燃气壁挂炉风机水泵恒有功功率调节系统
摘要：针对现壁挂炉风机风量调节按风机转速反馈调节方法受排气环境影响大的问题，风机恒有功功率调节系统根据能量守恒定律，有效解决了燃气量与风量的最佳配比燃烧问题，更好地提高壁挂炉的燃烧效率和提高废气排放标准。水泵恒有功功率调节系统解决了房间供暖（OT温控器）恒温控制在供暖不同状态下的热负荷需求问题。同时通过已有的水泵电流检测电路，实现水泵堵转的检测和报警。
关键词：壁挂炉 风机 水泵 有功功率 调节 堵转 报警
1 前言
中国壁挂炉产品应用技术日趋成熟，市场快速增长，能源消耗越来越多。如何提高壁挂炉的热效率，降低壁挂炉的运营成本，实现节能减排，成为众多厂家努力的方向。现许多厂家纷纷研究推出风机调速控制，追求燃气量与风量的配比燃烧，并有效提高壁挂炉燃烧的热效率。
深圳合信达控制系统有限公司坚持专注于热能控制技术的研究和发展，以为用户提供安全、环保、舒适的产品为宗旨。从技术研究积累、技术应用、质量控制等各方面进行持之以恒的努力。最近成功研究出壁挂炉风机水泵恒有功功率调节系统（目前正进行中、后期的测试）。
目前市场上采用罩极电机风机的壁挂炉对燃气量与风量进行配比控制的方法主要为：通过附加在罩极电机转轴上的霍尔传感器对风机转速进行检测，然后对风机转速进行恒速控制。然而风机转速并不等同于风机的所生空气流速。在排气逆风的状况下，由于风机的进风口与出风口的压差减少，造成风机的空气流速减少，风机的出风量减少。同时由于风机的负载功率降低，风机在同样的工作电压下，风机的工作电流降低，风机电机的输出功率降低，此时风机转速反而增加，倘若按风机恒转速的控制方式，此时需降低风机的工作电压，使得风机转速降低，达到恒转速控制，这样反而造成风量更少，燃烧工况恶化。因此若要保持风机的风量不变，也即风机的输出载荷不变，此时必须提高风机的工作电压，使风机的有功功率不变。风机恒有功功率调节系统便是当排气环境发生变化时，风机输出的有功功率不变，保证风量稳定，实现燃气量与风量的最佳配比燃烧控制，更好地提高壁挂炉的燃烧效率和提高废气排放标准。
水泵恒有功功率调节系统是当房间温控器（OT型房间温控器）与壁挂炉相连时，温控器向壁挂炉发送房间恒温所需的供暖热负荷需求，壁挂炉据此调节供暖水温与流量，水泵的恒有功功率调节系统有效解决了供暖热负荷需求的问题，同时可实现水泵堵转检测报警。
2 构建依据
(1) 风机功率公式
风机的输出功率：
Po=Q×H (1)
式中：Q为风机风量；H为风机全压。
风机轴功率：
Px=Po/ηt=Q×H/ηt (2)
式中：ηt为风机全压效率。
风机电机的有功功率：
Py=Px/ηtr=Q×H/（ηt×ηtr） (3)
式中：ηtr为风机的传动效率。
由上式可得：当风机排风环境发生变化时，风机的全压便发生改变，要使风机的排气正常，维持风机的全压工况，使得风量保待稳定，此时需将风机电机的有功功率保持恒定。
(2) 罩极电机的有功功率
罩极电机有功功率公式：
(4)
离散化后的计算公式:
(5)
MCU按上式对罩极电机一个交流工作周期内的电压、电流采样计算后便得到相应罩极电机的有功功率。
(3) 风机恒有功功率调节系统
控制信号流图如图1。
①风机功率需求：风机电机的有功功率需求由MCU根据燃气阀的开度所需的风量得出。
②风机驱动电路：进行风机功率调节驱动。
③电压、电流取样：风机的工作电压、电流通过取样器件取样、放大、然后由MCU的ADC获取。
④风机有功功率计算：按式(5)计算。
⑤PID控制：根据风机功率的需求，MCU对风机的工作电压及电流进行取样，算出风机当前实际工作的有功功率，此信号作为反馈信号构成闭环的PID控制，达到风机恒有功功率控制目的。
(4) 水泵恒有功功率调节系统
水泵和风机的工作机理相似，控制方式相同。唯一不同的是水泵水量调节的有功功率需求是根据OT房间温控器发来的热负荷需求，通过对供暖热平衡控制模型（含室外温度环境补偿）计算出来。
(5) 水泵堵转检测和报警
水泵工作在堵转状况时，水泵的电流便会异常增大。
水泵电流有效值计算公式：
MCU按上式对水泵电机一个交流工作周期内的电流采样计算后便得到相应水泵电机电流，通过对此检测电流的大小判断出水泵是否堵转，并进行报警。
3 实现方法
(1) 壁挂炉主控制系统的结构图
壁挂炉主控制系统的结构图如图2。
(2) 各功能模块介绍
①主控器（MCU）：采用欧美高可靠处理器，负责壁挂炉运行控制。软件结构设计按照CE标准构建，MCU的各I/0状况及内部的所有工作单元均进行自检、巡检，若有错即进入安全状态锁定。
②看门狗电路、截止阀驱动电路：负责燃气截止阀的通断控制。此电路涉及燃气燃烧安全控制，严格按照CE标准设计。因此硬件外部看门狗电路和截止阀驱动电路采用双容错设计，使得燃气阀电源电路处于高等级安全状态。
③比例阀电路：负责燃气输出比例调节，实现壁挂炉的恒温控制。比例阀电路采用恒流控制驱动方式。
④点检火电路：负责燃烧点火和燃气火焰检测。既可单针应用，也可双针应用。
⑤外部信号检测：风压、水压、水流、温控开关、温度等信号的检测。
⑥界面或OT温控器：负责壁挂炉的操作设定和信息显示。此单元采用独立的MCU控制，通过串行通信与主控器（MCU）进行信息传输和命令控制。
⑦风机风量控制电路：由电压过零检测、风机电压、电流检测、风机驱动电路组成。通过对交流电源的电压、风机电流的检测，算出风机电机的有功功率。当风机的排气环境发生变化时，造成风机的输出风量发生变化时，风机的负载功率相应发生变化，为了确保燃气量所需对应的风量，此时MCU将现实测到的风机有功功率与燃气量所需的风机的有功功率通过PID算法算出新的风机驱动值，进行风机驱动调节，实现燃气量与风机有功功率成对应关系的控制方式。
⑧水泵水量控制电路：由电压过零检测，水泵电压、电流检测、水泵驱动电路组成。当壁挂炉通过与OT温控器相连时，OT温控器根据用户设定的房间温度与房间实际的温度值的差值向壁挂炉发出不同的热负荷需求，此时壁挂炉需通过调节供暖水的温度或水泵的水流量来满足房间热负荷的需求。同时通过控制水热容，可以整合壁挂炉换热器效率与房间换热器效率的最佳交点，达到提高系统热效率的目的。控制方法与风机相同。
⑨水泵堵转检测和报警：水泵堵转是壁挂炉常见问题，若水泵长时工作在堵转状态，将会造成电机的过热烧毁，因此有必要对水泵堵转检测。根据电机负载越大电机电流越大的特性，电机在水泵堵转时电流最大，水泵的电流检测在水泵水流量控制中是现存使用的，因此不需增加任何成本，便可实现水泵堵转的检测及报警。
4 结束语
壁挂炉风机水泵恒有功功率控制系统解决了现有壁挂炉风机恒速控制易受风机排气环境影响大的问题，对提高壁挂炉的燃烧效率和废气排放标准起积极作用。水泵的恒有功功率控制对房间采暖的快速响应和温度恒定提供了更好控制方法，给用户带来更为舒适的取暖效果。同样对供暖系统的热效率的提高起促进作用。水泵电流检测轻易解决了水泵堵转报警的问题。但此系统需增加风机水泵的电源电压、电流检测，风机水泵功率调节驱动等相关电路，带来产品成本增加的不利因素。
