基于变频器PID控制的水泵闭环节能改造技术

雷春俊 袁川 张岩龙（中国石油天然气股份有限公司塔里木油田分公司）

1 水泵闭环节能改造原理及设计

1.1 交流电动机的数学模型及特性分析

数学建模可以将一个实际系统数学化，这样就方便对相应系统进行推导计算分析，以便进行深入的研究。

常见的交流电动机的数学模型及其推导过程，主要包括微分方程模型、传递函数方程模型和状态空间模型，在此基础上对交流电动机的稳态特性和动态特性加以分析，并对换向过程的电流、转矩变换规律进行讨论。

1.1.1 微分方程模型

所研究的交流电动机为定子绕组Y接集中整距连接绕组，转子是隐极式的内转子结构。为了便于建立较简洁的数学模型，在以上所述的结构基础上，再作如下假设：

磁路不饱和（即在任何情况下磁路是不会饱和的），可忽略涡流和磁滞损耗；不计电枢反应（即不计电枢绕组在电动机运行时所产生的影响），气息中的磁场分布近似认为是平顶宽度为120°电角度的梯形波；忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响，绕组均匀分布于光滑的定子内表面。

1.1.2 传递函数方程模型

传递函数的推导是以三相全桥式变频器驱动、定子绕组两导通方式为基础来建立交流电动机的数学模型[1]。这样，每个绕组导通的电角度为60°，即每个周期有6次换向。

1.2 交流电动机的变频器控制方法

对交流电动机的转速控制，使用SPWM波控制三相全桥控制电路，SPWM就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。它广泛地用于直流-交流（DC-AC）逆变器等，如较高级的UPS。三相SPWM是使用SPWM模拟市电的三相输出，并广泛地用于变频器领域[2]。

1）调制波和载波：调制波仍为正弦波，其周期决定于kf，振幅决定于ku；载波为双极性的等腰三角波，其周期决定于载波频率，振幅不变，与ku=1时正弦波的振幅值相等。

2）双极性调制的工作特点：逆变桥在工作时，同一桥臂的两个逆变器件总是按相电压脉冲系列的规律交替地导通和关断，而流过负载ZL的是按线电压规律变化的交变电流[3]。

1.3 变频器内部开关主电路设计

系统的主功率电路为1个三相全桥整流桥和三相全桥逆变电路，先把三相交流电通过三相全桥整流成直流电，再通过控制系统产生的SPWM波经过驱动电路对6个功率管进行控制，使直流电压经过逆变电路成为交流电压。而在控制这6个功率管时需要注意同一个桥臂上的上下功率管不能同时导通，否则会直通使电源短路；所以，在产生PWM波时一定要考虑死区，以防止上下桥臂直通。

1.4 变频器输出电流检测

在实际应用电路中需要对电流进行检测时，通常采用的方法有两种：利用霍尔效应来检查流过电路的电流[4]；利用小电阻，当电流流过小电阻时会在电阻两端产生电压，通过检测电压可以间接地测出电流的大小。本论文采用小电阻的方法进行电流采样。为了对DSP的AD进行保护，系统采用了光耦隔离电路，其原理如图1所示。

图1 光耦隔离电路

定子电流检测装置由电压跟随、光耦隔离和放大电路组成。其中，电压跟随是为了使电压不会跟着后面的负载而变化，光耦隔离是为了保护DSP的端口，放大电路是为了使电压放大到合理的采样范围。

1.5 变频器一拖多主电路设计

变频器一拖多。这种模式要求变频器功率较大，其功率大于所带水泵的总功率，一般节能效果不明显。

变频器一拖多软启动模式。这种模式一般较常用，对变频器的功率要求不高，只要大于水泵的额定功率即可。其运行模式为：当用水量小时，变频器拖动电动机在额定转速下运行，随着负荷的增大，变频器输出频率也慢慢增大，提升水泵转速；当1台泵不能满足用水量时，第一台泵切换到工频运行，变频器开始启动第二台水泵，以此类推，直到所有的泵全都工频运行为止；当用水量减小时，按照上述逆过程进行[5]。

2 结论

改造后输水管道压力可稳定在0.6 MPa，大大减少末端管道因压力大而损坏的故障率，从而缩减因管道破裂而造成的人力、物力、财力支出。管线每年平均出现5起爆管事故，每次的人工费、材料费、挖掘费等费用约为10万元；因此，由压力稳定带来的间接经济效益约为50万元。

长时间的高压力运行以及电动机水泵处于憋压状态必然造成设备损耗增加、寿命降低，尤其是管线上各个部位的零部件，因此部分设备损耗约为10万元。

塔里木油田有多处供水系统水泵运行在开环状态。经过初步统计，总功率为771 kW的水泵具有推广改造价值，若将这些电动机都改为闭环控制，会产生经济效益75.3万元。

沙漠绿岛石西油田