恒压深井泵系统及其控制系统和控制方法与流程

1.本发明涉及深井泵技术领域，具体涉及一种恒压深井泵系统及其控制系统和控制方法。


背景技术：

2.深井泵是用于将地下水抽吸或输送至地表的一种泵，其被广泛应用于农田排灌、工矿企业排水等领域。
3.目前，为了提高泵水效率，避免电机反复启动，大多需要与供水管路连通设置压力罐。对于用水量需求大的环境，为保持水管中压力稳定，往往需要配合使用体积较大的压力罐，使得整个深井泵系统的能耗较大，而且也易于出现压力不稳定的现象。且现有的深井泵的电机的整体工作效率仍属于较低的水平，工作状态难以监测；深井泵系统的泵体也经常会出现叶轮磨损，不易于维护的问题。


技术实现要素：

4.为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种能使供水管道内压力保持恒定且有效减少电机的启动次数的恒压深井泵系统及其控制系统和控制方法。
5.本发明的目的之一在于，提供一种用于恒压深井泵系统的控制系统，所述恒压深井泵系统包括电机和与电机连接的泵体，以及与所述泵体连接的供水管路，ad数据采样模块，所述ad数据采样模块用于采集供水管路内的压力值；缺水和过载检测模块，所述缺水和过载检测模块与所述电机连接，并采集所述电机的电流值，在采集到的所述电流值小于等于第一电流值a1时，发出缺水报警提醒，在采集到的所述电流值大于第二电流值a2时，发出过载报警提醒；欠压检测模块，所述欠压检测模块与所述电机连接，在流经所述电机的电压值超出预设值时，发出欠压报警提醒；控制模块，所述控制模块接收所述ad数据采样模块采集的供水管路中的压力值，并与预设的压力值进行比较，在采集的压力值低于预设值时，提高电机的转速；在采集的压力值达到预设值时，逐步降低电机的转速，直至供水管路内压力值能够保持预设值不变，电机停止工作。利用本发明的控制系统，其通过对电机的转速的调整，对供水管路内的压力进行动态调整，使得电机的使用效率得到极大提升，且能减少与系统连接的外界压力罐的使用体积和频率，降低整个泵系统的使用能耗；同时，通过对泵体进行缺水保护，过载保护和欠压保护，既确保了整个系统的使用安全性，且能确保供水管路中的压力保持恒定。
6.进一步的，在采集到的所述电流值小于等于第一电流值a1，且运行时间大于第一设定时间t1时，判定泵体中无水，发出缺水报警提醒；在采集到的所述电流值大于第二电流值a2时，且运行时间大于第二设定时间t2时，发出过载报警提醒；在经过电机的电压值小于等于预设的第一电压值u1，或，在经过电机的电压值大于预设的第二电压值u2时，且运行时间大于第二设定时间t3时，发出欠压报警提醒。因而，通过对流经电机的电流值和电压值的及时反馈，可判断出泵系统的电机的使用状态以及环境中是否有水，确保泵系统的工作稳
定性和安全性。
7.本发明的目的之二在于，提供一种恒压深井泵系统，其包括前述的控制系统，还包括：电机；泵体，所述泵体与电机连接并在电机的带动下工作，所述泵体与供水管路连接；在所述供水管路内设置有压力传感器，所述控制系统分别与所述电机和压力传感器连接。
8.进一步的，在所述泵体的内部设置有至少一组叶轮单元，每组叶轮单元均包括一个叶轮和一个导流盘，叶轮包括沿其轴向方向设置的轴套，所述转轴能穿过轴套，相邻的所述叶轮的轴套相互抵接。因而，通过将各个叶轮的轴套相互抵接，不会随着使用时间的延长而造成叶轮的轮毂与靠近其的盖板或导流板相互摩擦而造成轮毂被磨损，进而造成水泵堵转，性能降低，并逐渐影响对水流的泵出效果，确保泵体整体具有更长的使用寿命。
9.更进一步的，所述泵体包括外壳体，所述外壳体的中部沿其中轴线的方向设置有转轴，转轴与电机的输出轴同轴连接，在所述外壳体的上端部还设置有水泵出水口部，所述水泵出水口部与所述外壳体之间的距离可调节。因而，能够根据制造精度等级，快随调节水泵出水口的高度位置，使出水口部的安装位置与外部泵壳匹配，由此，轻松实现导流盘在泵体的轴向方向的位置的调节，无需单独设置和安装高度调节的垫片，降低了安装和制造成本，且能确保泵的精度。
10.更进一步的，靠近外壳体的上端部还设置有止回阀，在止回阀的与外壳体的出水口相靠近的一侧设置有具有弹性的止回阀阀片，在水泵出水口部的靠近止回阀的一侧设置有至少一根朝向止回阀延伸的档柱，在止回阀的下表面还设置有至少一根朝下延伸的导向柱。在档柱的作用下能够防止止回阀在水被泵出时被冲出过高，导向柱能确保止回阀在上下移动过程中不会从外壳体上端的出水口脱离。
11.更进一步的，叶轮还包括叶轮上盖，在所述叶轮上盖上设置有轮毂，在叶轮上盖的上表面还设置有一圈定位突缘，所述定位突缘由若干段相互间隔的弧形突缘组成，在相邻的两个弧形突缘之间设置有间隔。在正常情况下，定位突缘与端盖的下表面之间具有一定的间隙，因而，在定位突缘的作用下，也可确保叶轮与端盖之间保持一定的间隙，避免端盖对叶轮造成磨损。
12.更进一步的，在所述叶轮上盖的下表面靠近其轴心的位置还设置有至少一圈向下突出的第一防泄环状缘，在靠近所述叶轮上盖的一侧的端盖上还设置有与第一防泄环状缘同心设置的第二防泄环状缘，第二防泄环状缘的直径大于第一防泄环状缘。也即，在第一防泄环状缘和第二防泄环状缘中间形成迂回的流道，因而能够有效阻挡经过叶轮回流的水流。
13.更进一步的，在所述泵体的最下方的一个叶轮的轴套下方还设置有能与位于叶轮的下方的下轴套的下表面相抵接的石墨环，和与石墨环的下表面相抵接的静环。因而，各个叶轮单元受重力作用对下轴套施加向下作用力，且各个叶轮的轴套相互抵接，不会在轴向方向发生蹿动，不会造成对叶轮的轮毂的磨损；同时，在轴体旋转时，石墨环能确保旋转的顺畅，减少叶轮单元内部的各个零部件之间的摩擦，并确保各个叶轮单元为一个整体相对轴体旋转。
14.本发明的目的之三在于，提供一种深井泵系统的控制方法，其包括以下步骤：
15.缺水和过载检测步骤：通过对流经电机的电流值的大小对泵体中的水的有无进行检测，在采集到的所述电流值小于等于第一电流值a1，且运行时间大于第一设定时间t1时，
判定泵体中无水，发出缺水报警提醒；在采集到的所述电流值大于第二电流值a2，且运行时间大于第二设定时间t2时，发出过载报警提醒；在流经电机的电压值小于等于预设的第一电压值u1，或，在经过电机的电压值大于预设的第二电压值u2时，且运行时间大于第三设定时间t3时，发出欠压报警提醒；
16.水流量调节步骤：根据位于供水管道内设置的压力传感器感应到的压力大小对永磁电机的转速进行控制，将供水管道内测定的压力与预设的压力值进行比较，在采集的压力值低于预设值时，提高电机的转速，在采集的压力值达到预设值时，逐步降低电机的转速，直至供水管路内压力值达到预设值，电机停止工作。
附图说明
17.图1为本发明实施例一的恒压深井泵系统的结构示意图；
18.图2为本发明实施例二的恒压深井泵系统的控制系统的系统图；
19.图3为本发明实施例二的恒压深井泵系统的电路图；
20.图4为本发明实施例一的泵体的局部结构爆炸示意图；
21.图5为本发明实施例一的泵体的局部结构的剖视图；
22.图6为本发明实施例一的泵体的局部结构爆炸示意图。
23.图中：
24.11、电机；12、泵体；21、控制模块；22、ad数据采样模块；23、通讯输出模块；24、缺水和过压检测模块；25、欠压检测模块；3、压力传感器；4、供水管路；41、第一供水段；42、第二供水段；5、水泵出水口部；6、止回阀；61、档柱；62、导向柱；71、叶轮；711、轴套；712、定位突缘；713、第一防泄环状缘；714、承接平面；715、叶轮上盖；72、导流盘；73、盖板；731、第一环状缘；81、石墨环；82、静环；83、下轴套；84、上轴承支架；85、下轴承支架；9、转轴。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
26.实施例一：
27.参见附图1所示，本实施例为一种恒压深井泵系统，其包括电机11、与电机11连接并在电机11的带动下工作的泵体12、设置于供水管路4中的压力传感器3，和与电机11以及压力传感器3连接的控制系统。泵体12的出水口与供水管路4连接。
28.在本发明的一些实施方式中，控制系统包括mcu控制芯片，mcu控制芯片与电机11连接，mcu控制芯片根据供水管路4中压力大小对电机11的转速进行调整。可通过设置控制盒，并将mcu控制芯片设置于控制盒内，并在控制盒上设置用于操控mcu控制芯片的按键。控制盒的位置可以根据需要进行调整，例如，为了便于使用，可已将其设置在位于地表以上的位置。本发明的恒压深井泵系统的控制系统通过对电机11工作时的电流大小确定恒压深井泵系统工作环境中的水的有无，对恒压深井泵系统起到缺水保护，以及过载保护。并利用供水管路4中压力大小即时对电机11的转速进行调整，确保供水管路4中的水压保持恒定。
29.在本发明的一些实施方式中，电机11为永磁变频电机11。压力传感器3为电子压力传感器3。因而，使得泵系统的体积重量减小，电机11工作效率高。
30.在本发明的一些实施方式中，供水管路4包括与底面垂直的方向设置的第一供水段41和与第一供水段41连通的第二供水段42。地下水通过第一供水段41被提升后，经第二供水段42排出。压力传感器3设置于供水管路4的第二供水段42内。
31.在本发明的一些实施方式中，泵体12为多级叶轮泵体12，例如其可以为六级叶轮泵体、八级叶轮泵体、十三级叶轮泵体等。
32.参见附图4-6所示，本发明的泵体12包括外壳体，外壳体的中部沿其中轴线的方向设置有转轴9，转轴9与电机11的输出轴同轴连接。在外壳体的上端部还设置有高度位置可调节的水泵出水口部5。水泵出水口部5中部设置有供水流出的通道，水泵出水口部5的下端设置有能与泵体12的上轴承支架84连接的接口，在安装时，根据需要将水泵出水口部5旋转并调整至合适的位置后，沿着水泵出水口部5的径向方向(图4中箭头的方向)贯穿设置多个固定钉，并与泵体12的上轴承支架84连接。因而，能够根据需要，转动水泵出水口部5，并将水泵出水口部5与外壳体的上轴承支架84之间的距离调整至合适的位置，由此，通过上轴承支架84的螺纹拧入水泵出水口部5内的深度来调节出水口和泵体12连接法兰之间导流盘72的总高度，同时通过降低了制造成本。而在现有技术中，为了确保泵的精度，大多需要对水泵出水口部5与泵体12的上连接法兰之间的距离进行准确控制和调整，而目前大多采用调节垫片的方式来实现。
33.本实施例的泵体12在正常使用时，泵体12的中轴线呈与水平面垂直的方向设置，进水口位于泵体12的下端，出水口位于泵体12的上端。
34.参见附图4和5所示，靠近外壳体的上端部还设置有止回阀6，在止回阀6向下移动时，能将外壳体的上出水口封住，因而能够防止泵出的水的回流。在止回阀6的与外壳体的出水口相靠近的一侧设置有具有弹性的止回阀阀片。在水泵出水口部5的靠近止回阀6的一侧设置有至少一根朝向止回阀6延伸的档柱61，在档柱61的作用下能够防止止回阀6在水从泵体12中泵出时被冲出过高。在本发明的一些实施方式中，在止回阀6的下表面还设置有至少一根朝下延伸的导向柱62，导向柱62位于外壳体上端的出水口内，因而，能确保止回阀6在上下移动过程中不会从外壳体上端的出水口脱离。
35.在泵体12的内部设置有至少一组叶轮单元，每组叶轮单元均包括依次且同轴设置的叶轮71和导流盘72，相邻的叶轮单元之间还设置有盖板73，也即盖板73的一侧靠近本组也轮单元的叶轮71，另外一侧靠近另外一组叶轮单元的导流盘72。
36.在本发明的一些实施方式中，叶轮71包括沿其轴向方向设置的轴套711，转轴9能穿过轴套711。任意两组相邻的叶轮单元的轴套711的上下端部相互抵接，也即，位于上面一级的叶轮71的轴套711的下端与位于下面一级的叶轮71的轴套711的上端相抵接。因而，通过将各个叶轮71的轴套711相互抵接，不会随着使用时间的延长而造成叶轮71的轮毂与靠近其的盖板73或导流板相互摩擦而造成轮毂被磨损，进而造成水泵堵转，性能降低，并逐渐影响对水流的泵出效果。轴套711穿过导流盘72和盖板73。在此需要说明的是，在现有技术中，叶轮71是能够在端盖和导流盘72之间沿着转轴9的轴向方向进行移动的，也即，相邻的一组叶轮单元的叶轮71的轴套711之间具有一定的间隙。
37.参见附图5所示，在本发明的一些实施方式中，位于叶轮71的轴套711的上端的径向尺寸大于位于下端的径向尺寸，因而，能在叶轮71的轴套711的上端处形成用于承接位于其上方的叶轮71的一个承接平面714，因而，能够确保相邻的两个叶轮71在相互抵接时保持
稳定。
38.在本发明的一些实施方式中，叶轮71还包括整体呈圆形的叶轮上盖715，在叶轮上盖715上设置有轮毂，在叶轮上盖715的上表面还设置有一圈向上突出的且整体呈圆形的定位突缘712，定位突缘712由若干段相互间隔的弧形突缘7121组成，在相邻的两个弧形突缘7121之间设置有间隔，也即弧形突缘7121为不连续设置。在正常情况下，定位突缘712与端盖的下表面之间具有一定的的间隙，因而，在定位突缘712的作用下，也可确保叶轮71与端盖之间保持一定的间隙，避免端盖对叶轮71造成磨损。在一些实施方式中，定位突缘712的高度不超过2mm。在盖板73的下表面上还设置有与定位突缘712同心设置且向叶轮上盖715突出的第一环状缘731，第一环状缘731的直径大于定位突缘712所在的圆的直径。且第一环状缘731与定位突缘712相互交错设置。因而，第一环状缘731也可以在呈与定位突缘712相反的方向上对叶轮71起到一定的限位作用。
39.在本发明的一些实施方式中，在叶轮71的下盖的下表面靠近其轴心的位置还设置有至少一圈向下突出的第一防泄环状缘713。与之相应的，在叶轮上盖715的下方的端盖的上表面上还设置有与第一防泄环状缘713同心设置的第二防泄环状缘，第二防泄环状缘的直径大于第一防泄环状缘713，第一防泄环状缘713的下表面所在的高度低于第二防泄环状缘的上表面的高度。也即，在第一防泄环状缘713和第二防泄环状缘中间形成迂回的流道，因而能够有效阻挡经过叶轮71回流的水流。图中仅示出了只有一圈第一防泄环状缘713的情形，很显然，也可以同心设置两个或更多个第一防泄环状缘713，且第一防泄环状缘713与第二防泄环状缘依次交错设置。因而，能起到更佳的防止水回流的效果。
40.在本发明的泵体12的最下方的一个叶轮71的轴套711下方还设置有与其相抵接的止推轴承。止推轴承包括能与位于叶轮71的下方的下轴套83的下表面相抵接的石墨环81，和与石墨环81的下表面相抵接的静环82。由此，各个叶轮单元受重力作用对下轴套83施加向下作用力，且各个叶轮71的轴套711相互抵接，不会在轴向方向发生蹿动。并进一步将力传递至石墨环81上，而在轴体旋转时，石墨环81能确保旋转的顺畅，减少叶轮单元内部的各个零部件之间的摩擦，并确保各个叶轮单元为一个整体相对轴体旋转。
41.在本发明的一些实施方式中，在外壳体的上端和下端分别设置有上轴承支架84和下轴承支架85，水泵出水口部5通过螺钉固定于上轴承支架84上。
42.在本发明的一些实施方式中，转轴9的横截面可以为正多边形，比如其可以为四边形、正六边形、正八边形或其他形状。转轴9的横截面可以为从头到尾均为统一的形状，也可以仅在与叶轮71连接的局部位置为正多边形，而在其他位置为圆形。
43.在本发明的一些实施方式中，电机11为无刷永磁电机11。无刷永磁电机11的转子位于定子内部，转子与电机11的输出轴同轴连接。
44.实施例二：
45.参见附图2-3所示，本实施例为一种恒压深井泵系统的控制系统，其包括控制模块21、ad数据采样模块22、通讯输出模块23和缺水和过载检测模块24，欠压检测模块25，控制模块21包括mcu控制芯片，控制模块21与ad数据采样模块22、通讯输出模块23、缺水和过载检测模块24、欠压检测模块25和电机11连接。mcu控制芯片通过30pin、31pin、32pin、1pin作为设置键、加值键、减值键、启停键操作输入，因而可进行压力值的设定。c1、c2为电源滤波，为mcu提供稳定无干扰电源。mcu控制芯片通过2pin、3pin、4pin、5pin、9pin、10pin、11pin、
12pin、13pin、14pin、15pin、16pin作为数码管驱动端口用，可实现实时压力显示，设置压力值显示，报警信息显示等。
46.ad数据采样模块22分别与压力传感器3、电机11连接和控制模块21连接，其接收由压力传感器3采集的压力值的信息，并向控制模块21发送，在ad数据采样模块22接收的压力值低于设定压力值(示例性的，为0.3mpa)时，mcu控制芯片控制并快速启动电机11；在ad数据采样模块22检测的压力值达到或高于设定值(示例性的，0.3mpa)时，控制模块21接收该压力值信息，并向电机11发出降速指令，使其缓慢降速，直至供水管路4中维持恒定压力不变，电机11停止工作。在本发明的一些实施方式中，每次提高电机11转速时，可以设定为一次直接将电机11的转速升高至最高转速(比如3000-4000rpm)，也可以将电机11的速度设定为按照一定的梯度增加；在对电机11的转速进行降低时，可以将其速度为按照一定的梯度进行降低(比如每次降低100-500rpm，随后根据ad数据采样模块22采集的供水管路4中的压力值再次判断是否需要降速)。可通过在供水管路中的一个位点设置压力传感器3并将采集的压力值新型传输至ad数据采样模块22；也可以通过在供水管路中的多个位点设置压力传感器，并对各个位点的压力值进行平均即为ad数据采样模块所采集的压力值信息。
47.缺水和过压检测模块24与控制模块21连接，并与电机11连接，缺水和过压检测模块24对通过电机11工作时的电流值大小进行检测，并以此判断泵体是否有水或存在过载现象，在采集到的所述电流值小于等于第一电流值a1，且运行时间大于第一设定时间t1时，判定泵体12中无水，发出缺水报警提醒；在采集到的所述电流值大于第二电流值a2时，且运行时间大于第二设定时间t2时，发出过载报警提醒。
48.欠压检测模块25与电机11连接，并与控制模块21连接，其对经过电机11的电压值进行检测并将检测结果发送至控制模块21，在电压值小于等于预设的第一电压值u1，或，在经过电机11的电压值大于预设的第二电压值u2且运行时间大于第三设定时间t3时，发出欠压报警提醒。在本发明的一些实施方式中，a1为2.5a，t1为30s，a2为10a，t2为10s，u1为170v，u2为280v，t3为10s。很显然，也可以根据需要对各个参数进行设定或修改。
49.mcu控制芯片通过17pin接收ad数据采样模块22采集的数据(管路压力值大小)，进行数据处理，并通过7pin、8pin作为串口通讯端口(通讯输出模块23)，实现对外与电机驱动控制板的信息通讯，电机驱动控制板接受到信息后，控制调节电机11转速大小，实现水泵输出压力变化，ad数据采样模块22采集到的数据(管路压力值大小)再次反馈至mcu控制芯片,循环反馈，直至调整水泵出水管路压力达到恒定设定值。mcu控制芯片通过30pin、31pin、32pin、1pin作为设置键、加值键、减值键、启停键操作输入，因而可进行压力值的设定。c1、c2为电源滤波，为mcu控制芯片提供稳定无干扰电源。mcu控制芯片通过2pin、3pin、4pin、5pin、9pin、10pin、11pin、12pin、13pin、14pin、15pin、16pin作为数码管驱动端口用，可实现实时压力显示，设置压力值显示，报警信息显示等。
50.在本发明的一些实施方式中，由主驱动板提供直流5v电源，使mcu控制芯片进入工作状态。在本发明的一些实施方式中，通过数码管与led指示灯配合显示状态。
51.实施例三：
52.本实施例为一种恒压深井多级泵系统，其包括永磁变频电机11、多级泵体12、设置于供水管路4中的压力传感器3以及与变频电机11和压力传感器3连接的控制系统。本实施例的控制系统即为实施例二的控制系统，本实施例的恒压深井多级泵系统的电机11体积
小，效率高，且各级叶轮71的轮毂不易发生磨损，使用寿命长；并利用供水管路4中的压力大小实现对电机11的启停，以较低功率能耗确保对供水管路4中的压力保持稳定，并能降低与深井泵配套实用的压力罐的使用体积，能发挥节能减排的效果。
53.实施例四：
54.本实施例为一种深井泵系统的控制方法，其包括以下步骤：
55.水位和过载检测步骤：通过对永磁电机11中通过的电流值的大小进行监测，确定是否有水，以及电机11是否存在过载现象。缺水和过载检测模块24通过检测电机11工作时电流值大小来判断。
56.例如当检测到电机11的电流值≤2.5a,运行时间超过30s后，判定水泵中无水通过，发出缺水报警警示，当检测到电机11的电流值≥10a，运行时间超过10s后，判定电机11过载，发出过载报警警示。
57.在本发明的一些实施方式中，还包括欠压检测步骤，其利用实施例二的减压检测模块，并通过检测电机11工作时电压值来判定电机11的电压状态，并及时发出报警提醒，以确保电机11属于安全的工作状态。例如，当检测到电机11的电压值大于等于280v或小于等于170v，运行时间超过10s后，判定电机11欠压，发出欠压报警警示。
58.水流量调节步骤：在水流流过的过程中，位于供水管道内设置的压力传感器3感应到压力，并将接收的压力值反馈至mcu控制芯片，并对永磁电机11的转速进行控制。例如，开始前，设定供水管道内的预设压力值为0.3mpa，在开始运转时，永磁电机11的转速为2000rpm,在初始运行阶段，在供水管道内的压力值小于0.3mpa时，伺服电机11的转速增加；在供水管道内的压力值大于0.3mpa时，降低永磁电机11的转速。
59.由此，直至供水管道内的水压的压力值为0.3mpa左右。比如，永磁电机11的转速可以采用逐步缓慢降低的方式进行，比如以200rpm为基础单元逐步降低。在本发明的一些实施方式中，永磁电机11的最高转速为3450rpm，每次伺服电机11转速增加时，可以直接升高至最高转速。当然，也可根据需要对供水管道内设定的压力值大小进行调整。因而，本发明通过对伺服电机11的转速进行控制而实现对供水管道内压力大小的调节，因而能够减少电机启动的次数，以及在低转速维持供水管道内的压力稳定，减小了外界压力调节系统(如压力罐)的使用和占用体积，达到使用维护方便、节能的效果。
60.以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。