CN116760330A - 一种用于变频控制装置的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于变频控制装置的控制系统，具体涉及医疗技术领域，包括水位监测子系统、变频调速子系统、核心控制子系统以及监测通信子系统；本发明通过水位监测子系统检测煤矿中的水位信息，当水位超过限制时，需要变频器进行调频，建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，并判断变频器损失功率是否在变频器容量中，通过模糊算法对变频器进行控制，再通过监测通信子系统对变频器进行监测，当超出设定的保护范围时发出警报，变频控制能够实现高效调速，相较于传统控制方式，其节能效果显著，有助于降低煤矿企业的用电消耗，节省大量资金，同时使设备的运行更加平稳，减少了设备磨损，降低了设备维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于变频控制装置的控制系统。
背景技术
在煤矿施工和开采期间，各种来源的水随时将向煤矿内注入，煤矿排水装置不但要对各个时间段流入井内的矿水进行排除，还需对涌来的水进行应急排水。煤矿排水系统承担着排出矿井内积水的重要任务，排水系统中的各个设备能否正常运转，对确保矿井的安全生产有着十分重要的影响。通过将水泵等离心式涡轮机应用于排水系统，虽实现了排水功能，但其存在耗电量较大的问题。原有的驱动方式和控制方法主要基于排水能力的实现，对经济性要求不高。在需要调整水流量的情况下，水泵转速经过变频调速技术后进行调整的改造，具有显著的节能作用，通常情况下，能够节省30%-40%的能源。而现有技术中对于通过变频控制装置进行自动排水的策略缺乏详细的制定方法，设计对煤矿排水的自动控制系统迫在眉睫，为了解决上述问题，现提供一种技术方案。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种用于变频控制装置的控制系统，通过水位监测子系统检测煤矿中的水位信息，当水位超过限制时，需要变频器进行调频，建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，并判断变频器损失功率是否在变频器容量中，通过模糊算法对变频器进行控制，再通过监测通信子系统对变频器进行监测，当超出设定的保护范围时发出警报，变频控制能够实现高效调速，相较于传统控制方式，其节能效果显著，节能率可达20%-60%，有助于降低煤矿企业的用电消耗，节省大量资金，同时使设备的运行更加平稳，减少了设备磨损，降低了设备维护成本，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于变频控制装置的控制系统，包括水位监测子系统、变频调速子系统、核心控制子系统以及监测通信子系统，各模块具体功能为：
水位监测子系统通过测距传感器检测煤矿中的水位信息，将水位信息传递至变频调速子系统；
变频调速子系统包括能量损失检测模块、判别模块以及警报模块，用于建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，并判断变频器损失功率是否在变频器容量中；
核心控制子系统通过模糊算法对变频器进行控制，再用重心法计算变频器损失功率的模糊值进行清晰化；
监测通信子系统包括监测模块、变频器保护模块、通信模块、警报模块以及存储模块，用于对变频器超出设定的保护范围时进行监测并发出警报，通过远程通信实现远程控制。
作为本发明进一步的方案，变频调速子系统包括能量损失检测模块、判别模块以及警报模块，能量损失检测模块与判别模块相连接，判别模块与警报模块相连接。
能量损失检测模块用于建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，判别模块用于判断变频器损失功率是否在变频器容量中，当变频器损失功率不在变频器容量范围内时，将引发警报模块。
作为本发明进一步的方案，变频调速子系统用于建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，并判断变频器损失功率是否在变频器容量中，其中，变频器损失功率通过水泵工作效率、水泵损失功率以及水泵消耗功率三个预测指标建立预测模型，变频器损失功率预测模型的公式为：
；
式中：为变频器损失功率，/>为水泵工作效率，/>为水泵损失功率，/>为水泵消耗功率。
作为本发明进一步的方案，水泵消耗功率通过水泵的流量、扬程、功率、效率、转速以及吸水高度计算获得，水泵消耗功率的计算公式为：
；
式中：为水泵的流量，/>为水泵的扬程，/>为水泵的功率，/>为水泵的效率，/>为水泵的转速，/>为水泵的吸水高度。
作为本发明进一步的方案，水泵消耗功率通过水泵的水利损失量、容积损失量以及机械损失量计算获得，水泵消耗功率的计算公式为：
；
式中：为水泵的水利损失量，/>为水泵的容积损失量，/>为水泵的机械损失量。
作为本发明进一步的方案，变频调速子系统判断变频器损失功率是否在变频器容量中，其中变频器的容量包括输出电流以及输出功率，变频器的输出电流以及输出功率的计算公式为：
；
；
式中：为变频器输出电流，/>为电流波形补偿系数，/>为电机额定电流，/>为电机损失电流，/>为变频器输出功率，/>为电机额定功率，/>为电机效率，/>为电机的功率因数。
作为本发明进一步的方案，核心控制子系统通过模糊算法对变频器进行控制，将变频器损失功率输入至模糊算法中，输出为变频器损失功率的模糊值，再将变频器损失功率的模糊值进行清晰化处理，通过模糊算法对变频器进行控制的公式为：
；
式中：为变频器损失功率的模糊值，/>为模糊控制的反馈增益，/>为变频器中跟踪器的非线性函数，/>为非线性函数的设计参数，/>为输出的误差边界，/>为跟踪器的滤波误差；
对变频器损失功率的模糊值进行清晰化处理的公式为：
；
式中：为变频器损失功率的清晰值。
作为本发明进一步的方案，监测通信子系统包括监测模块、变频器保护模块、通信模块、警报模块以及存储模块，监测模块与变频器保护模块相连接，变频器保护模块与通信模块相连接，通信模块与警报模块相连接，通信模块也与存储模块相连接。
作为本发明进一步的方案，监测通信子系统的变频器保护模块包括转矩突变保护单元、频率超限保护单元、电动机失速保护单元、用能超限保护单元、冲击超限保护单元、防爆超限保护单元、转矩突变报警单元、频率超限报警单元、电动机失速报警单元、用能超限报警单元、冲击超限报警单元、防爆超限报警单元以及显示单元，其中，转矩突变保护单元与频率超限保护单元相连接，频率超限保护单元与电动机失速保护单元相连接，电动机失速保护单元与用能超限保护单元相连接，用能超限保护单元与冲击超限保护单元相连接，冲击超限保护单元防爆超限保护单元相连接，转矩突变保护单元与转矩突变报警单元相连接，频率超限保护单元与频率超限报警单元、电动机失速保护单元电动机失速报警单元、用能超限保护单元与用能超限报警单元、冲击超限保护单元与冲击超限报警单元、防爆超限保护单元与防爆超限报警单元相连接，转矩突变报警单元、频率超限报警单元、电动机失速报警单元、用能超限报警单元、冲击超限报警单元、防爆超限报警单元都与显示单元相连接。
当变频器保护模块检测到转矩突变时，将引发转矩突变报警单元；当检测到频率超限时，将引发频率超限报警单元；当检测到电动机失速时，将引发频率电动机失速报警单元；当检测到用能超限时，将引发频率用能超限报警单元；当检测到冲击超限时，将引发频率冲击超限报警单元；当检测到防爆超限时，将引发防爆超限报警单元。引发相应的报警单元后将在显示模块上及时进行显示，便于工作人员及时进行维修。
作为本发明进一步的方案，监测通信子系统的变频器保护模块需在通风良好并干燥的区域，并保持其与墙壁或其他遮挡物之间的距离大于一米。
本发明一种用于变频控制装置的控制系统的技术效果和优点：
1、本发明通过变频控制能够实现高效调速，相较于传统控制方式，其节能效果显著，节能率可达20%-60%，有助于降低煤矿企业的用电消耗，节省大量资金；
2、本发明通过实现自动化变频控制，不仅能够降低人工成本，提高排水设备的运行效率，还能够实现科学、合理的调度排水量与时间；
3、本发明通过建立变频器损失功率预测模型能够使设备的运行更加平稳，从而减少设备磨损，降低设备维护成本，并且减少了人工干预，降低人为操作失误的风险，从而提高生产安全。
附图说明
图1为本发明一种用于变频控制装置的控制系统的结构示意图。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种用于变频控制装置的控制系统，包括水位监测子系统、变频调速子系统、核心控制子系统以及监测通信子系统，各模块具体功能为：
水位监测子系统通过测距传感器检测煤矿中的水位信息，将水位信息传递至变频调速子系统；
变频调速子系统包括能量损失检测模块、判别模块以及警报模块，用于建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，并判断变频器损失功率是否在变频器容量中；
核心控制子系统通过模糊算法对变频器进行控制，再用重心法计算变频器损失功率的模糊值进行清晰化；
监测通信子系统包括监测模块、变频器保护模块、通信模块、警报模块以及存储模块，用于对变频器超出设定地保护范围时进行监测并发出警报，通过远程通信实现远程控制。
本发明实施例中变频调速子系统包括能量损失检测模块、判别模块以及警报模块，能量损失检测模块与判别模块相连接，判别模块与警报模块相连接。
本发明实施例中通过水位监测子系统检测煤矿中的水位信息，当水位超过限制时，需要变频器进行调频，建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，并判断变频器损失功率是否在变频器容量中，通过模糊算法对变频器进行控制，再通过监测通信子系统对变频器进行监测，当超出设定地保护范围时发出警报，变频控制能够实现高效调速，相较于传统控制方式，其节能效果显著，，有助于降低煤矿企业的用电消耗，节省大量资金，同时使设备的运行更加平稳，减少了设备磨损。
本发明实施例中变频调速子系统用于建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，并判断变频器损失功率是否在变频器容量中，其中，变频器损失功率通过水泵工作效率、水泵损失功率以及水泵消耗功率三个预测指标建立预测模型，变频器损失功率预测模型的公式为：
；
式中：为变频器损失功率，/>为水泵工作效率，/>为水泵损失功率，/>为水泵消耗功率。
其中，变频器损失功率与水泵工作效率的对数成正比函数关系，与十四倍的水泵损失功率成正比函数关系，与水泵消耗功率成平方根函数关系，由函数关系反映变频器损失功率受水泵损失功率的影响较大，受水泵工作效率、水泵消耗功率的影响较小。
本发明实施例中水泵消耗功率通过水泵的流量、扬程、功率、效率、转速以及吸水高度计算获得，水泵消耗功率的计算公式为：
；
式中：为水泵的流量，/>为水泵的扬程，/>为水泵的功率，/>为水泵的效率，/>为水泵的转速，/>为水泵的吸水高度。
其中，水泵消耗功率与水泵的流量成五次根号函数关系，与水泵的扬程的对数成五次根号函数关系，与水泵的效率成正比函数关系，与水泵的功率的平方成反比函数关系，与水泵的转速成反比函数关系，与水泵的吸水高度e的指数成反函数关系，e为自然对数函数关系，由函数关系反映水泵消耗功率受水泵的效率影响较大，受水泵的流量、扬程、功率、转速以及吸水高度的影响较小。
本发明实施例中水泵消耗功率通过水泵的水利损失量、容积损失量以及机械损失量计算获得，水泵消耗功率的计算公式为：
；
式中：为水泵的水利损失量，/>为水泵的容积损失量，/>为水泵的机械损失量。
其中，水泵消耗功率与水泵的水利损失量的平方根成三次方函数关系，与十七倍的容积损失量成三次方函数关系，与四倍的机械损失量成正比函数关系，由函数关系反映水泵消耗功率受水泵的容积损失量以及机械损失量的影响较大，受水泵的水利损失量影响较小。
本发明实施例中变频调速子系统判断变频器损失功率是否在变频器容量中，其中变频器的容量包括输出电流以及输出功率，变频器的输出电流以及输出功率的计算公式为：
；
；
式中：为变频器输出电流，/>为电流波形补偿系数，/>为电机额定电流，/>为电机损失电流，/>为变频器输出功率，/>为电机额定功率，/>为电机效率，/>为电机的功率因数。
本发明实施例中核心控制子系统通过模糊算法对变频器进行控制，将变频器损失功率输入至模糊算法中，输出为变频器损失功率的模糊值，再将变频器损失功率的模糊值进行清晰化处理，通过模糊算法对变频器进行控制的公式为：
；
式中：为变频器损失功率的模糊值，/>为模糊控制的反馈增益，/>为变频器中跟踪器的非线性函数，/>为非线性函数的设计参数，/>为输出的误差边界，/>为跟踪器的滤波误差；
对变频器损失功率的模糊值进行清晰化处理的公式为：
；
式中：为变频器损失功率的清晰值。
其中，变频器损失功率的清晰值与变频器损失功率的模糊值、变频器损失功率通过水泵工作效率、水泵损失功率以及水泵消耗功率成正比函数关系，由函数关系反映变频器损失功率的清晰值受损失功率的模糊值、变频器损失功率通过水泵工作效率、水泵损失功率以及水泵消耗功率的影响同样重要。
本发明实施例中监测通信子系统包括监测模块、变频器保护模块、通信模块、警报模块以及存储模块，监测模块与变频器保护模块相连接，变频器保护模块与通信模块相连接，通信模块与警报模块相连接，通信模块也与存储模块相连接。
本发明实施例中监测通信子系统的变频器保护模块包括转矩突变保护单元、频率超限保护单元、电动机失速保护单元、用能超限保护单元、冲击超限保护单元、防爆超限保护单元、转矩突变报警单元、频率超限报警单元、电动机失速报警单元、用能超限报警单元、冲击超限报警单元、防爆超限报警单元以及显示单元，其中，转矩突变保护单元与频率超限保护单元相连接，频率超限保护单元与电动机失速保护单元相连接，电动机失速保护单元与用能超限保护单元相连接，用能超限保护单元与冲击超限保护单元相连接，冲击超限保护单元防爆超限保护单元相连接，转矩突变保护单元与转矩突变报警单元相连接，频率超限保护单元与频率超限报警单元、电动机失速保护单元电动机失速报警单元、用能超限保护单元与用能超限报警单元、冲击超限保护单元与冲击超限报警单元、防爆超限保护单元与防爆超限报警单元相连接，转矩突变报警单元、频率超限报警单元、电动机失速报警单元、用能超限报警单元、冲击超限报警单元、防爆超限报警单元都与显示单元相连接。
当变频器保护模块检测到转矩突变时，将引发转矩突变报警单元；当检测到频率超限时，将引发频率超限报警单元；当检测到电动机失速时，将引发频率电动机失速报警单元；当检测到用能超限时，将引发频率用能超限报警单元；当检测到冲击超限时，将引发频率冲击超限报警单元；当检测到防爆超限时，将引发防爆超限报警单元。引发相应的报警单元后将在显示模块上及时进行显示，便于工作人员及时进行维修。
本发明实施例中监测通信子系统的变频器保护模块需在通风良好并干燥的区域，并保持其与墙壁或其他遮挡物之间的距离大于一米。
本发明实施例中水位监测子系统检测煤矿中的水位信息，当水位超过限制时，需要变频器进行调频，通过水泵工作效率、水泵损失功率以及水泵消耗功率建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，并判断变频器损失功率是否在变频器容量中，通过模糊算法对变频器进行控制，对变频器配备多个保护传感器，包括转矩突变、频率超限、电动机失速、用能超限、防爆超限以及冲击超限，再通过监测通信子系统对变频器进行监测，当超出设定地保护范围时发出警报，变频控制能够实现高效调速，相较于传统控制方式，其节能效果显著，节能率可达20%-60%，有助于降低煤矿企业的用电消耗，节省大量资金，同时使设备的运行更加平稳，减少了设备磨损，降低了设备维护成本，通过实现自动化变频控制，不仅能够降低人工成本，提高排水设备的运行效率，还能够实现科学、合理的调度排水量与时间。建立变频器损失功率预测模型能够使设备的运行更加平稳，从而减少设备磨损，降低设备维护成本，并且减少了人工干预，降低人为操作失误的风险，从而提高生产安全。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于变频控制装置的控制系统，包括水位监测子系统、变频调速子系统、核心控制子系统以及监测通信子系统，其特征在于，
水位监测子系统通过测距传感器检测煤矿中的水位信息，将水位信息传递至变频调速子系统；
变频调速子系统用于建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，并判断变频器损失功率是否在变频器容量中；
核心控制子系统通过模糊算法对变频器进行控制，再用重心法计算变频器损失功率的模糊值进行清晰化；
监测通信子系统用于对变频器超出设定的保护范围时进行监测并发出警报，并通过远程通信实现远程控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于变频控制装置的控制系统，其特征在于，变频调速子系统包括能量损失检测模块、判别模块以及警报模块，能量损失检测模块与判别模块相连接，判别模块与警报模块相连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于变频控制装置的控制系统，其特征在于，变频调速子系统用于建立变频器损失功率预测模型得到变频器损失功率，并判断变频器损失功率是否在变频器容量中，其中，变频器损失功率通过水泵工作效率、水泵损失功率以及水泵消耗功率三个预测指标建立预测模型，变频器损失功率预测模型的公式为：
；
式中：为变频器损失功率，/>为水泵工作效率，/>为水泵损失功率，/>为水泵消耗功率。
4.根据权利要求3所述的一种用于变频控制装置的控制系统，其特征在于，水泵消耗功率通过水泵的流量、扬程、功率、效率、转速以及吸水高度计算获得，水泵消耗功率的计算公式为：
；
式中：为水泵的流量，/>为水泵的扬程，/>为水泵的功率，/>为水泵的效率，/>为水泵的转速，/>为水泵的吸水高度。
5.根据权利要求3所述的一种用于变频控制装置的控制系统，其特征在于，水泵消耗功率通过水泵的水利损失量、容积损失量以及机械损失量计算获得，水泵消耗功率的计算公式为：
；
式中：为水泵的水利损失量，/>为水泵的容积损失量，/>为水泵的机械损失量。
6.根据权利要求3所述的一种用于变频控制装置的控制系统，其特征在于，变频调速子系统判断变频器损失功率是否在变频器容量中，其中变频器的容量包括输出电流以及输出功率，变频器的输出电流以及输出功率的计算公式为：
；
；
式中：为变频器输出电流，/>为电流波形补偿系数，/>为电机额定电流，/>为电机损失电流，/>为变频器输出功率，/>为电机额定功率，/>为电机效率，/>为电机的功率因数。
7.根据权利要求1所述的一种用于变频控制装置的控制系统，其特征在于，核心控制子系统通过模糊算法对变频器进行控制，将变频器损失功率输入至模糊算法中，输出为变频器损失功率的模糊值，再将变频器损失功率的模糊值进行清晰化处理，通过模糊算法对变频器进行控制的公式为：
；
式中：为变频器损失功率的模糊值，/>为模糊控制的反馈增益，/>为变频器中跟踪器的非线性函数，/>为非线性函数的设计参数，/>为输出的误差边界，/>为跟踪器的滤波误差；
对变频器损失功率的模糊值进行清晰化处理的公式为：
；
式中：为变频器损失功率的清晰值。
8.根据权利要求1所述的一种用于变频控制装置的控制系统，其特征在于，监测通信子系统包括监测模块、变频器保护模块、通信模块、警报模块以及存储模块，监测模块与变频器保护模块相连接，变频器保护模块与通信模块相连接，通信模块与警报模块相连接，通信模块也与存储模块相连接。
9.根据权利要求8所述的一种用于变频控制装置的控制系统，其特征在于，监测通信子系统的变频器保护模块包括转矩突变保护单元、频率超限保护单元、电动机失速保护单元、用能超限保护单元、冲击超限保护单元、防爆超限保护单元、转矩突变报警单元、频率超限报警单元、电动机失速报警单元、用能超限报警单元、冲击超限报警单元、防爆超限报警单元以及显示单元，其中，转矩突变保护单元与频率超限保护单元相连接，频率超限保护单元与电动机失速保护单元相连接，电动机失速保护单元与用能超限保护单元相连接，用能超限保护单元与冲击超限保护单元相连接，冲击超限保护单元防爆超限保护单元相连接，转矩突变保护单元与转矩突变报警单元相连接，频率超限保护单元与频率超限报警单元、电动机失速保护单元电动机失速报警单元、用能超限保护单元与用能超限报警单元、冲击超限保护单元与冲击超限报警单元、防爆超限保护单元与防爆超限报警单元相连接，转矩突变报警单元、频率超限报警单元、电动机失速报警单元、用能超限报警单元、冲击超限报警单元、防爆超限报警单元都与显示单元相连接。
10.根据权利要求9所述的一种用于变频控制装置的控制系统，其特征在于，监测通信子系统的变频器保护模块需在通风良好并干燥的区域，并保持其与墙壁或其他遮挡物之间的距离大于一米。
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