CN201589973U - 一种智能感应数字化节能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能感应数字化节能装置，包括一压力传感器、一流量传感器、一变频调速器、一智能数字化控制器、一现场显示器和一工控电脑。它根据风机/水泵的转矩特性，采用智能数字化控制器接受流量传感器和压力传感器所采集的风机/水泵的实际风量/流量和压力的4-20mA信号，并经过信号隔离、模数转换和数据缓存输出数字信号，再经过模糊运算、逻辑运算及与从工控电脑中输入的技术参数等进行对比运算后，输出数字信号，并经过数模转换为4-20mA信号控制变频调速器的输出，从而控制风机/水泵的电动机的转速，达到节能降耗的目的。

Description

一种智能感应数字化节能装置

技术领域

本实用新型涉及一种节能装置，尤其是涉及一种智能感应数字化节能装置。

背景技术

节能降耗、增加效益是全社会应为之努力的方向，更是许多企业为了能够在激烈的市场竞争中处于优势地位而采取的重要战略之一。目前，我国的电动机用电量占全国发电量的60％～70％，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。应用于风机、水泵等设备的传统方法是通过调节出口或入口的挡板、阀门开度来控制给风量和给水量，其输出功率大量消耗在挡板、阀门的截流过程中。另外，由于在通常的设计中为了满足峰值需求，水泵选型的裕量往往过大，也造成了不应有的浪费。根据风机、水泵类的转矩特性，采用变频调速器来调节水泵/风机的流量/风量，将大大节约电能。然而，很多企业在对风机、水泵等设备进行节能的过程中，主要是直接采用变频调速器来进行节能工作，从而只形成初级的闭环自控系统，而无完整的程序控制。因此，未能使电动机在最佳的节能状态下运行，以致节能效果很不理想。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供一种智能感应数字化节能装置，它主要由变频技术控制、逻辑运算控制、模糊控制、微机控制技术、工控回路等构成，从而使电动机能够在最佳的节能状态下运行而又不影响生产。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智能感应数字化节能装置，包括：

一压力传感器，输出压力感应信号；

一流量传感器，输出流量感应信号；

一变频调速器，根据控制端的信号，输出调速信号；

一智能数字化控制器，对输入信号进行分析、计算和处理，输出控制信号；

一现场显示器；以及

一工控电脑；

压力传感器和流量传感器分别安装在风机/水泵中，压力传感器拾取风机/水泵的压力感应信号，流量传感器拾取风机/水泵的流量感应信号；压力传感器和流量传感器的输出分别接至智能数字化控制器的输入，压力传感器和流量传感器分别将压力感应信号和流量感应信号输给智能数字化控制器；工控电脑与智能数字化控制器之间通过远程/本地方式相连接，工控电脑向智能数字化控制器输出参数设定信号；智能数字化控制器的电源接入端与整流器的输出相连接，整流器将220V交流市电转为直流电输出给智能数字化控制器；变频调速器的输入与配电系统相连接，变频调速器的输出与风机/水泵相连接；智能数字化控制器的输出与变频调速器的控制端相连接，智能数字化控制器向变频调速器输出控制信号以调节变频调速器的输出；智能数字化控制器与现场显示器相连接。

所述的智能数字化控制器包括第一信号隔离器、第一A/D转换器、第二信号隔离器、第二A/D转换器、第一数据缓存单元、内存单元、第二数据缓存单元、逻辑运算模糊处理控制单元、第三信号隔离器、第一D/A转换器、第三数据缓存单元；第一信号隔离器的输入与压力传感器的输出相连接；第一信号隔离器的输出与第一A/D转换器的输入相连接；第一A/D转换器的输出接至第一数据缓存单元；第二信号隔离器的输入与流量传感器的输出相连接；第二信号隔离器的输出与第二A/D转换器的输入相连接；第二A/D转换器的输出接至第一数据缓存单元；第二数据缓存单元通过远程/本地方式与工控电脑相连接；第一数据缓存单元、第二数据缓存单元分别与内存单元相连接；内存单元、第三数据缓存单元分别与逻辑运算模糊处理控制单元相连接；第一D/A转换器的输入接至第三数据缓存单元；第一D/A转换器的输出接至第三信号隔离器的输入；第三信号隔离器的输出接至变频调速器的控制端。

本实用新型的一种智能感应数字化节能装置，根据风机的风量/水泵的实际流量与转速的1次方成正比，且风机/水泵的压力与电动机转速的2次方成正比，风机/水泵的轴功率与电动机转速的3次方成正比的原理，将所采集的风机/水泵的实际风量/流量和压力信号通过模糊控制和逻辑运算处理后变成标准信号，再将该标准信号反馈给变频调速器，以通过变频调速器实现对风机/水泵的电动机转速的控制。此外，本实用新型还能直接显示出电动机的实际输出功率，从而直接反应出该电动机的节能效果。

本实用新型的有益效果是，由于采用压力传感器对风机/水泵的的压力信号进行采集，采用流量传感器对风机/水泵的流量信号进行采集，并将采集的压力/流量信号传送给智能数字化控制器处理，而智能数字化控制器再将处理完的标准信号反馈给变频调速器，以通过变频调速器来实现对风机/水泵的电动机转速的控制；此外，将工控电脑与智能数字化控制器之间通过远程/本地方式相连接，使得工控电脑能够向智能数字化控制器输出参数设定信号，从而实现了对电动机的软启动，避免了对电网的冲击，降低了电动机的转动噪声，并使电动机能够在过载、过压、过流、欠压、电源缺相等情况下进行自动保护；确保了风机/水泵能够在任何负荷下都能高效运行，并最大限度的降低了风机/水泵系统中电动机的能耗，从而达到高效节能的目的。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明；但本实用新型的一种智能感应数字化节能装置不局限于实施例。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是本实用新型的智能数字化控制器的原理框图；

图3是水泵的流量、压力、功率转速的特性曲线示意图；

图4是水泵的管阻特性、水泵特性与流量的特性曲线示意图；

图5是风机的风压风量的特性曲线示意图。

具体实施方式

实施例，请参见图1所示，本实用新型的一种智能感应数字化节能装置，包括：

一压力传感器8，用于输出压力感应信号；

一流量传感器9，用于输出流量感应信号；

一变频调速器4，用于根据控制端的信号，输出调速信号；

一智能数字化控制器2，其对输入信号进行分析、计算和处理，并输出控制信号；

一现场显示器5；以及

一工控电脑6；

其中，压力传感器8和流量传感器9分别安装在风机/水泵7中，压力传感器8拾取风机/水泵7的压力感应信号，流量传感器9拾取风机/水泵7的流量感应信号；压力传感器8和流量传感器9的输出分别接至智能数字化控制器2的输入，压力传感器8和流量传感器9分别将压力感应信号和流量感应信号输给智能数字化控制器2；工控电脑6与智能数字化控制器2之间通过远程/本地方式相连接，工控电脑6向智能数字化控制器2输出参数设定信号；智能数字化控制器2的电源接入端与整流器1的输出相连接，整流器1将220V交流市电转为24V的直流电输出给智能数字化控制器2；变频调速器4的输入与配电系统3相连接，变频调速器4的输出与风机/水泵7相连接；智能数字化控制器2的输出与变频调速器4的控制端相连接，智能数字化控制器2向变频调速器4输出控制信号以调节变频调速器4的输出；智能数字化控制器2还与现场显示器5相连接，现场显示器5可直接显示风机/水泵7的电动机的实际输出功率。

请参见图2所示，智能数字化控制器2包括第一信号隔离器201、第一A/D转换器202、第二信号隔离器205、第二A/D转换器206、第一数据缓存单元207、内存单元203、第二数据缓存单元204、逻辑运算模糊处理控制单元208、第三信号隔离器211、第一D/A转换器210、第三数据缓存单元209；第一信号隔离器201的输入与压力传感器8的输出相连接；第一信号隔离器201的输出与第一A/D转换器202的输入相连接；第一A/D转换器202的输出接至第一数据缓存单元207；第二信号隔离器205的输入与流量传感器9的输出相连接；第二信号隔离器205的输出与第二A/D转换器206的输入相连接；第二A/D转换器206的输出接至第一数据缓存单元207；第二数据缓存单元204通过远程/本地方式与工控电脑6相连接；第一数据缓存单元207、第二数据缓存单元204分别与内存单元203相连接；内存单元203、第三数据缓存单元209分别与逻辑运算模糊处理控制单元208相连接；第一D/A转换器210的输入接至第三数据缓存单元209的输出；第一D/A转换器210的输出接至第三信号隔离器211的输入；第三信号隔离器211的输出接至变频调速器4的控制端。

本实用新型的一种智能感应数字化节能装置，其智能数字化控制器2接受压力传感器8和流量传感器9从风机/水泵7中所采集的压力、流量的4-20mA信号，并分别经过第一信号隔离器201和第二信号隔离器205，再分别进入第一A/D转换器202和第二A/D转换器206进行模数转换，然后经过第一数据缓存单元207进入内存单元203；操作人员通过工控电脑6向智能数字化控制器2输入技术参数和数学运算模型，并经过第二数据缓存单元204输送给内存单元203；压力、流量的4-20mA信号经过信号隔离和模数转换后的数据连同工控电脑6输入的技术参数和数学运算模型均经内存单元203进入逻辑运算模糊处理控制单元208中，以进行对比运算，并输出数字信号；该数字信号经过第三数据缓冲单元209进入第一D/A转换器210中进行数模转换，然后再经过第三信号隔离器211向变频调速器4的控制端输出4-20mA的标准信号，以通过变频调速器4实现对风机/水泵7的电动机转速的控制。此外，该装置能够根据不同的频率给定值，使变频调速器4通过逻辑运算模糊处理控制单元208给定调节电动机的转速信号来实现对风机/水泵7的转速的控制，以使风机/水泵7能够在实际的工况下进行高效运行，从而达到节能的目的。

请参见图3所示，该图描述了水泵的流量、压力和轴功率与转速n的关系，即水泵的实际流量与转速n的1次方成正比，水泵的压力与电动机转速n的2次方成正比，水泵的轴功率与电动机转速的3次方成正比，因此利用变频调速器4对流量进行调节最直接的效益就是节能降耗。

请参见图4所示，该图描述了水泵采用阀门和本实用新型所提供的节能装置进行流量调节时水泵轴功率的变化情况。图中，当电动机恒速运行，且流量为100％时，工作点为A，水泵的轴功率大小相当于图中Q₁AH₁O所包围的面积。由于水泵的管道阻力h与流量Q之间的关系为h正比于RQ，其中R为阻力系数，使得当水泵采用阀门获得70％的流量时，水泵的管阻h增大，工作点由A变到B。因此，这时水泵的轴功率大小相当于图中Q₂BH₂O所包围的面积。显然，水泵的轴功率下降不大。由于采用变频调节器4进行水泵的流量调节时，水泵的管阻特性没变，而水泵特性发生变化，因此，当水泵采用变频调速器4控制而获得70％的流量时，工作点为C。因此，此时水泵的轴功率大小相当于图中Q₂CH₃O所包围的面积。显然，此时水泵的轴功率下降较大。比较Q₂BH₂O和Q₂CH₃O所包围的面积，可知用变频调速器4比用阀门调节水泵的流量，可以使水泵的轴功率大大减小，且用变频调速器4所节约的能量与CBH₂H₃所包围的面积(图中阴影部分)成正比。此外，如上所述的水泵的轴功率与电动机转速的3次方成正比，因此，采用该节能装置的变频调速器4来控制转速，当流量下降到70％时，电动机的转速n也下降到70％，而轴功率将下降到额定功率的48.2％；当流量下降到60％时，轴功率将下降到19.6％。在排除转速降低所引起的效率降低及附加控制装置所引起的效率影响等的情况下，该节能装置的节能数字也是相当可观的，因此，在水泵中采用转速控制方式进行流量的调节，为在水泵中进行节能降耗提供了一个很有效的途径。

请参见图5所示，该图描述了风机采用调节风门开度和本实用新型所提供的节能装置进行风量调节时风机轴功率的变化情况。由流体力学理论可知，风机的风量Q与转速n的一次方成正比，风压p与转速n的平方成正比，轴功率P与转速n的三次方成正比，因此，当系统工作流程中需要减小风量时，只需调小转速n即可使轴功率P降低很多。例如，当风量Q与转速n均下降到92％时，轴功率P将下降到额定功率的75％；当风量Q与转速n均下降到75％时，轴功率P将下降到额定功率的49％；当风量Q与转速n均下降到65％时，轴功率P将下降到额定功率的32％。图5中，当风机在管路特性曲线R₁工作时，工作点为A，其风量和风压分别为Q₁和p₁，此时，风机所需的轴功率P正比于Ap₁OQ₁所包围的面积。当风量从Q₁减小到Q₂时，若减小调节风门开度，则由于实际上风机的管阻增加，使得风机的工作点移到管路特性曲线R₂上的B点，同时风压增大到p₂，这时风机所需的轴功率正比于Bp₂OQ₂所包围的面积。显然，采用减小调节风门开度进行风机风量的调节，对风机轴功率P的影响不大，因此不利于节能。当采用本实用新型所提供的节能装置来调节风机的风量时，不改变风机的管阻特性，且风机的工作点由A点移到C点，流量仍是Q₂，转速由n₁下降到n₂，风压由p₁下降到p₃。因此，此时风机的轴功率P正比于Cp₃O Q₂所包围的面积。显然，采用该节能装置后，风机的轴功率P大大减小。

由于采用挡板调节风量对应电动机的输入功率P_1v与风量Q的关系为：

$P_{1v}\≈[0.45+0.55{\left(\frac{Q}{Q_N}\right)}^2]P_{1e}$

式中，P_1e为额定风量时电动机的输入功率，Q_N为额定风量，因此，风机的节电率为：

$K_i=1-\frac{{\left(\frac{Q}{Q_N}\right)}^3}{0.45-0.55{\left(\frac{Q}{Q_N}\right)}^2}$

显然，风机采用该节能装置进行调速后，取得了显著的节能效果，且其转速降低后，机械的磨损程度减少了，机械的使用寿命延长了，同时设备的检修周期延长了，且设备的维护量及维修费用也相应减少了。

上述实施例仅用来进一步说明本实用新型的一种智能感应数字化节能装置，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种智能感应数字化节能装置，其特征在于：包括：

一压力传感器，输出压力感应信号；

一流量传感器，输出流量感应信号；

一变频调速器，根据控制端的信号，输出调速信号；

一智能数字化控制器，对输入信号进行分析、计算和处理，输出控制信号；

一现场显示器；以及

一工控电脑；

压力传感器和流量传感器分别安装在风机/水泵中，压力传感器拾取风机/水泵的压力感应信号，流量传感器拾取风机/水泵的流量感应信号；压力传感器和流量传感器的输出分别接至智能数字化控制器的输入，压力传感器和流量传感器分别将压力感应信号和流量感应信号输给智能数字化控制器；工控电脑与智能数字化控制器之间通过远程/本地方式相连接，工控电脑向智能数字化控制器输出参数设定信号；智能数字化控制器的电源接入端与整流器的输出相连接，整流器将220V交流市电转为直流电输出给智能数字化控制器；变频调速器的输入与配电系统相连接，变频调速器的输出与风机/水泵相连接；智能数字化控制器的输出与变频调速器的控制端相连接，智能数字化控制器向变频调速器输出控制信号以调节变频调速器的输出；智能数字化控制器与现场显示器相连接。

2.根据权利要求1所述的智能感应数字化节能装置，其特征在于：所述的智能数字化控制器包括第一信号隔离器、第一A/D转换器、第二信号隔离器、第二A/D转换器、第一数据缓存单元、内存单元、第二数据缓存单元、逻辑运算模糊处理控制单元、第三信号隔离器、第一D/A转换器、第三数据缓存单元；第一信号隔离器的输入与压力传感器的输出相连接；第一信号隔离器的输出与第一A/D转换器的输入相连接；第一A/D转换器的输出接至第一数据缓存单元；第二信号隔离器的输入与流量传感器的输出相连接；第二信号隔离器的输出与第二A/D转换器的输入相连接；第二A/D转换器的输出接至第一数据缓存单元；第二数据缓存单元通过远程/本地方式与工控电脑相连接；第一数据缓存单元、第二数据缓存单元分别与内存单元相连接；内存单元、第三数据缓存单元分别与逻辑运算模糊处理控制单元相连接；第一D/A转换器的输入接至第三数据缓存单元；第一D/A转换器的输出接至第三信号隔离器的输入；第三信号隔离器的输出接至变频调速器的控制端。

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