基于變頻器PID控制的水泵閉環(huán)節(jié)能改造技術(shù)

雷春俊 袁川 張巖龍（中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司）

1 水泵閉環(huán)節(jié)能改造原理及設(shè)計

1.1 交流電動機的數(shù)學(xué)模型及特性分析

數(shù)學(xué)建模可以將一個實際系統(tǒng)數(shù)學(xué)化，這樣就方便對相應(yīng)系統(tǒng)進行推導(dǎo)計算分析，以便進行深入的研究。

常見的交流電動機的數(shù)學(xué)模型及其推導(dǎo)過程，主要包括微分方程模型、傳遞函數(shù)方程模型和狀態(tài)空間模型，在此基礎(chǔ)上對交流電動機的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性加以分析，并對換向過程的電流、轉(zhuǎn)矩變換規(guī)律進行討論。

1.1.1 微分方程模型

所研究的交流電動機為定子繞組Y接集中整距連接繞組，轉(zhuǎn)子是隱極式的內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。為了便于建立較簡潔的數(shù)學(xué)模型，在以上所述的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，再作如下假設(shè)：

磁路不飽和（即在任何情況下磁路是不會飽和的），可忽略渦流和磁滯損耗；不計電樞反應(yīng)（即不計電樞繞組在電動機運行時所產(chǎn)生的影響），氣息中的磁場分布近似認為是平頂寬度為120°電角度的梯形波；忽略齒槽、換向過程和電樞反應(yīng)等影響，繞組均勻分布于光滑的定子內(nèi)表面。

1.1.2 傳遞函數(shù)方程模型

傳遞函數(shù)的推導(dǎo)是以三相全橋式變頻器驅(qū)動、定子繞組兩導(dǎo)通方式為基礎(chǔ)來建立交流電動機的數(shù)學(xué)模型[1]。這樣，每個繞組導(dǎo)通的電角度為60°，即每個周期有6次換向。

1.2 交流電動機的變頻器控制方法

對交流電動機的轉(zhuǎn)速控制，使用SPWM波控制三相全橋控制電路，SPWM就是在PWM的基礎(chǔ)上改變了調(diào)制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規(guī)律排列，這樣輸出波形經(jīng)過適當?shù)臑V波可以做到正弦波輸出。它廣泛地用于直流-交流（DC-AC）逆變器等，如較高級的UPS。三相SPWM是使用SPWM模擬市電的三相輸出，并廣泛地用于變頻器領(lǐng)域[2]。

1）調(diào)制波和載波：調(diào)制波仍為正弦波，其周期決定于kf，振幅決定于ku；載波為雙極性的等腰三角波，其周期決定于載波頻率，振幅不變，與ku=1時正弦波的振幅值相等。

2）雙極性調(diào)制的工作特點：逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，而流過負載ZL的是按線電壓規(guī)律變化的交變電流[3]。

1.3 變頻器內(nèi)部開關(guān)主電路設(shè)計

系統(tǒng)的主功率電路為1個三相全橋整流橋和三相全橋逆變電路，先把三相交流電通過三相全橋整流成直流電，再通過控制系統(tǒng)產(chǎn)生的SPWM波經(jīng)過驅(qū)動電路對6個功率管進行控制，使直流電壓經(jīng)過逆變電路成為交流電壓。而在控制這6個功率管時需要注意同一個橋臂上的上下功率管不能同時導(dǎo)通，否則會直通使電源短路；所以，在產(chǎn)生PWM波時一定要考慮死區(qū)，以防止上下橋臂直通。

1.4 變頻器輸出電流檢測

在實際應(yīng)用電路中需要對電流進行檢測時，通常采用的方法有兩種：利用霍爾效應(yīng)來檢查流過電路的電流[4]；利用小電阻，當電流流過小電阻時會在電阻兩端產(chǎn)生電壓，通過檢測電壓可以間接地測出電流的大小。本論文采用小電阻的方法進行電流采樣。為了對DSP的AD進行保護，系統(tǒng)采用了光耦隔離電路，其原理如圖1所示。

圖1 光耦隔離電路

定子電流檢測裝置由電壓跟隨、光耦隔離和放大電路組成。其中，電壓跟隨是為了使電壓不會跟著后面的負載而變化，光耦隔離是為了保護DSP的端口，放大電路是為了使電壓放大到合理的采樣范圍。

1.5 變頻器一拖多主電路設(shè)計

變頻器一拖多。這種模式要求變頻器功率較大，其功率大于所帶水泵的總功率，一般節(jié)能效果不明顯。

變頻器一拖多軟啟動模式。這種模式一般較常用，對變頻器的功率要求不高，只要大于水泵的額定功率即可。其運行模式為：當用水量小時，變頻器拖動電動機在額定轉(zhuǎn)速下運行，隨著負荷的增大，變頻器輸出頻率也慢慢增大，提升水泵轉(zhuǎn)速；當1臺泵不能滿足用水量時，第一臺泵切換到工頻運行，變頻器開始啟動第二臺水泵，以此類推，直到所有的泵全都工頻運行為止；當用水量減小時，按照上述逆過程進行[5]。

2 結(jié)論

改造后輸水管道壓力可穩(wěn)定在0.6 MPa，大大減少末端管道因壓力大而損壞的故障率，從而縮減因管道破裂而造成的人力、物力、財力支出。管線每年平均出現(xiàn)5起爆管事故，每次的人工費、材料費、挖掘費等費用約為10萬元；因此，由壓力穩(wěn)定帶來的間接經(jīng)濟效益約為50萬元。

長時間的高壓力運行以及電動機水泵處于憋壓狀態(tài)必然造成設(shè)備損耗增加、壽命降低，尤其是管線上各個部位的零部件，因此部分設(shè)備損耗約為10萬元。

塔里木油田有多處供水系統(tǒng)水泵運行在開環(huán)狀態(tài)。經(jīng)過初步統(tǒng)計，總功率為771 kW的水泵具有推廣改造價值，若將這些電動機都改為閉環(huán)控制，會產(chǎn)生經(jīng)濟效益75.3萬元。

沙漠綠島石西油田