原理图；
[0036] 图4为本发明一种实施例的斩波电路原理图；
[0037] 图5为本发明一种实施例的缓冲电路原理图；
[0038] 图6为本发明一种实施例的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统的控 制方法流程图；
[0039] 图7为本发明一种实施例的对电热储能装置温度进行调节的方法流程图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
[0041] 本发明实施例中，如图1所示，基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，包 括风机、固体蓄热体、气-水换热器和水泵，还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三 温度传感器、可编程逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续 可调加热控制电路和第三电压连续可调加热控制电路；其中，
[0042] 本发明实施例中，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器均采 用ptlOO热电阻，可编程逻辑控制器采用西门子S300型号，变频器采用西门子变频器 6SE6430-2UD31-5CA0型号，风机采用300W耐高温隔热离心风机，气-水换热器采用擎立列 管式换热器，水泵采用渝乐0RS25-10水泵，本发明实施例中，采用基于斩波电路控制的电 热储能装置的控制系统对电热储能装置进行实时控制；
[0043] 所述可编程逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续 可调加热控制电路和第三电压连续可调加热控制电路均设置于固体蓄热体上；所述固体蓄 热体设置有中空通道，第一温度传感器固定设置于固体蓄热体中空通道的通道内壁上，第 一电压连续可调加热控制电路内部的电热丝固定设置于固体蓄热体中空通道一端的通道 内壁上，第二电压连续可调加热控制电路内部的电热丝固定设置于固体蓄热体中空通道另 一端的通道内壁上，第三电压连续可调加热控制电路内部的电热丝固定设置于第一电压连 续可调加热控制电路内部的电热丝与第二电压连续可调加热控制电路内部的电热丝之间 的通道内壁上；所述固体蓄热体中空通道的一端通过风管连接风机的出风端口，固体蓄热 体中空通道的另一端通过风管连接气-水换热器的通气管道；所述气-水换热器的进水端 口连接电热储能装置供热管的出水端口，气-水换热器出水端口通过水管连接水泵的抽水 端口，水泵的出水端口连接电热储能装置供热管的进水端口；所述第二温度传感器设置于 气-水换热器的进水端口，第三温度传感器设置于水泵的出水端口；
[0044] 所述第一温度传感器的一根电流线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口All 中的电流正极端口 1+，第一温度传感器的另一根电流线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟 量端口All中的电流负极端口 1-，第一温度传感器的一根测量线连接可编程逻辑控制器热 电阻模拟量端口 All中的电压正极端口 V+，第一温度传感器的另一根测量线连接可编程逻 辑控制器热电阻模拟量端口 All中的电压负极端口 V-;第二温度传感器的一根电流线连接 可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口 AI2中的电流正极端口 1+，第二温度传感器的另一根 电流线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口 AI2中的电流负极端口 1-，第二温度传感 器的一根测量线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口 AI2中的电压正极端口 V+，第二 温度传感器的另一根测量线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口 AI2中的电压负极 端口 V-;第三温度传感器的一根电流线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口 AI3中 的电流正极端口 1+，第三温度传感器的另一根电流线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量 端口 AI3中的电流负极端口 1-，第三温度传感器的一根测量线连接可编程逻辑控制器热电 阻模拟量端口 AI3中的电压正极端口 V+，第三温度传感器的另一根测量线连接可编程逻辑 控制器热电阻模拟量端口 AI3中的电压负极端口 V-;可编程逻辑控制器的数字量输出端口 D0 1同时连接第一电压连续可调加热控制电路的输入端、第二电压连续可调加热控制电路 的输入端和第三电压连续可调加热控制电路的输入端，可编程逻辑控制器的模拟量输出端 口 A01连接变频器的控制信号端口，变频器的输出端口连接风机的动力线；
[0045] 如图2所示，所述第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制 电路和第三电压连续可调加热控制电路结构相同，均包括单相桥式不控整流电路、斩波电 路和缓冲电路；所述单相桥式不控整流电路的第一连接端同时连接缓冲电路的第一连接端 和斩波电路的第一连接端，单相桥式不控整流电路的第二连接端连接斩波电路的第二连接 端，缓冲电路的第二连接端连接斩波电路的第三连接端；
[0046] 如图3所示，所述单相桥式不控整流电路包括第一二极管VD1、第二二极管VD2、第 三二极管VD3和第四二极管VD4 ;其中，
[0047] 所述第一二极管VD1的阳极连接第二二极管VD2的阴极，并连接交流电源，第一二 极管VD1的阴极连接第三二极管VD3的阴极，并作为单相桥式不控整流电路的第一连接端， 第二二极管VD2的阳极连接第四二极管VD4的阳极，并作为单相桥式不控整流电路的第二 连接端，第三二极管VD3的阳极连接第四二极管VD4的阴极，并连接交流电源；
[0048] 如图4所示，所述斩波电路包括第一电容C1、第二电容C2、一个电热丝R、一个电感 L和一个功率晶体管V;其中，
[0049] 所述第一电容C1的一端连接功率晶体管V的集电极，并作为斩波电路的第一连接 端，第一电容C1的另一端同时连接第五二极管VD5的阳极、第二电容C2的一端和电热丝R 的一端，并作为斩波电路的第二连接端；功率晶体管V的发射极同时连接电感L的一端和第 五二极管VD5的阴极，并作为斩波电路的第三连接端，将功率晶体管V的基级作为电压连续 可调加热控制电路的输入端；电感L的另一端同时连接第二电容C2的另一端和电热丝R的 另一端；所述电压连续可调加热控制电路包括第一电压连续可调加热控制电路、第二电压 连续可调加热控制电路和第三电压连续可调加热控制电路；
[0050] 如图5所示，所述缓冲电路包括第六二极管VD6、第一电阻R1和第三电容C3 ;其 中，
[0051] 所述第一电阻R1的一端连接第六二极管VD6的阳极，并作为缓冲电路的第一连接 端，第一电阻R1的另一端同时连接第六二极管VD6的阴极和第三电容C3的一端，将第三电 容C3的另一端作为缓冲电路的第三连接端；
[0052] 本发明实施例中，采用基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统进行的控制 方法，方法流程图如图6所示，包括以下步骤：
[0053] 步骤1、启动系统，采用第一温度传感器采集固体蓄热体温度，将固体蓄热体温度 转化成固体蓄热体温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对固 体蓄热体温度电压信号进行A/D转换，获得固体蓄热体温度值；
[0054] 步骤2、采用第二温度传感器采集气-水换热器的进水温度，将气-水换热器的进 水温度转化成气-水换热器进水温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻 辑控制器对气-水换热器进水温度电压信号进行A/D转换，获得气-水换热器进水温度值；
[0055] 步骤3、采用第三温度传感器采集水泵的出水温度，将水泵的出水温度转化成水泵 出水温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对水泵出水温度电 压信号进行A/D转换，获得水泵出水温度值；
[0056] 步骤4、在可编程逻辑控制器中设定电热储能装置的温度标准值，所述电热储能装 置的温度标准值包括固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进水温度标准值和水泵出水 温度标准值，根据所设定电热储能装置的温度标准值，对电热储能装置温度进行调节，具体 步骤如下：
[0057] 步骤4. 1、在可编程逻辑控制器中设定固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进 水温度标准值和水泵出水温度标准值；
[0058] 本发明实施例中，设定固体蓄热体温度标准值为650°到700°之间，进水温度标 准值为30°，出水温度标准值为80° ;
[0059] 步骤4. 2、采用可编程逻辑控制器，判断实际固体蓄热体温度值是否达到固体蓄热 体温度标准范围，若是，执行步骤4. 3,否则，执行步骤4. 5 ;
[0060] 步骤4. 3、采用可编程逻辑控制器，判断实际气-水换热器进水温度值是否达到 气-水换热器进水温度标准值，若是，执行步骤4. 4,否则，执行步骤4. 7 ;
[0061] 步骤4. 4、采用可编程逻辑控制器，判断实际水泵出水温度值是否达到水泵出水温 度标准值，若是，执行步骤5,否则，执行步骤4. 8 ;
[0062] 步骤4. 5、设定固体蓄热体温度范围个数，并设定每个固体蓄热体温度范围所对应 的输出电压占空比，获得实际固体蓄热体温度所在的固体蓄热体温度范围；
[0063] 本发明实施例中，设定固体蓄热体温度范围个数为6个，设定每个固体蓄热体温 度范围所对应的输出电压占空比如表1所示：
[0064]表1
[0066] 步骤4. 6、采用第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路 和第三电压连续可调加热控制电路，根据实际固体蓄热体温度所在固体蓄热体温度范围对 应的输出电压占空比，调节输出电压，进而调节固体蓄热体温度，并返回执行步骤4. 2 ;
[0067] 步骤4. 7、采用可编程逻辑控制器，获得气-水换热器进水温度标准值与实际 气-水换热器进水温度值之差，并将差值进行D/A转换，获得气-水换热器进水温度差值电 压信号发送到变频器，风机根据变频器的输出频率调节风速，实现进水温度调高，并返回执 行步骤4. 3 ;
[0068] 步骤4. 8、采用可编程逻辑控制器，获得水泵出水温度标准值与实际水泵出水温度 值之差，并将差值进行D/A转换，获得水泵出水温度差值电压信号发送到变频器，风机根据 变频器的输出频率调节风速，实现出水温度调高，并返回执行步骤4. 4 ;
[0069] 步骤5、停止系统，完成对电热储能装置的温度调节。
【主权项】
1. 一种基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，包括风机、固体蓄热体、气-水 换热器和水泵，其特征在于：还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、可 编程逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电 路和第三电压连续可调加热控制电路； 所述可编程逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调 加热控制电路和第三电压连续可调加热控制电路均设置于固体蓄热体上；所述固体蓄热体 设置有中空通道，第一温度传感器、第一电压连续可调加热控制电路内部的电热丝、第二电 压连续可调加热控制电路内部的电热丝和第三电压连续可调加热控制电路内部的电热丝 均固定设置于固体蓄热体中空 通道的通道壁上；所述固体蓄热体中空通道的一端通过风管 连接风机的出风端口，固体蓄热体中空通道的另一端通过风管连接气-水换热器的通气管 道；所述气-水换热器的进水端口连接电热储能装置供热管的出水端口，气-水换热器出 水端口通过水管连接水泵的抽水端口，水泵的出水端口连接电热储能装置供热管的进水端 口；所述第二温度传感器设置于气-水换热器的进水端口，第三温度传感器设置于水泵的 出水端口； 所述第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和第三电压连 续可调加热控制电路结构相同，均包括单相桥式不控整流电路、斩波电路和缓冲电路； 所述单相桥式不控整流电路的第一连接端同时连接缓冲电路的第一连接端和斩波电 路的第一连接端，单相桥式不控整流电路的第二连接端连接斩波电路的第二连接端，缓冲 电路的第二连接端连接斩波电路的第三连接端。2. 根据权利要求1所述的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，其特征在 于：所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的输出端共同连接可编程逻 辑控制器的输入端；可编程逻辑控制器的第一输出端同时连接第一电压连续可调加热控制 电路的输入端、第二电压连续可调加热控制电路的输入端和第三电压连续可调加热控制电 路的输入端，可编程逻辑控制器的第二输出端连接变频器的输入端；变频器的输出端连接 风机的输入端。3. 根据权利要求1所述的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，其特征在 于：所述单相桥式不控整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管； 所述第一二极管的阳极连接第二二极管的阴极，并连接交流电源，第一二极管的阴极 连接第三二极管的阴极，并作为单相桥式不控整流电路的第一连接端，第二二极管的阳极 连接第四二极管的阳极，并作为单相桥式不控整流电路的第二连接端，第三二极管的阳极 连接第四二极管的阴极，并连接交流电源。4. 根据权利要求1所述的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，其特征在 于：所述斩波电路包括第一电容、第二电容、第五二极管、一个电热丝、一个电感和一个功率 晶体管； 所述第一电容的一端连接功率晶体管的集电极，并作为斩波电路的第一连接端，第一 电容的另一端同时连接第五二极管的阳极、第二电容的一端和电热丝的一端，并作为斩波 电路的第二连接端；功率晶体管的发射极同时连接电感的一端和第五二极管的阴极，并作 为斩波电路的第三连接端，将功率晶体管的基级作为电压连续可调加热控制电路的输入 端；电感的另一端同时连接第二电容的另一端和电热丝的另一端；所述电压连续可调加热 控制电路包括第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和第三电 压连续可调加热控制电路。5. 根据权利要求1所述的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，其特征在 于：所述缓冲电路包括第六二极管、第一电阻和第三电容； 所述第一电阻的一端连接第六二极管的阳极，并作为缓冲电路的第一连接端，第一电 阻的另一端同时连接第六二极管的阴极和第三电容的一端，将第三电容的另一端作为缓冲 电路的第二连接端。6. 采用权利要求1所述的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统进行的控制 方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤1、启动系统，采用第一温度传感器采集固体蓄热体温度，将固体蓄热体温度转化 成固体蓄热体温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对固体蓄 热体温度电压信号进行A/D转换，获得固体蓄热体温度值； 步骤2、采用第二温度传感器采集气-水换热器的进水温度，将气-水换热器的进水温 度转化成气-水换热器进水温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控 制器对气-水换热器进水温度电压信号进行A/D转换，获得气-水换热器进水温度值； 步骤3、采用第三温度传感器采集水泵的出水温度，将水泵的出水温度转化成水泵出水 温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对水泵出水温度电压信 号进行A/D转换，获得水泵出水温度值； 步骤4、在可编程逻辑控制器中设定电热储能装置的温度标准值，所述电热储能装置的 温度标准值包括固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进水温度标准值和水泵出水温度 标准值，根据所设定电热储能装置的温度标准值，对电热储能装置温度进行调节，具体步骤 如下： 步骤4. 1、在可编程逻辑控制器中设定固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进水温 度标准值和水泵出水温度标准值； 步骤4. 2、采用可编程逻辑控制器，判断实际固体蓄热体温度值是否达到固体蓄热体温 度标准范围，若是，执行步骤4. 3,否则，执行步骤4. 5 ; 步骤4. 3、采用可编程逻辑控制器，判断实际气-水换热器进水温度值是否达到气-水 换热器进水温度标准值，若是，执行步骤4. 4,否则，执行步骤4. 7 ; 步骤4. 4、采用可编程逻辑控制器，判断实际水泵出水温度值是否达到水泵出水温度标 准值，若是，执行步骤5,否则，执行步骤4. 8 ; 步骤4. 5、设定固体蓄热体温度范围个数，并设定每个固体蓄热体温度范围所对应的输 出电压占空比，获得实际固体蓄热体温度所在的固体蓄热体温度范围； 步骤4. 6、采用第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和第 三电压连续可调加热控制电路，根据实际固体蓄热体温度所在固体蓄热体温度范围对应的 输出电压占空比，调节输出电压，进而调节固体蓄热体温度，并返回执行步骤4. 2 ; 步骤4. 7、采用可编程逻辑控制器，获得气-水换热器进水温度标准值与实际气-水换 热器进水温度值之差，并将差值进行D/A转换，获得气-水换热器进水温度差值电压信号 发送到变频器，风机根据变频器的输出频率调节风速，实现进水温度调高，并返回执行步骤 4. 3 ； 步骤4. 8、采用可编程逻辑控制器，获得水泵出水温度标准值与实际水泵出水温度值之 差，并将差值进行D/A转换，获得水泵出水温度差值电压信号发送到变频器，风机根据变频 器的输出频率调节风速，实现出水温度调高，并返回执行步骤4. 4 ; 步骤5、停止系统，完成对电热储能装置的温度调节。
【专利摘要】本发明一种基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统及方法，属于电气和热力工程技术领域；该系统包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、可编程逻辑控制器、变频器、风机、固体蓄热体、气-水换热器和水泵，还包括电压连续可调加热控制电路；本发明采用先不控整流，再斩波的方式，减少了可控器件的数量，三相母线上各相连接相同的电路，既能防止三相不平衡导致的电路故障，也能将各相的电热丝分区域放置，方便对各区域温度的控制，防止了“窝热”现象的产生，电压幅值可连续调节，可以对温度进行更为精准的控制；使用闭环控制，可以输出恒定温度，操作过程简单直观。
【IPC分类】G05D23/20
【公开号】CN104898730
【申请号】CN201510148783
【发明人】杨东升, 郑智斌, 孙云鹤, 孙鹏飞
【申请人】东北大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月31日
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气和热力工程技术领域，具体涉及一种基于斩波电路控制的电热储 能装置的控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 当前，雾霾天气已成为城市污染的普遍现象，冬季尤为严重，其中燃煤供暖是最重 要的污染源；北方地区风力资源丰富，是我国开展风力发电的最主要区域，受电网调度的影 响，北方地区冬季为保障供暖需要，热电厂处于满负荷运行，弃用风电现象严重，造成大量 风资源浪费，制约影响了风电产业的进一步发展；另一方面，北方城市冬季供热能力不足， 供热以燃煤为主，清洁供热比例低，燃烧大量煤炭，既严重污染了大气环境，又增加城市交 通运输压力，影响城市景观形象。
[0003] 在北方城市大规模地推广利用风电的清洁热源解决城市供热及工业生产热源，完 全符合国家产业支持方向，可以最大限度地利用风力资源，实现风电全部就近消纳，优化平 衡电网；实现风电清洁供热，减少燃煤污染物排放，对于改善我国的大气环境，实现节能减 排目标，促进风电产业健康发展都具有十分重要的意义。
[0004] 电锅炉能在国外发达国家已普遍应用，其比较其它热源形式的供热设备具有以下 优点：对环境没有污染、无三废排放、清洁无噪音，并且操作简单、维修方便、自动化程度高、 常压运行、安全可靠、便于控制等优点；电锅炉供热在国外发展很快，国内对于电锅炉的需 求也越来越大，目前电锅炉不具备电压调节能力，使用普通的变频电路调压，又会导致过多 的可控器件的使用，增加产品成本，因此对加热丝的控制只有开关两种状态，调温困难对电 锅炉的控制能力弱，此外目前电锅炉的加热采用集中加热，可能导致"窝热"现象，缩短加热 丝寿命，使用开环控制方式，温度控制要随时根据输出温度来人为调节，控制困难，并且不 能补偿扰动对温度的影响，使得输出温度往往达不到设定值。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的缺点，本发明提出一种基于斩波电路控制的电热储能装置的控制 系统及方法，以达到减少可控器件数量、防止"窝热"现象、提高输出温度精度和简化操作的 目的。
[0006] -种基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，包括风机、固体蓄热体、 气-水换热器和水泵，还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、可编程 逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和 第三电压连续可调加热控制电路；
[0007] 所述可编程逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续 可调加热控制电路和第三电压连续可调加热控制电路均设置于固体蓄热体上；所述固体蓄 热体设置有中空通道，第一温度传感器、第一电压连续可调加热控制电路内部的电热丝、第 二电压连续可调加热控制电路内部的电热丝和第三电压连续可调加热控制电路内部的电 热丝均固定设置于固体蓄热体中空通道的通道壁上；所述固体蓄热体中空通道的一端通过 风管连接风机的出风端口，固体蓄热体中空通道的另一端通过风管连接气-水换热器的通 气管道；所述气-水换热器的进水端口连接电热储能装置供热管的出水端口，气-水换热器 出水端口通过水管连接水泵的抽水端口，水泵的出水端口连接电热储能装置供热管的进水 端口；所述第二温度传感器设置于气-水换热器的进水端口，第三温度传感器设置于水泵 的出水端口；
[0008] 所述第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和第三 电压连续可调加热控制电路结构相同，均包括单相桥式不控整流电路、斩波电路和缓冲电 路；
[0009] 所述单相桥式不控整流电路的第一连接端同时连接缓冲电路的第一连接端和斩 波电路的第一连接端，单相桥式不控整流电路的第二连接端连接斩波电路的第二连接端， 缓冲电路的第二连接端连接斩波电路的第三连接端。
[0010] 所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的输出端共同连接可编 程逻辑控制器的输入端；可编程逻辑控制器的第一输出端同时连接第一电压连续可调加热 控制电路的输入端、第二电压连续可调加热控制电路的输入端和第三电压连续可调加热控 制电路的输入端，可编程逻辑控制器的第二输出端连接变频器的输入端；变频器的输出端 连接风机的输入端。
[0011] 所述单相桥式不控整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二 极管；
[0012] 所述第一二极管的阳极连接第二二极管的阴极，并连接交流电源，第一二极管的 阴极连接第三二极管的阴极，并作为单相桥式不控整流电路的第一连接端，第二二极管的 阳极连接第四二极管的阳极，并作为单相桥式不控整流电路的第二连接端，第三二极管的 阳极连接第四二极管的阴极，并连接交流电源。
[0013] 所述斩波电路包括第一电容、第二电容、第五二极管、一个电热丝、一个电感和一 个功率晶体管；
[0014] 所述第一电容的一端连接功率晶体管的集电极，并作为斩波电路的第一连接端， 第一电容的另一端同时连接第五二极管的阳极、第二电容的一端和电热丝的一端，并作为 斩波电路的第二连接端；功率晶体管的发射极同时连接电感的一端和第五二极管的阴极， 并作为斩波电路的第三连接端，将功率晶体管的基级作为电压连续可调加热控制电路的输 入端；电感的另一端同时连接第二电容的另一端和电热丝的另一端；所述电压连续可调加 热控制电路包括第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和第三 电压连续可调加热控制电路。
[0015] 所述缓冲电路包括第六二极管、第一电阻和第三电容；
[0016] 所述第一电阻的一端连接第六二极管的阳极，并作为缓冲电路的第一连接端，第 一电阻的另一端同时连接第六二极管的阴极和第三电容的一端，将第三电容的另一端作为 缓冲电路的第二连接端。
[0017] 采用基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统进行的控制方法，包括以下步 骤：
[0018] 步骤1、启动系统，采用第一温度传感器采集固体蓄热体温度，将固体蓄热体温度 转化成固体蓄热体温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对固 体蓄热体温度电压信号进行A/D转换，获得固体蓄热体温度值；
[0019] 步骤2、采用第二温度传感器采集气-水换热器的进水温度，将气-水换热器的进 水温度转化成气-水换热器进水温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻 辑控制器对气-水换热器进水温度电压信号进行A/D转换，获得气-水换热器进水温度值；
[0020] 步骤3、采用第三温度传感器采集水泵的出水温度，将水泵的出水温度转化成水泵 出水温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对水泵出水温度电 压信号进行A/D转换，获得水泵出水温度值；
[0021] 步骤4、在可编程逻辑控制器中设定电热储能装置的温度标准值，所述电热储能装 置的温度标准值包括固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进水温度标准值和水泵出水 温 度标准值，根据所设定电热储能装置的温度标准值，对电热储能装置温度进行调节，具体 步骤如下：
[0022] 步骤4. 1、在可编程逻辑控制器中设定固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进 水温度标准值和水泵出水温度标准值；
[0023] 步骤4. 2、采用可编程逻辑控制器，判断实际固体蓄热体温度值是否达到固体蓄热 体温度标准范围，若是，执行步骤4. 3,否则，执行步骤4. 5 ;
[0024] 步骤4. 3、采用可编程逻辑控制器，判断实际气-水换热器进水温度值是否达到 气-水换热器进水温度标准值，若是，执行步骤4. 4,否则，执行步骤4. 7 ;
[0025] 步骤4. 4、采用可编程逻辑控制器，判断实际水泵出水温度值是否达到水泵出水温 度标准值，若是，执行步骤5,否则，执行步骤4. 8 ;
[0026] 步骤4. 5、设定固体蓄热体温度范围个数，并设定每个固体蓄热体温度范围所对应 的输出电压占空比，获得实际固体蓄热体温度所在的固体蓄热体温度范围；
[0027] 步骤4. 6、采用第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路 和第三电压连续可调加热控制电路，根据实际固体蓄热体温度所在固体蓄热体温度范围对 应的输出电压占空比，调节输出电压，进而调节固体蓄热体温度，并返回执行步骤4. 2 ;
[0028] 步骤4. 7、采用可编程逻辑控制器，获得气-水换热器进水温度标准值与实际 气-水换热器进水温度值之差，并将差值进行D/A转换，获得气-水换热器进水温度差值电 压信号发送到变频器，风机根据变频器的输出频率调节风速，实现进水温度调高，并返回执 行步骤4. 3 ;
[0029] 步骤4. 8、采用可编程逻辑控制器，获得水泵出水温度标准值与实际水泵出水温度 值之差，并将差值进行D/A转换，获得水泵出水温度差值电压信号发送到变频器，风机根据 变频器的输出频率调节风速，实现出水温度调高，并返回执行步骤4. 4 ;
[0030] 步骤5、停止系统，完成对电热储能装置的温度调节。
[0031] 本发明的优点：
[0032] 本发明的电压连续可调加热控制电路，与传统的整流电路相比采用先不控整流， 再斩波的方式，减少了可控器件的数量；三相母线上各相连接相同的电路，既能防止三相不 平衡导致的电路故障，也能将各相的电热丝分区域放置，方便对各区域温度的控制，防止了 "窝热"现象的产生；电压幅值可连续调节，可以对温度进行更为精准的控制；使用闭环控 制，用户只需通过可编程逻辑控制器对温度进行设置，便可以输出恒定温度；使用可编程逻 辑控制器作为装置的控制核心，操作过程简单、直观，用户只需经简单培训即可操作。
【附图说明】
[0033] 图1为本发明一种实施例的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统结构 示意图；
[0034] 图2为本发明一种实施例的电压连续可调加热控制电路原理图；
[0035] 图3为本发明一种实施例的单相桥式不控整流电路原理图；
[0036] 图4为本发明一种实施例的斩波电路原理图；
[0037] 图5为本发明一种实施例的缓冲电路原理图；
[0038] 图6为本发明一种实施例的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统的控 制方法流程图；
[0039] 图7为本发明一种实施例的对电热储能装置温度进行调节的方法流程图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。
[0041] 本发明实施例中，如图1所示，基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，包 括风机、固体蓄热体、气-水换热器和水泵，还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三 温度传感器、可编程逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续 可调加热控制电路和第三电压连续可调加热控制电路；其中，
[0042] 本发明实施例中，第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器均采 用ptlOO热电阻，可编程逻辑控制器采用西门子S300型号，变频器采用西门子变频器 6SE6430-2UD31-5CA0型号，风机采用300W耐高温隔热离心风机，气-水换热器采用擎立列 管式换热器，水泵采用渝乐0RS25-10水泵，本发明实施例中，采用基于斩波电路控制的电 热储能装置的控制系统对电热储能装置进行实时控制；
[0043] 所述可编程逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续 可调加热控制电路和第三电压连续可调加热控制电路均设置于固体蓄热体上；所述固体蓄 热体设置有中空通道，第一温度传感器固定设置于固体蓄热体中空通道的通道内壁上，第 一电压连续可调加热控制电路内部的电热丝固定设置于固体蓄热体中空通道一端的通道 内壁上，第二电压连续可调加热控制电路内部的电热丝固定设置于固体蓄热体中空通道另 一端的通道内壁上，第三电压连续可调加热控制电路内部的电热丝固定设置于第一电压连 续可调加热控制电路内部的电热丝与第二电压连续可调加热控制电路内部的电热丝之间 的通道内壁上；所述固体蓄热体中空通道的一端通过风管连接风机的出风端口，固体蓄热 体中空通道的另一端通过风管连接气-水换热器的通气管道；所述气-水换热器的进水端 口连接电热储能装置供热管的出水端口，气-水换热器出水端口通过水管连接水泵的抽水 端口，水泵的出水端口连接电热储能装置供热管的进水端口；所述第二温度传感器设置于 气-水换热器的进水端口，第三温度传感器设置于水泵的出水端口；
[0044] 所述第一温度传感器的一根电流线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口All 中的电流正极端口 1+，第一温度传感器的另一根电流线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟 量端口All中的电流负极端口 1-，第一温度传感器的一根测量线连接可编程逻辑控制器热 电阻模拟量端口 All中的电压正极端口 V+，第一温度传感器的另一根测量线连接可编程逻 辑控制器热电阻模拟量端口 All中的电压负极端口 V-;第二温度传感器的一根电流线连接 可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口 AI2中的电流正极端口 1+，第二温度传感器的另一根 电流线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口 AI2中的电流负极端口 1-，第二温度传感 器的一根测量线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口 AI2中的电压正极端口 V+，第二 温度传感器的另一根测量线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口 AI2中的电压负极 端口 V-;第三温度传感器的一根电流线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量端口 AI3中 的电流正极端口 1+，第三温度传感器的另一根电流线连接可编程逻辑控制器热电阻模拟量 端口 AI3中的电流负极端口 1-，第三温度传感器的一根测量线连接可编程逻辑控制器热电 阻模拟量端口 AI3中的电压正极端口 V+，第三温度传感器的另一根测量线连接可编程逻辑 控制器热电阻模拟量端口 AI3中的电压负极端口 V-;可编程逻辑控制器的数字量输出端口 D0 1同时连接第一电压连续可调加热控制电路的输入端、第二电压连续可调加热控制电路 的输入端和第三电压连续可调加热控制电路的输入端，可编程逻辑控制器的模拟量输出端 口 A01连接变频器的控制信号端口，变频器的输出端口连接风机的动力线；
[0045] 如图2所示，所述第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制 电路和第三电压连续可调加热控制电路结构相同，均包括单相桥式不控整流电路、斩波电 路和缓冲电路；所述单相桥式不控整流电路的第一连接端同时连接缓冲电路的第一连接端 和斩波电路的第一连接端，单相桥式不控整流电路的第二连接端连接斩波电路的第二连接 端，缓冲电路的第二连接端连接斩波电路的第三连接端；
[0046] 如图3所示，所述单相桥式不控整流电路包括第一二极管VD1、第二二极管VD2、第 三二极管VD3和第四二极管VD4 ;其中，
[0047] 所述第一二极管VD1的阳极连接第二二极管VD2的阴极，并连接交流电源，第一二 极管VD1的阴极连接第三二极管VD3的阴极，并作为单相桥式不控整流电路的第一连接端， 第二二极管VD2的阳极连接第四二极管VD4的阳极，并作为单相桥式不控整流电路的第二 连接端，第三二极管VD3的阳极连接第四二极管VD4的阴极，并连接交流电源；
[0048] 如图4所示，所述斩波电路包括第一电容C1、第二电容C2、一个电热丝R、一个电感 L和一个功率晶体管V;其中，
[0049] 所述第一电容C1的一端连接功率晶体管V的集电极，并作为斩波电路的第一连接 端，第一电容C1的另一端同时连接第五二极管VD5的阳极、第二电容C2的一端和电热丝R 的一端，并作为斩波电路的第二连接端；功率晶体管V的发射极同时连接电感L的一端和第 五二极管VD5的阴极，并作为斩波电路的第三连接端，将功率晶体管V的基级作为电压连续 可调加热控制电路的输入端；电感L的另一端同时连接第二电容C2的另一端和电热丝R的 另一端；所述电压连续可调加热控制电路包括第一电压连续可调加热控制电路、第二电压 连续可调加热控制电路和第三电压连续可调加热控制电路；
[0050] 如图5所示，所述缓冲电路包括第六二极管VD6、第一电阻R1和第三电容C3 ;其 中，
[0051] 所述第一电阻R1的一端连接第六二极管VD6的阳极，并作为缓冲电路的第一连接 端，第一电阻R1的另一端同时连接第六二极管VD6的阴极和第三电容C3的一端，将第三电 容C3的另一端作为缓冲电路的第三连接端；
[0052] 本发明实施例中，采用基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统进行的控制 方法，方法流程图如图6所示，包括以下步骤：
[0053] 步骤1、启动系统，采用第一温度传感器采集固体蓄热体温度，将固体蓄热体温度 转化成固体蓄热体温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对固 体蓄热体温度电压信号进行A/D转换，获得固体蓄热体温度值；
[0054] 步骤2、采用第二温度传感器采集气-水换热器的进水温度，将气-水换热器的进 水温度转化成气-水换热器进水温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻 辑控制器对气-水换热器进水温度电压信号进行A/D转换，获得气-水换热器进水温度值；
[0055] 步骤3、采用第三温度传感器采集水泵的出水温度，将水泵的出水温度转化成水泵 出水温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对水泵出水温度电 压信号进行A/D转换，获得水泵出水温度值；
[0056] 步骤4、在可编程逻辑控制器中设定电热储能装置的温度标准值，所述电热储能装 置的温度标准值包括固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进水温度标准值和水泵出水 温度标准值，根据所设定电热储能装置的温度标准值，对电热储能装置温度进行调节，具体 步骤如下：
[0057] 步骤4. 1、在可编程逻辑控制器中设定固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进 水温度标准值和水泵出水温度标准值；
[0058] 本发明实施例中，设定固体蓄热体温度标准值为650°到700°之间，进水温度标 准值为30°，出水温度标准值为80° ;
[0059] 步骤4. 2、采用可编程逻辑控制器，判断实际固体蓄热体温度值是否达到固体蓄热 体温度标准范围，若是，执行步骤4. 3,否则，执行步骤4. 5 ;
[0060] 步骤4. 3、采用可编程逻辑控制器，判断实际气-水换热器进水温度值是否达到 气-水换热器进水温度标准值，若是，执行步骤4. 4,否则，执行步骤4. 7 ;
[0061] 步骤4. 4、采用可编程逻辑控制器，判断实际水泵出水温度值是否达到水泵出水温 度标准值，若是，执行步骤5,否则，执行步骤4. 8 ;
[0062] 步骤4. 5、设定固体蓄热体温度范围个数，并设定每个固体蓄热体温度范围所对应 的输出电压占空比，获得实际固体蓄热体温度所在的固体蓄热体温度范围；
[0063] 本发明实施例中，设定固体蓄热体温度范围个数为6个，设定每个固体蓄热体温 度范围所对应的输出电压占空比如表1所示：
[0064]表1
[0066] 步骤4. 6、采用第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路 和第三电压连续可调加热控制电路，根据实际固体蓄热体温度所在固体蓄热体温度范围对 应的输出电压占空比，调节输出电压，进而调节固体蓄热体温度，并返回执行步骤4. 2 ;
[0067] 步骤4. 7、采用可编程逻辑控制器，获得气-水换热器进水温度标准值与实际 气-水换热器进水温度值之差，并将差值进行D/A转换，获得气-水换热器进水温度差值电 压信号发送到变频器，风机根据变频器的输出频率调节风速，实现进水温度调高，并返回执 行步骤4. 3 ;
[0068] 步骤4. 8、采用可编程逻辑控制器，获得水泵出水温度标准值与实际水泵出水温度 值之差，并将差值进行D/A转换，获得水泵出水温度差值电压信号发送到变频器，风机根据 变频器的输出频率调节风速，实现出水温度调高，并返回执行步骤4. 4 ;
[0069] 步骤5、停止系统，完成对电热储能装置的温度调节。
【主权项】
1. 一种基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，包括风机、固体蓄热体、气-水 换热器和水泵，其特征在于：还包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、可 编程逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电 路和第三电压连续可调加热控制电路； 所述可编程逻辑控制器、变频器、第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调 加热控制电路和第三电压连续可调加热控制电路均设置于固体蓄热体上；所述固体蓄热体 设置有中空通道，第一温度传感器、第一电压连续可调加热控制电路内部的电热丝、第二电 压连续可调加热控制电路内部的电热丝和第三电压连续可调加热控制电路内部的电热丝 均固定设置于固体蓄热体中空 通道的通道壁上；所述固体蓄热体中空通道的一端通过风管 连接风机的出风端口，固体蓄热体中空通道的另一端通过风管连接气-水换热器的通气管 道；所述气-水换热器的进水端口连接电热储能装置供热管的出水端口，气-水换热器出 水端口通过水管连接水泵的抽水端口，水泵的出水端口连接电热储能装置供热管的进水端 口；所述第二温度传感器设置于气-水换热器的进水端口，第三温度传感器设置于水泵的 出水端口； 所述第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和第三电压连 续可调加热控制电路结构相同，均包括单相桥式不控整流电路、斩波电路和缓冲电路； 所述单相桥式不控整流电路的第一连接端同时连接缓冲电路的第一连接端和斩波电 路的第一连接端，单相桥式不控整流电路的第二连接端连接斩波电路的第二连接端，缓冲 电路的第二连接端连接斩波电路的第三连接端。2. 根据权利要求1所述的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，其特征在 于：所述第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的输出端共同连接可编程逻 辑控制器的输入端；可编程逻辑控制器的第一输出端同时连接第一电压连续可调加热控制 电路的输入端、第二电压连续可调加热控制电路的输入端和第三电压连续可调加热控制电 路的输入端，可编程逻辑控制器的第二输出端连接变频器的输入端；变频器的输出端连接 风机的输入端。3. 根据权利要求1所述的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，其特征在 于：所述单相桥式不控整流电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管； 所述第一二极管的阳极连接第二二极管的阴极，并连接交流电源，第一二极管的阴极 连接第三二极管的阴极，并作为单相桥式不控整流电路的第一连接端，第二二极管的阳极 连接第四二极管的阳极，并作为单相桥式不控整流电路的第二连接端，第三二极管的阳极 连接第四二极管的阴极，并连接交流电源。4. 根据权利要求1所述的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，其特征在 于：所述斩波电路包括第一电容、第二电容、第五二极管、一个电热丝、一个电感和一个功率 晶体管； 所述第一电容的一端连接功率晶体管的集电极，并作为斩波电路的第一连接端，第一 电容的另一端同时连接第五二极管的阳极、第二电容的一端和电热丝的一端，并作为斩波 电路的第二连接端；功率晶体管的发射极同时连接电感的一端和第五二极管的阴极，并作 为斩波电路的第三连接端，将功率晶体管的基级作为电压连续可调加热控制电路的输入 端；电感的另一端同时连接第二电容的另一端和电热丝的另一端；所述电压连续可调加热 控制电路包括第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和第三电 压连续可调加热控制电路。5. 根据权利要求1所述的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统，其特征在 于：所述缓冲电路包括第六二极管、第一电阻和第三电容； 所述第一电阻的一端连接第六二极管的阳极，并作为缓冲电路的第一连接端，第一电 阻的另一端同时连接第六二极管的阴极和第三电容的一端，将第三电容的另一端作为缓冲 电路的第二连接端。6. 采用权利要求1所述的基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统进行的控制 方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤1、启动系统，采用第一温度传感器采集固体蓄热体温度，将固体蓄热体温度转化 成固体蓄热体温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对固体蓄 热体温度电压信号进行A/D转换，获得固体蓄热体温度值； 步骤2、采用第二温度传感器采集气-水换热器的进水温度，将气-水换热器的进水温 度转化成气-水换热器进水温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控 制器对气-水换热器进水温度电压信号进行A/D转换，获得气-水换热器进水温度值； 步骤3、采用第三温度传感器采集水泵的出水温度，将水泵的出水温度转化成水泵出水 温度电压信号发送到可编程逻辑控制器，并采用可编程逻辑控制器对水泵出水温度电压信 号进行A/D转换，获得水泵出水温度值； 步骤4、在可编程逻辑控制器中设定电热储能装置的温度标准值，所述电热储能装置的 温度标准值包括固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进水温度标准值和水泵出水温度 标准值，根据所设定电热储能装置的温度标准值，对电热储能装置温度进行调节，具体步骤 如下： 步骤4. 1、在可编程逻辑控制器中设定固体蓄热体温度标准范围、气-水换热器进水温 度标准值和水泵出水温度标准值； 步骤4. 2、采用可编程逻辑控制器，判断实际固体蓄热体温度值是否达到固体蓄热体温 度标准范围，若是，执行步骤4. 3,否则，执行步骤4. 5 ; 步骤4. 3、采用可编程逻辑控制器，判断实际气-水换热器进水温度值是否达到气-水 换热器进水温度标准值，若是，执行步骤4. 4,否则，执行步骤4. 7 ; 步骤4. 4、采用可编程逻辑控制器，判断实际水泵出水温度值是否达到水泵出水温度标 准值，若是，执行步骤5,否则，执行步骤4. 8 ; 步骤4. 5、设定固体蓄热体温度范围个数，并设定每个固体蓄热体温度范围所对应的输 出电压占空比，获得实际固体蓄热体温度所在的固体蓄热体温度范围； 步骤4. 6、采用第一电压连续可调加热控制电路、第二电压连续可调加热控制电路和第 三电压连续可调加热控制电路，根据实际固体蓄热体温度所在固体蓄热体温度范围对应的 输出电压占空比，调节输出电压，进而调节固体蓄热体温度，并返回执行步骤4. 2 ; 步骤4. 7、采用可编程逻辑控制器，获得气-水换热器进水温度标准值与实际气-水换 热器进水温度值之差，并将差值进行D/A转换，获得气-水换热器进水温度差值电压信号 发送到变频器，风机根据变频器的输出频率调节风速，实现进水温度调高，并返回执行步骤 4. 3 ； 步骤4. 8、采用可编程逻辑控制器，获得水泵出水温度标准值与实际水泵出水温度值之 差，并将差值进行D/A转换，获得水泵出水温度差值电压信号发送到变频器，风机根据变频 器的输出频率调节风速，实现出水温度调高，并返回执行步骤4. 4 ; 步骤5、停止系统，完成对电热储能装置的温度调节。
【专利摘要】本发明一种基于斩波电路控制的电热储能装置的控制系统及方法，属于电气和热力工程技术领域；该系统包括第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、可编程逻辑控制器、变频器、风机、固体蓄热体、气-水换热器和水泵，还包括电压连续可调加热控制电路；本发明采用先不控整流，再斩波的方式，减少了可控器件的数量，三相母线上各相连接相同的电路，既能防止三相不平衡导致的电路故障，也能将各相的电热丝分区域放置，方便对各区域温度的控制，防止了“窝热”现象的产生，电压幅值可连续调节，可以对温度进行更为精准的控制；使用闭环控制，可以输出恒定温度，操作过程简单直观。
【IPC分类】G05D23/20
【公开号】CN104898730
【申请号】CN201510148783
【发明人】杨东升, 郑智斌, 孙云鹤, 孙鹏飞
【申请人】东北大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月31日
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