CN1179134C

CN1179134C - 调整泵输送量的方法

Info

Publication number: CN1179134C
Application number: CNB00120128XA
Authority: CN
Inventors: E��S��Ī��; E·S·莫勒
Original assignee: Danfoss Drives AS
Current assignee: Danfoss Power Electronics AS
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2020-07-11
Also published as: CN1280253A; US6354805B1; GB0017061D0; FI20001643A; GB2352533A; DE19931961A1; FI112273B; FI20001643A0; GB2352533B

Abstract

调整泵输送量(H；Q)的方法，泵通过一个可以改变交流电频率而运转的、尤其是通过变频器而运转的电机来驱动，在此电机的输入功率(P)作为输送量的实际值被测量并通过与理论值(P_理论)进行比较来进行调整。为了避免电机温度在恒定输入功率条件下对输送量的影响，当电机温度(T)变化时在调节时在调整输入功率(P)的意义上考虑相应的补偿量(ΔP；ΔH；ΔR)。

Description

调整泵输送量的方法

技术领域

本发明涉及一种调整泵输送量的方法，泵通过一个可以改变交流电频率而运转的、尤其是通过变频器而运转的电机来驱动，其中电机的输入功率作为输送量的实际值被测量并通过与理论值进行比较而进行调节。

背景技术

对于输送量可能涉及泵的流量或压力，但是它们不是直接被测量的。

此类方法由WO 98/04835为公众所知。在那里驱动泵的电机为感应电机(异步电机)，电机通过以变频器形式的频率变换器作为执行机构而被驱动。为了没有传感器也能测量输送量，变频器的输出功率或输出电流或者电机的输入功率或输入电流被测量并通过一个放在存储器里的与变频器的电流强度(或者功率)和输出频率有关的表格来这样改变输出频率，使输出频率与期望的工作点一致。在此可以得出：在被测量的电机电流与转数之间存在明确的关系：当电机的输入电流上升时，就意味着流量也增加并由此使连接到泵上的管道***压力下降。但是对于循环泵，例如暖气设备的水循环中希望恒定的压力。因此如果电机的输入电流升高，变频器的输出频率和与此相关的电机转数也通过调整装置升高。

在WO 98/04835里所研究的基本上是电流测量，但是要指出的是，也可用电功率来代替电流作为测量值，对此没有列举可能的优点。

然而要指出，如果只测量电流作为输送量的大小，对于输送量可能产生明显的调整偏差。原因之一是工作电压的波动，尤其是涉及电网电压的时候。例如如果工作电压降低10％，电机的输入功率也降低10％。如果只测量电流，调整装置没有获得这个变化。其结果是，电机转数下降并且不能保持所需的泵输送量。如果不是以电流而是以测量电机的输入功率作为输送量的大小，就也可以注意到工作电压的变化。

因此在测量电机输入功率时尽管尽可能地排除工作电压的变化成为输送量调整的误差源，但仍要指出，电机工作点以及泵工作点在一段时间后仍要偏离所期望的工作点。其后果可能是明显地偏离所期望的压力。

发明内容

本发明的任务在于，无需直接测量泵的压力或流量，也就是说无需利用压力和流量，而是以电机的输入功率作为调整量，来改进上述类型的方法，使得所期望的电机工作点因而也是泵工作点保持不变。

按照本发明这个任务这样来解决，即提出一种用于调整泵输送量的方法，泵通过一个可以改变交流电频率而运转的电机来驱动，其中电机的输入功率作为输送量的实际值被测量，并通过与理论值进行比较来进行调节，其特征在于，当电机温度变化时，在调节时考虑相应的输入功率、压力或转子电阻的补偿量来调整电机的输入功率。

这种解决方法的理论基础在于，工作点的变化是电机定子和转子中的直流电阻变化的结果。这个变化又主要是由于电损耗或对流热，如通过泵输送的热水而使电机发热的结果。由此加大了电机中的电损耗以及由此产生的滑差，使得电机的输出功率和转数降低并由此也使泵的压力降低。因此电机的发热存在两种影响：首先是转子损耗增加，由此减少对轴的输出功率。这种功率损失在只测量输入功率来调节电机输入功率的情况下是不被察觉的。因此对于这种形式的调节，定子中的功率损失不能够被补偿。其次是电机的发热使滑差提高。这意谓着，较少的功率被传递到转子。输入功率调节将这种虚假现象解释为减小的功率损耗并调节降低电机的工作频率。因此泵的工作点偏离所期望的工作点。通过本发明无需直接测量压力就可以补偿由温度造成的压力降低。

这一点可以以特别简单的方式这样来实现，即补偿量从一个根据经验建立的、被存储的、根据电机工作温度与电机输入功率变化值和温度值有关的表格中调出。

另一种可能性在于，根据经验建立并被存储的表格包括泵在不同的电机输入功率情况下达到电机工作温度时刻的压力变化，从表格中根据输入功率的实际值调出压力变化值作为调节时的补偿量。

一个更精确的解决方法在于，由补偿量和频率控制量计算出近似的转数实际值，此值与压力理论值一起被利用从一个被存储的、根据经验建立的、与电机输入功率和转数有关的表格中调出一个相关的输入功率理论值。

按照本发明解决这个任务的另一个方案在于，电机的输入功率和转数的相关值在给定压力理论值的情况下根据经验确定并作为表格被存储，在运转期间与被测量或近似计算出来的电机转数相关的输入功率值作为理论值从表格中调出来用于调节输入功率。在这个方案中可以没有与电机温度有关的泵压力的事先测量，而是通过泵或电机转数的直接测量或近似计算并用于补偿取决于温度的电机输出功率的变化。

下面根据示例附图详细描述本发明及其其它结构。图示为：

附图说明

图1在电机输入功率被确定作为输送量的实际值，而不考虑电机温度变化时压力变化的情况下，在调节泵输送量时电机驱动的泵的压力与时间的关系，

图2电机输入功率与时间的关系，其中电机输入功率在电机温度变化时下降并由此引起图1所示的压力下降，

图3在以不同的压力理论值H_理论作为参数的情况下驱动泵的异步电机的输入功率与其工作电压频率之间关系的特性曲线，

图4用于解释按照本发明方法的第一种实施例的方框图，

图5用于解释按照本发明方法的第二种实施例的方框图，

图6用于解释按照本发明方法的第三种实施例的方框图，

图7用于解释按照本发明方法的第四种实施例的方框图。

具体实施方式

首先根据图1至3来详细解释以本发明方法为基础的发明目的。

图1至3画出了根据经验确定的曲线图。按照图1和2的曲线画出了在传统的调节方法中输送量，即压力和流量由电机驱动的泵调节而不是直接被测量的情况下，压力(图1)和提供给电机的功率(图2)与时间t的关系。在公知的情况下测量电机的输入功率P，特别是有功功率而不是视在功率或无功功率来作为输送量实际值的大小。对于检验电机与额定功率为1.5kW(千瓦)的异步电机(又称感应电机)有关，通过变频器改变其工作电压频率来控制电机的转数。

按照图1平均压力H由时间t＝0时给定的初始理论值约840百帕(hPa)在约20至25分钟内降至约780hPa。这个压降首先由于转子上由于温度造成的功率损失产生在电机轴输出更微小的功率，其次造成更小的供使用的电机输入功率。后一种情况在图2中画出，输入功率在相同的时间内从约1150W(瓦)降至约1025W。这个压降造成更高的滑差：在此调节方向确定，要求更小的功率(因为其错误的接收到用电器给泵的负载较小)，并下调变频器的输出频率。这个输出频率在一个P-f表中被用来作为参考，其中给出更小的功率理论值P_{理论}，以根据图3保持压力(在相同的特性曲线上)恒定。因此出现了所不期望的中间耦合，由此使输出给电机的功率还继续下调。

电机温度变化以及由此产生的电阻变化作为压力和功率下降的一个原因是公知的。因为随着泵工作时间的延长定子和转子里的温度上升。由此转子和定子的电阻也按照下式增大：

(1)R_s，υ＝R_s，20(1+α₂₀Δυ)其中α₂₀是环境温度为20℃时电阻材料的温度系数，而Δυ为温度变化。例如在20℃时铜的温度系数为0.00393/℃，铝的温度系数为0.00403/℃。定子温度可能从20℃升至120℃。相应的转子温度可能从20℃升至220℃，由此转子电阻可能变化约81％。因此电机里的损耗基本上是转子和定子里损耗的结果并可能直至大约40％。更高的转子电阻R_r也使异步电机的滑差s上升。滑差s满足下式：

(2) - - - s = \frac{m \cdot {(I_{r})}^{2} \cdot R_{r}}{P_{s}}

其中m为相绕组数，I_r为转子电流，R_r为转子电阻，而P_s为从定子通过气隙传递到转子的功率。

因为滑差与转子电阻是成比例的，因此滑差同样可能变化约40％。对于较小的电机滑差可能为约10％；这意味着，在额定负载下温度升高影响到转数的继续变化为约4％。

下面的公式(3)近似的给出了由电机驱动的流体机械的输入功率(在效率恒定的条件下)：

(3) - - - \frac{P_{1}}{P_{2}} = \frac{{(n_{1})}^{3}}{{(n_{2})}^{3}} = \frac{{((1 - s_{1}) \cdot f_{1})}^{3}}{{((1 - s_{2}) \cdot f_{2})}^{3}}

其中P₁，n₁，s₁和f₁分别表示功率、转数、滑差、和频率在第一工作点上的数值而P₂，n₂，s₂和f₂则表示在第二工作点上的数值。

对于电机驱动的泵，为了平衡4％的转数下降按照公式(3)输入功率得提高((1.04)³-1)，即12.5％。因此当电机的输出功率由于温度升高而降低12.5％时，这也会明显地影响到泵的压力，因为按照图3在相对来说相互间远离的压力理论值H_理论的情况下功率-频率特性曲线(P-f特性曲线)相互间位置非常紧密。

下面根据图4详细解释按照本发明方法的第一实施例，在此避免了温度变化对压力和输送量的影响。

按照图4调节装置1包括带有比较器3、加法器4和调节元件5的调节器2。比较器3和加法器4串联在调节元件5的输入端。调节元件5包括一个具有负反馈(反向连接器)的可调放大器，负反馈确定调节元件的传输特性，使得例如作为PI元件而起作用。调节器2后接调整元件6，该元件包括控制频率的变频器，变频器自身包括用于交流电压检波的多相检波器、直流中间回路和逆整流器。检波器使交流电压，例如通常的电网电压检波成直流电压，直流电压将逆整流器变换成具有由调节器2输出信号确定的频率f的交流电压。与执行元件有关的逆整流器的输出交流电压构成泵组7的电机的工作电压U，电机驱动泵组7中的泵，使泵以给定的输送量、压力H或流量Q工作。为了在调节时不必直接通过压力或流量传感器测量输送量，泵组7中泵电机的输入功率或执行元件6的输出功率被确定作为输送量实际值的大小，即通过测量执行元件与泵组7之间的电压U和电流I。然后由这个测量值在功率计算元件8中计算功率实际值P_实际，准确地说，在已知功率系数cos的情况下有功功率为电压U与电流I的乘积。但是有功功率也可以通过在直流中间回路中测量直流电压和直流电流来确定。

功率实际值P_实际被引到比较器3的输入端并在比较器里与引到比较器3另一输入端的功率理论值P_理论进行比较，以便根据调节偏差P_w通过相应地改变执行元件6里的变频器的输出端上频率f来这样长时间的再调节泵组7输入端上的功率，直至调节偏差P_w最为近似的被抵消。当所期望的泵组7里的电机工作电压的频率f代替所需的输入功率用来作为执行元件6的控制量，以实现并保持所期望的泵压力H的时候，根据经验确定的泵组7输入功率与频率之间对于不同的压力理论值H_理论作为按照图3所示的特性曲线的参数表格被存储在存储器9里。然后从被存储的P-f表格里根据调节器2输出上产生的频率f控制信号和所期望的压力理论值H_理论，这两个数值被引到存储器9的地址，相关的功率理论值P_理论被调出并引到比较器3。但是因为与泵有关的泵组输送量由于在运行中产生电机热量并由此影响到转子和定子上其电阻的变化在同样的输入功率情况下也可能是不同的，按照本发明取决于电机温度的补偿量ΔP通过调节偏差P_w的加法器4被叠加(相加或相减)。为了确定补偿量ΔP，备有功能单元10，它在一个存储器里以根据经验建立的表格的形式包含有与电机各温度T相关的补偿量ΔP，从表格里根据确定的温度T调出相关的补偿量ΔP。温度T或者可以直接在电机上测量或者如同上面的示例一样，通过测量泵组的输入电流I并通过电流I的平方在一段时间后构成的积分而确定。通过补偿量ΔP的补偿或者可以连续进行，或者当电机达到其工作温度的时候进行。

补偿量ΔP也可以引到调节器2的其它位置，例如引到比较器3的输入端的前面。

图5画出了第二实施例的方框图，在此根据经验确定的、与泵电机输入功率数值P和补偿量以与各压力理论值H_理论有关的压力变化量ΔH的相关形式被放在存储器11里。对于各通过功率计算元件8确定的相关压力理论值H_理论和相关功率实际值P_实际，补偿量ΔH然后从存储器11调出并通过传输元件12以给定的传输功能作为与时间有关的补偿量ΔH(t)被引到在这种情况下位于存储器9前面的加法器4，加法器对对应于各压力理论值H_理论的与时间有关的补偿量ΔH(t)相加并根据以这种方法修正的压力理论值和频率f信号调出相关的被补偿的功率理论值P_理论。当泵组7里驱动泵的电机的转子和定子绕组达到其工作温度时，补偿量ΔH在这种情况下是可测量的压降。这个压降取决于驱动泵的功率。因此与各测量功率相关的压降ΔH作为ΔH-P表格根据经验被确定。如图1所示，在对于给定压力H_理论为840hPa情况下在运行大约20分钟后压降为大约60hPa。通过采用压力理论值H_理论和功率实际值P_实际作为存储器11的地址可以得到作为补偿量ΔH的数值60hPa，该数值与压力理论值H_理论相加。但是由于中间连接的传输元件12，补偿量ΔH不能立刻以其全部大小相加，而是线性增加，直到传输元件12的传输功能在达到电机工作温度所需的时间里达到传输功能拐点上的全部传输系数1。传输元件12的传输功能上升至拐点在这里这样来选择，使其对应于图1中达到电机工作温度的压力的升高ΔH/Δt，在此为斜率。

图5的方法的其它方面对应于图4的方法。

对于按照图4和5的两个实施例，当功率利用存储器9里的P-f表格来调节时，也可以根据P-n表格调节功率，在这里n是电机或泵组7的转数。

按照P-n表格的调节比按照P-f表格的调节更精确，如同在下面提供的公式(4)，(5)和(6)所给出的那样，在这些公式中下标“1”和“2”指不同的工作点。在两个工作点上，公式(4)表示两个流量Q₁和Q₂之比、公式(5)表示两个压力H₁和H₂之比、公式(6)表示两个功率P₁和P₂之比与两个转数n₁和n₂之比或两个工作频率f₁和f₂之比的关系：

(4) - - - \frac{Q_{1}}{Q_{2}} = \frac{n_{1}}{n_{2}} \approx \frac{f_{1}}{f_{2}}

(5) - - - \frac{H_{1}}{H_{2}} = {(\frac{n_{1}}{n_{2}})}^{2} \approx {(\frac{f_{1}}{f_{2}})}^{2}

(6) - - - \frac{P_{1}}{P_{2}} = {(\frac{n_{1}}{n_{2}})}^{3} \approx {(\frac{f_{1}}{f_{2}})}^{3}

可以看出，频率f只能近似的被用来作为流量、压力或输入功率的量值。由公式(3)得出，相似性只有滑差在两个工作点上是分别相等的情况下才是有效的。因此当运用调节时，其中电机转数n被测量或利用转数的近似值代替电机的频率f控制量，能够更精确地调节压力或流量，因为控制频率f由于温度变化的影响没有精确地对应于泵组的输送量(压力或流量)。当电机的滑差s以其转矩和温度(见公式(2))改变时，在已知频率f控制量的情况下可以确定足够精确的转数的近似值n_a。

图6给出了按照本发明方法的另一个实施例的方框图，其中有关的、根据经验针对各压力理论值H_理论确定的功率P和转数n的数值的表格被存储在存储器9里面。转数可以通过测速器直接在泵组7的轴上测得或者通过定子里的磁场传感器测得。但是对于图6所示的示例近似值na被间接地确定，即通过转数计算元件14按照下式计算：

(7) - - - n_{a} = \frac{60 \cdot (1 - s_{a}) \cdot f}{p}

其中p为极数而s_a为电机滑差的近似值。为了计算滑差的近似值s_a，要测量电机输入端的电压U和电流I并与频率f控制量一起引到转数计算元件14。在按照公式(1)确定取决于温度的转子电阻R_r的补偿量ΔR＝R_s，20·α·Δυ以后，由此值与铁-铜损耗一起按照公式(2)计算出滑差的近似值s_a，转数计算元件14可以由这些数值计算出转数的近似值n_a。然后通过转数近似值n_a再从根据经验确定的、存储在存储器9里面的P-n表格中调出与各压力理论值H_理论有关的功率理论值P理论。

方法在其它方面与上述实施例相同。

图7所示的方框图可以看到按照图6方法的一种变化，其中泵组的转数n直接被测量并引到存储器9。在这种情况下省去电机温度的计算或测量，输送量的调节是比较精确的。

如果用同步电机来代替异步电机来驱动泵组7时，可以省去温度补偿，因为对于同步电机不存在滑差。与此相应，可以省去转数计算元件14而频率f控制量可以直接引到存储器9。

对于所有的实施例电机或泵组7的输入端上的有功功率被用来作为调节量。当转矩M＝P/n时，也可以用转矩M来代替有功功率P。调节和补偿在两种情况下是相同的。

Claims

1.用于调整泵输送量(H；Q)的方法，泵通过一个可以改变交流电频率而运转的电机来驱动，其中电机的输入功率(P)作为输送量的实际值被测量，并通过与理论值(P_理论)进行比较来进行调节，其特征为，当电机温度(T)变化时，在调节时考虑相应的输入功率、压力或转子电阻的补偿量(ΔP；ΔH；ΔR)来调整电机的输入功率。

2.如权利要求1的方法，其特征为，输入功率的补偿量(ΔP)从被存储的根据电机工作温度与电机输入功率变化值和温度值有关的表格中调出。

3.如权利要求1的方法，其特征为，根据经验建立并被存储的表格包括泵在不同的电机输入功率(P)情况下达到电机工作温度时刻的压力变化，从表格中根据输入功率(P)的实际值(P_实际)调出压力变化值作为调节时的压力补偿量(ΔH)。

4.如权利要求1的方法，其特征为，由转子电阻的补偿量(ΔR)和频率(f)控制量计算出近似的转数实际值(n_a)，此值与压力理论值(H_理论)一起被用来从一个被存储的、根据经验建立的表格中调出与电机输入功率(P)和转数(n)有关的相关的输入功率理论值(P_理论)。