基于异步电机效率优化的管网叠压供水系统控制方法
技术领域
本发明涉及一种管网叠压供水系统控制方法，特别是涉及一种基于异步电机效率优化的管网叠压供水系统控制方法。
背景技术
目前，变频调速供水系统中普遍采用的异步电机控制方式为恒压频比控制，由于供水系统的特点及水泵的负载特性特点，异步电机经常轻载运行，其运行效率较低。水泵是对动态性能响应要求不高的负载，当异步电机轻载运行时，恒磁通控制方式不是必要的，可以通过弱磁控制实现效率的优化，供水系统中存在较大的节能潜力。
由于供水系统的特点以及水泵的负载特性，为了提高异步电机的运行效率，有必要寻找高效的异步电机控制方法。传统的异步电机效率优化控制方法是根据电机的转矩和转速要求，计算电机最优运行所需的变频器输出电压和频率。但由于异步电机带载水泵时，无法直接检测异步电机的转矩和转速要求，因此这个算法不能直接应用于供水系统中。根据水泵的数学模型可知，若水泵参数确定，则水泵的扬程、流量和水泵的转速之间的关系是确定的，因此，可以由此得出间接计算转速的方法。在现行的管网叠压供水系统中，水泵的流量和扬程可通过流量计和压力传感器检测，进而根据水泵模型，得到水泵的转速，也即异步电机的转速。本发明将基于水泵模型的转速辨识和基于异步电机等值电路的最小损耗效率优化控制算法整合起来，将其应用于管网叠压供水系统中异步电机的控制。
发明内容
本发明的目的就是在于解决上述现有技术中的不足，而提供一种基于异步电机效率优化的管网叠压供水系统控制方法，进一步降低叠压供水设备的能耗水平。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种基于异步电机效率优化的管网叠压供水系统控制方法，其特征在于：基于水泵模型辨识异步电机的转速，并将辨识出的转速作为异步电机最小损耗效率优化控制算法的输入，以上运算在数字控制单元里完成，并经D/A转化输出到变频器的频率给定端，将压力传感器采集的水泵压力值与压力设计值做差，得到水压的误差信号ΔH，对ΔH进行PI运算，经D/A转化输出到变频器的电压给定端。
上述基于水泵模型异步电机转速的辨识，水泵模型的建立是根据水泵的测试数据通过多项式拟合而来，并且拟合次数取2，即拟合并根据比例定律变换后的水泵扬程-流量特性曲线如下式所示，
H=a2Q2+a1(nn0)Q+a0(nn0)2;]]>
上述异步电机最小损耗效率优化控制算法，基于异步电机的等值电路，根据异步电机的运行效率、异步电机转速和电源频率的关系，确定给定转速下，异步电机运行于最大效率时所对应的电源频率；
上述异步电机最小损耗效率优化控制算法，实现该算法不是采用直接解方程的方法，而是采用一种搜索算法，即通过逐步增量的方法搜索给定转速时异步电机最优运行时对应的电源频率，从而使运算量得到了大大降低；
上述变频器的电压和频率是单独控制的，频率的单独调控保证系统中异步电机的运行效率最大，电压的单独调控保证系统中水泵出口压力维持恒定；
上述基于异步电机效率优化控制的管网叠压供水系统，该系统的结构包括：变频器，水泵机组，压力传感器、流量计以及基于异步电机效率优化控制算法的数字控制单元；
上述基于异步电机效率优化控制算法的数字控制单元将接收到的压力传感器输入的压力值和流量计输入的流量值，经A/D转换和内部效率优化控制程序处理后，以模拟电压信号和模拟频率信号的形式输出到变频器；变频器输出端接水泵机组的输入端，水泵机组根据变频器给定的电压和频率信号进行调速，对水泵出口压力进行调节，同时实现水泵机组中异步电机运行效率最优；
上述异步电机效率优化控制算法，实施的具体步骤如下：
1.基于水泵模型辨识异步电机转速
水泵的扬程H、流量Q和转速n之间的由下式描述
H=a2Q1+a1(nn0)Q+a0(nn0)2---(1)]]>
式中，n0为水泵的额定转速，a0-2为系数，通过水泵的性能参数拟合得到，在叠压供水设备中，通过流量计和压力传感器采集水泵的流量和出口压力、入口压力信号，水泵的扬程为出口压力与入口压力之差，将检测到的各项值输入数字控制系统运算处理，得到异步电机的转速，根据式(1)，转速的表达式为：
n=-a1Q+a12Q2-4a0(a2Q2-H)2a0·n0---(2)]]>
=kn·n0]]>
2.根据异步电机等值电路计算异步电机运行于最大效率时的电源频率，
根据异步电机的简化等值电路，异步电机运行效率的表达式为
η=R2′((60f)/(60f-pn)-1)R1+(60fR2′)/(60f-pn)/+K2(R1+Rm)---(3)]]>
式中K2=(R1+(60fR2′)/(60f-pn))2+((2πf)(L1+L2′))2(R1+Rm)2+((2πf)(L1+Lm′))2]]>
R1、L1、R2、L2、Rm和Lm：异步电机等值电路参数，
p、n、f：异步电机极对数、转速和定子电源频率，
原理上，对式(3)求偏导数，即![]()
则当异步电机转速n已知时，可确定异步电机运行于最大效率时的异步电机电源频率f，但由于效率的计算式比较复杂，如果直接偏微分运算后再解方程，则运算量将非常巨大，对数字控制系统的运算速度和性能有较高的要求，不利于实际的应用，在本发明中，采用了一种搜索算法，利用逐步增量的方法搜索给定转速时的电源频率，从而避免了解方程、求偏微分等繁琐的运算，运算量得到了大大降低，该算法的流程图如附图2所示，将步骤1中辨识出的异步电机转速作为该算法的输入，经过数字控制系统运算处理得到异步电机最优运行所需的电源频率，将运算结果作为变频器频率的给定信号，以上两个步骤保证异步电机的运行效率是最优的。
3.设定管网叠压供水系统的压力设定值，并与压力传感器检测到的水泵压力做差得到水压的误差信号ΔH，对ΔH进行PI运算，经数字控制系统运算处理后作为变频器电压的给定信号，该步骤保证叠压供水系统的水泵出口压力维持恒定，以满足用户的用水要求。
本发明的有益效果：
1.异步电机的最优效率控制算法有效实现了异步电机的运行效率较大的提高，尤其是在供水流量小的工况下，避免了异步电机“大马拉小车”的不良运行状态，系统的运行效率得到较大的改善。
2.提出基于水泵模型辨识异步电机的转速，有效的解决了水泵机组转速难以直接测量的问题。
3.分析了叠压供水系统中水泵的负载特性，指出其并非二次方转矩负载，而是随着转速的降低，供水系统中水泵的负载特性显著低于二次方负载特性，这将提高工程领域对水泵机组优化控制的节能潜力的重视。
附图说明
图1叠压供水系统中异步电机效率优化控制框图
图2效率优化调节模块程序流程图
图3效率优化控制动态响应过程
图4不同控制方式下异步电机的运行效率对比
图5叠压供水系统原理图
具体实施方式
具体实施例：本发明一种基于异步电机效率优化的管网叠压供水系统控制方法，基于水泵模型辨识异步电机的转速，并将辨识出的转速作为异步电机最小损耗效率优化控制算法的输入，以上运算在数字控制单元里完成，并经D/A转化输出到变频器的频率给定端，将压力传感器采集的水泵压力值与压力设计值做差，得到水压的误差信号ΔH，对ΔH进行PI运算，经D/A转化输出到变频器的电压给定端。
该管网叠压供水系统主要由变频器，水泵机组，压力传感器、流量计以及基于异步电机效率优化控制算法的数字控制单元组成。压力传感器和流量计用于探测管网叠压供水设备各个部分的压力值和流量；基于异步电机效率优化控制算法的数字控制单元的输入端连接压力传感器、流量计信号端子，其输出端接到变频器的输入端；所说的变频器输出端连接水泵机组的输入端；水泵机组根据变频器输入的电压和频率信号对水泵的出口压力进行调节，使得其与设定的参考值一致，同时使异步电机的运行效率最优。
如图1所示，叠压供水系统中异步电机效率优化控制，根据本发明提出的控制方法，具体的实施步骤有以下几步：
1.首先对供水系统中水泵、异步电机进行参数建模，将结果保存于数字控制单元的RAM中。根据水泵的测试数据，运用最小二乘法多项式拟合的方法，建立水泵的模型，对于水泵，拟合次数取2即可满足控制精度的要求。此步骤即确定式(1)中的a0、a1和a2。测量异步电机的等值电路参数，R1、L1、R2、L2、Rm和Lm，将这些参数值存储起来。
2.根据式(2)编写转速辨识模块。压力传感器和流量计的测量值经A/D转换后，作为转速辨识模块的输入。
3.设定水泵扬程的给定值H0，与压力传感器的测量结果做差得到扬程偏差ΔH，对ΔH进行PI调节，经饱和模块和D/A转化，作为变频器电压的给定信号。
4.根据式(3)编写效率优化调节模块，原理上其输入为转速辨识模块的输出，但为了加速频率响应速度，采用转速和水泵扬程偏差ΔH的比例项作为该模块的输入。其输出经饱和模块和D/A转化，作为变频器频率的给定信号。
如此周而复始，整个叠压供水系统可实现满足供水要求的同时，实现效率的最优运行。系统的动态响应特性如图3所示。稳态情况下，采用本发明中控制方法的管网叠压供水系统的运行效率与传统的恒压频比控制的对比如图4所示。从图4中可以看出，在额定流量处，异步电机满载，两种控制方式下异步电机均能运行于较高效率。随着流量降低，恒压频比控制方式下异步电机的运行效率逐渐下降；最小损耗控制方式下异步电机的运行效率下降很小。在水泵小流量时，最小损耗控制算法有效提高了异步电机的运行效率。
如图2所示，为异步电机最小损耗效率优化控制算法的流程图，实施的具体步骤如下：
(1)、基于水泵模型辨识异步电机转速
水泵的扬程H、流量Q和转速n之间的由下式描述
H=a2Q2+a1(nn0)Q+a0(nn0)2---(1)]]>
式中，n0为水泵的额定转速，a0-2为系数，通过水泵的性能参数拟合得到，在叠压供水设备中，通过流量计和压力传感器采集水泵的流量和出口压力、入口压力信号，水泵的扬程为出口压力与入口压力之差，将检测到的各项值输入数字控制系统运算处理，得到异步电机的转速，根据式(1)，转速的表达式为：
n=-a1Q+a12Q2-4a0(a2Q2-H)2a0·n0---(2)]]>
=kn·n0]]>
(2)、根据异步电机等值电路计算异步电机运行于最大效率时的电源频率，
根据异步电机的简化等值电路，异步电机运行效率的表达式为
η=R2′((60f)/(60f-pn)-1)R1+(60fR2′)/(60f-pn)/+K2(R1+Rm)---(3)]]>
式中K2=(R1+(60fR2′)/(60f-pn))2+((2πf)(L1+L2′))2(R1+Rm)2+((2πf)(L1+Lm′))2]]>
R1、L1、R2、L2、Rm和Lm：异步电机等值电路参数，
p、n、f：异步电机极对数、转速和定子电源频率，
原理上，对式(3)求偏导数，即![]()
则当异步电机转速n已知时，可确定异步电机运行于最大效率时的异步电机电源频率f，但由于效率的计算式比较复杂，如果直接偏微分运算后再解方程，则运算量将非常巨大，对数字控制系统的运算速度和性能有较高的要求，不利于实际的应用，在本发明中，采用了一种搜索算法，利用逐步增量的方法搜索给定转速时的电源频率，从而避免了解方程、求偏微分等繁琐的运算，运算量得到了大大降低。将步骤(1)中辨识出的异步电机转速作为该算法的输入，经过数字控制系统运算处理得到异步电机最优运行所需的电源频率，将运算结果作为变频器频率的给定信号，以上两个步骤保证异步电机的运行效率是最优的。
(3)、设定管网叠压供水系统的压力设定值，并与压力传感器检测到的水泵压力做差得到水压的误差信号ΔH，对ΔH进行PI运算，经数字控制系统运算处理后作为变频器电压的给定信号，该步骤保证叠压供水系统的水泵出口压力维持恒定，以满足用户的用水要求。
图5为本发明的方法在叠压供水系统应用中的原理图。