基于灰色關(guān)聯(lián)法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于灰色關(guān)聯(lián)法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測方法，包括：建立輸出功率、頻率擾動量和水壓變化量之間的數(shù)學(xué)模型及約束條件，形成供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測需要的數(shù)學(xué)模型；在穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)行頻率小信號擾動，以實際壓力變化值作為參考序列，并依據(jù)模型求出壓力變化值作為比較序列，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)算法及灰色關(guān)聯(lián)度判據(jù)在線檢測系統(tǒng)軸輸出功率，進(jìn)而求得變頻供水系統(tǒng)效率。本發(fā)明可實現(xiàn)在線輸出功率檢測，無需流量傳感器，節(jié)約系統(tǒng)安裝調(diào)試所需時間和成本，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單，系統(tǒng)成本更低。本發(fā)明可有效保護(hù)電機(jī)和變頻器低頻運(yùn)行引起的效率低下故障，提高系統(tǒng)的壽命和可靠性，為水泵電機(jī)安全、高效運(yùn)行提供可靠保證。
【專利說明】基于灰色關(guān)聯(lián)法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)電一體化測控領(lǐng)域，具體涉及一種基于灰色關(guān)聯(lián)法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測方法，尤其適用于氣壓罐變頻供水裝置水泵運(yùn)行效率檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]水泵作為一種高耗能通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活的各個領(lǐng)域，每年消耗在水泵機(jī)組上的電能占全國總電耗的21%以上，在供水企業(yè)中占生產(chǎn)成本的30%?60%。水泵以及水泵系統(tǒng)的效率哪怕僅僅提高1%，都會對我國的節(jié)能和環(huán)保帶來了巨大的利益，而水泵消耗的電能的30%?50%都是可以節(jié)約。通過采用變頻控制技術(shù)能有效地降低水泵的能耗，每年可節(jié)電282億kWh,實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。但變頻控制技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能前提是水泵始終運(yùn)行于高效率區(qū)間。然而，供水用戶的用水量在空間和時間上具有隨機(jī)性和不確定性，不能保證水泵始終運(yùn)行在高效率區(qū)間。特別是在用水低谷時間段，由于用水量很小，變頻器和水泵工作于低頻狀態(tài)。此時，電機(jī)熱損耗和低頻振動嚴(yán)重，整個變頻供水系統(tǒng)能耗急劇增大，系統(tǒng)效率低下。這種工況下不但不能實現(xiàn)節(jié)能減排，而且水泵電機(jī)因為長期低頻運(yùn)行導(dǎo)致機(jī)械振動和電機(jī)定子繞組發(fā)熱嚴(yán)重，降低系統(tǒng)的安全可靠性和使用壽命，對供水的安全可靠性和生產(chǎn)成本產(chǎn)生不利影響，更為嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因而，變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率檢測是必須解決問題。
[0003]變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率實時檢測是供水系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能減排、安全可靠供水需重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率是水泵軸輸出功率Ptjut和輸入電源功率Pin的比值。電源輸入功率Pin通過測量電源輸入電壓Vin和輸入電流iin即可得到，實現(xiàn)較為簡便。水泵軸輸出功率Ptjut則需要通過測量水壓值P (t)和用水流量q(t)得到。水壓值p(t)可由壓力傳感器(通常為水壓表)測得，而流量q(t)的測量主要由以下兩種方案測得。
[0004]一、流量傳感器方案:即通過在水泵的出水口處安裝流量傳感器，實現(xiàn)流量檢測；通常使用的流量傳感器檢測機(jī)構(gòu)主要為葉輪式，但存在以下三種情況會導(dǎo)致流量檢測精度及可靠性性能指標(biāo)不高:
[0005]①供水流速較大情況下，水質(zhì)中存在的固體雜物會撞擊葉輪，使得葉輪變形及缺損，引起整個機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量不平衡，導(dǎo)致流量檢測失效或精度及數(shù)據(jù)可靠性大大降低；②水質(zhì)受到污染呈現(xiàn)酸性或者堿性時，會嚴(yán)重腐蝕葉輪機(jī)構(gòu)，同樣導(dǎo)致整個機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量不平衡，流量檢測失效或精度及數(shù)據(jù)可靠性大大降低；③葉輪式流量檢測通過流動的液體傳動葉輪片轉(zhuǎn)動，從而帶動相關(guān)電磁機(jī)構(gòu)動作，將葉輪片的轉(zhuǎn)動信號轉(zhuǎn)化為不同頻率的電信號。在管道截面積恒定的情況下，通過采樣電信號的頻率就可以測量液體的流量。由于要考慮到機(jī)構(gòu)強(qiáng)度及加工精度和加工成本等約束情況，葉輪等轉(zhuǎn)動部件的慣量不可能很小，因而存在一個小流量測量死區(qū)范圍，所以不能檢測諸如滴水、漏水等小流量狀態(tài)。
[0006]二、專用控制器+專用水泵電機(jī)方案:即通過對專用的水泵電機(jī)進(jìn)行揚(yáng)程特性曲線的反復(fù)測試，得出水泵工作于不同流量情況下的特性曲線，并以該曲線作為系統(tǒng)檢測流量的參考值，通過檢測水泵電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行特性與基準(zhǔn)參考特性進(jìn)行相似度分析，從而得出系統(tǒng)當(dāng)前的流量值，但這種方法存在嚴(yán)重的問題就是:
[0007]⑴對控制系統(tǒng)的硬件和軟件的要求高。因為控制器要采集大量的數(shù)據(jù)并進(jìn)行信號處理和求解系統(tǒng)的特征量，并與存儲在內(nèi)存中的基準(zhǔn)特征量進(jìn)行相似度分析，因而對控制器要求高。
[0008]⑵由于系統(tǒng)在長期運(yùn)行過程中，液體介質(zhì)常數(shù)、電機(jī)參數(shù)、變頻器參數(shù)等受到環(huán)境因素影響及老化原因發(fā)生變化，引起系統(tǒng)的運(yùn)行特征量變化較大，導(dǎo)致測量的精度和可靠性差；
[0009]⑶由于供水系統(tǒng)是長時間連續(xù)運(yùn)行，因而水泵一旦出現(xiàn)故障，只能采用與控制器嚴(yán)格匹配的電機(jī)，而不能使用其他類型的水泵電機(jī)，因而導(dǎo)致系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本高，實用性及適用性差。
[0010]因而，變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率檢測方法在國內(nèi)冶金、鋼鐵、石油、化工、水處理、礦山以及居民生活用水等領(lǐng)域具有非常廣闊的市場前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的在于提出一種低成本、通用性好、結(jié)構(gòu)簡單的基于灰色關(guān)聯(lián)法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測方法。
[0012]一種基于灰色關(guān)聯(lián)法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0013](I)以采樣周期Ts為間隔對供水系統(tǒng)管網(wǎng)的水壓值、逆變電路輸出頻率和輸入功率進(jìn)行采樣，將第一次采樣值標(biāo)記為p(i)、f (I)和Pin(I);當(dāng)前采樣次數(shù)為k，令k=i ；
[0014](2)建立由M個元素構(gòu)成的水壓值數(shù)組{p(i)}、逆變電路輸出頻率數(shù)組{f(i)}，以及輸入功率數(shù)組{Pin(i)l ;其中i = {k-M+1, k-M+2,...k}，M為預(yù)先設(shè)定的大于I的正整數(shù)，k 為當(dāng)前采樣次數(shù)卬
【權(quán)利要求】
1.一種基于灰色關(guān)聯(lián)法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)以采樣周期Ts為間隔對供水系統(tǒng)管網(wǎng)的水壓值、逆變電路輸出頻率和輸入功率進(jìn)行采樣，將第一次采樣值標(biāo)記為P(1)、f (I)和Pin(I);當(dāng)前采樣次數(shù)為k，令k=i ； (2)建立由M個元素構(gòu)成的水壓值數(shù)組{p(i)}、逆變電路輸出頻率數(shù)組{f(i)}，以及輸入功率數(shù)組{Pin(i)l ;其中i = {k-M+1, k-M+2,...k}，M為預(yù)先設(shè)定的大于I的正整數(shù)，k 為當(dāng)前采樣次數(shù)；P(i) lie =。= O, f(i) |i<=。= O, Pin(i) |i< =。= O ; (3)判斷供水系統(tǒng)是否處于穩(wěn)定狀態(tài)；如果是，則進(jìn)入步驟(4);否則，轉(zhuǎn)入步驟(13)； (4)求解水壓平均值
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于灰色關(guān)聯(lián)法的變頻供水系統(tǒng)運(yùn)行效率在線檢測方法，其特征在于，所述穩(wěn)定狀態(tài)的定義為:k k 計算數(shù)組{p(i)i的標(biāo)準(zhǔn)差_4 Μ, Σ ,(i)——(f Σ p(^y以及數(shù)組{f(i)}的標(biāo)準(zhǔn)差I(lǐng) 一-S?/(/))2判斷是否同時滿足:％< %和~< ~其中口
【文檔編號】G01L3/26GK103487186SQ201310409508
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月10日
【發(fā)明者】李峰平, 彭志輝, 李沛, 付培紅, 趙軍平, 胡雪林 申請人:溫州大學(xué)