CN116981847A - 液环泵的控制 - Google Patents

Abstract

一种控制系统，其包括：液环泵(10)；马达(12)，其被构造成驱动液环泵(10)；以及控制器(20)，其被构造成：确定马达(12)内的电流；确定马达(12)的速度；计算函数(F)的值，该函数(F)是马达(12)内的所确定的电流和马达(12)的所确定的速度的函数；以及基于函数(F)的计算值来输出一个或多个控制信号。

Description

液环泵的控制

技术领域

本发明涉及液环泵的控制。

背景技术

液环泵是已知类型的泵，其通常在商业上用作真空泵和气体压缩机。液环泵通常包括其中具有腔室的壳体、延伸到腔室中的轴、安装到轴上的叶轮、以及可操作地连接到轴以驱动该轴的驱动系统(诸如，马达)。叶轮和轴偏心地定位在液环泵的腔室内。

在操作中，腔室部分地填充有操作液体(也称为服务液体)。当驱动系统驱动轴和叶轮时，液环形成在腔室的内壁上，由此提供隔离相邻叶轮叶片之间的单独容积的密封件。叶轮和轴相对于液环偏心地定位，这导致叶轮的相邻叶片与液环之间所封闭的容积的循环变化。

在腔室的其中液环更远离轴的部分中，在相邻叶轮叶片之间存在较大的容积，这导致其中的压力较小。这允许其中液环更远离轴的部分充当进气区。在腔室的其中液环更靠近轴的部分中，在相邻叶轮叶片之间存在较小的容积，这导致其中的压力较大。这允许其中液环更靠近轴的部分充当气体排放区。

液环泵的示例包括单级液环泵和多级液环泵。单级液环泵涉及仅使用单个腔室和叶轮。多级液环泵(例如，两级液环泵)涉及使用串联连接的多个腔室和叶轮。

发明内容

本发明人已认识到，在一些情况下，诸如在已停机一定的时间长度之后，液环泵可以在“干”或“干运行”状态下开始操作。在这样的干状态下，液环泵中存在低于期望水平的操作液体。因此，在液环泵内可能产生大量热量，这可能损坏液环泵的部件。本发明人已认识到，液环泵的机械密封件往往容易受损，这由使液环泵在干状态下运行产生的热量引起。

本发明人已进一步认识到，期望提供一种以防止、减少或限制液环泵在其干状态下操作的方式来控制液环泵的方法。

本发明人已进一步认识到，当液环泵在其干状态下运行时，驱动液环泵的马达内的电流(即，马达布线中的电流，诸如马达的定子绕组中的电流)低于正常操作条件下的电流。然而，仅使用该电流的测量值来检测液环泵是否正在其干状态下操作往往是不可能的，因为低速运行的马达中的电流也将往往是低的，即使被驱动的液环泵不是正在其干状态下操作。本发明人已进一步认识到，液环泵的干状态能够基于驱动液环泵的马达内的电流与该马达的速度的某种函数(诸如，比率)来确定。

在一方面，提供了一种控制系统，其包括：液环泵；马达，其被构造成驱动液环泵；以及控制器，其被构造成：确定马达内的电流；确定马达的速度；计算函数的值，该函数是马达内的所确定的电流和马达的所确定的速度的函数；以及基于函数的计算值来输出一个或多个控制信号。

控制系统可还包括警报模块，该警报模块被构造成输出听觉和/或视觉警报。所述一个或多个控制信号中的第一控制信号可用于控制警报模块的操作。所述一个或多个控制信号中的第二控制信号可用于控制马达的操作。

函数可以是马达内的所确定的电流与马达的所确定的速度之间的比率。

控制器可还被构造成：将函数的计算值与阈值进行比较；以及基于该比较来输出所述一个或多个控制信号。所确定的电流可以是以安培为单位的电流的值。马达的速度可以是以每分钟转数为单位的值。阈值可以是大于或等于0.015的值。阈值可等于约0.02。

控制系统可还包括警报模块，该警报模块被构造成输出听觉和/或视觉警报。控制器可还被构造成：响应于确定函数的计算值小于或等于阈值，输出第一控制信号以控制警报模块输出听觉和/或视觉警报。

控制器可还被构造成：响应于确定函数的计算值小于或等于阈值，向马达输出第二控制信号以使马达停止驱动液环泵。控制器可被构造成：响应于函数的值在预定义时间段小于或等于阈值，向马达输出第二控制信号。该预定义时间段可在2至5秒的范围内，例如约3秒。

控制器可被构造成：响应于确定函数的计算值大于阈值，向马达输出第三控制信号以控制马达驱动(例如，继续驱动)液环泵。

控制系统可还包括：泵，其被构造成将操作液体泵送到液环泵中；以及另外的马达，其被构造成驱动泵。所述一个或多个控制信号中的一个控制信号可用于控制泵的操作。

控制器可包括变频驱动器。

在另外的方面，提供了一种用于控制系统的方法。该系统包括液环泵、被构造成驱动液环泵的马达、以及控制器。该方法包括：由控制器确定马达内的电流；由控制器确定马达的速度；由控制器计算函数的值，该函数是马达内的所确定的电流和马达的所确定的速度的函数；以及由控制器基于函数的计算值来输出一个或多个控制信号。

在另外的方面，提供了一个程序或多个程序，其布置成使得当由计算机系统或者一个或多个处理器执行时，所述一个程序或多个程序引起计算机系统或者所述一个或多个处理器进行下述：确定联接到计算机系统或者所述一个或多个处理器的马达内的电流，该马达被构造成驱动液环泵；确定马达的速度；计算函数的值，该函数是马达内的所确定的电流和马达的所确定的速度的函数；以及基于函数的计算值来输出一个或多个控制信号。

在另外的方面，提供了一种机器可读存储介质，其存储根据前一方面的一个程序或所述多个程序中的至少一个程序。

附图说明

图1是示出真空系统的示意性图示(未按比例)；

图2是液环泵的示意性图示(未按比例)；以及

图3是过程流程图，其示出了由真空系统实施的控制过程的某些步骤。

具体实施方式

图1是示出真空系统2的示意性图示(未按比例)。真空系统2联接到设施4，使得在操作中，真空系统2通过从设施4吸取气体(例如，空气)而在设施4处建立真空或低压环境。

在该实施例中，真空系统2包括止回阀6、液环泵10、马达12、分离器14、泵系统16、控制器20和警报模块22。

设施4经由抽吸或真空管线或管28连接到液环泵10的入口。

止回阀6设置在抽吸管线28上。止回阀6设置在设施4与液环泵10之间。

止回阀6被构造成准许流体(例如，气体，诸如空气)从设施4流动到液环泵10并且防止或阻止流体沿相反方向(即，从液环泵10流动到设施4)流动。

在该实施例中，液环泵10是单级液环泵。

液环泵10的气体入口连接到抽吸管线28。液环泵10的气体出口连接到排放管线或管30。液环泵10经由第一操作液体管32联接到泵系统16。液环泵10被构造成经由第一操作液体管32从泵系统16接收操作液体。液环泵10由马达12驱动。

图2是示例液环泵10的截面的示意性图示(未按比例)。在描述图2中所示的液环泵10之后，将稍后在下文更详细地描述真空系统2的其余部分。

图2中所图示的液环泵10包括限定基本上圆柱形的腔室102的壳体100、延伸到腔室102中的轴104、以及固定地安装到轴104上的叶轮106。液环泵10的气体入口108(该气体入口联接到抽吸管线28)流体地连接到腔室102的进气口。液环泵10的气体出口(图2中未示出)流体地连接到腔室102的气体输出。

在液环泵10的操作期间，操作液体经由第一操作液体管32被接收在腔室102中。而且，轴104由马达12旋转，由此使叶轮106在腔室102内旋转。当叶轮106旋转时，腔室102中的操作液体(图中未示出)被迫抵靠腔室102的壁，由此形成液环，该液环密封并隔离相邻叶轮叶片之间的单独容积。而且，气体(诸如，空气)从抽吸管线28经由气体入口108以及腔室102的进气口被吸取到腔室102中。该气体流入形成在叶轮106的相邻叶片之间的容积中。叶轮106的旋转引起所述容积尺寸减小。当气体从腔室102的进气口移动到腔室102的气体输出时，叶轮106的旋转压缩包含在容积内的气体，在气体输出处，压缩气体离开腔室102。离开腔室102的压缩气体然后经由气体出口和排放管线30离开液环泵。

现在回到图1的描述，排放管线30联接在液环泵10的气体出口与分离器14的入口之间。分离器14经由排放管线30连接到液环泵10，使得排放流体(即，压缩气体，其可伴随或包括水滴和/或蒸气)由分离器14接收。

分离器14被构造成将从液环泵10接收的排放流体分离成气体(例如，空气)和操作液体。

从所接收的排放流体中分离的气体经由系统出口管34从分离器14和真空系统2排出。

分离器14包括操作液体入口，经由该操作液体入口，从所接收的排放流体中分离的操作流体经由排出管或排空管36从分离器14和真空系统2输出。

在该实施例中，泵系统16包括泵(例如，离心泵)和被构造成驱动该泵的马达。泵系统16被构造成经由第二操作液体管40从操作液体源38泵送操作液体并经由第一操作液体管32将所述操作液体泵送到液环泵。

操作液体源38可以是任何适当的操作液体源。例如，在操作液体为水的实施例中，操作液体源38可以是自来水供应、河流、湖泊、储水箱等。

控制器20可包括一个或多个处理器。在该实施例中，控制器20是比例积分(PI)控制器。在该实施例中，控制器20包括变频驱动器(VFD)42。VFD 42被构造成控制马达12的速度。VFD 42可还被构造成控制泵系统16的马达的速度。

控制器20经由其VFD 42并且经由第一连接44连接到马达12，使得用于控制马达12的控制信号可从控制器20发送到马达12。第一连接44可以是任何适当类型的连接，包括但不限于电线或光纤，或无线连接。马达12被构造成根据其从控制器20接收的控制信号来操作。稍后在下文参考图3更详细地描述控制器20对马达12的控制。

控制器20经由其VFD 42并且经由第二连接46还连接到泵系统16，使得用于控制泵系统16的控制信号可从控制器20发送到泵系统16的马达。第二连接46可以是任何适当类型的连接，包括但不限于电线或光纤，或无线连接。泵系统16被构造成根据其从控制器20接收的控制信号来操作。

控制器20经由第三连接48还连接到警报模块22，使得用于控制警报模块22的控制信号可从控制器20发送到警报模块22。第三连接48可以是任何适当类型的连接，包括但不限于电线或光纤，或无线连接。

警报模块22被构造成向远离真空系统2的人和/或其他系统(例如，计算机系统)提供或输出警报或通知。适当的警报或通知的示例包括但不限于听觉警报(诸如，警铃)和视觉警报(诸如，显示器上的消息或闪光灯)。

因此，提供了真空系统2的实施例。

通过构造或调整任何合适的设备(例如，一个或多个计算机或其他处理设备或处理器)和/或提供附加模块，可提供用于实施以上布置和执行稍后在下文要描述的方法步骤的设备，其包括控制器20。设备可包括计算机、计算机的网络、或者一个或多个处理器，以用于实施指令和使用数据，包括呈存储在机器可读存储介质中或其上的一个计算机程序或多个计算机程序的形式的指令和数据，机器可读存储介质诸如计算机存储器、计算机盘、ROM、PROM等或者这些或其他存储介质的任何组合。

图3是示出用于控制液环泵10的操作的控制过程的实施例的某些步骤的过程流程图。

应注意，可省略图3的流程图中所描绘的以及下文所描述的某些过程步骤，或可以以不同于下文所呈现的以及图3中所示的次序的次序来执行这样的过程步骤。此外，尽管为了方便及易于理解已将所有过程步骤描绘为分立的时间顺序步骤，然而，这些过程步骤中的一些实际上可同时执行或至少在一定程度上在时间上重叠。

图3的过程可被视为“防干运行(anti-dry run)”过程。

在步骤s2处，从“断开”状态的断电开始，控制器20控制马达12驱动液环泵10。换言之，开始液环泵的泵送操作。

在步骤s4处，控制器20确定或测量马达12中(即，马达12的布线内)的电流，诸如马达12的定子绕组中的电流。特别地，在该实施例中，VFD 42确定或测量马达12中的电流。特别地，在该实施例中，VFD 42将马达12的输入功率从AC转换为DC且然后转换回AC，以实现所期望的频率。在此转换过程期间确定或测量输出电流。电流的测量值可存储在VFD 42的集成电路板的寄存器中。

可在液环泵10开始泵送操作时或之后不久(例如，在启动马达12的预定时间段内)确定或测量马达12中的电流。

在步骤s6处，控制器20确定或测量马达12的速度。特别地，在该实施例中，VFD 42确定或测量马达12的速度。更具体地，VFD确定供应给马达12的输出功率的频率。VFD 42使用供应给马达12的输出功率的频率来确定马达12的速度。特别地，在该实施例中，马达12的速度被确定为：

其中：nN是马达12的速度；

f是输出功率的频率；以及

P是马达12的极对数。

可在液环泵10开始泵送操作时或之后不久(例如，在启动马达12的预定时间段内)确定或测量马达12的速度。

优选地，确定或测量马达12的速度所处的时间点或针对的时间点与在步骤s4处确定或测量马达12中的电流所处的时间点或针对的时间点相同。

在步骤s8处，控制器20计算马达12中的电流(在步骤s4处确定)和马达的速度(在步骤s6处确定)的函数。

在该实施例中，控制器20计算马达12的电流和速度的比率。换句话说，控制器20计算函数F，其中：

F＝I/s

其中：

I是马达12中的所确定的电流，其可以以安培(A)为单位测量；以及

s是马达12的所确定的速度，其可以以每分钟转数(rpm)为单位测量。

例如，马达12内的电流可被确定为77A，并且马达12的速度可被确定为2100rpm。因此，函数F的值可为77/2100＝0.037。

在步骤s10处，控制器20将所确定的函数值F与阈值进行比较。第一阈值可以是任何适当的值。本发明人已认识到，液环泵的干运行条件可对应于F＝0.015的函数值。因此，优选地，阈值大于0.015。例如，阈值可在0.015-0.030的范围内，或更优选地在0.015-0.025的范围内，或更优选地为约0.020。

如果在步骤s10处，控制器20确定函数值F小于或等于阈值(例如，如果F≤0.02)，则方法进行到s12。

然而，如果在步骤s10处，控制器20确定函数值F大于阈值，则方法进行到s18。稍后在下文将更详细地描述步骤s18。

在步骤s12处，响应于确定函数值F小于或等于阈值，控制器20确定液环泵10正在干运行条件(即，在液环泵10中存在不足的操作液体)下操作。因此，在步骤s12处，控制器20控制警报模块22输出警报。

在步骤s14处，在控制器20的控制下，警报模块22为真空系统2的人类操作员输出警报、警铃或通知(诸如，视觉和/或听觉警报)。因此，得以通知人类操作员采取适当的行动。这样的行动的示例包括但不限于检查或确定干运行状态的根本原因是什么、采取行动来消除异常元素、在控制器的显示器上重置错误、以及重新启动系统。

在步骤s16处，响应于确定液环泵10正在其干运行条件下操作历时大于或等于预定义时间段的时间，控制器20控制马达12停止驱动液环泵10。因此，如果在函数F值小于阈值的情况下液环泵10操作历时预定义时间段，则液环泵10停机。有利地，液环泵的这种停机往往减少或限制了可由过多热量引起的对液环泵10的部件(诸如，液环泵的机械密封件)的损坏，过多热量是由于液环泵10在其“干”状态(即，其中的操作液体不足)下操作所致而产生的。

预定义时间段可以是可设定的或可调节的，例如由人类操作员进行设定或调节。预定义时间段可以是任何适当的时间段。本发明人已认识到，约2s与5s之间的时间段且更优选地约3s往往提供了对液环泵10的部件的损坏的改进的减少。

在步骤s16之后，图3的过程结束，其中液环泵10停机。随后，随着在步骤s2处启动液环泵10，可重新开始图3的过程。

现在回到在步骤s10处控制器20确定函数值F大于阈值的情况，方法进行到s18。

在步骤s18处，控制器20确定液环泵10不是正在干运行条件(即，在液环泵10中存在足够的操作液体)下操作。因此，在步骤s18处，控制器20控制马达12继续驱动液环泵10。可以以这种方式驱动液环泵10，直到它停机，并且图3的过程结束。

由此，提供了由真空系统2实施的控制过程的实施例。

有利地，上述系统和方法允许以减少或限制液环泵在其干条件(即，具有不足的操作液体)下操作的方式来控制液环泵。因此，上述系统和方法往往减少或限制了对液环泵的部件(诸如，其机械密封件)的损坏。

有利地，控制器(例如，VFD)被构造成使用VFD本身的操作参数或状态来确定马达内的电流和马达的速度。VFD可主要被构造成用于马达速度控制。在VFD工作过程期间，由固件/执行软件来测量马达内的电流和由VFD输出的功率的频率两者并将它们存储在VFD的寄存器中。通过控制器的处理器与VFD之间的现有通信，控制器的那些处理器有利地可获得那些值。因此，往往减少、消除或避免了对用于测量这些参数中的任一者或两者的附加传感器的需求。往往减少或消除了这样的传感器发生故障的风险。此外，往往也实现了设计节省(spec-saving)。此外，往往减少或消除了对传感器维护的要求。尽管如此，在一些实施例中，可由传感器测量马达内的电流和马达的速度中的一者或两者。这样的传感器可联接到马达并被构造成向控制器发送测量值。

在以上实施例中，真空系统包括上文参考图1描述的元件。特别地，真空系统包括止回阀、液环泵、马达、分离器、泵送系统、控制器、警报模块、以及其间的连接。然而，在其他实施例中，真空系统包括代替或除了上文所描述的那些元件之外的其他元件。而且，在其他实施例中，真空系统的一些或所有元件可以以与上文所描述的方式不同的适当方式连接在一起。在一些实施例中，可实施多个液环泵。

在以上实施例中，分离器经由相应的输出管从系统输出分离后的操作液体和分离后的气体。然而，在其他实施例中，不从系统输出分离后的操作液体和/或分离后的气体。例如，在一些实施例中，操作液体从分离器再循环回到液环泵中。操作液体的再循环有利地往往降低了操作成本和用水量。在一些实施例中，可省略分离器。

在以上实施例中，液环泵是单级液环泵。然而，在其他实施例中，液环泵是不同类型的液环泵，例如多级液环泵。

在以上实施例中，操作液体是水。然而，在其他实施例中，操作液体是不同类型的操作液体。

在以上实施例中，控制器是PI控制器。然而，在其他实施例中，控制器是不同类型的控制器，诸如比例(P)控制器、积分(I)控制器、微分(D)控制器、比例微分控制器(PD)控制器、比例积分微分控制器(PID)控制器、或模糊逻辑控制器。

在以上实施例中，单个控制器控制多个系统元件(例如，马达)的曝作。然而，在其他实施例中，可使用多个控制器，每个控制器控制元件组的相应子集。例如，在一些实施例中，每个马达可具有相应的专用控制器。

在以上实施例中，马达的布线内的电流和马达速度的函数F是F＝I/s。然而，在其他实施例中，实施马达的布线内的电流和马达速度的不同函数。例如，可将权重应用于所确定的电流和/或马达速度。

在以上实施例中，基于函数F的值与阈值的比较来执行对液环泵的警报和可能的停机。然而，在其他实施例中，基于函数F的值与阈值的比较来执行一个或多个不同的行动，以代替或补充对液环泵的警报和停机中的一者或两者。例如，在一些实施例中，如果基于函数F的值与阈值的比较而确定液环泵正在其干状态下操作，则可控制泵送系统的马达以调节或调制操作液体到液环泵中的流动，例如以增加操作液体到液环泵中的流动。这样，液环泵就可脱离其干状态操作。

附图标记

2-真空系统

4-设施

6-止回阀

10-液环泵

12-马达

14-分离器

16-泵系统

20-控制器

22-警报模块

28-抽吸管线

30-排放管线

32-第一操作液体管

34-系统出口管

36-排空管

38-操作液体源

40-第二操作液体管

42-变频驱动器

44-第一连接

46-第二连接

100-壳体

102-腔室

104-轴

106-叶轮

108-气体入口

s2-s28-方法步骤

Claims (17)

1.一种控制系统，其包括：

液环泵；

马达，其被构造成驱动所述液环泵；以及

控制器，其被构造成：

确定所述马达内的电流；

确定所述马达的速度；

计算函数的值，所述函数是所述马达内的确定的电流和所述马达的确定的速度的函数；以及

基于所述函数的计算值来输出一个或多个控制信号。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其还包括警报模块，所述警报模块被构造成输出听觉和/或视觉警报，其中，所述一个或多个控制信号中的第一控制信号用于控制所述警报模块的操作。

3.根据权利要求1或2所述的控制系统，其中，所述一个或多个控制信号中的第二控制信号用于控制所述马达的操作。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的控制系统，其中，所述函数是所述马达内的所述确定的电流与所述马达的所述确定的速度之间的比率。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的控制系统，其中，所述控制器还被构造成：

将所述函数的所述计算值与阈值进行比较；以及

基于所述比较来输出所述一个或多个控制信号。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其中：

所述确定的电流是以安培为单位的电流的值；

所述马达的速度是以每分钟转数为单位的值；并且

所述阈值是大于或等于0.015的值。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其中，所述阈值等于约0.02。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的控制系统，其中：

所述控制系统还包括警报模块，所述警报模块被构造成输出听觉和/或视觉警报；

所述控制器还被构造成：响应于确定所述函数的所述计算值小于或等于所述阈值，输出第一控制信号以控制所述警报模块输出所述听觉和/或视觉警报。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的控制系统，其中：

所述控制器还被构造成：响应于确定所述函数的所述计算值小于或等于所述阈值，向所述马达输出第二控制信号以使所述马达停止驱动所述液环泵。

10.根据权利要求9所述的控制系统，其中：

所述控制器被构造成：响应于所述函数的所述值在预定义时间段小于或等于所述阈值，向所述马达输出所述第二控制信号。

11.根据权利要求10所述的控制系统，其中，所述预定义时间段在2至5秒的范围内。

12.根据权利要求5至11中任一项所述的控制系统，其中：

所述控制器还被构造成：响应于确定所述函数的所述计算值大于所述阈值，向所述马达输出第三控制信号以控制所述马达驱动所述液环泵。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的控制系统，其中：

所述控制系统还包括：

泵，其被构造成将操作液体泵送到所述液环泵中；以及

另外的马达，其被构造成驱动所述泵；并且

所述一个或多个控制信号中的控制信号用于控制所述泵的操作。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的控制系统，其中，所述控制器包括变频驱动器。

15.一种用于控制系统的方法，所述系统包括液环泵、被构造成驱动所述液环泵的马达、以及控制器，所述方法包括：

由所述控制器确定所述马达内的电流；

由所述控制器确定所述马达的速度；

由所述控制器计算函数的值，所述函数是所述马达内的确定的电流和所述马达的确定的速度的函数；以及

由所述控制器基于所述函数的计算值来输出一个或多个控制信号。

16.一个程序或多个程序，其布置成使得当由计算机系统或者一个或多个处理器执行时，所述一个程序或多个程序引起所述计算机系统或者所述一个或多个处理器进行下述：

确定联接到所述计算机系统或者所述一个或多个处理器的马达内的电流，所述马达被构造成驱动液环泵；

确定所述马达的速度；

计算函数的值，所述函数是所述马达内的确定的电流和所述马达的确定的速度的函数；以及

基于所述函数的计算值来输出一个或多个控制信号。

17.一种机器可读存储介质，其存储根据权利要求16所述的一个程序或所述多个程序中的至少一个程序。