TWM565752U - 變頻泵浦控制器 - Google Patents

Abstract

本案提出一種變頻泵浦控制器，其包含訊號頻率轉換模組與頻率比對模組，其中訊號頻率轉換模組接收並轉換壓力信號為壓力轉頻率信號，而頻率比對模組比對壓力轉頻率信號與PLC單元的輸出信號並輸出一輸出電壓信號以控制至少一個變頻器。尤其是，當壓力轉頻率信號落入停機偏差範圍內時進行停機偵測，頻率比對模組關閉至少一個變頻器一段時間後，比對壓力轉頻率信號及PLC單元的輸出信號，以決定關閉至少一個變頻器或恢復透過輸出該輸出電壓信號用來控制該變頻器。

Description

變頻泵浦控制器

本新型是關於一種變泵浦控制器，特別是控制多台變頻泵浦的一種變頻泵浦控制器。

馬達為一種產生動能的機械裝置，而泵浦為一種將動能轉換為位能的機械裝置並內含至少一馬達。目前泵浦被廣泛應用在液壓控制、氣壓控制、風壓控制等，甚至是工業製造及電動車領域中。隨者變頻控制技術發展愈趨成熟，結合變頻控制技術及泵浦技術之變頻泵浦，可達成優異的恆壓、恆溫的控制效能，更使馬達的應用範圍亦更加廣泛。

在不同應用領域中，馬達被設計為多種規格，因此變頻控制器為了適應不同規格的馬達，發展出了各種專用型變頻器，請參考第一圖，其為傳統的專用型變頻器120之方塊圖。

首先，透過壓力感測器110將外部信號轉換成電訊號，請注意本新型不以壓力感測器110為限，舉例而言，可替換為溫度感測器等其他感測器。藉由比例-積分-微分(Proportional-Integral-Derivative, PID)控制單元121接收壓力感測器110檢出的壓力信號，並且將檢出的壓力值和預先設定的壓力設定值進行比對，透過迴授控制以動態調頻，可控制馬達加速、減速或定速，使得檢出的壓力值可逼近壓力設定值。

再者，可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)單元123接收該PID控制單元121之輸出信號，並且PLC單元122基於軟體編程以控制變頻器的絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)輸出模組123，藉此，IGBT輸出模組123可控制馬達130轉速，馬達130可被變頻地控制以將壓力維持在壓力設定值附近。

然而，使用專用型變頻器120控制馬達130除了成本高昂，由於更換不同馬達130時即需要更換不同的專用型變頻器120，更使得泵浦系統設計彈性低、修改成本高昂。尤其是，傳統的專用型變頻器120存在運行上的缺點，當傳統的專用型變頻器120在微幅降壓的情況下，經常無法正常關閉馬達運轉，導致專用型變頻器120使馬達持續加壓而爆管(壓力大於管子可容忍的壓力值)的情況發生。

為解決前述問題，本新型提出通用型的一種變頻泵浦控制器，其可適用於各種規格的普通型變頻器，普通型變頻器不包含PID控制單元及PLC單元，或僅具備簡易的PLC功能，變頻泵浦控制器跨接於普通型的變頻器及(壓力)感測器之間，直接控制變頻器，故可有效降低成本，特別是需要同時使用多台變頻器的請況下。

另外，變頻泵浦控制器包含訊號頻率轉換模組及頻率比對模組，透過比對PLC單元的輸出結果和頻率轉換模組的輸出結果，進行停機偵測以確定目前是否有仍使用的情況，此方式有效地判斷是否需要停機，可避免變頻器控制馬達持續加壓而爆管的情況發生。

本新型提出一種變頻泵浦控制器可用以控制至少一變頻器，該變頻泵浦控制器至少包含訊號頻率轉換模組及頻率比對模組，其中訊號頻率轉換模組接收壓力信號，並轉換該壓力信號為壓力轉頻率信號；以及頻率比對模組比對該壓力轉頻率信號與運算輸出頻率信號，以輸出輸出電壓信號以控制該變頻器。此外，該運算輸出頻率信號係相關於該壓力信號與一壓力設定值的比對結果。

尤其是，當比對該壓力轉頻率信號與該運算輸出頻率信號落入停機偏差範圍內時，該頻率比對模組關閉該變頻器一段時間後，比對該壓力轉頻率信號及該運算輸出頻率信號，以決定關閉該變頻器或恢復透過輸出該輸出電壓信號以控制該變頻器。

本新型另提出一種變頻泵浦控制器可用以控制至少一馬達，該變頻泵浦控制器包含訊號頻率轉換模組以及頻率比對模組，其中訊號頻率轉換模組接收壓力信號，並轉換該壓力信號為壓力轉頻率信號；以及頻率比對模組比對該壓力轉頻率信號與運算輸出頻率信號，以輸出輸出電壓信號以控制該馬達之轉速。此外，該運算輸出頻率信號係相關於該壓力信號與壓力設定值的比對結果。

尤其是，當比對該壓力轉頻率信號與該運算輸出頻率信號落入停機偏差範圍內時，該頻率比對模組關閉該馬達一段時間後，比對該壓力轉頻率信號及該運算輸出頻率信號，以決定關閉該馬達或恢復透過輸出該輸出電壓信號以控制該馬達之轉速。

本新型提出可適用於各種規格的普通型變頻器之通用型的變頻泵浦控制器，可使用一台本新型提出的變頻泵浦控制器控制多個普通型變頻器，並且該普通型變頻器可不包含PID控制單元及PLC單元，或僅具備簡易的PLC功能，故可有效降低成本，特別是需要同時使用多台變頻器的請況下。

此外，變頻泵浦控制器包含訊號頻率轉換模組及頻率比對模組，可用以執行停機偵測，其中使變頻器或馬達停止運轉一陣子後，再比對PLC單元的輸出結果和頻率轉換模組的輸出結果，基於比對的結果進一步判定是否需要執行停機。

本新型提出之變頻泵浦控制器包含訊號頻率轉換模組及頻率比對模組可確保即使壓力或溫度存在微幅的變化，也可被頻率比對模組比對步驟正確判定目前是否有仍使用的情況，此方式有效地判斷是否需要停機，以完全避免變頻器控制馬達持續加壓而爆管的情況發生。

此領領域通常知識者可理解，本新型所揭示之壓力感測器僅為例示而不限制本新型的應用範圍，舉例而言，壓力感測器可被溫度感測器替換，而壓力感測器可進一步應用在水壓、空壓等範圍。此外，泵浦控制器可用於控制泵浦之馬達，亦可單純應用於馬達控制，或者，泵浦控制器與馬達及變速器之間可增加任何溝通介面裝置用以連通多個裝置。因此上述任何變化，皆不脫離本新型之保護範疇。

請參考第二圖，其為本新型提出一種變頻泵浦控制器220之方塊圖。壓力感測器210用以感測實際壓力值，並且輸出壓力信號至變頻泵浦控制器220。變頻泵浦控制器220包含PID控制單元221、PLC單元222、訊號頻率轉換模組223及頻率比對模組224。

在此，訊號頻率轉換模組223接收壓力信號並轉換為壓力轉頻率信號，而壓力轉頻率信號之頻率變化的大小可對應至壓力信號之電壓或電流變化的大小，舉例而言，壓力轉頻率信號可為0~60赫茲的頻率信號，而壓力信號可為0~10伏特的電壓信號或4~20毫安培的電流信號，而壓力轉頻率信號的頻率之頻率的高低會隨者壓力信號的電壓或電流大小變動及分佈。

另一方面，壓力信號由PID控制單元221接收並經迴授控制以動態調頻，而改變PID控制單元221的輸出信號，以使壓力信號可以追隨至預先設定的壓力設定值。再者，PLC單元222接收PID控制單元221的輸出信號並將其運算成可控制馬達運轉的運算輸出頻率信號，故運算輸出頻率信號相關於壓力信號與壓力設定值的比對結果，舉例而言，運算輸出頻率信號可為為0~60赫茲的頻率信號，即其頻率範圍等同於壓力轉頻率信號的頻率範圍。

頻率比對模組224接收壓力轉頻率信號與轉頻率信號，其中壓力轉頻率信號可表示為目前實際壓力值，而運算輸出頻率信號可表示為PID控制單元221判斷馬達被調變以加速或降速。因此，頻率比對模組224可基於該二頻率信號比對的情況用來判定目前使用情況，進而產生適當的輸出電壓信號來控制主變頻器231、輔助變頻器232等多個變頻器。

本新型進一步提出的控制流程，請參考第三圖，其為本新型提出一種變頻泵浦控制器220包含的停機偵測之流程圖，用於當變頻泵浦控制器220以使實際壓力追隨到壓力設定值後，壓力轉頻率信號落在停機偏差值的範圍內，停機偏差範圍係根據該壓力設定值的正負一停機偏差值，且該停機偏差值為百分比值。舉例而言，壓力信號的範圍為0~10伏特(等於0~10巴(bar))，壓力設定值為5伏特(等於5巴)，偏差值為5%。當壓力轉頻率信號及運算輸出頻率信號皆為30赫茲，即表示追隨成功，並且偏差值的範圍為28.5赫茲到31.5赫茲。因此，當壓力轉頻率信號(實際壓力值)維持在偏差值的範圍內，變頻泵浦控制器進入停機偵測。

首先，步驟301為壓力轉頻率信號落入停機之偏差值的範圍內，因此進行步驟302，變頻泵浦控制器進行停機偵測。變頻泵浦控制器先將運算輸出頻率信號延遲控制主變頻器231及輔助變頻器232一段時間，以關閉主變頻器231及輔助變頻器232一段時間，例如，輸出電壓信號皆為0伏特維持一段時間，使得馬達暫停加壓，同時PID控制單元221以及PLC單元222持續運算。

接著進行步驟304的停機判斷，若目前無人使用，故壓力轉頻率信號將維持或超過30赫茲，由於壓力值已達壓力設定值，故運算輸出頻率信號會下降或維持不變而低於或等於30赫茲，因此壓力轉頻率信號高於或等於運算輸出頻率信號，故停機判斷結果為「是」，並接續執行步驟305以逐步關閉變頻器。

反之，若目前持續使用中，故壓力轉頻率信號將低於30赫茲，由於壓力值未達壓力設定值，故運算輸出頻率信號會上升而高於30赫茲，因此壓力轉頻率信號低於運算輸出頻率信號，故停機判斷結果為「否」，並接續執行步驟306，依據運算輸出頻率信號轉換成輸出電壓信號，以進行恆壓的追蹤運算。

基於上述步驟，變頻泵浦控制器即使在微幅的壓力變化下，仍可在停機一段時間後，使此壓力轉頻率信號與運算輸出頻率信號的差異拉開，進而明確的判斷目前是否有人使用並正確停機，避免持續加壓而爆管，有效且準確的控制變頻器。

上述的變頻泵浦控制器及停機偵測流程並不以控制變頻器為限，此領域通常知識者可理解，在合理的情況及軟硬體配置下，上述的變頻泵浦控制器直接控制馬達仍不脫離本新型的範圍。

101、210‧‧‧壓力感測器
120‧‧‧專用型變頻器
220‧‧‧變頻馬達控制器
121、221‧‧‧PID控制單元
122、222‧‧‧PLC單元
123‧‧‧IGBT輸出模組
223‧‧‧訊號頻率轉換模組
130‧‧‧馬達
224‧‧‧頻率比對模組
231‧‧‧主變頻器
232‧‧‧輔助變頻器
301~307‧‧‧步驟

第一圖係傳統的專用型變頻器之方塊圖。

第二圖係本新型提出一種變頻泵浦控制器之方塊圖。

第三圖係本新型提出一種變頻泵浦控制器執行停機偵測之流程圖。

Claims (12)

1. 一種變頻泵浦控制器，用以控制至少一變頻器，包含： 一訊號頻率轉換模組，接收一壓力信號並轉換該壓力信號為一壓力轉頻率信號；以及 一頻率比對模組，比對該壓力轉頻率信號與一運算輸出頻率信號，以輸出一輸出電壓信號以控制該變頻器； 其中該運算輸出頻率信號係相關於該壓力信號與一壓力設定值的比對結果；以及 其中當該壓力轉頻率信號落入一停機偏差範圍內時，該頻率比對模組關閉該變頻器一段時間後，比對該壓力轉頻率信號及該運算輸出頻率信號，以關閉該變頻器或恢復透過輸出該輸出電壓信號以控制該變頻器。
2. 如申請專利範圍第1項之變頻泵浦控制器，其中： 當該頻率比對模組延遲輸出該輸出電壓信號以關閉該變頻器一段時間後，該壓力轉頻率信號之頻率高於或等於該運算輸出頻率信號之頻率時，該頻率比對模組關閉該變頻器。
3. 如申請專利範圍第1項之變頻泵浦控制器，其中： 當該頻率比對模組延遲輸出該輸出電壓信號以關閉該變頻器一段時間後，該壓力轉頻率信號之頻率低於該運算輸出頻率信號之頻率時，該頻率比對模組恢復輸出該輸出電壓信號以控制該變頻器。
4. 如申請專利範圍第1項之變頻泵浦控制器，其中該訊號頻率轉換模組依據該壓力信號的電壓或電流變化的大小調變輸出該壓力轉頻率信號的頻率變化大小。
5. 如申請專利範圍第1項之變頻泵浦控制器，其中該停機偏差範圍係根據該壓力設定值正負一停機偏差值的範圍，且該停機偏差值為一百分比值。
6. 如申請專利範圍第1項之變頻泵浦控制器，其進一步包含： 一PID控制單元，基於該壓力信號與該壓力設定值之差異，輸出一PID輸出信號；以及 一PLC單元，基於該PID輸出信號運算輸出該運算輸出頻率信號，以控制該變頻器之馬達的轉速。
7. 如申請專利範圍第1項之變頻泵浦控制器，其中該變頻器用以控制一馬達或一泵浦。
8. 一種變頻泵浦控制器，用以控制至少一馬達，包含： 一訊號頻率轉換模組，接收一壓力信號並轉換該壓力信號為一壓力轉頻率信號；以及 一頻率比對模組，比對該壓力轉頻率信號與一運算輸出頻率信號，以輸出一輸出電壓信號以控制該馬達之轉速； 其中該運算輸出頻率信號係相關於該壓力信號與一壓力設定值的比對結果；以及 其中當該壓力轉頻率信號落入一停機偏差範圍內時，該頻率比對模組關閉該馬達一段時間後，比對該壓力轉頻率信號及該運算輸出頻率信號，以關閉該馬達或恢復透過輸出該輸出電壓信號以控制該馬達之轉速。
9. 如申請專利範圍第8項之變頻泵浦控制器，其中： 當該頻率比對模組延遲該輸出電壓信號以關閉該馬達一段時間後，該壓力轉頻率信號之頻率高於或等於該運算輸出頻率信號之頻率時，該頻率比對模組關閉該馬達。
10. 如申請專利範圍第8項之變頻泵浦控制器，其中： 當該頻率比對模組延遲該輸出電壓信號以關閉該馬達一段時間後，該壓力轉頻率信號之頻率低於該運算輸出頻率信號之頻率時，該頻率比對模組恢復輸出該輸出電壓信號以控制該馬達。
11. 如申請專利範圍第8項之變頻泵浦控制器，其中該訊號頻率轉換模組依據該壓力信號的電壓或電流變化的大小調變輸出該壓力轉頻率信號的頻率變化大小。
12. 如申請專利範圍第8項之變頻泵浦控制器，其中該停機偏差範圍係根據該壓力設定值的正負一停機偏差值，且該停機偏差值為百分比值。