專利名稱：使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(zhuǎn) 速下的節(jié)電控制器。
背景技術(shù)：
水泵系統(tǒng)通過變頻調(diào)速技術(shù)，可以大幅度節(jié)省電能，近幾年來得到了非常廣泛的 應(yīng)用。水泵系統(tǒng)變頻調(diào)速技術(shù)的基本程式是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，它根據(jù)水溫、水溫差、壓 力、壓力差、液位等參數(shù)的變化，自動調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，進(jìn)而改變水泵電機的轉(zhuǎn)速。由 于水泵系統(tǒng)設(shè)計時留有一定的功率余量，或者說具有一定的楊程余量或流量余量，引入變 頻調(diào)速技術(shù)后，水泵電機的轉(zhuǎn)速必然會有一定幅度的下降。根據(jù)流體力學(xué)原理，水泵軸功率 與轉(zhuǎn)速的3次方成正比，所以節(jié)電效果非常突出。但這種閉環(huán)控制方法也存在明顯的缺點，這就是它在降低了水泵的轉(zhuǎn)速后，它的 工作點嚴(yán)重偏離了水泵、電機、變頻器的最大效率區(qū)間，系統(tǒng)的綜合效率大幅度下降。由于 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(zhuǎn)速有關(guān)，見圖1A-1D，一般 的閉環(huán)控制方法只是將電機轉(zhuǎn)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(guān)系，因此，無法保證整個系統(tǒng)工作在效 率最佳狀態(tài)，所以仍然存在很大的電能浪費和節(jié)能空間?，F(xiàn)有這種采用普通閉環(huán)控制方式 的變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，盡管有顯著的節(jié)電效果，但用戶獲得的節(jié)電效益扣除大額的經(jīng)費投 入后所剩無幾。這就造成很多用戶的水泵系統(tǒng)不愿意采用變頻節(jié)電技術(shù)。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(huán)節(jié)對節(jié)電效 果影響，如何進(jìn)一步提高節(jié)電率，到底用什么樣的控制策略，能夠最大限度地節(jié)約電能，一 直是水泵系統(tǒng)節(jié)能研究中一個重要問題。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器，以最大 限度節(jié)約能源。為了達(dá)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(zhuǎn)速下的節(jié) 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，其用于計量所述管 道中的水流量；用于向所述變頻器發(fā)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；用于測試與所述水泵相連的循環(huán)系統(tǒng)的出水和回水溫度或儲水系統(tǒng)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 于采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(shù)據(jù)的采集單元；用于根據(jù)所述采集單元所采集的不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下水流量和電功率比值的最大值，以建立水泵 轉(zhuǎn)速與水流量和電功率的最大比值的對應(yīng)數(shù)據(jù)的計算單元，同時其還用于計算出水和回水 溫度之差；輸入單元，用于提供一輸入界面以使用戶輸入當(dāng)前流量需求信息，并當(dāng)用戶輸入當(dāng)前流量需求信息后，使所述控制單元根據(jù)所述當(dāng)前流量需求及所述計算單元計算出的水 泵轉(zhuǎn)速與水流量和電功率的最大比值的對應(yīng)數(shù)據(jù)，確定所述水泵當(dāng)前需運行的轉(zhuǎn)速，并根 據(jù)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(jìn)一步確定所述水泵當(dāng) 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(dāng)前需運行的轉(zhuǎn)速和所述水 泵當(dāng)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；以及用于提供停機指令輸入按鈕以供用戶輸入停機指令，并根據(jù)所述停機指令 使所述控制單元發(fā)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；所述溫度傳感器可采用鉬熱電阻傳感器； 所述水位傳感器可采用超聲波物位計或雷達(dá)物位計。優(yōu)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(zhuǎn)換電路完 成；所述采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(zhuǎn)換電路。綜上所述，本實用新型的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器通過綜合效率測 試單元測試出在不同轉(zhuǎn)速下的能源消耗最小值，據(jù)此控制水泵的轉(zhuǎn)速，由此實現(xiàn)能源的節(jié) 約。
圖IA至ID分別為現(xiàn)有水泵轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速、變頻器的效率曲線及管道阻力損失與 流量的關(guān)系示意圖。圖2為本實用新型的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器的具體電路架構(gòu)示 意圖。圖4為本實用新型的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器的計算單元計算出 的綜合效率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系示意圖。圖5為本實用新型的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)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(zhuǎn)速下的節(jié)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、采集單元、計算單元、輸入單元、 以及停機檢測單元等。所述變頻器用于改變水泵電機的轉(zhuǎn)速，其結(jié)構(gòu)及工作原理已為本領(lǐng)域技術(shù)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，用于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，采用型號為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于測試與所述水泵相連的循環(huán)系統(tǒng)的出水和回 水溫度或儲水系統(tǒng)的液位。通常，對于水塔、蓄水池一類的儲水系統(tǒng)，采用水位傳感器，例如 可采用US-500系列超聲波物位計或LD系列雷達(dá)物位計等。而對于供熱、冷卻一類的連續(xù) 性水循環(huán)系統(tǒng)，采用溫度傳感器檢測出水溫度和回水溫度，例如可采用PT100型鉬熱電阻 傳感器來檢測出水溫度和回水溫度。[0023]所述采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，用于采集 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。所述采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(zhuǎn)換電路。至于采集流量計的流量 信息以及變頻器的運行電壓和電流的方式，后續(xù)予以說明。所述計算單元用于 根據(jù)所述采集單元所采集的不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下水流量和電功率比值的最大值，以建立水泵轉(zhuǎn)速與 水流量和電功率最大比值的對應(yīng)數(shù)據(jù)。此外，計算單元還負(fù)責(zé)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(zhuǎn)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 看成采集單元的組成部分)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 (其也可被看成采集單元的組成部分)接入計算單元。所述輸入單元用于提供一輸入界面以使用戶輸入當(dāng)前流量需求信息。當(dāng)然，所述 輸入界面也可包含其它參數(shù)輸入欄，以滿足不同用戶的需求。所述控制單元用于向所述變頻器發(fā)出各種控制指令，以使所述變頻器控制所述水 泵的運行。所述控制單元用于根據(jù)所述輸入單元提供的當(dāng)前流量需求、及所述計算單元提 供的水泵轉(zhuǎn)速與水流量和電功率的最大比值的對應(yīng)數(shù)據(jù)，確定所述水泵當(dāng)前需運行的轉(zhuǎn) 速，并根據(jù)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(jìn)一步確定所 述水泵當(dāng)前間歇性運行的運行和停止時間，以便根據(jù)所述水泵當(dāng)前需運行的轉(zhuǎn)速和所述水 泵當(dāng)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，對于水塔、蓄水池一類的儲水系統(tǒng)，當(dāng)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，并按照最高綜合效率的轉(zhuǎn)速運行；而當(dāng)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。而對于供熱、 冷卻一類的連續(xù)性水循環(huán)系統(tǒng)，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(dāng)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(dāng)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(jù)用戶在前述輸入界面中輸入的要求來確定，若要求溫度穩(wěn)定 度越高，則需要停機、運行周期越短。所述停機檢測單元用于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(jù)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(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器工作流程可如下第一步，系統(tǒng)開始運行，其可向用戶提供基本的運行數(shù)據(jù)(提供的方式可以是顯 示屏顯示的方式等)，用戶也可進(jìn)一步查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，也可設(shè)置、修改相關(guān)參數(shù)等。第二步，系統(tǒng)判斷是否進(jìn)行系統(tǒng)效率測試的步驟，例如，可根據(jù)用戶輸入的指令來 判斷即如果用戶輸入指令要求對系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)效率測試，則進(jìn)入系統(tǒng)效率測試過程，否 貝1J，系統(tǒng)進(jìn)入判斷水泵是否需要運行的過程。其中，系統(tǒng)效率測試過程為由控制單元發(fā)出指令，使變頻器控制水泵由高到低按順序在不同的轉(zhuǎn)速下運行， 同時所述采集單元采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(tǒng)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。然后將運行頻率減1，再次測出該頻率點的系統(tǒng)的綜合效率。如此反復(fù)進(jìn)行“運行頻 率減1，再次測出該頻率點的系統(tǒng)的綜合效率”步驟，直到運行頻率低于系統(tǒng)設(shè)置的最低頻 率時，系統(tǒng)效率測試過程才結(jié)束，這時已經(jīng)測試出水泵系統(tǒng)在不同運行頻率下的綜合效率， 再將各綜合效率與相應(yīng)的水泵轉(zhuǎn)速相互對應(yīng)，形成一組對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)保存起來， 作為控制水泵運行的依據(jù)。本實施例測出的綜合效率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系示意圖如圖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(shù)據(jù)就可 以長期使用。第三步，判斷是否運行步驟同樣根據(jù)用戶輸入的指令來判斷，即如果用戶在輸入 界面輸入當(dāng)前的流量需求信息，系統(tǒng)即進(jìn)入水泵運行步驟；否則，系統(tǒng)返回到讀取數(shù)據(jù)、顯 示數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)的步驟。水泵運行步驟由所述控制單元根據(jù)用戶輸入的當(dāng)前的流量需求信息和計算單元 所提供的水泵轉(zhuǎn)速與水流量和電功率的最大比值的對應(yīng)數(shù)據(jù)來所確定的水泵當(dāng)前需運行 的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)所述溫度傳感器或水位傳感器提供的信息進(jìn)一步確定所述水泵當(dāng)前間歇性 運行的運行和停止時間。控制單元再根據(jù)所述水泵當(dāng)前需運行的轉(zhuǎn)速和所述水泵當(dāng)前間歇 性運行的運行和停止時間對變頻器進(jìn)行控制，使所述變頻器能正確控制所述水泵的運行。 例如，對于水塔、蓄水池一類的儲水系統(tǒng)，當(dāng)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，并按照最高綜合效率的轉(zhuǎn)速運行；而當(dāng)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。而對于供熱、冷卻一類 的連續(xù)性水循環(huán)系統(tǒng)，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(dāng)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(dāng)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(jù)用戶在前述輸入界面中輸入的要求來確定，若要求溫度穩(wěn)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(fā)出停機指令，如果 沒有發(fā)出停機指令，則保持水泵繼續(xù)運行；否則進(jìn)入軟停車步驟即所述控制單元發(fā)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(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器的控制下，水 泵有4種狀態(tài)(如圖5所示)①停機狀態(tài)、②啟動階段、③運行狀態(tài)、④軟停車階段，在所 有運行狀態(tài)，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(yīng)的 供電頻率)。綜上所述，本實用新型的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器通過采集單元、 計算單元測試出綜合效率與轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系，從而使變頻器能提供相應(yīng)的供電頻率， 進(jìn)而使水泵在在所有運行狀態(tài)，態(tài)都工作在綜合效率最大值附近，能最大限度地節(jié)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，而非用于限制本實用新型。 任何熟悉此項技術(shù)的人員均可在不違背本實用新型的精神及范圍下，對上述實施例進(jìn)行修改。因此，本實用新型的權(quán)利保護范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求一種使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器，其特征在于包括變頻器；安裝在與所述水泵相連接的管道上的流量計，用于計量所述管道中的水流量；控制單元，用于向所述變頻器發(fā)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，用于測試與所述水泵相連的循環(huán)系統(tǒng)的出水和回水溫度或儲水系統(tǒng)的液位；采集單元，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，與采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，用于提供停機指令輸入按鈕以供用戶輸入停機指令，并根據(jù)所述停機指令使所述控制單元發(fā)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(quán)利要求1所述的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器，其特征在于所述流 量計為超聲波流量計。
3.如權(quán)利要求1所述的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器，其特征在于所述控 制單元和計算單元的功能由CPU和輸出電壓電流轉(zhuǎn)換電路完成。
4.如權(quán)利要求1所述的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器，其特征在于所述溫 度傳感器采用鉬熱電阻傳感器。
5.如權(quán)利要求1所述的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器，其特征在于所述水 位傳感器采用超聲波物位計或雷達(dá)物位計。
6.如權(quán)利要求1所述的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)電控制器，其特征在于所述采 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(zhuǎn)換電路。
專利摘要本實用新型提供的使水泵運行在最佳轉(zhuǎn)速下的節(jié)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、采集單元、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(zhuǎn)速下運行，并由采集單元采集流量計所測出的水泵在不同的轉(zhuǎn)速下的水流量和所述水泵在不同的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下水流量和電功率比值的最大值，以建立水泵轉(zhuǎn)速和最大比值的對應(yīng)數(shù)據(jù)，再根據(jù)所述對應(yīng)數(shù)據(jù)控制水泵的運行，從而可使水泵能以電能最省的最佳轉(zhuǎn)速運行，實現(xiàn)能源的節(jié)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(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者李麗霞 申請人:上海樂普能源科技發(fā)展有限公司