基于變頻器PID控制的水泵閉環節能改造技術

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 水泵閉環節能改造原理及設計

1.1 交流電動機的數學模型及特性分析

數學建?？梢詫⒁粋€實際系統數學化，這樣就方便對相應系統進行推導計算分析，以便進行深入的研究。

常見的交流電動機的數學模型及其推導過程，主要包括微分方程模型、傳遞函數方程模型和狀態空間模型，在此基礎上對交流電動機的穩態特性和動態特性加以分析，并對換向過程的電流、轉矩變換規律進行討論。

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，轉子是隱極式的內轉子結構。為了便于建立較簡潔的數學模型，在以上所述的結構基礎上，再作如下假設：

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（即不計電樞繞組在電動機運行時所產生的影響），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等影響，繞組均勻分布于光滑的定子內表面。

1.1.2 傳遞函數方程模型

傳遞函數的推導是以三相全橋式變頻器驅動、定子繞組兩導通方式為基礎來建立交流電動機的數學模型[1]。這樣，每個繞組導通的電角度為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的基礎上改變了調制脈沖方式，脈沖寬度時間占空比按正弦規律排列，這樣輸出波形經過適當的濾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域[2]。

1）調制波和載波：調制波仍為正弦波，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律交替地導通和關斷，而流過負載ZL的是按線電壓規律變化的交變電流[3]。

1.3 變頻器內部開關主電路設計

系統的主功率電路為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，再通過控制系統產生的SPWM波經過驅動電路對6個功率管進行控制，使直流電壓經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通，否則會直通使電源短路；所以，在產生PWM波時一定要考慮死區，以防止上下橋臂直通。

1.4 變頻器輸出電流檢測

在實際應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 結論

改造后輸水管道壓力可穩定在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，由壓力穩定帶來的間接經濟效益約為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必然造成設備損耗增加、壽命降低，尤其是管線上各個部位的零部件，因此部分設備損耗約為10萬元。

塔里木油田有多處供水系統水泵運行在開環狀態。經過初步統計，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控制，會產生經濟效益75.3萬元。

沙漠綠島石西油田