CN108730150B - 工业计量泵电压补偿闭环v/f变频控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业计量泵电压补偿闭环V/F变频控制方法，针对往复式工业计量泵所承受的非性冲击负载，采用电压补偿器将开环V/F变频控制策略变成闭环V/F变频控制策略，可有效抑制负载变化引起的大幅转速波动，提高流量的调节精度，减轻电冲击效应对电机绝缘性和寿命的影响，达到变频节能的目的。闭环变频V/F控制策略采用模糊逻辑实现，可适应负载的非线性变化。根据转速误差和对应的隶属度，可构建模糊逻辑表，通过查表获得电压补偿量，控制算法计算量小，实时性强。

Description

工业计量泵电压补偿闭环V/F变频控制方法
技术领域
本发明涉及工业计量泵的流量控制领域，特别是带电压补偿的闭环调频调压(V/F)控制技术。
背景技术
工业计量泵广泛应用于石油、化工、水处理、热力发电、制药、食品、造纸等流程工业领域。
对流量检测的目的是将其调节到期望值，对隔膜计量泵的流量实施在线调节的方式本质上有两种，其一是通过调节往复冲程来调节流量，其二是通过调节往复的频率来调节流量。针对这两种调节方式，目前有两种具体实施方案，现分别介绍如下：
方案一：采用通用变频器进行控制
该方案属于调节隔膜计量泵的往复频率真的方案，其主要优点是：通用变频器采用矢量控制策略，使驱动电机具有硬的机械特性，在均匀轻载的情况下，动态响应性能力非常好，可保证转速恒定。缺点是：由于往复式隔膜计量泵承受冲击性脉动负载，普通变频器以转速恒定为控制目标，用大的电磁转矩变化维持转速恒定，对于计量泵承受的冲击负载而言，电冲击作用大，影响三相异步电机的绝缘性和使用寿命，而且节能效果也差，特别是在负载波动大的情况下，为了甚至连转速恒定也难以在确保。
方案二：电动冲程调节仪调节方案
电动冲程调节仪由调节机构和控制器构成，属于调节往复行程的调节方案。其优点是：是调节范围大，可实现从0-100％满量程范围的在线实时调节。缺点是：(1)传动机构复杂，可靠性差，体积大，不便安装，成本高；(2)对于一台流量较大的泵，如果冲程调得小，例如接近于零时，流量也接近于零，但驱动电机仍在额定转速下运行，近似于做无用功，不利于节能；(3)虽然在转速恒定的情况下，电动冲程调节仪可估算出流量，但对于计量泵承受的非线性冲击载而言往往转速波动较大，因此，使得冲程调节仪的精度难以确保；(4)冲程调节仪调节速度慢，动态响应性能差。
发明内容
为了克服上述两种方案的缺点，本发明提出一种带电压补偿的闭环V/F控制策略，可有效抑制转速的大幅波动，确保调节精度，达到显著的变频节能效果。其具体技术方案如下：
一种工业计量泵电压补偿闭环V/F变频控制方法，针对非线性冲击负载，V/F电压补偿控制器采用闭环控制确定补偿电压ΔV,然后按下式计算SVPWM控制策略的电压矢量：
V＝Kvf·fs+ΔV (1)
式中，ns为根据流量调节的需要确定的驱动电机的最佳转速，Kvf为压频比，fs为ns对应的正弦波频率(Hz)，p为异步电机的极对数，具有如下关系：
Figure BDA0001676870760000021
由(2)式可得
Figure BDA0001676870760000022
根据电压V利用SVPWM算法确定PWM的占空比，逆变模块根据PWM占空比将直流母线电压转换成三相正弦交流电。
进一步的，为适应负载的非线性变化采用模糊逻辑控制，根据转速误差和对应的隶属度，构建模糊逻辑表，通过查表获得电压补偿量。
进一步的，在频率调节过程中不进行电压补偿，当达到期望频率fs后，再进行电压补偿，具体如下：
Figure BDA0001676870760000023
式中，ε为进行电压补偿的频率阈值，F_TAB为模糊逻辑表，en为转速误差，λ为隶属度。
进一步的，该方法抑制负载变化引起的大幅转速波动的同时，保留小幅转速波动，利用电机的机械特性，自动适应负载的变化，实现变频节能效果。
附图说明
图1是三相异步电机机械特性图；
图2是减小转速波动的V/F电压动态补偿闭环控制方法流程图；
图3是霍尔磁钢和霍尔传感器的安装示意图；
图4是减速电动机动力输出轴旋转一周过程中负载变化情况示意图；
图5是电压补偿器模糊逻辑控制隶属函数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明作进一步说明。
为了实现节能，在泵和风机控制中普遍采用V/F(调压调频)变频控制策略，但现有的V/F控制为开环控制策略，采用调频调压原理(即V/F＝常数kvf)，由频率来确定电压V，根据三相异步电机的机械特性，当电压一定即频率一定时，V/F控制对转子负载的小幅变化具有良好的自适应特性。但是，往复计量泵承受非线性冲击负载，在一个往复行程中负载变化较大，如图1所示，负载力矩从TLa突变到TLb，转速从na下降至nb，转速有较大的波动，对应的流量也有较大的波动。
为了抑制转速的大幅波动，减轻其对流量检测的影响，本发明在现有开环V/F控制策略的基础上，引进抑制转速大幅波动的闭环控制策略，如图2所示，图中ns为根据流量调节的需要确定的驱动电机的最佳转速，nd为利用霍尔传感器实测的转速，误差en＝ns-nd，针对非线性冲击负载，V/F电压补偿控制器采用闭环控制策略确定补偿电压ΔV,然后按下式计算SVPWM控制策略的电压矢量：
V＝Kvf·fs+ΔV (1)
式中，Kvf为压频比，fs为ns对应的正弦波频率(Hz)，它们具有如下关系：
Figure BDA0001676870760000031
由(2)式可得
Figure BDA0001676870760000032
根据电压V利用SVPWM算法确定PWM的占空比，逆变模块根据PWM占空比将直流母线电压转换成三相正弦交流电，从而达到抑制转速波动的作用。这种新的闭环控制策略既保留了传统开环V/F变频控制策略节能效果显著的特点，又能抑制转速的大幅波动，提高流量的测量精度。
计量泵采用三相异步电机驱动，其转子的转速n<同步转速
Figure BDA0001676870760000041
这里p为异步电机的极对数。当负载增加时，转速n下降，转差率s增加，当负载减小时，转速上升，转差率s减小。由于计量泵属于往复泵，承受非线性冲击负载，因此转速在一定范围内波动。
利用霍尔传感器和霍尔磁钢可实现低成本测速，下面介绍霍尔磁钢和霍尔传感器的安装方法。如图3所示，对于3粒霍尔磁钢的情况，应相隔120°均匀安装在计量泵三相异步电机轴上。正确的安装应该是磁钢轴线和霍尔轴线通过电机轴心，并在同一个平面内。不正确的安装会丢失信号，影响测量精度。
磁钢有极性，不能装反，具体判断方法是：给霍尔传感器正、负端之加9-12V直流电，当霍尔对准磁钢时，指示灯变亮，则极性正确，否则应调换极性。
现有的通用数字变频器一般只适合于负载相对平稳或变化缓慢的对象，而计量泵流体传送部分在一个往复行程过程(对应于驱动电机动力输出轴转一圈)中，负载变化较大，具有明显的非线性脉动特征。计量泵的驱动电机减速器动力输出轴在旋转一周的过程中，负载变化情况如附图4所示。图中带箭头的线段长度表示扭矩大小，假设动力输出轴顺时针旋转。右半部分ABC段表示通过负压将流体从容器吸入泵的隔膜腔内，这时扭矩比较小，且基本上保持不变。左半部分CDA段表示通过对流体的挤压将其从泵的隔膜腔中排出，这时从C点到D点，扭矩逐渐增大，到D点时达到最大，然后，在从D到A的过程中，扭矩又逐渐减小，到达A点时达到最小，隔膜腔内的流体全部排出。从A点开始，又将流体吸入隔膜腔内，再重复上述过程。
减速器动力输出轴每转一圈，往复式计量泵的隔膜腔工作完整的一个周期，前半周期容积由最小变为最大，形成内部真空，关闭出口球阀，打开进口球阀，将流体从容器吸入隔膜腔，后半周期容积由最大变为最小，关闭进口球阀，打开出口球阀，将隔膜腔的流体从出口排出。
根据上述分析可见，计量泵驱动电机承受非线性冲击负载，宜采用模糊逻辑控制，其隶属函数如图5所示，横坐标为转速误差，纵坐标为隶属度。根据转速误差和对应的隶属度，可构建模糊逻辑表，通过查表获得电压补偿量，控制算法计算量小，实时性强，能很好的适应非线性负载变化。
带电压补偿器的闭环V/F变频控制策略中，为了平稳调速，频率的变化是有约束的，即|Δf|≤Δfmax，为了保证调速的平稳性，在频率调节过程中不进行电压补偿，当达到期望频率fs后，再进行电压补偿，具体如下：
Figure BDA0001676870760000051
式中，ε为进行电压补偿的频率阈值，F_TAB为模糊逻辑表，en为转速误差，为隶属度。
通过上述基于电压补偿的闭环控制策略，可有效抑制大幅转速波动，同时克服矢量控制对冲击负载产生的刚性电冲击作用。保留小范围的转速波动，可利用异步电机的自适应特性实现柔性调节和节能。

Claims (3)

1.一种工业计量泵电压补偿闭环V/F变频控制方法，其特征在于：
针对非线性冲击负载，V/F电压补偿控制器采用闭环控制确定补偿电压ΔV,然后按下式计算SVPWM控制策略的电压矢量：
V＝Kvf·fs+ΔV (1)
式中，ns为根据流量调节的需要确定的驱动电机的最佳转速，Kvf为压频比，fs为ns对应的正弦波频率(Hz)，p为异步电机的极对数，具有如下关系：
Figure FDA0002400066230000011
由(2)式可得
Figure FDA0002400066230000012
根据电压矢量V利用SVPWM算法确定PWM的占空比，逆变模块根据PWM占空比将直流母线电压转换成三相正弦交流电；
为适应负载的非线性变化采用模糊逻辑控制，根据转速误差和对应的隶属度，构建模糊逻辑表，通过查表获得补偿电压ΔV。
2.如权利要求1所述的工业计量泵电压补偿闭环V/F变频控制方法，其特征在于：
在频率调节过程中不进行电压补偿，当达到期望频率fs后，再进行电压补偿，具体如下：
Figure FDA0002400066230000013
式中，ε为进行电压补偿的频率阈值，F_TAB为模糊逻辑表，en为转速误差，λ为隶属度。
3.如权利要求1所述的工业计量泵电压补偿闭环V/F变频控制方法，其特征在于：
该方法抑制负载变化引起的大幅转速波动的同时，保留小幅转速波动，利用电机的机械特性，自动适应负载的变化，实现变频节能效果。
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Assignee: NINGBO CHENGUANG WEITENG AUTOMATION MACHINERY CO.,LTD.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980035706

Denomination of invention: Voltage compensation closed-loop V/F variable frequency control method for industrial metering pumps

Granted publication date: 20200804

License type: Common License

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