CN106870344A - 一种消除水锤控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除水锤控制方法，包括如下步骤：(1)、接通电源，设定电泵压力，控制器启动电泵；(2)、变频变压模块输出信号给PWM输出功率模块；(3)、PWM输出功率模块输出电压控制电泵进行转速调节；(4)、通过采样模块采样脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值并且传送给MCU处理器；(5)、MCU处理器设定比较值，然后MCU处理器判断脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值的差值的绝对值与比较值的大小来对电泵进行相应的控制，本发明可以实现在不需要压力罐的情况下，既可以消除系统中的水锤，又降低了系统成本和后续维护成本，而且也解决了使用压力罐所带来的问题以及由于水质二次污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及电泵领域，具体涉及带控制器的电泵的智能控制方法。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高、变频技术日益成熟、成本不断下降以及节能效果的显现，目前采用变频恒压供水的也越来越多，不仅可以改善人们的用水需求和生活质量，还可以实现节能的效果。
一般配备变频器的电泵，采用变频控制器与压力罐、止回阀相配合进行电泵控制，实现消除水锤冲击和电泵关停等功能。目前市场上2.2kw以下小功率电泵，一般都采用压力罐与压力开关或压力变送器、流量开关和控制器，通过对电机的开停完成电泵控制和使用；配备变频器的电泵也是采用压力罐和压力开关或压力传感器、流量开关或流量传感器等来判断系统用户是否用水。为了防止电泵停机后，水泄漏，一般需要安装止回阀进行密封。
在运行压力较高时，由于止回阀弹簧的弹力，止回阀时常不会关闭，一般都是通过变频器和压力罐配合工作，使止回阀工作，使得止回阀密闭，水不会出现泄露，引起变频器的频繁启动。或者当设置的使用压力较高时，当用户不用水情况下，变频器的频率不确定，很难设置一个固定的判断频率来判断系统无用水，并进行关机；另外，由于系统中设置的压力也不同，不用水时的判断频率也不同，给用户设置带来很大困惑，经常出现设置不合理而引起工作异常等现象发生。
由于市场上电泵配备的大部分变频器，在用户不用水停机时，一般通过压力罐和止回阀一起工作来实现，由于压力罐漏气或进水后，经常会出现变频器无法停机现象。由于通过给压力罐补气的方式进行维修比较麻烦，一般都采用更换新的压力罐的方式进行维修。
如何解决以上相关问题，是一件十分有意义的事情，不但可以减小体积和节省产品成本，又可以减少电泵使用和维护的成本。更加便于变频节能技术的应用和推广。
为了对以上问题进行分析处理和改善，需要对水锤产生原因和压力罐工作机理等进行分析介绍。
1、水锤产生的原因
电泵采用异步电机直接驱动，当工作时，异步电机在全压起动时，从静止状态加速到额定转速所需时间极短。这就意味着在极短的时间里，电泵的流量从零猛增到额定流量。由于流体具有动量和一定程度的可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪音，就像锤子敲击管子一样，称为水锤效应。
一般在封闭的管道内，当水流在极短的时间内流速突然提高或降低，就会出现水锤现象，它通常由阀门、水龙头或电泵的突然关闭和停止引起。迅速的开关会造成水压的波动，波动已超压波的形式在管道中向上蔓延，在遇到其他用水元件或者管道弯头等阻碍后，超压波向下游发射回来逐渐消失。
从理论上来讲，质量为m的水在管道中以速度v流动，当阀门、水龙头或电泵的突然关闭和停止时，这部分水要在很短的时间内变为静止，也就是说其动能1/2m*v2和动量m*v都要变为0，动能转化成了噪音、管道震动和其他形式的能量，动量m*v＝F*t，F就是水锤冲击力，t为水从流动状态变为静止状态的时间，可以看出，t越小，水锤冲击力F越大。
水锤效应是一种形象的说法。它是指给电泵在起动和停车时，水流冲击管道，产生的一种严重水击。由于在水管内部，管内壁是光滑的，水流动自如。当打开的阀门突然关闭或给电泵停车，水流对阀门及管壁，主要是阀门或泵会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，水力迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水利学当中的“水锤效应”，也就是正水锤。相反，关闭的阀门在突然打开或给电泵启动后，也会产生水锤，叫负水锤，但没有前者大。水锤效应有极大的破坏性：压强过高，将引起管子的破裂，反之，压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件。
2、水锤解决办法
从理论角度进行分析，为了减小或者消除水锤冲击，最好的办法就是增大t，通常的做法有三种：
第一种是延长关闭阀门、水龙头或者电泵启动和停止的时间，由于关闭阀门或者水龙头是用户根据实际需要以及使用习惯进行控制，具有很多不确定因素，通过控制时间很难实现，效果很不好；在电泵启动和停止时间的控制上，可以采取电泵软启动器来达到目的，软启动是通过分段进行转速调节的，如果需要进行舒缓的控制，需要质量好的软启动器，但是质量好的软启动器价格也比较昂贵，且只能控制由于电泵启动和停止产生的水锤，对供水系统管路上阀门关闭和开启引起的水锤无法解决。
第二种做法来消除水锤冲击，那就是安装压力罐，这个是目前在供水系统上通常采取一种方法措施，水锤产生时通过挤压压力罐气囊跟罐体间气体来大大增加作用时间，降低水锤冲击力。
第三种方法，考虑到一些容易产生水锤的用系统附近没有足够的空间来安装压力罐，市场需要一种体积小巧便于安装，跟压力罐相同功能的产品的，这就有了机械式水锤消除器的诞生，机械式水锤消除器由一个圆柱体、双O型圈密封的活塞、空气舱和开放舱四部分组成，其中开放舱与管道系统直接相连，水流关闭时引起的水锤冲击由封闭舱里面的空气以及活塞后面的弹簧吸收，降低系统压力波动和冲击。
总体来说减小或消除水锤的方法有三种方法，软启动器、压力罐和水锤消除器等三种方法。
通过实际的成本以及安装使用的方便性考虑，目前实际产品种多数采用的方式为压力罐方式进行水锤的消除，压力罐除了防止水锤外，还有减少电泵启动次数的作用，在用户用水量小时，通过压力罐容器压力压缩压出储存的水，满足用户使用要求，以减少电泵启动次数。
压力罐按照结构形式不同，主要有隔膜式压力罐和皮囊式压力罐两种。
隔膜式压力罐的缺点：
1)因为隔膜式压力罐壳体是直接与水接触的，所以壳内都喷涂防锈层。罐的接口与壳体之间是焊接而成。这样在焊接的过程中，高温就会将防锈涂层氧化。本来是银白色的涂层，在焊接后呈现黑色。用手触摸可感觉有黑色小颗粒。那么这些看似微不足道的氧化点工作时长期与水接触，慢慢就会生锈并逐渐扩大，直到整个罐体生锈，使系统水质破坏，往往出现压力罐内水变黄色现象。
2)隔膜式压力罐的内膜是通过热轧的方式固定在压力罐的两个半壳的碳钢中间，这种工艺过程如果处理的不好，就会留下微小的气孔在内膜和碳钢之间，这些微小的气孔就会将预充的气体泄露出去，膨胀罐如果泄露气体，90％就是从这里泄露的。这种漏气的压力罐用一段时间如果不再补充气体就不能起到定压卸荷作用。而这本身是很难察觉。
3)由于罐壁厚度一般在1mm左右，接口直接与罐焊接在一起，这种联接方式可承受的扭力相当小。而安装罐时只能抱着壳体旋转，这样如果用力太大或过猛，就会将接口旋断。
皮囊式压力罐的缺点：
皮囊式压力罐中的皮囊是通过发兰进行密封，电泵供水系统在机械振动和环境温度的变化以及压力反复变化情况下，会出现缓慢漏气情况，甚至漏水现象出现。另外，也会出现在热水使用情况下，加速皮囊老化等所引起的漏水和漏气等现象，引起系统工作不正常，起不到正常降低水锤和缓冲压力的作用，甚至会出现电泵无法关停等现象。不仅无法起到节能效果，也有可能会出现影响客户正常使用的情况。另外，一般大型集中供水系统，由专人进行管理和维护，每6个月或1年都需要进行压力检测和重新补气等，对于小功率(一般2.2Kw以下)的用户，一般没有专门的人员进行维护，给后续的使用带来很多不便，一般出现问题时都是进行直接更换的方式进行处理，维护成本也较高。
发明内容
本发明的目的是克服现有产品中的不足，提供一种消除水锤控制方法。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种消除水锤控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
(1)、设定电泵压力，接通电源，控制器启动电泵，使得电泵转速按照斜线的方式逐渐加速直到达到最大转速，控制器注入脉冲信号和转速给定信号给变频变压模块，此时若止回阀是关闭状态，则电泵转速的加速斜率为a，否则止回阀是打开状态，则电泵转速的加速斜率为b，所述a小于b；
(2)、变频变压模块输出信号给PWM输出功率模块；
(3)、PWM输出功率模块输出电压控制电泵进行转速调节；
(4)、通过采样模块采样脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值并且传送给MCU处理器；
(5)、MCU处理器设定比较值，然后MCU处理器判断脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值的差值的绝对值与比较值的大小，若脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值的差值的绝对值大于比较值，则处于用水状态，电泵保持原状态正常工作，否则处于不用水状态，控制器控制电泵继续运行一段时间后，电泵的转速按照斜线的方式逐渐减速直到电泵呈关闭状态，此时若止回阀是关闭状态，则电泵转速的减速斜率为c，否则止回阀是打开状态，则关闭止回阀，电泵转速的减速斜率为d，所述c小于d。
所述一段时间为30秒。
所述采样模块为电压型压力传感器或电流型压力传感器或远传压力表。
所述脉冲信号的频率大于0.2Hz小于0.5Hz。
所述脉冲信号的脉宽为2秒到3秒之间。
所述脉冲信号的幅度为60rpm-90rpm。
所述比较值为采样模块标称值的1％到2％之间。
本发明的有益效果如下：本发明通过采样模块和止回阀和控制器，通过相应的控制方法，可以实现在不需要压力罐的情况下，既可以消除系统中的水锤，又可以确保电泵在用户实际使用中，通过脉冲注入的方式，对供水系统中的用水情况进行判断，根据用户的用水情况，进行启停控制，不仅降低了系统成本和后续维护成本，而且也解决了使用压力罐所带来的问题以及由于水质二次污染问题。同时，由于减少压力罐，整体尺寸减小，可以带来包装成本和运输成本降低，并减小了安装空间。
附图说明
图1为本发明控制功能框图；
图2为脉冲注入信号的采样时刻示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：
如图1所示，一种消除水锤控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
(1)、接通电源，设定电泵压力，控制器启动电泵，使得电泵转速按照斜线的方式逐渐加速直到达到最大转速，控制器注入脉冲信号和转速给定信号给变频变压模块，此时若止回阀是关闭状态，则电泵转速的加速斜率为a，否则止回阀是打开状态，则电泵转速的加速斜率为b，所述a大于b；电泵转速按照斜线的方式逐渐加速，达到软启动效果，并消除启动时的水锤。根据水锤产生的理论，动量m*v＝F*t，F就是水锤冲击力，t为水从流动状态变为静止状态的时间，可以看出，t越小，水锤冲击力F越大。电泵转速启动到最大转速要大于30S，可以满足系统用户相应要求，也可以满足消除水锤的要求。如果启动时间太短，达不到水锤减小的效果。电泵在停止状态时，电泵出水口压力低于止回阀上端出水口压力，电泵转速没有达到相对应转速，出水口压力高于止回阀上端压力时，开启止回阀，并进一步加速满足达到系统压力设定值，并满足用户恒压供水需求。电泵在启动时，由于止回阀的原因，止回阀有打开和关闭两种状态，针对不同的两种状态，电泵转速加速斜率也不同。软启动加速所起到的作用也不同，当止回阀关闭时，转速增加主要起到软启动作用，当止回阀打开后，电泵主要起到消除水锤和软启动两种功能。注入脉冲的速度要小于电泵额定转速的2％-4％。当系统用户正常用水时，系统通过转速脉冲注入方式，注入负的转速脉冲；转速脉冲大小为60-90rpm。注入的信号以小的阶跃扰动信号加入，一般注入脉冲速度要小于电泵额定转速的2％-4％，因为脉冲信号是周期性加入，当信号太大，周期性信号加入，会影响电泵系统的正常运行，系统始终处于振荡调整过程，影响正常使用。如果扰动信号太小，在信号提取时，无法正确识别实际运行状态。
(2)、变频变压模块输出信号给PWM输出功率模块；
(3)、PWM输出功率模块输出电压控制电泵进行转速调节；
(4)、通过采样模块采样脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值并且传送给MCU处理器；
(5)、MCU处理器设定比较值，然后MCU处理器判断脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值的差值的绝对值与比较值的大小，若脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值的差值的绝对值大于比较值，则处于用水状态，电泵保持原状态正常工作，否则处于不用水状态，控制器控制电泵继续运行一段时间后，电泵的转速按照斜线的方式逐渐减速直到电泵呈关闭状态，此时若止回阀是关闭状态，则电泵转速的减速斜率为c，否则止回阀是打开状态，则关闭止回阀，电泵转速的减速斜率为d，所述c小于d。电泵在关闭时，由于止回阀的原因，止回阀有打开和关闭两种状态，针对不同的两种状态，电泵转速减速斜率也不同。软启动减速所起到的作用也不同，当止回阀关闭前，电泵主要起到消除水锤和软启动两种功能。当止回阀关闭后，转速增加主要起到软启动作用。止回阀关闭以前，控制器延时，主要起到消除水锤的功能，当止回阀关闭以后，延时关机主要起到软启动的作用，另外，电泵的电机定子电感线圈主要在关机时，通过延时，把电感储存的能量释放掉，以免在再次启动时，由于电感储存的能量而引起过大的启动电流和启动阻力扭矩。
步骤(1)中，要实现状态的识别，采样模块采样压力的时刻也非常重要，如果采样时刻选择不合适，会出现误判，引起工作混乱。图2所示为脉冲注入信号的采样时刻示意图，在该示意图中，假设某个脉冲注入开始时的时刻为tp0，脉冲注入结束时的时刻为tp1，在进行信号采样时，在tp0时，采样该时刻的压力值作为恒压工作时的状态压力P0，即脉冲注入前的压力值；tp1时，采样该时刻的系统压力，为注入脉冲结束时的系统压力值P1，即脉冲注入后的压力值。通过采样这两个时刻的系统压力值，即可得到系统在脉冲注入前后的压力值。脉冲注入前后的压力采样值P0，P1，取两次采样值之差的绝对值，即ΔP＝|P0-P1|，与设定的比较值ΔPlim进行比较，当差值绝对值大于设定的比较值时即ΔP>ΔPlim，判断为系统用水，有水流出；当比较差值小于等于比较值时即ΔP<ΔPlim，判断为系统中没有用户用水，没有水流出。ΔPlim在压力传感器标称值的1％-2％范围之间取值。
所述一段时间为30秒。
所述采样模块为电压型压力传感器或电流型压力传感器或远传压力表。
所述脉冲信号的频率大于0.2Hz小于0.5Hz。为了不使系统一直处于振荡调整中，并且为了给系统一个足够的稳定运行时间，一般注入的脉冲信号周期5min>t0+t1>2min，即脉冲频率0.5Hz>f>0.2Hz。对于脉冲注入的周期，当系统运行在用水状态时，脉冲注入频率太快，将会影响系统正常运行，系统始终处于调整过程，没有一个稳定运行时间，用户用水舒适度下降。当系统在没有用水的情况下，如果脉冲频率太低，就会出现系统不用水时停机时间太长，虽然根据水锤冲击效应，时间越长冲击效应越小，但当时间超出一定范围以后，水锤消除作用超出了能量消耗的影响，所以脉冲频率选择0.5Hz>f>0.2Hz。
所述脉冲信号的脉宽为2秒到3秒之间。由于供水系统的惯性特性，脉宽设置太大，系统供水波动太大，当设置时间太小，由于止回阀以及系统的缓冲，会吸收该脉冲，无法采样到压力采样值信息。如图2所示，脉宽为图2中t1，t1为2秒到3秒之间。
所述脉冲信号的幅度为60rpm-90rpm。
所述比较值为采样模块标称值的1％到2％之间。
本发明通过采样模块、止回阀、控制器，通过相应的控制方法，可以实现在不需要压力罐的情况下，既可以消除系统中的水锤，又可以确保电泵在用户实际使用中，通过脉冲注入的方式，对供水系统中的用水情况进行判断，根据用户的用水情况，进行启停控制，不仅降低了系统成本和后续维护成本，而且也解决了使用压力罐所带来的问题以及由于水质二次污染问题。同时，由于减少压力罐，整体尺寸减小，可以带来包装成本和运输成本降低，并减小了安装空间。
需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种消除水锤控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：
(1)、接通电源，设定电泵压力，控制器启动电泵，使得电泵转速按照斜线的方式逐渐加速直到达到最大转速，控制器注入脉冲信号和转速给定信号给变频变压模块，此时若止回阀是关闭状态，则电泵转速的加速斜率为a，否则止回阀是打开状态，则电泵转速的加速斜率为b，所述a大于b；
(2)、变频变压模块输出信号给PWM输出功率模块；
(3)、PWM输出功率模块输出电压控制电泵进行转速调节；
(4)、通过采样模块采样脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值并且传送给MCU处理器；
(5)、MCU处理器设定比较值，然后MCU处理器判断脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值的差值的绝对值与比较值的大小，若脉冲注入前和脉冲注入后电泵的压力采样值的差值的绝对值大于比较值，则处于用水状态，电泵保持原状态正常工作，否则处于不用水状态，控制器控制电泵继续运行一段时间后，电泵的转速按照斜线的方式逐渐减速直到电泵呈关闭状态，此时若止回阀是关闭状态，则电泵转速的减速斜率为c，否则止回阀是打开状态，则关闭止回阀，电泵转速的减速斜率为d，所述c小于d。
2.根据权利要求1所述一种消除水锤控制方法，其特征在于，所述一段时间为30秒。
3.根据权利要求1所述一种消除水锤控制方法，其特征在于，所述采样模块为电压型压力传感器或电流型压力传感器或远传压力表。
4.根据权利要求1所述一种消除水锤控制方法，其特征在于，所述脉冲信号的频率大于0.2Hz小于0.5Hz。
5.根据权利要求1所述一种消除水锤控制方法，其特征在于，所述脉冲信号的脉宽为2秒到3秒之间。
6.根据权利要求1所述一种消除水锤控制方法，其特征在于，所述脉冲信号的幅度为60rpm-90rpm。
7.根据权利要求1所述一种消除水锤控制方法，其特征在于，所述比较值为采样模块标称值的1％到2％之间。
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