CN201771737U - 使水泵运行在最佳转速下的节电控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器，包括：变频器、流量计、控制单元、温度传感器或水位传感器、采集单元、计算单元、输入单元、以及停机检测单元。其由控制单元控制所述变频器，以使水泵依序在不同的转速下运行，并由采集单元采集流量计所测出的水泵在不同的转速下的水流量和所述水泵在不同的转速下变频器的运行电流和电压，接着由计算单元计算水泵在各不同的转速下水流量和所消耗的电功率的比值，由此获得所述水泵在各不同转速下水流量和电功率比值的最大值，以建立水泵转速和最大比值的对应数据，再根据所述对应数据控制水泵的运行，从而可使水泵能以电能最省的最佳转速运行，实现能源的节约。

Description

使水泵运行在最佳转速下的节电控制器 

技术领域

本实用新型涉及一种控制水泵运行的控制器，特别涉及一种使水泵运行在最佳转速下的节电控制器。 

背景技术

水泵系统通过变频调速技术，可以大幅度节省电能，近几年来得到了非常广泛的应用。 

水泵系统变频调速技术的基本程式是一个闭环控制系统，它根据水温、水温差、压力、压力差、液位等参数的变化，自动调节变频器的输出频率，进而改变水泵电机的转速。由于水泵系统设计时留有一定的功率余量，或者说具有一定的杨程余量或流量余量，引入变频调速技术后，水泵电机的转速必然会有一定幅度的下降。根据流体力学原理，水泵轴功率与转速的3次方成正比，所以节电效果非常突出。 

但这种闭环控制方法也存在明显的缺点，这就是它在降低了水泵的转速后，它的工作点严重偏离了水泵、电机、变频器的最大效率区间，系统的综合效率大幅度下降。由于水泵、电机、变频器的效率以及管道特性等都与电源频率即电机转速有关，见图1A-1D，一般的闭环控制方法只是将电机转速降到水泵流量与实际需要流量相一致，而没有综合考虑水泵、电机、变频器的效率和管道特性与电源频率的关系，因此，无法保证整个系统工作在效率最佳状态，所以仍然存在很大的电能浪费和节能空间。现有这种采用普通闭环控制方式的变频调速节能技术，尽管有显著的节电效果，但用户获得的节电效益扣除大额的经费投入后所剩无几。这就造成很多用户的水泵系统不愿意采用变频节电技术。 

因此，如何充分兼顾水泵、电机、变频器的效率以及管道特性等各个环节对节电效果影响，如何进一步提高节电率，到底用什么样的控制策略，能够最大限度地节约电能，一直是水泵系统节能研究中一个重要问题。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种使水泵运行在最佳转速下的节电控制器，以最大限度节约能源。 

为了达到上述目的及其他目的，本实用新型提供的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器，包括：变频器；安装在与所述水泵相连接的管道上的流量计，其用于计量所述管道中的 水流量；用于向所述变频器发出各种控制指令以使所述变频器控制所述水泵的运行的控制单元；用于测试与所述水泵相连的循环系统的出水和回水温度或储水系统的液位的温度传感器或水位传感器；与所述变频器、流量计、温度传感器或水位传感器相连接且用于采集所述流量计所测出的水流量、变频器的运行电流和电压、所述温度传感器或水位传感器所测得的数据的采集单元；用于根据所述采集单元所采集的不同转速下所述水泵的水流量、变频器的运行电流和电压，计算所述水泵在各不同的转速下水流量和所消耗的电功率的比值，由此获得所述水泵在各不同转速下水流量和电功率比值的最大值，以建立水泵转速与水流量和电功率的最大比值的对应数据的计算单元，同时其还用于计算出水和回水温度之差；输入单元，用于提供一输入界面以使用户输入当前流量需求信息，并当用户输入当前流量需求信息后，使所述控制单元根据所述当前流量需求及所述计算单元计算出的水泵转速与水流量和电功率的最大比值的对应数据，确定所述水泵当前需运行的转速，并根据所述计算单元计算出水和回水温度之差或者水位传感器的信息进一步确定所述水泵当前间歇性运行的运行和停止时间，以便控制单元能将所述水泵当前需运行的转速和所述水泵当前间歇性运行的运行和停止时间提供至所述变频器，使所述变频器能正确控制所述水泵的运行；以及用于提供停机指令输入按钮以供用户输入停机指令，并根据所述停机指令使所述控制单元发出停止指令以使所述变频器控制水泵逐渐停止运行的停机检测单元。 

其中，所述流量计可为超声波流量计；所述温度传感器可采用铂热电阻传感器；所述水位传感器可采用超声波物位计或雷达物位计。 

优选的，所述控制单元和计算单元的功能可由CPU和输出电压电流转换电路完成；所述采集单元可包括：与所述温度传感器相连的温度信号处理电路或与水位传感器相连的输入电流电压转换电路。 

综上所述，本实用新型的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器通过综合效率测试单元测试出在不同转速下的能源消耗最小值，据此控制水泵的转速，由此实现能源的节约。 

附图说明

图1A至1D分别为现有水泵转速、电机转速、变频器的效率曲线及管道阻力损失与流量的关系示意图。 

图2为本实用新型的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器的基本结构示意图。 

图3为本实用新型的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器的具体电路架构示意图。 

 图4为本实用新型的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器的计算单元计算出的综合效率与转速之间的关系示意图。 

图5为本实用新型的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器的实际运行曲线。 

具体实施方式

请参阅图2及图3，本实用新型的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器至少包括：变频器、流量计、控制单元、温度传感器或水位传感器、采集单元、计算单元、输入单元、以及停机检测单元等。 

所述变频器用于改变水泵电机的转速，其结构及工作原理已为本领域技术人员所知悉，故在此不再详述。 

所述流量计安装在与所述水泵相连接的管道上，用于计量所述管道中的水流量，其可为超声波流量计。在本实施例中，采用型号为STG-100的流量计计量水流量，水流量单位为立方米/小时。 

所述温度传感器或水位传感器用于测试与所述水泵相连的循环系统的出水和回水温度或储水系统的液位。通常，对于水塔、蓄水池一类的储水系统，采用水位传感器，例如可采用US-500系列超声波物位计或LD系列雷达物位计等。而对于供热、冷却一类的连续性水循环系统，采用温度传感器检测出水温度和回水温度，例如可采用PT100型铂热电阻传感器来检测出水温度和回水温度。 

所述采集单元与所述变频器、流量计、温度传感器或水位传感器相连接，用于采集所述流量计所测出的水流量、变频器的运行电流和电压、所述温度传感器或水位传感器所测得的水位或温度信息。所述采集单元可包括与所述温度传感器相连的温度信号处理电路或与水位传感器(即液位变送器)相连的输入电流电压转换电路。至于采集流量计的流量信息以及变频器的运行电压和电流的方式，后续予以说明。 

所述计算单元用于根据所述采集单元所采集的不同转速下所述水泵的水流量、变频器的运行电流和电压，计算所述水泵在各不同的转速下水流量和所消耗的电功率的比值，由此获得所述水泵在各不同转速下水流量和电功率比值的最大值，以建立水泵转速与水流量和电功率最大比值的对应数据。此外，计算单元还负责计算温度传感器提供的出水和回水温度之差。在本实施例中，所述计算单元的功能和控制单元的功能都由CPU和输出电压电流转换电路来完成，因此，所述超声波流量计的信息可直接通过RS485接口(其可被看成采集单元的组成部分)接入计算单元，所述变频器的运行电压和电流可通过通讯总线(其也可被看成采集单 元的组成部分)接入计算单元。 

所述输入单元用于提供一输入界面以使用户输入当前流量需求信息。当然，所述输入界面也可包含其它参数输入栏，以满足不同用户的需求。 

所述控制单元用于向所述变频器发出各种控制指令，以使所述变频器控制所述水泵的运行。所述控制单元用于根据所述输入单元提供的当前流量需求、及所述计算单元提供的水泵转速与水流量和电功率的最大比值的对应数据，确定所述水泵当前需运行的转速，并根据计算单元计算出的出水和回水温度之差或水位传感器提供的信息进一步确定所述水泵当前间歇性运行的运行和停止时间，以便根据所述水泵当前需运行的转速和所述水泵当前间歇性运行的运行和停止时间控制所述变频器，使所述变频器能正确控制所述水泵的运行。例如，对于水塔、蓄水池一类的储水系统，当水位传感器感测到液位降到最低限度时，所述控制单元则确定水泵需要立即启动，并按照最高综合效率的转速运行；而当水位传感器感测到液位升到最高限度时，所述控制单元则确定水泵需要立即停止。而对于供热、冷却一类的连续性水循环系统，所述控制单元则计算出出水温度与回水温度之差，即“出水/回水温差”，当出水/回水温差偏大时，需要缩短水泵停机时间的比例，延长运行时间的比例；当出水/回水温差偏小时，需要延长停机时间的比例，缩短运行时间的比例。此外，停机、运行周期的长短，也可根据用户在前述输入界面中输入的要求来确定，若要求温度稳定度越高，则需要停机、运行周期越短。 

所述停机检测单元用于提供停机指令输入按钮以供用户输入停机指令，控制单元根据所述停机指令使所述变频器控制水泵逐渐停止运行。 

上述使水泵运行在最佳转速下的节电控制器工作流程可如下： 

第一步，系统开始运行，其可向用户提供基本的运行数据(提供的方式可以是显示屏显示的方式等)，用户也可进一步查询相关数据，也可设置、修改相关参数等。 

第二步，系统判断是否进行系统效率测试的步骤，例如，可根据用户输入的指令来判断：即如果用户输入指令要求对系统进行系统效率测试，则进入系统效率测试过程，否则，系统进入判断水泵是否需要运行的过程。其中，系统效率测试过程为： 

由控制单元发出指令，使变频器控制水泵由高到低按顺序在不同的转速下运行，同时所述采集单元采集变频器的运行电压和电流，由计算单元计算所消耗的电功率，流量计计量管道中的水流量，所述计算单元再计算管道中水的流量与所消耗的电功率之比值，就是水泵系统的综合效率，更为具体的说，也就是先由变频器以软启动方式给水泵电机供电，供电频率由0逐步上升到最高频率，在最高频率保持一定时间，测出最高频率时的综合效率。然后将 运行频率减1，再次测出该频率点的系统的综合效率。如此反复进行“运行频率减1，再次测出该频率点的系统的综合效率”步骤，直到运行频率低于系统设置的最低频率时，系统效率测试过程才结束，这时已经测试出水泵系统在不同运行频率下的综合效率，再将各综合效率与相应的水泵转速相互对应，形成一组对应于不同转速的数据保存起来，作为控制水泵运行的依据。本实施例测出的综合效率与转速的关系示意图如图 

所示，通常有一个最大值。一般情况下，只要水泵、电机、变频器、管道等没有变化，测试的数据就可以长期使用。 

第三步，判断是否运行步骤：同样根据用户输入的指令来判断，即如果用户在输入界面输入当前的流量需求信息，系统即进入水泵运行步骤；否则，系统返回到读取数据、显示数据、设置参数的步骤。 

水泵运行步骤：由所述控制单元根据用户输入的当前的流量需求信息和计算单元所提供的水泵转速与水流量和电功率的最大比值的对应数据来所确定的水泵当前需运行的转速，并根据所述温度传感器或水位传感器提供的信息进一步确定所述水泵当前间歇性运行的运行和停止时间。控制单元再根据所述水泵当前需运行的转速和所述水泵当前间歇性运行的运行和停止时间对变频器进行控制，使所述变频器能正确控制所述水泵的运行。例如，对于水塔、蓄水池一类的储水系统，当水位传感器感测到液位降到最低限度时，所述控制单元确定水泵需要立即启动，并按照最高综合效率的转速运行；而当水位传感器感测到液位升到最高限度时，所述控制单元则确定水泵需要立即停止。而对于供热、冷却一类的连续性水循环系统，所述控制单元则计算出出水温度与回水温度之差，即“出水/回水温差”，当出水/回水温差偏大时，需要缩短水泵停机时间的比例，延长运行时间的比例；当出水/回水温差偏小时，需要延长停机时间的比例，缩短运行时间的比例。此外，停机、运行周期的长短，也可根据用户在前述输入界面中输入的要求来确定，若要求温度稳定度越高，则需要停机、运行周期越短。 

此外，在水泵的运行过程中，停机检测单元不断检测用户是否发出停机指令，如果没有发出停机指令，则保持水泵继续运行；否则进入软停车步骤：即所述控制单元发出停机指令，以使所述变频器控制水泵逐渐减速直到停止。 

由上可见，在本实用新型的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器的控制下，水泵有4种状态(如图5所示)：①停机状态、②启动阶段、③运行状态、④软停车阶段，在所有运行状态，水泵都终运行在综合效率最大值附近(图中f1是综合效率曲线最大值对应的供电频率)。 

综上所述，本实用新型的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器通过采集单元、计算单元测 试出综合效率与转速之间的对应关系，从而使变频器能提供相应的供电频率，进而使水泵在在所有运行状态，态都工作在综合效率最大值附近，能最大限度地节约能源。 

上述实施例仅列示性说明本实用新型的原理及功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本实用新型的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本实用新型的权利保护范围，应如权利要求书所列。 

Claims (6)

1.一种使水泵运行在最佳转速下的节电控制器，其特征在于包括：

变频器；

安装在与所述水泵相连接的管道上的流量计，用于计量所述管道中的水流量；

控制单元，用于向所述变频器发出各种控制指令，以使所述变频器控制所述水泵的运行；

温度传感器或水位传感器，用于测试与所述水泵相连的循环系统的出水和回水温度或储水系统的液位；

采集单元，分别与所述变频器、流量计、温度传感器或水位传感器相连接，

计算单元，与采集单元的输出端连接；

输入单元，与控制单元连接；

停机检测单元，与控制单元连接，用于提供停机指令输入按钮以供用户输入停机指令，并根据所述停机指令使所述控制单元发出停止指令以使所述变频器控制水泵逐渐停止运行。

2.如权利要求1所述的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器，其特征在于：所述流量计为超声波流量计。

3.如权利要求1所述的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器，其特征在于：所述控制单元和计算单元的功能由CPU和输出电压电流转换电路完成。

4.如权利要求1所述的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器，其特征在于：所述温度传感器采用铂热电阻传感器。

5.如权利要求1所述的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器，其特征在于：所述水位传感器采用超声波物位计或雷达物位计。

6.如权利要求1所述的使水泵运行在最佳转速下的节电控制器，其特征在于：所述采集单元包括：与所述温度传感器相连的温度信号处理电路或与水位传感器相连的输入电流电压转换电路。 

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