採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統實現的水泵調速方法與流程

2023-05-01 21:09:41

本發明涉及星輪調速節能系統。屬於水泵調速領域。

背景技術：

1400s22型循環水泵固定流量為18000m3/h，揚程25m，配帶1600kw電機，電機轉速為372r/min，電壓6000v。當電機以恆定不變的速度運行時，水泵出水量和壓力也固定；但每時段的用水量不同，固定出水量不但能滿足生產用水的要求，浪費資源和能源，無法創造更大的經濟效益。

目前普遍使用的大、中功率設備調速方式主要是液力耦合器調速、電磁耦合調速和變頻調速三種方式，但是現有的變頻調速調速方式比較落後，電磁耦合調速和液力耦合器調速存在體積大，安裝佔用空間、運行效率低、使用壽命短、對高壓電機影響大、成本高，能源浪費嚴重等的缺陷。

技術實現要素：

本發明是為了解決現有水泵調速系統中電機以恆定不變轉速運行時，出水量固定，無法根據每時段用水量不同，來調節出水量的問題，本發明提供了一種採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統實現的水泵調速方法。

採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統實現的水泵調速方法，所述的閉環控制水泵的星輪調速節能系統包括水泵、1號水泵聯軸器、低壓調控電機、高壓主電機、星輪調速器、膜片聯軸器和2號水泵聯軸器，

所述的高壓主電機的轉動輸出軸通過2號水泵聯軸器與星輪調速器1號轉動輸入軸連接，且高壓主電機輸出轉速恆定，

低壓調控電機的轉動輸出軸通過膜片聯軸器與星輪調速器2號轉動輸入軸連接，

星輪調速器的轉動輸出軸通過1號水泵聯軸器與水泵的轉動輸入軸連接；

該水泵調速方法包括如下步驟：

步驟一：利用潤滑油對星輪調速器進行潤滑；

步驟二：使高壓主電機輸出轉速恆定，通過調節低壓調控電機的旋向和轉速來調節星輪調速器的輸出轉速，根據星輪調速器的輸出轉速來控制水泵的輸出轉速，從而實現對水泵的變速調節。

所述的閉環控制水泵的星輪調速節能系統還包括散熱器、油泵、進油管、回油管、油箱和過濾器；

油泵用於將油箱內的潤滑油通過進油管泵入過濾器內，

過濾器的出油口與星輪調速器的進油口連通，星輪調速器的出油口通過回油管與油箱連通，

散熱器用於對流經進油管的潤滑油進行冷卻。

所述的步驟一中，利用潤滑油對星輪調速器進行潤滑的具體過程為：

首先，油泵將油箱內的潤滑油通過進油管泵入過濾器，同時通過散熱器對流經進油管的潤滑油進行冷卻；

其次，通過過濾器濾出潤滑油中的雜質，

最後，冷卻及除雜後潤滑油對星輪調速器進行潤滑後，通過回油管返回油箱。

所述的採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統的數學模型為：n水泵＝ih·n主電機±ik·n調控電機，

其中，n水泵為水泵的輸出轉速，n主電機為高壓主電機的輸出轉速，n調控電機為低壓調控電機的輸出轉速，ih為高壓主電機與星輪調速器間的固定傳動比，ik為低壓調控電機與星輪調速器間的固定傳動比。

所述的星輪調速器由兩套減速機構並聯或者串聯構成。

所述的兩套減速機構中的一套減速機構為由一級或兩級行星機構組成的主功率行星齒輪減速機構，另一套減速機構為由錐齒輪副和行星齒輪結構組合的副功率行星減速機構。

本發明的有益效果：本發明可通過調節低壓調控電機的旋向和轉速來調節星輪調速器的輸出轉速，從而多水泵進行變速調節，從而根據每時段用水量不同，來調節水泵的出水量，達到節能的目的。

採用星輪調速器通過調速來調節供水量，節電率一般為20％～70％，通過調節水泵轉速來調節水量，循環水泵閥門全開，這大大降低了閥門阻力的影響，可以取得顯著的節能效果。

本發明所述的閉環控制水泵的星輪調速節能系統可實現大功率設備低速(調控轉速)啟動，調速方式簡單，有效緩解了設備啟動電流對電網的衝擊，不產生高次諧波，無電網汙染，抗強磁衝擊能力強。

本發明所述的閉環控制水泵的星輪調速節能系統的結構有如下特點：

①機電一體化綜合調速。只要改變低壓調控電機的旋向或轉速，星輪調速器輸出軸的轉速就會隨之改變，從而實現調速的功能。

②以小調大、功率分率、運動合成。通過控制小功率低壓調控電機實現驅動高壓電機設備調速運行，容易實現自動控制，維護操作方便，調速費用低；調控電機多樣化，除採用一個速度的標準電機外，還可採用低壓小功率變極調速、變頻調速、電磁調速、小型直流調速等電機。

③雙向調速、高效節能。既可使設備轉速高於電機額定轉速、亦可低於電機額定轉速，因此可按工況和性能要求設計最合理的設備轉速，在一定範圍內不受電機額定轉速的限制，又使電機材料單位重量傳遞的功率平均提高1.6倍以上，節材效益顯著。

④實現大功率、大扭矩調速。主要適用於功率300kw～6000kw高壓電機驅動的風機、水泵、空壓機以及磨機、礦井提升機等重載傳動設備的調速運行，亦可取代傳統的減速器。

⑤與同類產品對比：

目前普遍推廣使用的大、中功率設備調速方式主要是液力耦合器調速、電磁耦合調速和變頻調速3種方式，具體比較優勢如下表(由於液力耦合器技術老舊，在下表不做比較)。

星輪調速器與其它調速方式的比較優勢

附圖說明

圖1為本發明所述的閉環控制水泵的星輪調速節能系統的結構示意圖。

圖2為圖1的局部放大圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參照圖1和圖2具體說明本實施方式，本實施方式採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統實現的水泵調速方法，所述的閉環控制水泵的星輪調速節能系統包括水泵1、1號水泵聯軸器2、低壓調控電機7、高壓主電機9、星輪調速器10、膜片聯軸器12和2號水泵聯軸器13，

所述的高壓主電機9的轉動輸出軸通過2號水泵聯軸器13與星輪調速器101號轉動輸入軸連接，且高壓主電機9輸出轉速恆定，

低壓調控電機7的轉動輸出軸通過膜片聯軸器12與星輪調速器102號轉動輸入軸連接，

星輪調速器10的轉動輸出軸通過1號水泵聯軸器2與水泵1的轉動輸入軸連接；

該水泵調速方法包括如下步驟：

步驟一：利用潤滑油對星輪調速器10進行潤滑；

步驟二：使高壓主電機9輸出轉速恆定，通過調節低壓調控電機7的旋向和轉速來調節星輪調速器10的輸出轉速，根據星輪調速器10的輸出轉速來控制水泵1的輸出轉速，從而實現對水泵的變速調節。

本實施方式中，產品製造及安裝說明如下：

機電一體化的閉環控制水泵的星輪調速節能系統包括星輪調速器、低壓調控電機、低壓控制櫃、滑油系統組成。安裝星輪調速設備時，將現在的水泵電機端基礎重新製作成滿足加裝調速器的整體基礎，製作槽鋼焊接的整體公用底座，水泵基礎不動，電機基礎加長1.8米製作成整體基礎作為安裝調速器位置。該機組安裝調試完畢後，主電機還是額定轉速運行，(主電機和控制櫃不更換)通過調控電機對水泵轉速進行無極調速。

節能算例：

已知：循環水泵電機容量pn＝1600kw。循環水泵額定流量q0＝18000m3/h，額定揚程h0＝25m，η水泵＝90％。

滿足循環水泵出口閥門開度為70％時的水泵工況節能分析

(1)調節出口閥門開度運行時的電動機(即：高壓主電機)功率計算：當出口擋板開度為70％時，循環水泵的軸功率pe1＝80％pe，電動機的效率η1＝94.6％。

電動機消耗功率p1＝pe1/η1＝80％pe/94.6％＝84.6％pe，pe為額定工況下軸功率。

(2)調速運行時的電動機功率計算：

調速調節水泵流量時，軸功率、流量、轉速之間關係：pe1/pe2＝(q1/q2)3＝(n1/n2)3。

式中：pe1——入口閥門開度為25％時，水泵1軸功率kw；

pe2——調速運行時，水泵1軸功率kw；

q1——入口閥門開度為25％時，水泵1流量m3/h；

q2——調速運行時，水泵1流量m3/h；

n1——入口閥門開度為25％時，水泵1轉速rpm；

n1——調速運行時，水泵1轉速rpm；

水泵軸功率pe2＝(75.8％)3pe，電動機效率η2＝93％，調速器的機械效率η調＝96％。

電動機消耗功率p2＝pe2/η2/η調＝(75.8％)3pe/93％/96％＝48.8％pe。

(3)節能率計算：

節能量δp＝p1-p2＝84.6％pe-48.8％pe＝35.8％pe。

節能率：δp/p1＝35.8％pe/84.6％pe＝42.3％。

按每天工作24小時、每年工作時間360天、每度電0.6元計算：(參照銷售電價)

每年節約電費：35.8％×1360×24×360×0.6＝2,523,985(元)。

採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統實現的水泵調速方法，調速過程簡單，通過調節低壓調控電機7的旋向和轉速來調節星輪調速器10的輸出轉速，從而多水泵進行變速調節，從而根據每時段用水量不同，來調節水泵的出水量，達到節能的目的，取得顯著的節能效果。滿足70％循環水泵出口閥門開度工況時，節能率42.3％，年節電費2,523,985元,節能效果顯著，按常用工況計算，成本最多不到1年即可收回。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統實現的水泵調速方法的區別在於，所述的閉環控制水泵的星輪調速節能系統還包括散熱器3、油泵4、進油管5、回油管6、油箱8和過濾器11；

油泵4用於將油箱8內的潤滑油通過進油管5泵入過濾器11內，

過濾器11的出油口與星輪調速器10的進油口連通，星輪調速器10的出油口通過回油管6與油箱8連通，

散熱器3用於對流經進油管5的潤滑油進行冷卻。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式二所述的採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統實現的水泵調速方法的區別在於，所述的步驟一中，利用潤滑油對星輪調速器10進行潤滑的具體過程為：

首先，油泵4將油箱8內的潤滑油通過進油管5泵入過濾器11，同時通過散熱器3對流經進油管5的潤滑油進行冷卻；

其次，通過過濾器11濾出潤滑油中的雜質，

最後，冷卻及除雜後潤滑油對星輪調速器10進行潤滑後，通過回油管6返回油箱8。

具體實施方式四：本實施方式是對具體實施方式一、二或三所述的採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統實現的水泵調速方法的區別在於，所述的採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統的數學模型為：n水泵＝ih·n主電機±ik·n調控電機，

其中，n水泵為水泵1的輸出轉速，n主電機為高壓主電機9的輸出轉速，n調控電機為低壓調控電機7的輸出轉速，ih為高壓主電機9與星輪調速器10間的固定傳動比，ik為低壓調控電機7與星輪調速器10間的固定傳動比。

具體實施方式五：本實施方式是對具體實施方式一所述的採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統實現的水泵調速方法的區別在於，所述的星輪調速器10由兩套減速機構並聯或者串聯構成。

本實施方式中，星輪調速器10由兩套減速機構並聯或者串聯構成，這樣便將兩種旋轉運動合成多自由度和多軸聯動的調速運動。

具體實施方式六：本實施方式是對具體實施方式五所述的採用閉環控制水泵的星輪調速節能系統實現的水泵調速方法的區別在於，所述的兩套減速機構中的一套減速機構為由一級或兩級行星機構組成的主功率行星齒輪減速機構，另一套減速機構為由錐齒輪副和行星齒輪結構組合的副功率行星減速機構。

本實施方式中，星輪調速器10可採用一套通用化和一套標準化的減速機構並聯或串聯組成。其中一套減速機構是由一級或兩級行星機構組成的主功率行星齒輪減速機構，該機構具有高精度的、內外嚙合的、多排圓柱齒輪、雙自由度的特點；另一套減速機構是由錐齒輪副和行星齒輪結構組合的副功率行星減速機構。兩套減速機構串聯組合獲得兩個相互牽聯的主功率傳動比ih和副功率傳動比ik，這樣便將兩種旋轉運動合成多自由度和多軸聯動的調速運動。