CN105490462B - 一种带智能控制的一体式变频电机系统 - Google Patents

Abstract

一种带智能控制的一体式变频电机系统，涉及一种变频电机。传统的变频电机和变频驱动器为分离式结构，结构复杂，故障率高。本发明包括变频电机、监控终端、操作面板；控制器置于电机上部；蓝牙模块、GPRS模块设于控制器的外侧面；控制器通过转接板用紧固件固定在电机接线盒上；控制器与转接板之间放置第二密封圈；转接板与控制器之间放置第三密封圈；电机电源线缆由壳体内部连接到控制器；电机与控制器之间形成风道；控制器通过实时功率计算和调用数据库以查表的方式获得转速信息并自动调整转速。本技术方案降低成本、提高产品质量、方便安装维护方便，实现远程实时监控，大量缩减设备维护人员工作量同时可以实时记录机器运行状态、运行数据。

Description

一种带智能控制的一体式变频电机系统

技术领域

本发明涉及一种变频电机，尤其为带智能控制的一种一体式变频电机。

背景技术

传统的变频电机和变频驱动器分离式系统电机与控制器之间需要使用较长的电缆和较多的插件进行连接，不仅会提高成本而且电缆盒插件的外露容易受到磨损和水的腐蚀，造成故障率过高。同时数据联接单一，通过485通讯口联网，无法实现大范围机器联网实现实时监控。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进。以达到运行稳定、安装维护方便、降低成本、实现远程监控的目的。为此，本发明采取以下技术方案：

一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：包括变频电机、监控终端、操作面板，其中变频电机包括蓝牙模块、GPRS模块、控制器、电机、转接板，所述的控制器包括控制器上壳、控制器下壳、电抗器、控制板、电源驱动模块；所述的控制器置于电机上部；所述的蓝牙模块、GPRS模块设于控制器的外侧面；控制器通过转接板用紧固件固定在电机接线盒上；控制器与转接板之间放置第二密封圈；转接板与控制器之间放置第三密封圈；电机电源线缆由壳体内部连接到控制器；电机与控制器之间形成风道由电机尾部风扇为控制器与电机强迫风冷散热；控制器通过GPRS模块与监控终端通讯实现无线远程监控；控制器通过蓝牙模块与监控终端通讯实现短距离无线监控；通过操作面板实现现场调试功能；控制器设有存储器，存储器中存储输出或输入功率、电机转速、水泵压力和水泵流量之间的关系，控制器通过实时功率计算和调用存储器数据库以查表的方式获得转速信息并自动调整转速，从而实现恒压力、恒流量、恒温和/或比例供水控制。

控制器设置在异步电机上部，从而有效的缩短了控制电路的连接线长度，并且不在需要外配控制柜。同时在电机与控制器连接部位放置密封圈，达到防尘防水效果；蓝牙通讯模块和GPRS模块固定控制器侧面，减少电机和智能控制智模块对远程连接信号影响，提高可靠性；电机通过GPRS模块以无线联接方式与监控终端实现数据联接，从而实现远程监控、故障软修复及产品模块更新；控制器可实现供水系统无传感恒压、恒流、恒温控制；控制器利用电机尾部风扇进行散热解决了散热问题，系统可靠性高。同时整机具有整体体积较小，对于维护和安装都提供了一定的便利。控制器包括控制器下壳、控制器上壳；控制器下壳内装置有：电源模块、控制板、电抗器等电子功率器件。所述的控制器通过转接板用螺丝固定在电机接线盒，电机、控制器、转接板连接处各放置密封圈。所述的控制器利用电机机座和电机尾部风扇进行散热，提高控制器的工作稳定性。所述的控制器外配操作面板，进行参数调试。所述的控制器可通过485接口及专用通信电缆与该产品进行通讯，所述的控制器通过GPRS模块以无线方式与该系统进行远程通讯，所述的控制器与选配的蓝牙模块更使得该产品可以通过智能手持以无线方式与该产品进行通讯。

在无压力或者流量传感器的情况下要实现水泵的恒压力、恒流量以及比例控制，其关键在于遵循水泵的特性标定出一套查询表格，该表格记录了控制器输出或输入功率、电机转速、水泵压力和水泵流量之间的关系。把水泵的工作模式分为几种，可固化在控制器里，用户只要通过上位监控终端的模式切换即可实现水泵实现运行模式切换，即使不是专业工程师也可以轻松操作。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

数据库数据通过基于感应电机的无传感矢量控制算法，根据水泵特性中压力、流量、转速和功率的相互关系，标定出特定供水模式下转速与功率的对应关系后将标定数据存入数据库而获得。根据水泵相关理论可知，水泵的稳定工作点是管路特性和水泵特性共同决定的。管路特性主要由阀门开度和管路的粗细决定，水泵特性则用“扬程-流量”以及“轴功率-流量”关系曲线共同表示。其中，“扬程-流量”曲线是一条单调递减的曲线，“轴功率-流量”曲线是一条单调递增的曲线。管路特性在“扬程-流量”图中表示为H∝Q²的曲线，在“轴功率-流量”图中表示为P∝Q³的曲线。压力单位为MPa，扬程的单位为m。若泵体中的流体是水，压力和扬程的单位换算关系可以写作“100m=1MPa”。水泵特性曲线图中，单调递增的曲线即为管路特性曲线，单调递减的曲线即为不同转速对应的水泵特性曲线。

以恒压模式为例对水泵标定及运行原理进行说明。恒压模式就是维持水泵出水口压力恒定。根据扬程的概念可知，“扬程=出水口压力-入水口压力”。若保持水泵入水口压力恒定，恒压供水就等同于恒扬程供水。假设水泵初始状态为A，提高阀门开度后流量增大、压力减小，功率增大；控制器检测到功率增大后提高转速，此时压力升高，从而维持压力恒定。原理为：

公式1)Pe=Pw+Pf

这里：Pe为电机输出的轴功率

Pw流体单位时间获得的动能

Pf:水泵和管道的损失功率。

公式2)Pw=H*Q*g

其中：H:量程； Q：流量；g:系数9.8；把水泵效率和管道损失忽略不计，那么得出：

公式3)Pe≈H*Q*g

根据水泵和管路特性，在一定的水泵和管路下，量程和流量有一定的关系曲线。

H∝Q²；

再结合公式3)，我们可以通过控制输出功率实现恒压、恒流或比例控制。

控制器固定在电机机座上方，电机输入电源线由电机接线盒内腔连接到控制器腔中。

所述的控制器侧面设有远程联接模块，远程联接模块通过航空防水接头与控制器实现数据联接。

所述的控制器下壳下端设有多根散热片，散热片轴向设置，相邻散热片间形成风道，所述的电机后端盖内部设置有散热风扇，散热风扇吹出的风通过风道为控制器及电机散热。

所述的监控终端包括手持终端和或远程控制终端；GPRS模块与手持终端和远程控制终端通讯实现无线远程监控；控制器通过蓝牙模块与手持终端通讯实现短距离无线监控；

控制器还设有位于GPRS模块同侧控制器上的485通讯口、IO口、显示灯、电源输入口，控制器的外侧面设有GPRS下壳，GPRS下壳外设有GPRS上壳，GPRS下壳与GPRS上壳盖合后形成GPRS模块容纳腔，GPRS模块容纳腔中设有GPRS模块，所述的GPRS模块设有GPRS天线。

监控终端设有电机定位模块、远程监视模块、远程控制模块及远程软修复模块。电机定位模块用于被控电机的定位，远程监视模块用于对被控电机的远程监视；远程控制模块用于对被控电机的远程控制；远程软修复模块用于对被控电机的远程修复。

控制器下壳的多根散热片排列形成与电机壳体外周相配的上凹圆弧状；所述的散热片设于变频器下壳体下端一侧，变频器下壳体下端另一侧与接线盒上端相配。上凹圆弧状可增加散热的面积。

所述的控制器设有多模式运行模块及用于缺相、欠压、过压、电机堵转、无负载空转的保护模块，所述的多模式运行模块存储多种水泵负载工作运行模式，所述的监控终端和/或操作面板中设有监控水泵变频装置工作、且能切换水泵负载工作运行模式的水泵监控模块。；

多种负载工作运行模式包括速度模式、压力模式、流量模式、温度模式、比例模式，负载工作时选择其中的一种模式进行工作；

当为速度模式时，控制器直接接收来自监控终端上设定的速度指令值，控制的输出转速；

当为压力模式时，控制器根据是否有压力传感器分为有压力传感器恒压控制和无压力传感器恒压控制；无压力传感器恒压控制时，控制器根据已知的某一扬程下转速与输出功率的关系，根据反馈的输出功率控制转速达到压力恒定；有压力传感器恒压控制时，控制器根据压力传感器反馈的出口压力值PID闭环控制变频器的输出频率；

流量模式、比例模式均分有传感和无传感两种模式；

当为温度模式时，控制器根据温度传感器反馈的出口温度值，PID闭环控制变频器的输出频率。

有益效果：本技术方案降低成本、提高产品质量、方便安装维护方便，实现远程实时监控，大量缩减设备维护人员工作量同时可以实时记录机器运行状态、运行数据；机器故障时能快速定位到机器位置，方便维护人员快速到达处理，减少财产损失；控制器可以借助电机机座和电机尾部风扇散热，提高控制器的工作稳定性；整机防尘防水可用于较恶劣的工作环境；整机体积小，便于安装维护，降低成本；当传感器发生故障时可自动切换到无传感模式运行，无需停机保证系统正常工作。

附图说明

图1是本发明结构原理图。

图2是本发明变频电机装配图

图3是本发明变频电机的爆炸图。

图4是本发明图。

图中：1-指示灯；2-航空接头；3-IO口；4-485通讯口；5-电源输入口；6-蓝牙模块；7-GPRS模块；8-控制器；9-电机；10、控制器上壳；11-第一密封圈；12-电抗器；13-控制板；14-电源驱动模块；15-控制器下壳；16-第二密封圈；17-转接板；18-第三密封圈；19-散热片；20-安装底脚；21-电容模块；22、GPRS下壳；23-GPRS模块；24-GPRS天线；25-GPRS上壳；26-接线盒。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明包含变频电机D、手持终端A、操作面板B、远程控制终端C。

如图2、图3所示，变频电机D包括指示灯1、航空接头2、IO口3、485通讯口4、电源输入口5、蓝牙模块6、GPRS模块7、控制器8、电机9，控制器8通过转接板17利用螺丝固定于电机9的上部，利用电机风扇进行散热。控制器内装置有：电源驱动模块14、控制板13、电抗器12、电容模块21等电子功率器件。电机9与转接板17间放置第三密封圈18，转接板17与电机9间放置第二密封圈16进行密封 ，达到防水防尘效果。控制器下壳体15与控制器上壳10间放置第一密封圈11进行密封。系统输入通过电源输入口5将三相交流电源输入到控制器8内部。485信号输入线通过485通讯口4连接到控制器内部，航空接头2用于连接操作面板和蓝牙，调试时使用。外部模信号通过IO口3连接到控制器内部。

为避免对控制器的干扰，通讯装置安装在控制器8外侧面，通讯装置包括GPRS模块7、蓝牙模块6等，GPRS模块7用于远程数据的接收和发送，实现远程控制、监视及模块版本升级和故障软修复；控制器的外侧面设有GPRS下壳22，GPRS下壳外设有GPRS上壳25，GPRS下壳22与GPRS上壳25盖合后形成GPRS模块容纳腔，GPRS模块容纳腔中设有GPRS模块7，所述的GPRS模块7设有GPRS天线24。电机输出轴外伸于电机的前端，用于连接负载。电机的底部设有安装底脚20。

为提高工作的可靠性，控制器固定在电机机座上方，电机输入电源线由电机接线盒内腔连接到控制器腔中。电机与控制器间需要电缆短和插件少，且能避免电缆的磨损和水的腐蚀，提高工作可靠性。

为加快散热，所述的控制器下壳15下端设有多根散热片19，散热片19轴向设置，相邻散热片19间形成风道，所述的电机后端盖内部设置有散热风扇，散热风扇吹出的风通过风道为控制器散热；所述的控制器下壳15与电机壳体为一体结构或通过连接件连接。多根散热片19排列形成与电机9壳体外周相配的上凹圆弧状；所述的散热片19设于控制器下壳15下端一侧，控制器下壳15下端另一侧与接线盒26上端相配。

为提高计算速度，减少对单片机的要求，控制器根据检测系统的输出功率，通过查询数据表格得到期望的转速值，与当前的转速值比较，控制控制器升速或降速，从而实现无传感器的恒定压力控制；数据表格的内容是根据离心泵在不同转速下存在固定的扬程-流量H-Q和功率-流量P-Q的特性曲线，用实验的方法，得到某一出口压力下的功率-转速P-N曲线，并转化为数据表格。处理速度快，且工作可靠性高。

为方便用户自己调节，控制器设有多模式运行模块及用于缺相、欠压、过压、电机堵转、无负载空转的保护模块；监控终端设有监控模块，控制器与监控终端通过通讯端口实现无线或有线的通讯。多模式运行模块能实现多种运行模式，包括速度模式、压力模式、流量模式、温度模式、比例模式；监控模块实现监控功能，包括工作模式设定、启停控制和状态参数监控。这些状态参数包括转速、压力、流量、温度、功率等。通过对负载的研究，把工作模式分为几种，通过各模块来实现，并固化在变频装置里，用户只要通过上位监控模块简单的模式切换即可实现运行模式切换，即使不是专业工程师也可以轻松操作。

如图4所示，变频电机工作过程：控制器获得电机的电流及电压，通过实时功率计算和调用数据库以查表的方式获得转速信息并自动调整转速，从而实现恒压力、恒流量、恒温以及比例供水控制。其中数据库数据来源为：通过基于感应电机的无传感矢量控制算法，根据水泵特性中压力、流量、转速和功率的相互关系在标定出特定供水模式下转速与功率的对应关系后将标定数据存入数据库而获得。

以上图1-4所示的一种带智能控制的一体式变频电机系统是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构、功能增减等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：包括变频电机、监控终端、操作面板，其中变频电机包括蓝牙模块、GPRS模块、控制器、电机、转接板，所述的控制器包括控制器上壳、控制器下壳、电抗器、控制板、电源驱动模块；所述的控制器置于电机上部；所述的蓝牙模块、GPRS模块设于控制器的外侧面；控制器通过转接板用紧固件固定在电机接线盒上；控制器与转接板之间放置第二密封圈；转接板与电机之间放置第三密封圈；电机电源线缆由壳体内部连接到控制器；电机与控制器之间形成风道由电机尾部风扇为控制器与电机强迫风冷散热；控制器通过GPRS模块与监控终端通讯实现无线远程监控；控制器通过蓝牙模块与监控终端通讯实现短距离无线监控；通过操作面板实现现场调试功能；控制器设有存储器，存储器中存储输出或输入功率、电机转速、水泵压力和水泵流量之间的关系，控制器通过实时功率计算和调用存储器数据库以查表的方式获得转速信息并自动调整转速，从而实现恒压力、恒流量、恒温或比例供水控制。

2.根据权利要求1所述的一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：数据库数据通过基于感应电机的无传感矢量控制算法，根据水泵特性中压力、流量、转速和功率的相互关系，标定出特定供水模式下转速与功率的对应关系后将标定数据存入数据库而获得。

3.根据权利要求1所述的一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：控制器固定在电机机座上方，电机输入电源线由电机接线盒内腔连接到控制器腔中，所述的控制器侧面设有远程联接模块，远程联接模块通过航空防水接头与控制器实现数据联接。

4.根据权利要求1所述的一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：所述的控制器下壳下端设有多根散热片，散热片轴向设置，相邻散热片间形成风道，所述的电机的后端盖内部设置有散热风扇，散热风扇吹出的风通过风道为控制器及电机散热。

5.根据权利要求1所述的一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：所述的监控终端包括手持终端和/或远程控制终端；GPRS模块与手持终端和远程控制终端通讯实现无线远程监控；控制器通过蓝牙模块与手持终端通讯实现短距离无线监控。

6.根据权利要求1所述的一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：控制器还设有位于GPRS模块同侧控制器上的485通讯口、IO口、显示灯、电源输入口，控制器的外侧面设有GPRS下壳，GPRS下壳外设有GPRS上壳，GPRS下壳与GPRS上壳盖合后形成GPRS模块容纳腔，GPRS模块容纳腔中设有GPRS模块，所述的GPRS模块设有GPRS天线。

7.根据权利要求1所述的一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：监控终端设有电机定位模块、远程监视模块、远程控制模块及远程软修复模块。

8.根据权利要求4所述的一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：控制器下壳的多根散热片排列形成与电机壳体外周相配的上凹圆弧状；所述的散热片设于变频器下壳体下端一侧，变频器下壳体下端另一侧与接线盒上端相配。

9.根据权利要求1所述的一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：所述的控制器设有多模式运行模块及用于缺相、欠压、过压、电机堵转、无负载空转的保护模块，所述的多模式运行模块存储多种水泵负载工作运行模式，所述的监控终端和/或操作面板中设有监控水泵变频装置工作、且能切换水泵负载工作运行模式的水泵监控模块。

10.根据权利要求9所述的一种带智能控制的一体式变频电机系统，其特征在于：多种负载工作运行模式包括速度模式、压力模式、流量模式、温度模式、比例模式，负载工作时选择其中的一种模式进行工作；

当为速度模式时，控制器直接接收来自监控终端上设定的速度指令值，控制输出转速；

当为压力模式时，控制器根据是否有压力传感器分为有压力传感器恒压控制和无压力传感器恒压控制；无压力传感器恒压控制时，控制器根据已知的某一扬程下转速与输出功率的关系，根据反馈的输出功率控制转速达到压力恒定；有压力传感器恒压控制时，控制器根据压力传感器反馈的出口压力值PID闭环控制变频器的输出频率；

流量模式、比例模式均分有传感和无传感两种模式；

当为温度模式时，控制器根据温度传感器反馈的出口温度值，PID闭环控制变频器的输出频率。