使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器的製作方法

2023-06-03 03:41:01 1

專利名稱：使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種控制水泵運行的控制器，特別涉及一種使水泵運行在最佳轉 速下的節電控制器。
背景技術：
水泵系統通過變頻調速技術，可以大幅度節省電能，近幾年來得到了非常廣泛的 應用。水泵系統變頻調速技術的基本程式是一個閉環控制系統，它根據水溫、水溫差、壓 力、壓力差、液位等參數的變化，自動調節變頻器的輸出頻率，進而改變水泵電機的轉速。由 於水泵系統設計時留有一定的功率餘量，或者說具有一定的楊程餘量或流量餘量，引入變 頻調速技術後，水泵電機的轉速必然會有一定幅度的下降。根據流體力學原理，水泵軸功率 與轉速的3次方成正比，所以節電效果非常突出。但這種閉環控制方法也存在明顯的缺點，這就是它在降低了水泵的轉速後，它的 工作點嚴重偏離了水泵、電機、變頻器的最大效率區間，系統的綜合效率大幅度下降。由於 水泵、電機、變頻器的效率以及管道特性等都與電源頻率即電機轉速有關，見圖1A-1D，一般 的閉環控制方法只是將電機轉速降到水泵流量與實際需要流量相一致，而沒有綜合考慮水 泵、電機、變頻器的效率和管道特性與電源頻率的關係，因此，無法保證整個系統工作在效 率最佳狀態，所以仍然存在很大的電能浪費和節能空間。現有這種採用普通閉環控制方式 的變頻調速節能技術，儘管有顯著的節電效果，但用戶獲得的節電效益扣除大額的經費投 入後所剩無幾。這就造成很多用戶的水泵系統不願意採用變頻節電技術。因此，如何充分兼顧水泵、電機、變頻器的效率以及管道特性等各個環節對節電效 果影響，如何進一步提高節電率，到底用什麼樣的控制策略，能夠最大限度地節約電能，一 直是水泵系統節能研究中一個重要問題。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器，以最大 限度節約能源。為了達到上述目的及其他目的，本實用新型提供的使水泵運行在最佳轉速下的節 電控制器，包括變頻器；安裝在與所述水泵相連接的管道上的流量計，其用於計量所述管 道中的水流量；用於向所述變頻器發出各種控制指令以使所述變頻器控制所述水泵的運 行的控制單元；用於測試與所述水泵相連的循環系統的出水和回水溫度或儲水系統的液位 的溫度傳感器或水位傳感器；與所述變頻器、流量計、溫度傳感器或水位傳感器相連接且用 於採集所述流量計所測出的水流量、變頻器的運行電流和電壓、所述溫度傳感器或水位傳 感器所測得的數據的採集單元；用於根據所述採集單元所採集的不同轉速下所述水泵的水 流量、變頻器的運行電流和電壓，計算所述水泵在各不同的轉速下水流量和所消耗的電功 率的比值，由此獲得所述水泵在各不同轉速下水流量和電功率比值的最大值，以建立水泵 轉速與水流量和電功率的最大比值的對應數據的計算單元，同時其還用於計算出水和回水 溫度之差；輸入單元，用於提供一輸入界面以使用戶輸入當前流量需求信息，並當用戶輸入當前流量需求信息後，使所述控制單元根據所述當前流量需求及所述計算單元計算出的水 泵轉速與水流量和電功率的最大比值的對應數據，確定所述水泵當前需運行的轉速，並根 據所述計算單元計算出水和回水溫度之差或者水位傳感器的信息進一步確定所述水泵當 前間歇性運行的運行和停止時間，以便控制單元能將所述水泵當前需運行的轉速和所述水 泵當前間歇性運行的運行和停止時間提供至所述變頻器，使所述變頻器能正確控制所述水 泵的運行；以及用於提供停機指令輸入按鈕以供用戶輸入停機指令，並根據所述停機指令 使所述控制單元發出停止指令以使所述變頻器控制水泵逐漸停止運行的停機檢測單元。其中，所述流量計可為超聲波流量計；所述溫度傳感器可採用鉬熱電阻傳感器； 所述水位傳感器可採用超聲波物位計或雷達物位計。優選的，所述控制單元和計算單元的功能可由CPU和輸出電壓電流轉換電路完 成；所述採集單元可包括與所述溫度傳感器相連的溫度信號處理電路或與水位傳感器相 連的輸入電流電壓轉換電路。綜上所述，本實用新型的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器通過綜合效率測 試單元測試出在不同轉速下的能源消耗最小值，據此控制水泵的轉速，由此實現能源的節 約。
圖IA至ID分別為現有水泵轉速、電機轉速、變頻器的效率曲線及管道阻力損失與 流量的關係示意圖。圖2為本實用新型的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器的基本結構示意圖。圖3為本實用新型的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器的具體電路架構示 意圖。圖4為本實用新型的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器的計算單元計算出 的綜合效率與轉速之間的關係示意圖。圖5為本實用新型的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器的實際運行曲線。
具體實施方式
請參閱圖2及圖3，本實用新型的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器至少包 括變頻器、流量計、控制單元、溫度傳感器或水位傳感器、採集單元、計算單元、輸入單元、 以及停機檢測單元等。所述變頻器用於改變水泵電機的轉速，其結構及工作原理已為本領域技術人員所 知悉，故在此不再詳述。所述流量計安裝在與所述水泵相連接的管道上，用於計量所述管道中的水流量， 其可為超聲波流量計。在本實施例中，採用型號為STG-100的流量計計量水流量，水流量單 位為立方米/小時。所述溫度傳感器或水位傳感器用於測試與所述水泵相連的循環系統的出水和回 水溫度或儲水系統的液位。通常，對於水塔、蓄水池一類的儲水系統，採用水位傳感器，例如 可採用US-500系列超聲波物位計或LD系列雷達物位計等。而對於供熱、冷卻一類的連續 性水循環系統，採用溫度傳感器檢測出水溫度和回水溫度，例如可採用PT100型鉬熱電阻 傳感器來檢測出水溫度和回水溫度。[0023]所述採集單元與所述變頻器、流量計、溫度傳感器或水位傳感器相連接，用於採集 所述流量計所測出的水流量、變頻器的運行電流和電壓、所述溫度傳感器或水位傳感器所 測得的水位或溫度信息。所述採集單元可包括與所述溫度傳感器相連的溫度信號處理電路 或與水位傳感器(即液位變送器)相連的輸入電流電壓轉換電路。至於採集流量計的流量 信息以及變頻器的運行電壓和電流的方式，後續予以說明。所述計算單元用於 根據所述採集單元所採集的不同轉速下所述水泵的水流量、變 頻器的運行電流和電壓，計算所述水泵在各不同的轉速下水流量和所消耗的電功率的比 值，由此獲得所述水泵在各不同轉速下水流量和電功率比值的最大值，以建立水泵轉速與 水流量和電功率最大比值的對應數據。此外，計算單元還負責計算溫度傳感器提供的出水 和回水溫度之差。在本實施例中，所述計算單元的功能和控制單元的功能都由CPU和輸出 電壓電流轉換電路來完成，因此，所述超聲波流量計的信息可直接通過RS485接口(其可被 看成採集單元的組成部分)接入計算單元，所述變頻器的運行電壓和電流可通過通訊總線 (其也可被看成採集單元的組成部分)接入計算單元。所述輸入單元用於提供一輸入界面以使用戶輸入當前流量需求信息。當然，所述 輸入界面也可包含其它參數輸入欄，以滿足不同用戶的需求。所述控制單元用於向所述變頻器發出各種控制指令，以使所述變頻器控制所述水 泵的運行。所述控制單元用於根據所述輸入單元提供的當前流量需求、及所述計算單元提 供的水泵轉速與水流量和電功率的最大比值的對應數據，確定所述水泵當前需運行的轉 速，並根據計算單元計算出的出水和回水溫度之差或水位傳感器提供的信息進一步確定所 述水泵當前間歇性運行的運行和停止時間，以便根據所述水泵當前需運行的轉速和所述水 泵當前間歇性運行的運行和停止時間控制所述變頻器，使所述變頻器能正確控制所述水泵 的運行。例如，對於水塔、蓄水池一類的儲水系統，當水位傳感器感測到液位降到最低限度 時，所述控制單元則確定水泵需要立即啟動，並按照最高綜合效率的轉速運行；而當水位傳 感器感測到液位升到最高限度時，所述控制單元則確定水泵需要立即停止。而對於供熱、 冷卻一類的連續性水循環系統，所述控制單元則計算出出水溫度與回水溫度之差，即「出水 /回水溫差」，當出水/回水溫差偏大時，需要縮短水泵停機時間的比例，延長運行時間的比 例；當出水/回水溫差偏小時，需要延長停機時間的比例，縮短運行時間的比例。此外，停 機、運行周期的長短，也可根據用戶在前述輸入界面中輸入的要求來確定，若要求溫度穩定 度越高，則需要停機、運行周期越短。所述停機檢測單元用於提供停機指令輸入按鈕以供用戶輸入停機指令，控制單元 根據所述停機指令使所述變頻器控制水泵逐漸停止運行。上述使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器工作流程可如下第一步，系統開始運行，其可向用戶提供基本的運行數據(提供的方式可以是顯 示屏顯示的方式等)，用戶也可進一步查詢相關數據，也可設置、修改相關參數等。第二步，系統判斷是否進行系統效率測試的步驟，例如，可根據用戶輸入的指令來 判斷即如果用戶輸入指令要求對系統進行系統效率測試，則進入系統效率測試過程，否 貝1J，系統進入判斷水泵是否需要運行的過程。其中，系統效率測試過程為由控制單元發出指令，使變頻器控制水泵由高到低按順序在不同的轉速下運行， 同時所述採集單元採集變頻器的運行電壓和電流，由計算單元計算所消耗的電功率，流量計計量管道中的水流量，所述計算單元再計算管道中水的流量與所消耗的電功率之比值， 就是水泵系統的綜合效率，更為具體的說，也就是先由變頻器以軟啟動方式給水泵電機供 電，供電頻率由O逐步上升到最高頻率，在最高頻率保持一定時間，測出最高頻率時的綜合 效率。然後將運行頻率減1，再次測出該頻率點的系統的綜合效率。如此反覆進行「運行頻 率減1，再次測出該頻率點的系統的綜合效率」步驟，直到運行頻率低於系統設置的最低頻 率時，系統效率測試過程才結束，這時已經測試出水泵系統在不同運行頻率下的綜合效率， 再將各綜合效率與相應的水泵轉速相互對應，形成一組對應於不同轉速的數據保存起來， 作為控制水泵運行的依據。本實施例測出的綜合效率與轉速的關係示意圖如圖4~所示，通 常有一個最大值。一般情況下，只要水泵、電機、變頻器、管道等沒有變化，測試的數據就可 以長期使用。第三步，判斷是否運行步驟同樣根據用戶輸入的指令來判斷，即如果用戶在輸入 界面輸入當前的流量需求信息，系統即進入水泵運行步驟；否則，系統返回到讀取數據、顯 示數據、設置參數的步驟。水泵運行步驟由所述控制單元根據用戶輸入的當前的流量需求信息和計算單元 所提供的水泵轉速與水流量和電功率的最大比值的對應數據來所確定的水泵當前需運行 的轉速，並根據所述溫度傳感器或水位傳感器提供的信息進一步確定所述水泵當前間歇性 運行的運行和停止時間。控制單元再根據所述水泵當前需運行的轉速和所述水泵當前間歇 性運行的運行和停止時間對變頻器進行控制，使所述變頻器能正確控制所述水泵的運行。 例如，對於水塔、蓄水池一類的儲水系統，當水位傳感器感測到液位降到最低限度時，所述 控制單元確定水泵需要立即啟動，並按照最高綜合效率的轉速運行；而當水位傳感器感測 到液位升到最高限度時，所述控制單元則確定水泵需要立即停止。而對於供熱、冷卻一類 的連續性水循環系統，所述控制單元則計算出出水溫度與回水溫度之差，即「出水/回水溫 差」，當出水/回水溫差偏大時，需要縮短水泵停機時間的比例，延長運行時間的比例；當出 水/回水溫差偏小時，需要延長停機時間的比例，縮短運行時間的比例。此外，停機、運行周 期的長短，也可根據用戶在前述輸入界面中輸入的要求來確定，若要求溫度穩定度越高，則 需要停機、運行周期越短。此外，在水泵的運行過程中，停機檢測單元不斷檢測用戶是否發出停機指令，如果 沒有發出停機指令，則保持水泵繼續運行；否則進入軟停車步驟即所述控制單元發出停 機指令，以使所述變頻器控制水泵逐漸減速直到停止。由上可見，在本實用新型的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器的控制下，水 泵有4種狀態(如圖5所示)①停機狀態、②啟動階段、③運行狀態、④軟停車階段，在所 有運行狀態，水泵都終運行在綜合效率最大值附近(圖中Π是綜合效率曲線最大值對應的 供電頻率)。綜上所述，本實用新型的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器通過採集單元、 計算單元測試出綜合效率與轉速之間的對應關係，從而使變頻器能提供相應的供電頻率， 進而使水泵在在所有運行狀態，態都工作在綜合效率最大值附近，能最大限度地節約能源。上述實施例僅列示性說明本實用新型的原理及功效，而非用於限制本實用新型。 任何熟悉此項技術的人員均可在不違背本實用新型的精神及範圍下，對上述實施例進行修改。因此，本實用新型的權利保護範圍，應如權利要求書所列。
權利要求一種使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器，其特徵在於包括變頻器；安裝在與所述水泵相連接的管道上的流量計，用於計量所述管道中的水流量；控制單元，用於向所述變頻器發出各種控制指令，以使所述變頻器控制所述水泵的運行；溫度傳感器或水位傳感器，用於測試與所述水泵相連的循環系統的出水和回水溫度或儲水系統的液位；採集單元，分別與所述變頻器、流量計、溫度傳感器或水位傳感器相連接，計算單元，與採集單元的輸出端連接；輸入單元，與控制單元連接；停機檢測單元，與控制單元連接，用於提供停機指令輸入按鈕以供用戶輸入停機指令，並根據所述停機指令使所述控制單元發出停止指令以使所述變頻器控制水泵逐漸停止運行。
2.如權利要求1所述的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器，其特徵在於所述流 量計為超聲波流量計。
3.如權利要求1所述的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器，其特徵在於所述控 制單元和計算單元的功能由CPU和輸出電壓電流轉換電路完成。
4.如權利要求1所述的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器，其特徵在於所述溫 度傳感器採用鉬熱電阻傳感器。
5.如權利要求1所述的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器，其特徵在於所述水 位傳感器採用超聲波物位計或雷達物位計。
6.如權利要求1所述的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器，其特徵在於所述採 集單元包括與所述溫度傳感器相連的溫度信號處理電路或與水位傳感器相連的輸入電流 電壓轉換電路。
專利摘要本實用新型提供的使水泵運行在最佳轉速下的節電控制器，包括變頻器、流量計、控制單元、溫度傳感器或水位傳感器、採集單元、計算單元、輸入單元、以及停機檢測單元。其由控制單元控制所述變頻器，以使水泵依序在不同的轉速下運行，並由採集單元採集流量計所測出的水泵在不同的轉速下的水流量和所述水泵在不同的轉速下變頻器的運行電流和電壓，接著由計算單元計算水泵在各不同的轉速下水流量和所消耗的電功率的比值，由此獲得所述水泵在各不同轉速下水流量和電功率比值的最大值，以建立水泵轉速和最大比值的對應數據，再根據所述對應數據控制水泵的運行，從而可使水泵能以電能最省的最佳轉速運行，實現能源的節約。
文檔編號F04B49/06GK201771737SQ20102014053
公開日2011年3月23日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者李麗霞 申請人:上海樂普能源科技發展有限公司