基于模糊控制的泵类电机节能装置的研究

　　前言

　　水泵是通用的机械设备，它的年耗电量约占全国发电量的31%[5]，实际运行中的不均匀负荷占70%[5]。由于水泵带负荷启动对电动机转矩要求较高，因此往往要求电动机有较大的安全余量，结果导致其容量配置过大，造成“大马拉小车”的现象。另外，从电力供应和电能使用角度来说，研究电动机的节能问题有着重要意义。针对现在各种水压调节系统的不足，本文提出了一种新的关于泵类负载电动机节能问题的设计方案，使用高可靠性的可编程逻辑控制器(PLC)，对调速系统进行自动化控制。在系统硬件的设计上，采用恒流恒压控制模块和PLC控制技术对硬件电路进行优化;在软件设计上，提出了双闭环综合控制、转速内环双模糊控制算法、水压外环模糊PID控制算法，提高了系统的控制精度和可靠性。

　　1. 硬件设计方案

　　针对目前各种水压调节系统的不足，本次设计采用了双闭环控制电路，分别是转速闭环和水压控制闭环。其中设置水泵转速控制为内环，转速反馈信号取自于异步电动机机械连接的光电编码器，设置水压控制为外环，出水压力信号取自水泵出水口处压力传感器的输出信号。

　　本设计的主要控制器件选取如下：

　　可编程逻辑控制器(PLC)：已广泛用于工业生产中，它以极短的扫描周期，丰富的性能，极大地提高了生产效率。并且具有很强的联网和监控功能。本系统选用了OMRONcx-400系列。

　　晶闸管智能控制模块：高度集成了晶闸管主电路和移相控制电路，具有电力调控功能。另为还具有过热、过流、缺相等保护功能。

　　光电编码器：它实现了对转速的高精度采样。

　　1.1 转速闭环设计

　　转速闭环如图1所示，由光电编码器对转速进行采样，得到反馈信号en , en与给定信号e0进行比较得到控制信号e,通过AD/DA转换模块输入到PLC的输入侧，PLC通过一定的控制算法，根据负载的大小自动调节电机的输入电压，使定子功率因cosφ始终保持在较高值，从而提高电动机的效率，达到节能的目的。

　　1.2 水压控制闭环设计

　　水泵是一种减转矩负载，随着转速的降低，负载转矩与转速的平方成比例地减小。设水泵当电机转速为n时流量为Q，杨程为H，轴功率为P，需要时将电机转速调至n2，则这时的流量变为Q2，扬程变为H2，轴功率变为P2，由物理学知识可知：水泵轴功率P与转速n的立方成正比,杨程H与转速n的平方成正比，;流量Q与转速n成正比.

　　显然，采用转速调节时，若要求流量Q由1减为1/2，只需使转速由1降为1/2即可，而轴功率P则由1减为(1/2)3，即节约7/8的电功率，因此，基于转速控制如降低水泵的运行速度，进行系统控制，可以大幅度降低电动机轴功率损耗，节能效果非常显著。