預(yù)冷水泵變頻節(jié)能控制策略

于微波， 王 巖， 杜遵生

（長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長春 130012）

0 引 言

預(yù)冷系統(tǒng)是空分設(shè)備的重要組成部分，位于空透與分子篩純化器之間，用以降低壓縮后氣體的溫度，保證空分設(shè)備后續(xù)工藝的順利運行。另有對空氣進(jìn)行洗滌，初步清除雜質(zhì)的作用。水泵電機作為冷卻系統(tǒng)的主要設(shè)備，它的能耗問題一直備受關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，全國泵類電機耗電量約占全國電力消耗的20%。在傳統(tǒng)的節(jié)流調(diào)節(jié)運行方式中，預(yù)冷水泵在工頻下恒速運轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)閥門擋板開度控制流量、壓力等信號，但此時系統(tǒng)耗電量和輸出功率并未減少，截流過程浪費了大量能源。由于預(yù)冷水泵軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，轉(zhuǎn)速下降將大大降低軸功率，因此，可采用變頻調(diào)速技術(shù)避免上述耗能問題，且能改善系統(tǒng)啟動性能及運行特性。

1 預(yù)冷水泵運行的能耗分析

預(yù)冷系統(tǒng)利用預(yù)冷水泵輸送冷卻水來冷卻壓縮后的空氣。輸送水量的大小直接影響冷卻效果，冷卻水流量太大，造成能源浪費;流量太小，又達(dá)不到工藝要求。因此，預(yù)冷水泵的流量是控制的關(guān)鍵。預(yù)冷水泵傳統(tǒng)的運行方式為節(jié)流調(diào)節(jié)，是指采用固定轉(zhuǎn)速的電機驅(qū)動水泵主軸旋轉(zhuǎn)，連續(xù)地將能量傳遞給冷卻水，實現(xiàn)冷卻水的輸送。供水過程根據(jù)實際工況調(diào)節(jié)閥門擋板的開度，改變管阻特性曲線和工作點位置，得到目標(biāo)冷卻水流量，其特性曲線如圖1所示。

圖1 預(yù)冷水泵特性曲線圖

電機在額定轉(zhuǎn)速下恒速運行，揚程特性曲線為曲線1，若使流量由Q0減小至Q1，通過減小閥門開度，增加管路阻力的方法，使管阻特性由曲線3移至曲線4的位置，相應(yīng)的工作點由 A變?yōu)锽點。此時，揚程從H0提高至H1，產(chǎn)生H1-H0段損失。若在閥門擋板全開的情況下，采用變頻調(diào)速技術(shù)降低預(yù)冷水泵的轉(zhuǎn)速，使其揚程特性曲線變?yōu)榍€2，它與管阻特性曲線3相交于工作點C，對應(yīng)揚程為H2。通過比較，不關(guān)小閥門且滿足流量需求的同時，采用變頻調(diào)速技術(shù)比節(jié)流調(diào)節(jié)法節(jié)省H1-H2段揚程;若供水功率與水泵工作點-原點覆蓋長方形面積成正比，則 Δ P（SOFBD-SOFCE）為變頻調(diào)速控制方式節(jié)約的供水功率[1]。

預(yù)冷水泵效率曲線如圖2所示。

圖中，1，2分別為節(jié)流調(diào)節(jié)、變頻調(diào)節(jié)時的效率曲線，當(dāng)流量Q=QB時，兩種方法對應(yīng)的效率為ηB，ηA。這表明流量相同情況下，變頻調(diào)節(jié)的效率更高，可使水泵效率處于最佳狀態(tài)。

圖2 水泵效率曲線

2 預(yù)冷水泵變頻調(diào)速節(jié)能控制策略

2.1 預(yù)冷水泵變頻調(diào)速節(jié)能的基本原理

按照液體機械相似規(guī)律，預(yù)冷水泵流量與轉(zhuǎn)速成正比，揚程與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。通過調(diào)節(jié)預(yù)冷水泵的轉(zhuǎn)速即可達(dá)到控制流量、揚程和軸功率的目的。流量Q、揚程H、軸功率P和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系為[2]:

預(yù)冷水泵電機變頻調(diào)速技術(shù)是通過調(diào)節(jié)電機定子端輸入電源的頻率來改變電機驅(qū)動水泵主軸的旋轉(zhuǎn)速度，使泵流量和揚程滿足供水系統(tǒng)要求。水泵電機的轉(zhuǎn)速公式為:

目前，預(yù)冷水泵電機常采用的變頻調(diào)速控制方式為矢量控制。其基本思想是通過坐標(biāo)變換把交流異步電動機在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電動機，將定子電流分解為兩個互相垂直的分量，實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩解耦[3]。基于產(chǎn)生同一旋轉(zhuǎn)磁動勢的準(zhǔn)則，將水泵電機的定子三相電流通過3s/2s變換，得到兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流iα和iβ，再由2s/2r變換，得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流id和iq:

若取d軸為沿轉(zhuǎn)子總磁鏈 Ψr的方向稱為M軸，再逆時針旋轉(zhuǎn)90°就是T軸。即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，此時 Ψrd=Ψrm=Ψr，Ψrq= Ψrt=0。則簡化的電壓方程矩陣為:

定子電流與轉(zhuǎn)子磁鏈的關(guān)系為:

轉(zhuǎn)矩方程:

式（7）表明，轉(zhuǎn)子磁鏈 Ψr僅由定子電流勵磁分量isd決定，與轉(zhuǎn)矩分量isq無關(guān)。由式（8）可以看出，當(dāng) Ψr達(dá)到穩(wěn)態(tài)且保持不變時，電磁轉(zhuǎn)矩Te僅由定子電流轉(zhuǎn)矩分量isq決定，實現(xiàn)了磁通和轉(zhuǎn)矩的獨立控制。

2.2 預(yù)冷水泵變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計

預(yù)冷水泵變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)主要由5個模塊組成:轉(zhuǎn)速控制器、矢量控制器、脈沖發(fā)生器、全橋逆變器和水泵電機[4]。其仿真模型如圖3所示。

圖3 預(yù)冷水泵矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速控制環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)。外環(huán)將給定轉(zhuǎn)速與實測轉(zhuǎn)速的誤差送入轉(zhuǎn)速控制器，輸出轉(zhuǎn)矩參考值。內(nèi)環(huán)把經(jīng)坐標(biāo)變換得到的定子三相參考電流與實測的定子三相電流送入脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生全橋逆變電路的控制脈沖，控制水泵電機運行[5]。

2.3 預(yù)冷水泵轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計

預(yù)冷水泵電機具有非線性、強耦合且參數(shù)易發(fā)生變化的特點，采用常規(guī)PI控制器，難以保證在整個控制過程中系統(tǒng)始終具有最佳的控制性能。而模糊控制是基于規(guī)則的控制，具有不依賴于對象精確模型的特點。可將模糊控制和PI控制結(jié)合起來，構(gòu)建二維模糊控制器，以誤差e和誤差變化率ec為輸入，滿足不同時刻的e和ec對PI參數(shù)自整定的要求。通過找出不同時刻轉(zhuǎn)速誤差、誤差變化率（e，ec）和PI控制器的比例、積分修正系數(shù)（Δ Kp，ΔKi）之間的模糊關(guān)系，根據(jù)模糊推理方法對ΔKp，ΔKi在線整定，構(gòu)成模糊PI控制器，其結(jié)構(gòu)框圖[6]如圖4所示。

圖4 模糊PI控制器結(jié)構(gòu)框圖

從系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)精度和超調(diào)量等方面考慮，控制過程對參數(shù)自整定要求如下:

當(dāng)偏差|e|較大時，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，Kp應(yīng)取較大值，為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，Ki取值為零。

當(dāng)|e|和|ec|為中等大小時，為降低系統(tǒng)超調(diào)，Kp應(yīng)取較小值，Ki取值要適中，以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

當(dāng)|e|較小時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)增加Kp和Ki的取值[7]。

選取輸入輸出變量的模糊子集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別代表{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，且論域均為[-6，6]，隸屬度函數(shù)為三角分布。

總結(jié)工程設(shè)計人員技術(shù)知識和實際操作經(jīng)驗，可建立Δ Kp，ΔKi和e，ec之間的模糊規(guī)則表，這是模糊控制的核心內(nèi)容[8]，模糊規(guī)則表見表1。

表1 模糊規(guī)則表ΔKp（ΔKi）

在隸屬度函數(shù)及模糊規(guī)則確定的基礎(chǔ)上，加入量化因子及比例因子，便可建立符合要求的模糊PI控制器。

3 仿真實驗及結(jié)果分析

根據(jù)上述對預(yù)冷水泵矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的分析及模糊速度控制器的設(shè)計，在 Matlab/ simulink軟件下對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。利用readfis命令完成模糊工具箱與simulink的連接，建立仿真模型，如圖5所示。

其中模糊PI速度控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 預(yù)冷水泵電機矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖6 模糊PI速度控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

為驗證仿真模型的正確性與有效性，給出異步電機仿真模型參數(shù)如下:額定電壓380 V，額定頻率50 Hz，R1=0.087 Ω，R2=0.228 Ω，L1= 0.000 8 H，L2=0.000 8 H，Lm=0.034 7 H，轉(zhuǎn)動慣量J=0.862，極對數(shù)=2，給定轉(zhuǎn)速ω= 120 rad/s。采用ode23tb仿真算法，運行上述仿真模型，可得到水泵電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩仿真曲線如圖7所示。

圖7 水泵電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩仿真曲線

實驗結(jié)果表明，空載運行時，預(yù)冷水泵電機的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩都能夠瞬時響應(yīng)，較快地跟蹤設(shè)定值，并在0.4 s時達(dá)到穩(wěn)態(tài)，說明系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)較快。波形變化曲線符合理論分析，系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運行，驗證了水泵電機矢量控制變頻調(diào)速模型的可行性和有效性。因此，所建模型可以滿足預(yù)冷系統(tǒng)的供水要求，為預(yù)冷系統(tǒng)的控制提供了理論依據(jù)。

4 結(jié) 語

變頻調(diào)速技術(shù)在預(yù)冷系統(tǒng)中的應(yīng)用具有長遠(yuǎn)的經(jīng)濟和社會效益，是一項很好的節(jié)能措施。對于水泵采用變頻調(diào)速，可使生產(chǎn)節(jié)約電能20%～50%，一年半內(nèi)即可收回調(diào)速控制所增加的成本。

[1] 李志忠.預(yù)冷水泵電機變頻調(diào)速節(jié)能改造初探[J].深冷技術(shù)，2006，2（1）:44-46.

[2] 高相銘.變頻調(diào)速技術(shù)在水泵節(jié)能中的應(yīng)用[J].機械工程與自動化，2007，144（5）:170-174.

[3] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[4] 潘曉晟，郝世勇.M atlab電機仿真精華50例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[5] 胡乃平，馬海菊，王紅.基于Matlab的感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)建模與仿真[J].機械工程與自動化，2008，149（4）:13-18.

[6] 李國勇.智能控制及其Matlab實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[7] 曹海波，方建安，劉洪瑋.基于模糊PID的交流電動機矢量控制系統(tǒng)[J].微特電機，2010（1）:64-70.

[8] 劉金琨.先進(jìn)PID控制Matlab仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.