調整泵輸送量的方法

2023-06-17 20:01:46 3

專利名稱：調整泵輸送量的方法
技術領域：
本發明涉及一種調整泵輸送量的方法，泵通過一個可以改變交流電頻率而運轉的、尤其是通過變頻器而運轉的電機來驅動，其中電機的輸入功率作為輸送量的實際值被測量並通過與理論值進行比較而進行調節。
對於輸送量可能涉及泵的流量或壓力，但是它們不是直接被測量的。
此類方法由WO98／04835為公眾所知。在那裡驅動泵的電機為感應電機(異步電機)，電機通過以變頻器形式的頻率變換器作為執行機構而被驅動。為了沒有傳感器也能測量輸送量，變頻器的輸出功率或輸出電流或者電機的輸入功率或輸入電流被測量並通過一個放在存儲器裡的與變頻器的電流強度(或者功率)和輸出頻率有關的表格來這樣改變輸出頻率，使輸出頻率與期望的工作點一致。在此可以得出在被測量的電機電流與轉數之間存在明確的關係當電機的輸入電流上升時，就意味著流量也增加並由此使連接到泵上的管道系統壓力下降。但是對於循環泵，例如暖氣設備的水循環中希望恆定的壓力。因此如果電機的輸入電流升高，變頻器的輸出頻率和與此相關的電機轉數也通過調整裝置升高。
在WO98／04835裡所研究的基本上是電流測量，但是要指出的是，也可用電功率來代替電流作為測量值，對此沒有列舉可能的優點。
然而要指出，如果只測量電流作為輸送量的大小，對於輸送量可能產生明顯的調整偏差。原因之一是工作電壓的波動，尤其是涉及電網電壓的時候。例如如果工作電壓降低10％，電機的輸入功率也降低10％。如果只測量電流，調整裝置沒有獲得這個變化。其結果是，電機轉數下降並且不能保持所需的泵輸送量。如果不是以電流而是以測量電機的輸入功率作為輸送量的大小，就也可以注意到工作電壓的變化。
因此在測量電機輸入功率時儘管儘可能地排除工作電壓的變化成為輸送量調整的誤差源，但仍要指出，電機工作點以及泵工作點在一段時間後仍要偏離所期望的工作點。其後果可能是明顯地偏離所期望的壓力。
本發明的任務在於，無需直接測量泵的壓力或流量，也就是說無需利用壓力和流量，而是以電機的輸入功率作為調整量，來改進上述類型的方法，使得所期望的電機工作點因而也是泵工作點保持不變。
按照本發明這個任務這樣來解決，當電機溫度變化時在調節時在調整輸入功率的意義上考慮相應的補償量。
這種解決方法的理論基礎在於，工作點的變化是電機定子和轉子中的直流電阻變化的結果。這個變化又主要是由於電損耗或對流熱，如通過泵輸送的熱水而使電機發熱的結果。由此加大了電機中的電損耗以及由此產生的滑差，使得電機的輸出功率和轉數降低並由此也使泵的壓力降低。因此電機的發熱存在兩種影響首先是轉子損耗增加，由此減少對軸的輸出功率。這種功率損失在只測量輸入功率來調節電機輸入功率的情況下是不被察覺的。因此對於這種形式的調節，定子中的功率損失不能夠被補償。其次是電機的發熱使滑差提高。這意謂著，較少的功率被傳遞到轉子。輸入功率調節將這種虛假現象解釋為減小的功率損耗並調節降低電機的工作頻率。因此泵的工作點偏離所期望的工作點。通過本發明無需直接測量壓力就可以補償由溫度造成的壓力降低。
這一點可以以特別簡單的方式這樣來實現，即補償量從一個根據經驗建立的、被存儲的、根據電機工作溫度與電機輸入功率變化值和溫度值有關的表格中調出。
另一種可能性在於，根據經驗建立並被存儲的表格包括泵在不同的電機輸入功率情況下達到電機工作溫度時刻的壓力變化，從表格中根據輸入功率的實際值調出壓力變化值作為調節時的補償量。
一個更精確的解決方法在於，由補償量和頻率控制量計算出近似的轉數實際值，此值與壓力理論值一起被利用從一個被存儲的、根據經驗建立的、與電機輸入功率和轉數有關的表格中調出一個相關的輸入功率理論值。
按照本發明解決這個任務的另一個方案在於，電機的輸入功率和轉數的相關值在給定壓力理論值的情況下根據經驗確定並作為表格被存儲，在運轉期間與被測量或近似計算出來的電機轉數相關的輸入功率值作為理論值從表格中調出來用於調節輸入功率。在這個方案中可以沒有與電機溫度有關的泵壓力的事先測量，而是通過泵或電機轉數的直接測量或近似計算並用於補償取決於溫度的電機輸出功率的變化。
下面根據示例附圖詳細描述本發明及其其它結構。圖示為

圖1在電機輸入功率被確定作為輸送量的實際值，而不考慮電機溫度變化時壓力變化的情況下，在調節泵輸送量時電機驅動的泵的壓力與時間的關係，圖2電機輸入功率與時間的關係，其中電機輸入功率在電機溫度變化時下降並由此引起圖1所示的壓力下降，圖3在以不同的壓力理論值H理論作為參數的情況下驅動泵的異步電機的輸入功率與其工作電壓頻率之間關係的特性曲線，圖4用於解釋按照本發明方法的第一種實施例的方框圖，圖5用於解釋按照本發明方法的第二種實施例的方框圖，圖6用於解釋按照本發明方法的第三種實施例的方框圖，圖7用於解釋按照本發明方法的第四種實施例的方框圖。
首先根據圖1至3來詳細解釋以本發明方法為基礎的發明目的。
圖1至3畫出了根據經驗確定的曲線圖。按照圖1和2的曲線畫出了在傳統的調節方法中輸送量，即壓力和流量由電機驅動的泵調節而不是直接被測量的情況下，壓力(圖1)和提供給電機的功率(圖2)與時間t的關係。在公知的情況下測量電機的輸入功率P，特別是有功功率而不是視在功率或無功功率來作為輸送量實際值的大小。對於檢驗電機與額定功率為1．5kW(千瓦)的異步電機(又稱感應電機)有關，通過變頻器改變其工作電壓頻率來控制電機的轉數。
按照圖1平均壓力H由時間t=0時給定的初始理論值約840百帕(hPa)在約20至25分鐘內降至約780hPa。這個壓降首先由於轉子上由於溫度造成的功率損失產生在電機軸輸出更微小的功率，其次造成更小的供使用的電機輸入功率。後一種情況在圖2中畫出，輸入功率在相同的時間內從約1150W(瓦)降至約1025W。這個壓降造成更高的滑差在此調節方向確定，要求更小的功率(因為其錯誤的接收到用電器給泵的負載較小)，並下調變頻器的輸出頻率。這個輸出頻率在一個P-f表中被用來作為參考，其中給出更小的功率理論值P理論，以根據圖3保持壓力(在相同的特性曲線上)恆定。因此出現了所不期望的中間耦合，由此使輸出給電機的功率還繼續下調。
電機溫度變化以及由此產生的電阻變化作為壓力和功率下降的一個原因是公知的。因為隨著泵工作時間的延長定子和轉子裡的溫度上升。由此轉子和定子的電阻也按照下式增大(1) Rs，υ=Rs，20(1+α20Δυ)其中α20是環境溫度為20℃時電阻材料的溫度係數，而Δυ為溫度變化。例如在20℃時銅的溫度係數為0．00393／℃，鋁的溫度係數為0．00403／℃。定子溫度可能從20℃升至120℃。相應的轉子溫度可能從20℃升至220℃，由此轉子電阻可能變化約81％。因此電機裡的損耗基本上是轉子和定子裡損耗的結果並可能直至大約40％。更高的轉子電阻Rr也使異步電機的滑差s上升。滑差s滿足下式(2)----S=m(Ir)2RrPs]]>其中m為相繞組數，Ir為轉子電流，Rr為轉子電阻，而Ps為從定子通過氣隙傳遞到轉子的功率。
因為滑差與轉子電阻是成比例的，因此滑差同樣可能變化約40％。對於較小的電機滑差可能為約10％；這意味著，在額定負載下溫度升高影響到轉數的繼續變化為約4％。
下面的公式(3)近似的給出了由電機驅動的流體機械的輸入功率(在效率恆定的條件下)(3)----P1P2=(n1)3(n2)3=((I-s1)f1)3((I-s2)f2)3]]>其中P1，n1，s1和f1分別表示功率、轉數、滑差、和頻率在第一工作點上的數值而P2，n2，s2和f2則表示在第二工作點上的數值。
對於電機驅動的泵，為了平衡4％的轉數下降按照公式(3)輸入功率得提高((1．04)3-1)，即12．5％。因此當電機的輸出功率由於溫度升高而降低12．5％時，這也會明顯地影響到泵的壓力，因為按照圖3在相對來說相互間遠離的壓力理論值H理論的情況下功率-頻率特性曲線(P-f特性曲線)相互間位置非常緊密。
下面根據圖4詳細解釋按照本發明方法的第一實施例，在此避免了溫度變化對壓力和輸送量的影響。
按照圖4調節裝置1包括帶有比較器3、加法器4和調節元件5的調節器2。比較器3和加法器4串聯在調節元件5的輸入端。調節元件5包括一個具有負反饋(反向連接器)的可調放大器，負反饋確定調節元件的傳輸特性，使得例如作為PI元件而起作用。調節器2後接調整元件6，該元件包括控制頻率的變頻器，變頻器自身包括用於交流電壓檢波的多相檢波器、直流中間迴路和逆整流器。檢波器使交流電壓，例如通常的電網電壓檢波成直流電壓，直流電壓將逆整流器變換成具有由調節器2輸出信號確定的頻率f的交流電壓。與執行元件有關的逆整流器的輸出交流電壓構成泵組7的電機的工作電壓U，電機驅動泵組7中的泵，使泵以給定的輸送量、壓力H或流量Q工作。為了在調節時不必直接通過壓力或流量傳感器測量輸送量，泵組7中泵電機的輸入功率或執行元件6的輸出功率被確定作為輸送量實際值的大小，即通過測量執行元件與泵組7之間的電壓U和電流I。然後由這個測量值在功率計算元件8中計算功率實際值P實際，準確地說，在已知功率係數cosφ的情況下有功功率為電壓U與電流I的乘積。但是有功功率也可以通過在直流中間迴路中測量直流電壓和直流電流來確定。
功率實際值P實際被引到比較器3的輸入端並在比較器裡與引到比較器3另一輸入端的功率理論值P理論進行比較，以便根據調節偏差Pw通過相應地改變執行元件6裡的變頻器的輸出端上頻率f來這樣長時間的再調節泵組7輸入端上的功率，直至調節偏差Pw最為近似的被抵消。當所期望的泵組7裡的電機工作電壓的頻率f代替所需的輸入功率用來作為執行元件6的控制量，以實現並保持所期望的泵壓力H的時候，根據經驗確定的泵組7輸入功率與頻率之間對於不同的壓力理論值H理論作為按照圖3所示的特性曲線的參數表格被存儲在存儲器9裡。然後從被存儲的P-f表格裡根據調節器2輸出上產生的頻率控制信號f和所期望的壓力理論值H理論，這兩個數值被引到存儲器9的地址，相關的功率理論值P理論被調出並引到比較器3。但是因為與泵有關的泵組輸送量由於在運行中產生電機熱量並由此影響到轉子和定子上其電阻的變化在同樣的輸入功率情況下也可能是不同的，按照本發明取決於電機溫度的補償量ΔP通過調節偏差Pw的加法器4被疊加(相加或相減)。為了確定補償量ΔP，備有功能單元10，它在一個存儲器裡以根據經驗建立的表格的形式包含有與電機各溫度T相關的補償量ΔP，從表格裡根據確定的溫度T調出相關的補償量ΔP。溫度T或者可以直接在電機上測量或者如同上面的示例一樣，通過測量泵組的輸入電流I並通過電流I的平方在一段時間後構成的積分而確定。通過補償量ΔP的補償或者可以連續進行，或者當電機達到其工作溫度的時候進行。
補償量ΔP也可以引到調節器2的其它位置，例如引到比較器3的輸入端的前面。
圖5畫出了第二實施例的方框圖，在此根據經驗確定的、與泵電機輸入功率數值P和補償量以與各壓力理論值H理論有關的壓力變化量ΔH的相關形式被放在存儲器11裡。然後由存儲器11調出與壓力理論值H理論有關的和各通過功率計算元件8確定的功率實際值P實際的相關補償量ΔH並通過傳輸元件12以給定的傳輸功能作為與時間有關的補償量ΔH(t)引到在這種情況下位於存儲器9前面的加法器4，加法器對對應於各壓力理論值H理論的與時間有關的補償量ΔH(t)相加並根據以這種方法修正的壓力理論值和頻率信號f調出相關的被補償的功率理論值P理論。當泵組7裡驅動泵的電機的轉子和定子繞組達到其工作溫度時，補償量ΔH在這種情況下是可測量的壓降。這個壓降取決於驅動泵的功率。因此與各測量功率相關的壓降ΔH作為ΔH-P表格根據經驗被確定。如圖1所示，在對於給定壓力H理論為840hPa情況下在運行大約20分鐘後壓降為大約60hPa。通過採用壓力理論值H理論和功率實際值P實際作為存儲器11的地址可以得到作為補償量ΔH的數值60hPa，該數值與壓力理論值H理論相加。但是由於中間連接的傳輸元件12，補償量ΔH不能立刻以其全部大小相加，而是線性增加，直到傳輸元件12的傳輸功能在達到電機工作溫度所需的時間裡達到傳輸功能拐點上的全部傳輸係數1。傳輸元件12的傳輸功能上升至拐點在這裡這樣來選擇，使其對應於圖1中達到電機工作溫度的壓力的升高ΔH／Δt，在此為斜率。
圖5的方法的其它方面對應於圖4的方法。
對於按照圖4和5的兩個實施例，當功率利用存儲器9裡的P-f表格來調節時，也可以根據P-n表格調節功率，在這裡n是電機或泵組7的轉數。
按照P-n表格的調節比按照P-f表格的調節更精確，如同在下面提供的公式(4)，(5)和(6)所給出的那樣，在這些公式中下標「1」和「2」指不同的工作點。在兩個工作點上，公式(4)表示兩個流量Q1和Q2之比、公式(5)表示兩個壓力H1和H2之比、公式(6)表示兩個功率P1和P2之比與兩個轉數n1和n2之比或兩個工作頻率f1和f2之比的關係 可以看出，頻率f只能近似的被用來作為流量、壓力或輸入功率的量值。由公式(3)得出，相似性只有滑差在兩個工作點上是分別相等的情況下才是有效的。因此當運用調節時，其中電機轉數n被測量或利用轉數的近似值代替電機的頻率控制量f，能夠更精確地調節壓力或流量，因為控制頻率f由於溫度變化的影響沒有精確地對應於泵組的輸送量(壓力或流量)。當電機的滑差s以其轉矩和溫度(見公式(2))改變時，在已知頻率控制量f的情況下可以確定足夠精確的轉數的近似值na。
圖6給出了按照本發明方法的另一個實施例的方框圖，其中有關的、根據經驗針對各壓力理論值H理論確定的功率P和轉數n的數值的表格被存儲在存儲器9裡面。轉數可以通過測速器直接在泵組7的軸上測得或者通過定子裡的磁場傳感器測得。但是對於圖6所示的示例近似值na被間接地確定，即通過轉數計算元件14按照下式計算(7)----na=60(1-sa)fP]]>其中p為極數而sa為電機滑差的近似值。為了計算滑差的近似值sa，要測量電機輸入端的電壓U和電流I並與頻率控制量f一起引到轉數計算元件14。在按照公式(1)確定取決於溫度的轉子電阻Rr的補償量ΔR=Rs，20·α·Δυ以後，由此值與鐵-銅損耗一起按照公式(2)計算出滑差的近似值sa，轉數計算元件14可以由這些數值計算出轉數的近似值na。然後通過轉數近似值na再從根據經驗確定的、存儲在存儲器9裡面的P-n表格中調出與各壓力理論值H理論有關的功率理論值P理論。
方法在其它方面與上述實施例相同。
圖7所示的方框圖可以看到按照圖6方法的一種變化，其中泵組的轉數n直接被測量並引到存儲器9。在這種情況下省去電機溫度的計算或測量，輸送量的調節是比較精確的。
如果用同步電機來代替異步電機來驅動泵組7時，可以省去溫度補償，因為對於同步電機不存在滑差。與此相應，可以省去轉數計算元件14而頻率控制量f可以直接引到存儲器9。
對於所有的實施例電機或泵組7的輸入端上的有功功率被用來作為調節量。當轉矩M=P／n時，也可以用轉矩M來代替有功功率P。調節和補償在兩種情況下是相同的。
權利要求
1．用於調整泵輸送量(H；Q)的方法，泵通過一個可以改變交流電頻率而運轉的、尤其是通過變頻器而運轉的電機來驅動，其中電機的輸入功率(P)作為輸送量的實際值被測量並通過與理論值(P理 論)進行比較來進行調節，其特徵為，當電機溫度(T)變化時在調節時在調整輸入功率的意義上考慮相應的補償量(ΔP；ΔH；ΔR)。
2．如權利要求1的方法，其特徵為，補償量(ΔP)從被存儲的根據電機工作溫度與電機輸入功率變化值和溫度值有關的表格中調出(見圖4)。
3．如權利要求1的方法，其特徵為，根據經驗建立並被存儲的表格包括泵在不同的電機輸入功率(P)情況下達到電機工作溫度時刻的壓力變化(ΔH)，從表格中根據輸入功率(P)的實際值(P實際)調出壓力變化值作為調節時的補償量(見圖5)。
4．如權利要求1的方法，其特徵為，由補償量(ΔR)和頻率控制量(f)計算出近似的轉數實際值(na)，此值與壓力理論值(H理 論)一起被用來從一個被存儲的、根據經驗建立的表格中調出與電機輸入功率(P)和轉數(n)有關的相關的輸入功率理論值(P理論)(見圖6)。
5．用於調整泵輸送量(H；Q)的方法，泵通過一個可以改變交流電頻率而運轉的、尤其是通過變頻器而運轉的電機來驅動，其中電機的輸入功率(P)被測量作為輸送量的實際值並通過與理論值(P理 論)進行比較來進行調整，其特徵為，與電機的輸入功率(P)和轉數(n)的有關的數值在給定壓力理論值(H理論)的情況下根據經驗確定並作為表格被存儲，在運轉期間與被測量或近似計算出來的電機轉數(n；na)有關的輸入功率值(P)作為理論值(P理論)從表格中調出來用於調節輸入功率。
全文摘要
調整泵輸送量(H;Q)的方法,泵通過一個可以改變交流電頻率而運轉的、尤其是通過變頻器而運轉的電機來驅動,在此電機的輸入功率(P)作為輸送量的實際值被測量並通過與理論值(P
文檔編號F04B49/06GK1280253SQ00120128
公開日2001年1月17日 申請日期2000年7月11日 優先權日1999年7月12日
發明者E·S·莫勒 申請人:丹福斯有限公司