离心泵与永磁电机工况监测反馈装置及其调控方法与流程

文档序号:15579210发布日期:2018-09-29 06:26

本发明属于机械技术领域,涉及一种泵与电机的配合作用,特别是一种离心泵与永磁电机工况监测反馈装置及其调控方法。



背景技术:

在工业现场,离心泵都是安装在特定的管路系统中输送各种介质,实际工作流量和扬程不仅与离心泵特性有关,而且与管路的特性密切相关。通常希望离心泵稳态工作点处在效率最高点,但在实际使用时,用户为了满足生产需求,常采用节流调节方式改变运行工况点,由此离心泵工作在远离额定工况点的工况中,使得效率下降很多,造成了极大的能源浪费,同时这种手工调节方式很难准确调节流量和扬程,费时又费力。

为了保证生产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。例如离心泵在小流量工况下,其需要的扭矩较小,或对转速的要求较低,电机不能在满负荷下运行,此时,电机和泵都长时间处在高扭矩或高转速的工作条件下,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成效率的降低和电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量,其输入功率大,且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。随着离心泵的工作环境越发多样,工况变化的不可控因素逐渐增多,使离心泵与电机共同维持在高效率工作状态不仅是节能减排的需要,也是市场对节约成本的必然走向。



技术实现要素:

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题,提出了一种通过接收各个传感器的信号,来监测和判断离心泵和永磁电机所处的工作状态,对应调节转速以达到离心泵高效率工作状态的离心泵与永磁电机工况监测反馈装置及其调控方法。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现:离心泵与永磁电机工况监测反馈装置,包括离心泵、永磁电机和控制器,所述离心泵包括泵壳,所述泵壳内具有泵腔,所述泵腔中设置叶轮,所述叶轮的中心固穿泵体轴,所述泵体轴的传动端伸出所述泵壳,所述泵壳上开设进水口和出水口,所述进水口上呈密封连接涡轮流量计,所述进水口通过管路连接进水压力表,所述出水口通过管路连接出水压力表,所述涡轮流量计的信号输出端、进水压力表及出水压力表的信号输出端均通过电线连接所述控制器;所述永磁电机包括电机壳,所述电机壳内设置定子和转子,所述转子的中心固穿有电机轴,所述电机轴的驱动端伸出所述电机壳,所述永磁电机通过电线连接有电表和转速仪,所述电表的信号输出端和转速仪的信号输出端均通过电线连接所述控制器;所述电机轴的驱动端与泵体轴的传动端之间设置扭矩传感器,所述电机轴通过联轴器与所述扭矩传感器连接,所述泵体轴通过联轴器与所述扭矩传感器连接,所述扭矩传感器的信号输出端通过电线连接所述控制器,所述控制器通过变频器电控连接所述永磁电机。

本离心泵与永磁电机工况监测反馈装置中,永磁电机作为动力源,永磁电机以永磁体代替电励磁绕组作为磁势源,它对外提供的磁通和磁势随着外磁路磁导和电枢反应磁场的变化而自动变化,无法直接调节永磁铁磁势的大小。永磁电机起动时,由于其转子惯性较大,使得电机无法获得足够的起动扭矩。永磁电机以某一频率旋转时,负载的变化只是改变了定子磁场轴线与转子磁极轴线的夹角,此时电机仍保持同步转速旋转,当定子磁场轴线与转子磁极轴线的夹角增大并超过最大负载角,此时电机定子磁场与转子永磁体间的磁力将无法维持负载平衡,使得转子脱离同步转速发生失步。引入控制器对电机变频调速可以有效解决永磁电机异步起动和失步振荡。

离心泵作为载体,离心泵的理想情况是工作在效率最高点,但在实际使用过程中,用户为了满足生产需求,常常会改变离心泵的运行工况点,使离心泵的效率下降很多,造成能源的浪费。

控制系统包括控制器、变频器、触摸屏和报警器。所述控制器自带PID调节器功能,使用指令向导即可完成PID编程,通过编程软件的PID调节控制面板在线调试功能可以整定出合适的PID参数,从而获得良好的闭环调节效果,使用非常方便。

联轴器需要具有较高的敏感性和平衡性,以便于扭矩传感器捕捉扭矩的变化,同时,由于装置的一体化,所以轴向偏差和径向偏差会较小,对联轴器的负荷也较小。梅花联轴器具有较大的轴向、径向和角向补偿能力,结构简单,径向尺寸小,重量轻,转动惯量小,适用于中高速场合。因此,选用很好平衡性能和适用于高转速应用的梅花联轴器。

涡轮流量计、压力表、电表、转速仪及扭矩传感器的使用方式均为现有技术。永磁电机与电表、转速仪的电路连接方式均为现有电路结构,并且采用现有技术中的使用功能。涡轮流量计、压力表、电表、转速仪及扭矩传感器与控制器的连接方式、信号传递功能均为现有技术。控制器通过变频器电控永磁电机的电路结构及电控应用均为现有技术。

在上述的离心泵与永磁电机工况监测反馈装置中,所述控制器还通过电线连接触摸屏和报警器。控制器与触摸屏和报警器的电路连接方式均为现有技术,其信号交互调控也属于现有技术。通过触摸屏显示各项工况点参数,绘制成离心泵特性曲线,并进一步进行人工调控操作。触摸屏实现人机交互,实时显示永磁电机的输入、输出功率、效率,离心泵的消耗功率和效率,整个装置的总效率等状态信息,监控人员还可以通过触摸屏设置各种参数,对工作状态进行修改,并进行启动、停止等操作。通过报警器,在装置出现不能自动调节修复时,触发报警。

在上述的离心泵与永磁电机工况监测反馈装置中,所述涡轮流量计与泵壳的进水口之间通过法兰连接,所述法兰的周圈上均匀开通多组安装孔,所述安装孔内通过螺栓形成固装。

在上述的离心泵与永磁电机工况监测反馈装置中,所述电机壳上设置接线盒,所述变频器通过若干电线对应连接所述接线盒中的若干电控信号端。

在上述的离心泵与永磁电机工况监测反馈装置中,所述转子与电机轴之间卡设固定键,所述转子的内壁上设置卡位槽,所述电机轴的外壁上凹设键槽,所述固定键的一部分嵌入键槽内,另一部分嵌入卡位槽内形成固定连接。转子与电机轴通过键槽结构形成可靠的固连,以确保一并同步转动。

在上述的离心泵与永磁电机工况监测反馈装置中,所述电机轴的两端套接有轴承,所述轴承通过支撑架与所述电机壳形成固定安装,所述轴承的端面上贴设V型密封圈。通过轴承的转动支撑,使电机轴将转向动力传输出去。通过V型密封圈有效实现轴承端部的密封作用。

离心泵与永磁电机工况监测反馈装置的调控方法,包括以下步骤:

1)、永磁电机起动时,其变频器输出较低频率的电压形成旋转缓慢的定子磁场,随着负载角的增大,电磁扭矩也相应增大并克服转子惯性使其旋转,其转速随着变频器频率的升高而逐渐升高至某一转速,完成起动过程;

2)、通过永磁电机起动,同步驱动电机轴运转,通过联轴器同步带动泵体轴转动,实现离心泵的启动运行;

3)、离心泵运行过程中,其输送流体的流量和流体的组分随时发生变化,对应所需要的扭矩随时进行改变;

4)、以设定的单位转速为间隔(单位转速设定为50转),驱动离心泵进行不同的转速运行,将不同转速情况下的各项工况点的参数值检测出来,绘制成离心泵特性曲线,通过电信号上传到控制器的终端数据库中,通过监测计算设定出泵流量正常区间值、泵扬程正常区间值、泵最高效率值及其波动范围百分率;

本实施例中设定泵最高效率波动范围百分率为5%,此数据可进行实际应用调整,例如具体可以通过调节泵的安装高度进行设定。

5)、通过涡轮流量计监测离心泵的泵流量实时值,通过进水压力表、出水压力表分别监测离心泵进水压力值、出水压力值,通过进水压力值和出水压力值计算出泵扬程实时值(计算方法属于现有技术中的计算方式),通过电表监测永磁电机的电压实时值和电流实时值,利用电压实时值和电流实时值计算出电机输入功率实时值,通过扭矩传感器监测永磁电机的电机扭矩实时值,通过转速仪监测永磁电机的电机转速实时值,利用电机扭矩实时值和电机转速实时值计算出电机输出功率实时值,通过电机输入功率实时值和电机输出功率实时值计算出电机效率实时值(计算方法属于现有技术中的计算方式),

a、当泵流量实时值低于泵流量正常区间值或泵扬程实时值低于泵扬程正常区间值时,控制器对单片机控制单元输出正反馈信号,以通过变频器调节永磁电机的转速增加,同步增大离心泵转速而增加流量和扬程;

b、当泵流量实时值高于泵流量正常区间值或泵扬程实时值高于泵扬程正常区间值时,控制器对单片机控制单元输出负反馈信号,以通过变频器调节永磁电机的转速减小,同步减小离心泵转速而减小流量和扬程;

离心泵需要有一个稳定的流量与扬程,具体当输送介质组分变化时,流量与扬程会有变化,所以需要进行调节。由离心泵的相似定律,流量与转速成正比,扬程与转速的二次方成正比,因而调节转速即可调节流量与扬程。而且在转速改变时泵的效率变化不大,这样在调节转速的同时可以使泵始终保持较高的运行效率。另外变相实现了永磁电机功率的调节,达到节能的作用,比如说有的时候流量扬程偏大,调节转速变小,则永磁电机输出功率也相应减少。

c、当泵流量实时值位于泵流量正常区间值内或泵扬程实时值位于泵扬程正常区间值内时,控制器对单片机控制单元输出负反馈信号,以通过变频器调节永磁电机的转速减小,直至永磁电机的电机输出功率实时值达到最小的适用输出功率,以节省能源。

最小的适用输出功率指泵正常工况下流量与杨程的下限边界值,再调小转速就超出了流量的下限,即低于最小的适用输出功率即无法保障泵正常工作,该最小转速对应的功率就是最小的适用输出功率。

在变频调速中对转速和转矩实行闭环控制,可随时调节同步转速,避免永磁电机出现失步现象;同时能针对不同的工作条件调整到合适的转速和转矩,减少了有功功率的消耗,节约能源,提高永磁电机的效率。

在上述的调控方法中,通过扬程和质量流量及重力加速度的乘积计算出单位时间内从泵中输出液体获得的有效功率,当离心泵的泵实时有效效率值超出了泵最高效率值的波动范围百分率,属于不可调控的危险状态,则控制器对单片机控制单元输出停车信号,以通过变频器调控永磁电机停机,同步控制报警器发出警报。

离心泵的效率是泵的输出功率与输入功率的比值,即扬程是泵输出的单位重量液体从泵中获得的有效能量,上述泵有效功率的计算公式为Pe=HQmg=ρgQH(W)。

首先要保证离心泵工作在泵最高效率值附近,本实施例中波动范围百分率为5%,即离心泵的泵实时效率值在泵最高效率值±5%内。危险状态下光改变转速无法进行调节,需要停机检查,由工人进行调整并采取必要措施。发生这种情况原因比较多,可能离心泵的安装高度发生了变化,离心泵的部分零部件出现了损坏等等。

在上述的调控方法中,将电机输入功率实时值和电机输出功率实时值传输至触摸屏,通过触摸屏将电机输出功率实时值与电机额定功率进行直观比较,以判断每时刻永磁电机的节能状态。

在上述的调控方法中,永磁电机启动,其定子通入三相交流电时,三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降,由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场,通过切割定子绕组产生感应电动势,进而以电磁力拖动转子以同步转速旋转。

与现有技术相比,本离心泵与永磁电机工况监测反馈装置及其调控方法具有以下优点:

通过监测泵与电机的各个工况点参数,得出泵和电机所处的工作状态、工作效率和总的工作效率,通过变频器对转速进行调节,使装置适用于不同工况的同时,保证装置始终工作在最高效率点附近,当装置发生不可调节故障时,进行停机报警。采用变频调速技术这种行之有效的控制方法,只要控制电机或泵的转速即可控制泵的流量,且调速范围广、调速精度高,不但可以使泵处在较高的效率点,减少能源损耗,还可以搭建自动化监测反馈控制装置。

附图说明

图1是本离心泵与永磁电机工况监测反馈装置的结构示意图。

图2是本发明的控制流程框图。

图中,1、涡轮流量计;2、泵壳;3、叶轮;4、泵体轴;5、进水压力表;6、出水压力表;7、扭矩传感器;8、电机壳;9、电机轴;10、电表;11、转速仪;12、变频器;13、控制器;14、触摸屏;15、报警器。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图,对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示,本离心泵与永磁电机工况监测反馈装置,包括离心泵、永磁电机和控制器13,离心泵包括泵壳2,泵壳2内具有泵腔,泵腔中设置叶轮3,叶轮3的中心固穿泵体轴4,泵体轴4的传动端伸出泵壳2,泵壳2上开设进水口和出水口,进水口上呈密封连接涡轮流量计1,进水口通过管路连接进水压力表5,出水口通过管路连接出水压力表6,涡轮流量计1的信号输出端、进水压力表5及出水压力表6的信号输出端均通过电线连接控制器13;永磁电机包括电机壳8,电机壳8内设置定子和转子,转子的中心固穿有电机轴9,电机轴9的驱动端伸出电机壳8,永磁电机通过电线连接有电表10和转速仪11,电表10的信号输出端和转速仪11的信号输出端均通过电线连接控制器13;电机轴9的驱动端与泵体轴4的传动端之间设置扭矩传感器7,电机轴9通过联轴器与扭矩传感器7连接,泵体轴4通过联轴器与扭矩传感器7连接,扭矩传感器7的信号输出端通过电线连接控制器13,控制器13通过变频器12电控连接永磁电机。

本离心泵与永磁电机工况监测反馈装置中,永磁电机作为动力源,永磁电机以永磁体代替电励磁绕组作为磁势源,它对外提供的磁通和磁势随着外磁路磁导和电枢反应磁场的变化而自动变化,无法直接调节永磁铁磁势的大小。永磁电机起动时,由于其转子惯性较大,使得电机无法获得足够的起动扭矩。永磁电机以某一频率旋转时,负载的变化只是改变了定子磁场轴线与转子磁极轴线的夹角,此时电机仍保持同步转速旋转,当定子磁场轴线与转子磁极轴线的夹角增大并超过最大负载角,此时电机定子磁场与转子永磁体间的磁力将无法维持负载平衡,使得转子脱离同步转速发生失步。引入控制器13对电机变频调速可以有效解决永磁电机异步起动和失步振荡。

离心泵作为载体,离心泵的理想情况是工作在效率最高点,但在实际使用过程中,用户为了满足生产需求,常常会改变离心泵的运行工况点,使离心泵的效率下降很多,造成能源的浪费。

控制系统包括控制器13、变频器12、触摸屏14和报警器15。控制器13自带PID调节器功能,使用指令向导即可完成PID编程,通过编程软件的PID调节控制面板在线调试功能可以整定出合适的PID参数,从而获得良好的闭环调节效果,使用非常方便。

联轴器需要具有较高的敏感性和平衡性,以便于扭矩传感器7捕捉扭矩的变化,同时,由于装置的一体化,所以轴向偏差和径向偏差会较小,对联轴器的负荷也较小。梅花联轴器具有较大的轴向、径向和角向补偿能力,结构简单,径向尺寸小,重量轻,转动惯量小,适用于中高速场合。因此,选用很好平衡性能和适用于高转速应用的梅花联轴器。

涡轮流量计1、压力表、电表10、转速仪11及扭矩传感器7的使用方式均为现有技术。永磁电机与电表10、转速仪11的电路连接方式均为现有电路结构,并且采用现有技术中的使用功能。涡轮流量计1、压力表、电表10、转速仪11及扭矩传感器7与控制器13的连接方式、信号传递功能均为现有技术。控制器13通过变频器12电控永磁电机的电路结构及电控应用均为现有技术。

控制器13还通过电线连接触摸屏14和报警器15。控制器13与触摸屏14和报警器15的电路连接方式均为现有技术,其信号交互调控也属于现有技术。通过触摸屏14显示各项工况点参数,绘制成离心泵特性曲线,并进一步进行人工调控操作。触摸屏14实现人机交互,实时显示永磁电机的输入、输出功率、效率,离心泵的消耗功率和效率,整个装置的总效率等状态信息,监控人员还可以通过触摸屏14设置各种参数,对工作状态进行修改,并进行启动、停止等操作。通过报警器15,在装置出现不能自动调节修复时,触发报警。

涡轮流量计1与泵壳2的进水口之间通过法兰连接,法兰的周圈上均匀开通多组安装孔,安装孔内通过螺栓形成固装。

电机壳8上设置接线盒,变频器12通过若干电线对应连接接线盒中的若干电控信号端。

转子与电机轴9之间卡设固定键,转子的内壁上设置卡位槽,电机轴9的外壁上凹设键槽,固定键的一部分嵌入键槽内,另一部分嵌入卡位槽内形成固定连接。转子与电机轴9通过键槽结构形成可靠的固连,以确保一并同步转动。

电机轴9的两端套接有轴承,轴承通过支撑架与电机壳8形成固定安装,轴承的端面上贴设V型密封圈。通过轴承的转动支撑,使电机轴9将转向动力传输出去。通过V型密封圈有效实现轴承端部的密封作用。

如图2所示,本离心泵与永磁电机工况监测反馈装置的调控方法,包括以下步骤:

1)、永磁电机起动时,其变频器输出较低频率的电压形成旋转缓慢的定子磁场,随着负载角的增大,电磁扭矩也相应增大并克服转子惯性使其旋转,其转速随着变频器频率的升高而逐渐升高至某一转速,完成起动过程;

2)、通过永磁电机起动,同步驱动电机轴9运转,通过联轴器同步带动泵体轴4转动,实现离心泵的启动运行;

3)、离心泵运行过程中,其输送流体的流量和流体的组分随时发生变化,对应所需要的扭矩随时进行改变;

4)、以设定的单位转速为间隔(单位转速设定为50转),驱动离心泵进行不同的转速运行,将不同转速情况下的各项工况点的参数值检测出来,绘制成离心泵特性曲线,通过电信号上传到控制器13的终端数据库中,通过监测计算设定出泵流量正常区间值、泵扬程正常区间值、泵最高效率值及其波动范围百分率;

本实施例中设定泵最高效率波动范围百分率为5%,此数据可进行实际应用调整,例如具体可以通过调节泵的安装高度进行设定。

5)、通过涡轮流量计1监测离心泵的泵流量实时值,通过进水压力表5、出水压力表6分别监测离心泵进水压力值、出水压力值,通过进水压力值和出水压力值计算出泵扬程实时值(计算方法属于现有技术中的计算方式),通过电表10监测永磁电机的电压实时值和电流实时值,利用电压实时值和电流实时值计算出电机输入功率实时值,通过扭矩传感器7监测永磁电机的电机扭矩实时值,通过转速仪11监测永磁电机的电机转速实时值,利用电机扭矩实时值和电机转速实时值计算出电机输出功率实时值,通过电机输入功率实时值和电机输出功率实时值计算出电机效率实时值(计算方法属于现有技术中的计算方式),

a、当泵流量实时值低于泵流量正常区间值或泵扬程实时值低于泵扬程正常区间值时,控制器13对单片机控制单元输出正反馈信号,以通过变频器调节永磁电机的转速增加,同步增大离心泵转速而增加流量和扬程;

b、当泵流量实时值高于泵流量正常区间值或泵扬程实时值高于泵扬程正常区间值时,控制器13对单片机控制单元输出负反馈信号,以通过变频器调节永磁电机的转速减小,同步减小离心泵转速而减小流量和扬程;

离心泵需要有一个稳定的流量与扬程,具体当输送介质组分变化时,流量与扬程会有变化,所以需要进行调节。由离心泵的相似定律,流量与转速成正比,扬程与转速的二次方成正比,因而调节转速即可调节流量与扬程。而且在转速改变时泵的效率变化不大,这样在调节转速的同时可以使泵始终保持较高的运行效率。另外变相实现了永磁电机功率的调节,达到节能的作用,比如说有的时候流量扬程偏大,调节转速变小,则永磁电机输出功率也相应减少。

c、当泵流量实时值位于泵流量正常区间值内或泵扬程实时值位于泵扬程正常区间值内时,控制器13对单片机控制单元输出负反馈信号,以通过变频器12调节永磁电机的转速减小,直至永磁电机的电机输出功率实时值达到最小的适用输出功率,以节省能源。

最小的适用输出功率指泵正常工况下流量与杨程的下限边界值,再调小转速就超出了流量的下限,即低于最小的适用输出功率即无法保障泵正常工作,该最小转速对应的功率就是最小的适用输出功率。

在变频调速中对转速和转矩实行闭环控制,可随时调节同步转速,避免永磁电机出现失步现象;同时能针对不同的工作条件调整到合适的转速和转矩,减少了有功功率的消耗,节约能源,提高永磁电机的效率。

通过扬程和质量流量及重力加速度的乘积计算出单位时间内从泵中输出液体获得的有效功率,当离心泵的泵实时有效效率值超出了泵最高效率值的波动范围百分率,属于不可调控的危险状态,则控制器13对单片机控制单元输出停车信号,以通过变频器调控永磁电机停机,同步控制报警器15发出警报。

离心泵的效率是泵的输出功率与输入功率的比值,即扬程是泵输出的单位重量液体从泵中获得的有效能量,上述泵有效功率的计算公式为Pe=HQmg=ρgQH(W)。

首先要保证离心泵工作在泵最高效率值附近,本实施例中波动范围百分率为5%,即离心泵的泵实时效率值在泵最高效率值±5%内。危险状态下光改变转速无法进行调节,需要停机检查,由工人进行调整并采取必要措施。发生这种情况原因比较多,可能离心泵的安装高度发生了变化,离心泵的部分零部件出现了损坏等等。

将电机输入功率实时值和电机输出功率实时值传输至触摸屏14,通过触摸屏14将电机输出功率实时值与电机额定功率进行直观比较,以判断每时刻永磁电机的节能状态。

永磁电机启动,其定子通入三相交流电时,三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降,由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场,通过切割定子绕组产生感应电动势,进而以电磁力拖动转子以同步转速旋转。

本离心泵与永磁电机工况监测反馈装置及其调控方法具有以下优点:

通过监测泵与电机的各个工况点参数,得出泵和电机所处的工作状态、工作效率和总的工作效率,通过变频器12对转速进行调节,使装置适用于不同工况的同时,保证装置始终工作在最高效率点附近,当装置发生不可调节故障时,进行停机报警。采用变频调速技术这种行之有效的控制方法,只要控制电机或泵的转速即可控制泵的流量,且调速范围广、调速精度高,不但可以使泵处在较高的效率点,减少能源损耗,还可以搭建自动化监测反馈控制装置。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了涡轮流量计1;泵壳2;叶轮3;泵体轴4;进水压力表5;出水压力表6;扭矩传感器7;电机壳8;电机轴9;电表10;转速仪11;变频器12;控制器13;触摸屏14;报警器15等术语,但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质;把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

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