一种泵的变频调速控制方法和控制装置与流程

本发明属于泵的变频调速控制技术领域，具体涉及一种泵的变频调速控制方法和控制装置。

背景技术：

柱塞类泵在工业领域应用非常广泛，在煤炭开采行业中，采煤工作面使用的乳化液泵站和喷雾泵泵站都属于柱塞类泵。

传统柱塞类泵工作时采用工频电机直接驱动，泵体上带有压力调节阀（卸载阀），当泵的输出压力大于卸载压力时，卸载阀动作，此时泵输出的液体直接回到泵体中，泵工作在无效状态，白白浪费了电能并且增加了泵的磨损，减少了泵的使用寿命。

随着变频技术的发展，采用变频器驱动泵电机，泵工作在卸载状态时降低泵电机的输出转速，从而降低无效的电能损耗和磨损，所以变频驱动的泵在工业应用中也越来越广泛。

目前，变频驱动泵的方法是在泵的输出管路中安装压力传感器，通过传感器检测泵输出的压力，通过比较压力输出值和目标压力值，当输出压力高于目标压力时，降低变频器的输出速度从而减小泵的输出压力；当输出压力值低于目标压力值时，增大变频器的输出速度从而增加泵的压力。

这种调速方法存在以下问题：

1、需要增加压力传感器检测环节，增加了设备投入；

2、压力传感器失效时无法实现变频调速，失去了变频驱动泵的意义；

3、增加了检测环节，使变频调速的响应时间增加；

4、由于柱塞类泵的工作特性，当需求的流量增加时，输出压力会瞬时降低，而变频器的输出速度不会瞬时增加，在变频器加速时间内泵的输出压力会小于现场需求的最低值，导致液压驱动的设备，例如液压支架等动作慢，影响了工作效率。得不到现场操作人员认可，影响了变频驱动泵的应用推广。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供一种泵的变频调速控制方法和控制装置。

为达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种泵的变频调速控制方法：

确定驱动电机最小转矩tmin和目标转矩tm；

确定调速周期t；

根据所述电机转矩的实际值t与所述目标转矩tm的关系确定所述泵处于加载状态还是卸载状态；

对调速周期t内的加载状态进行计时为加载时间tj；

计算所述加载时间tj占调速周期内的百分比b，b=（tj/t）×100%；

将所述调速周期t分为n个阶段；

确定变频器的输出最大速度smax和最小速度smin，将smax和smin之间的速度分成n个，所述n个速度与所述n个阶段相对应；

将变频器的输出速度给定到最大速度smax；

经过周期t后，判断b的阶段，当b的阶段小于第2阶段时，控制变频器调节到第二速度s2；再经过周期t后，判断b的阶段，若b的阶段小于上一周期内b的阶段，控制变频器速度降一级，若b的阶段不变或b的阶段大于上一周期内b的阶段，控制变频器的输出速度不变，以此类推；

当b处于第2阶段至第n阶段时，任一阶段过程中出现转矩t≦tmin时，所述变频器的输出速度调节至最大速度smax；

其中，n≥2。

如上所述的泵的变频调速控制方法，确定驱动电机最小转矩tmin和目标转矩tm的方法为：

确定所述泵的工作压力p的范围：压力下限值pmin≤p≤压力上限值pmax；

确定所述泵卸载时的驱动电机最大转矩tmax，在电机转矩最大时对应泵的压力上限值pmax，根据公式pmax=q*tmax计算q值；

根据公式pmin=q*tmin计算所述驱动电机最小转矩tmin；

根据公式pm=q*tm计算目标压力pm下的目标转矩tm；

如上所述的泵的变频调速控制方法，所述调速周期t为用户输入的周期。

如上所述的泵的变频调速控制方法，所述n值与调节精度有关，调节精度越高，n值越大。

如上所述的泵的变频调速控制方法，所述电机转矩的实际值t＞目标转矩tm时为卸载状态，所述电机转矩的实际值t＜目标转矩tm时为加载状态。

如上所述的泵的变频调速控制方法，根据所述泵的实际特性需求确定变频输出的最大速度smax和最小速度smin。

一种泵的变频调速控制装置，包括泵、驱动电机、变频器和控制器，所述控制器按照上述的控制方法控制所述变频器的输出速度。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

1、本发明不采用压力传感器反馈，取消了传感器检测环节，节省了设备投入，提高了泵的可靠性。

2、本发明现场供液需求量小时变频器控制泵低速运行，节省了电能浪费，减少了泵的磨损，提高了泵的使用寿命，具有可观的经济效益。

3、本发明变频驱动的泵使用时最根本的目的还是能满足现场使用需求，在满足现场需求的前提下再考虑变频节能降耗的问题。本发明在保证现场使用的前提下采用分段调速方法，调速过程中本着慢减速（一步步减速），快加速（一步加速）的原则，满足了现场使用的需求；本发明在供液流量大，压力降低快时保证最低压力需求，满足现场使用需求，有利于变频驱动泵的推广。

4、本发明通过变频器自身转矩来调节变频器输出速度，参与控制的环节少，响应的时间更短，响应速度更快，进一步达到满足现场使用要求的目的。

5、本发明解决了传统控制方法的缺陷，有利于变频控制技术的推广，有利于节能减排，具有重要意义。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1为本发明具体实施例的柱塞类泵的工作压力与驱动电机转矩之间的关系图。

图2为本发明具体实施例控制方法流程图。

图3为本发明具体实施例控制装置的原理框图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明用于变频驱动的柱塞类泵的控制。该方法的最终目的是通过驱动电机的转矩控制变频器的输出转速从而控制柱塞类泵的输出流量，使流量满足应用的情况下降低变频器的速度，从而达到节能降耗，减少期间磨损，延长泵的使用寿命。

本实施例通过以下关键点实现：

1、将泵的输出压力p转换成变频器的输出转矩t，通过输出转矩t来调节变频器的输出速度，不需要压力传感器来检测p的值。

2、q值的确定：通过记录变频器的输出转矩t的最大值tmax对应泵的输出压力的最大值pmax；pmax为已知的确定数据，通过公式确定q的值。

3、驱动电机最小转矩tmin的确定：根据q值和已知的最小需求压力值pmin计算出tmin的值。

4、通过转矩的实际值t来判断泵的工作状态。

5、根据加载状态在调速周期内占用时间的百分比来分段调速。

6、变频器控制泵启动时给定到最大速度，运行根据百分比状态进行降速调节，降速时不越阶降速；百分比状态不做为增速的判断条件。

7、变频器的增速条件以t≦tmin为判断条件，任一状态下满足t≦tmin则速度调整为最大速度。

下面通过具体实施例进行说明：

如图1所示，本实施例提供了一种泵的调速控制方法：

根据柱塞类泵的特性可知，柱塞类泵工作时有一个工作压力范围，确定泵的工作压力p的范围：压力下限值pmin≤p≤压力上限值pmax。工作压力大于上限时对设备、管路有危害，低于下限时工作压力不足，不满足现场需求。

变频器控制电机的方式当前基本有矢量控制和直接转矩控制两种，无论哪种控制方式电机转矩t是变频器固有已知数值。

如图1所示，本实施例一个重要依据就是柱塞泵压力和电机转矩之间存在线性关系：p=q×t；q为系数。

确定泵卸载时的驱动电机最大转矩tmax，在电机转矩最大时对应泵的压力上限值pmax，根据公式pmax=q*tmax计算q值。

根据公式pmin=q*tmin计算驱动电机最小转矩tmin。

根据公式pm=q*tm计算目标压力pm下的目标转矩tm。

本实施例采用变频器自身转矩t来控制变频器输出速度s，调速环节精简，无需压力传感器反馈，响应速度优于带传感器反馈环节调速方式。

完成上述步骤后进入变频调速控制过程。鉴于柱塞类泵的工作特性，特别是供液需求量不稳定的应用场合，例如采煤工作面液压支架控制，泵的输出压力很难达到一个稳定值。当现场供液需求突然增加时，变频器增速不及时会出现不能满足现场使用需求的情况，因此变频器调速采用分段调速控制方式。

调速过程如下：

确定调速周期t；调速周期t为用户输入的周期，可通过现场操作人员设置合理时间。

泵在工作时加载状态和卸载状态下转矩相差十分明显，根据电机转矩的实际值t与目标转矩tm的关系确定泵处于加载状态还是卸载状态。具体的，电机转矩的实际值t＞目标转矩tm时为卸载状态，电机转矩的实际值t＜目标转矩tm时为加载状态。

对调速周期t内的加载状态进行计时为加载时间tj。

计算加载时间tj占调速周期内的百分比b，b=（tj/t）×100%。

将调速周期t（100%）分为n个阶段。第1阶段为100%～（（100%-（100/n）%），第2阶段为（（100%-（100/n）%）～（（100%-2×（100/n）%），依次类推。例如当n=4时，第一阶段为100%～75%；第2阶段为75%～50%；第3阶段为50%～25%，第四阶段为25%～0。

根据泵的实际特性需求确定变频器的输出最大速度smax和最小速度smin，将smax和smin之间的速度分成n个，n个速度与n个阶段相对应。第一阶段对应最大速度smax，第二阶段对应第二速度s2、第三阶段对应第三速度s3、依次类推，第n阶段对应最小速度smin。

为保持现有供液需求，启动泵后先将变频器的输出速度给定到最大速度smax。

经过周期t后，判断b的阶段，当b的阶段小于第2阶段时，控制变频器调节到第二速度s2，速度下调是不越阶调速，即b处于第n阶段时仍执行第二速度s2。再经过周期t后，判断b的阶段，若b的阶段小于上一周期内b的阶段，控制变频器速度降一级，若b的阶段不变或b的阶段大于上一周期内b的阶段，控制变频器的输出速度不变，以此类推。

当b处于第2阶段至第n阶段时，任一阶段过程中出现转矩t≦tmin时，所述变频器的输出速度调节至最大速度smax；

其中，n≥2，n值与调节精度有关，调节精度越高，n值越大。

具体的，如图2所示，本实施例的控制方法包括如下步骤：

s1、确定泵的工作压力p的范围：压力下限值pmin≤p≤压力上限值pmax。

s2、确定泵卸载时的驱动电机最大转矩tmax，在电机转矩最大时对应泵的压力上限值pmax，根据公式pmax=q*tmax计算q值。

s3、根据公式pmin=q*tmin计算驱动电机最小转矩tmin。

s4、根据公式pm=q*tm计算目标压力pm下的目标转矩tm。

s5、确定调速周期t。

s6、根据电机转矩的实际值t与目标转矩tm的关系确定泵处于加载状态还是卸载状态。

s7、对调速周期t内的加载状态进行计时为加载时间tj。

s8、计算加载时间tj占调速周期内的百分比b，b=（tj/t）×100%。

s9、将调速周期t（100%）分为n个阶段。

s10、根据泵的实际特性需求确定变频器的输出最大速度smax和最小速度smin，将smax和smin之间的速度分成n个，n个速度与n个阶段相对应。

s11、启动泵后先将变频器的输出速度给定到最大速度smax。

s12、经过周期t后，判断b的阶段，当b的阶段小于第2阶段时，控制变频器调节到第二速度s2。

s13、再经过周期t后，判断b的阶段是否小于上一周期内b的阶段，进入步骤s14，否则，进入步骤s15。

s14、控制变频器速度降一级，进入步骤s13。

s15、控制变频器的输出速度不变，进入步骤s13。

在步骤s12-s15过程中，当b处于第2阶段至第n阶段时，任一阶段过程中出现转矩t≦tmin时，变频器的输出速度调节至最大速度smax。

本实施例还提出了一种泵的变频调速控制装置，如图3所示，包括泵、驱动电机、变频器和控制器，控制器按照上述的控制方法控制变频器的输出速度，变频器输出通过驱动电机带动泵。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。