阅读说明：本技术 一种机泵模拟控制系统 (Pump analog control system ) 是由 李君� 时振堂 杜红勇 陶丽楠 刘维功 李琼 于 2018-06-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种机泵模拟控制系统,包括：直流电机负载转矩控制系统,类调门可调电阻控制系统和类管道可调线路控制系统,直流电机负载转矩控制系统为双闭环控制系统,用于模拟不同泵类负载特性；类调门可调电阻控制系统为单闭环控制系统,通过控制类调门可调电阻值大小,改变直流电机机械特性,使直流电机转速-转矩机械特性改变,模拟实际阀门能量损失；类管道可调线路控制系统为单闭环控制系统,通过控制类管道可调线路的相关参数大小,改变直流电机机械特性,使直流电机转速-转矩机械特性改变,模拟实际管道功率损失。本发明可以实现多种设备、多种工况能效模拟测试,解决企业中机泵实验难以开展的问题。(The invention provides a machine pump simulation control system, which comprises: the system comprises a direct current motor load torque control system, a quasi-gate adjustable resistance control system and a quasi-pipeline adjustable circuit control system, wherein the direct current motor load torque control system is a double closed-loop control system and is used for simulating different pump load characteristics; the analog regulating valve adjustable resistance control system is a single closed loop control system, and the mechanical characteristics of the direct current motor are changed by controlling the size of the adjustable resistance value of the analog regulating valve, so that the mechanical characteristics of the direct current motor rotating speed-torque are changed, and the energy loss of an actual valve is simulated; the pipeline-like adjustable line control system is a single closed-loop control system, and the mechanical characteristics of the direct current motor are changed by controlling the relevant parameters of the pipeline-like adjustable line, so that the rotation speed-torque mechanical characteristics of the direct current motor are changed, and the actual pipeline power loss is simulated. The invention can realize the energy efficiency simulation test of various devices and various working conditions and solve the problem that the pump experiment in enterprises is difficult to develop.)

一种机泵模拟控制系统

技术领域

本发明涉及电力仿真技术领域，具体涉及一种机泵模拟控制系统。

背景技术

电机是风机、泵、压缩机等装置的驱动设备，广泛应用于工业及民用领域，能耗占社会总用电量超过60％，占工业总用电量超过70％。节能减排，绿色低碳发展已经成为企业的内在需求和发展动力。

机泵调节技术主要包括变频调速技术、液力耦合器技术、永磁调速器技术、变极调速技术、相控调压技术、功率因数补偿技术、电机与拖动设备、运行工况匹配技术、电机系统优化和运行控制技术等。其中，变频调速技术可实现电机软启动、工艺调节、功率因数校正等功能，使用较多；机泵匹配技术可以解决电机额定功率与拖动设备运行功率不协调问题，是研究热点。

工业企业特别是大型工业企业，如石化、钢铁、建材等企业，工艺连续性强，自动化程度高，技术复杂，生产工艺控制精度高，负荷重要性等级高，负荷性质复杂，只能进行稳态测试，无法进行暂态测试。实验室中，可以搭建小型机泵实验系统，测试特定型号机泵，但无法实现多种设备的测试实验。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种机泵模拟控制系统，本发明可实现多工况、多种类机泵的模拟，解决企业中机泵实验无法开展的问题。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种基于机泵模拟系统的机泵模拟控制系统，所述机泵模拟系统，包括：直流电机、整流器、类调门可调电阻和类管道可调线路；所述直流电机与被测机泵系统中的被测交流电机同轴连接，模拟所述交流电机机械负载；当所述交流电机工作于电动状态时，所述直流电机工作于发电状态，通过调节所述直流电机电枢电压，改变所述直流电机电磁功率，以模拟所述交流电机机械负载的转矩变化；其中，所述被测交流电机为被测机泵系统的原动机，与所述直流电动机同轴连接；所述直流电机与所述整流器的直流侧连接，通过调节所述整流器直流侧电压来调节所述直流电机电枢电压，进而改变所述直流电机电磁功率，以模拟所述交流电机机械负载的转矩变化；所述整流器，还用于作为所述直流电机负载，将直流电机的电动电能回馈电网；所述类调门可调电阻，用于模拟被测机泵系统中的调节阀特性；所述类管道可调线路，用于模拟被测机泵系统中的管道特性；

相应地，所述机泵模拟控制系统包括：直流电机负载转矩控制系统，类调门可调电阻控制系统和类管道可调线路控制系统，其中：

所述直流电机负载转矩控制系统为双闭环控制系统，通过控制所述整流器直流侧电压来改变所述直流电机电枢电压，进而改变所述直流电机转速-转矩特性，使转速-转矩曲线上下移动，与被测交流电机转速-转矩曲线相交于不同工作点，来模拟不同泵类负载特性；

所述类调门可调电阻控制系统为单闭环控制系统，通过控制类调门可调电阻值大小，改变所述直流电机机械特性，使所述直流电机转速-转矩机械特性改变，模拟实际阀门能量损失；

所述类管道可调线路控制系统为单闭环控制系统，通过控制类管道可调线路的相关参数大小，改变所述直流电机机械特性，使所述直流电机转速-转矩机械特性改变，模拟实际管道功率损失。

进一步地，所述直流电机负载转矩控制系统为转矩-电压双闭环控制系统，转矩环为外环，电压环为内环，外环实现转矩无差控制，内环实现电压快速跟踪。

进一步地，若要产生大小为T_e ^*的机械转矩，设置T_e ^*为转矩环给定值，交流电动机-直流电动机连轴系统转矩传感器测量参数T_e为反馈值，给定值和反馈值做差进入转矩控制器，转矩控制器输出参数为电枢电压给定值；

电压环给定值为转矩环输出，电压环反馈值为电压表测量整流器直流电压值，内环控制器实现跟踪给定。

进一步地，所述机泵模拟系统还包括：电压表、电流表、转速传感器和转矩传感器，分别用于测量对应器件的电压、电流、转速和转矩参数。

进一步地，所述直流电机转矩特性为：

E_a＝U+(R_a+R₁+R₂)I_a

E_a＝C_eφn

T＝C_TφI_a

其中，E_a为电枢电动势，U为电枢电压，R_a为电枢回路电阻，R₁为类调门可调电阻，R₂为类管道可调电阻，I_a为电枢电流，C_e为电动势常数，C_T为转矩常数，φ为气隙磁通，n为直流电机转速，T为直流电机电磁转矩。

进一步地，所述类调门可调电阻的大小根据事先测量得到的调节阀消耗功率确定，其中，所述类调门可调电阻的大小与调节阀消耗功率的关系为：

P₁＝γQh_j

P₁＝I² _aR₁

其中，h_j为局部水头损失，ξ为局部阻力系数，v为断面平均流速，g为重力加速度，P₁为流体损失能量，γ为被输送流体的容重，Q为水泵的流量，I_a为电枢电流，R₁为类调门可调电阻。

进一步地，所述类管道可调线路采用T型线路模拟被测机泵系统中的管道特性。

进一步地，所述类管道可调线路的参数根据事先测量得到的管道参数确定，其中，所述类管道可调线路的参数与管道参数的关系为：

L＝1/gA

R＝λ|Q|/(2gDA²)

C＝gA/a²

其中，L为等效电感，R₂为类管道可调电阻，C为等效电容，g为重力加速度，A为管道断面积，λ为摩阻系数，Q为等效流量，D为管道直径，A为管道断面积，a为水击波速。

进一步地，所述机泵模拟系统模拟得到的机泵能效为：

其中，T为直流电机转矩，Ω为直流电机转速，U为被测交流电机电压，I为被测交流电机电流，θ为功率因数。

进一步地，当被测机泵系统为变频调速系统时，所述机泵模拟系统模拟得到的机泵能效为：

其中，T为直流电机转矩，Ω为直流电机转速，U为变频器输入电压，I为变频器基波电流，η_c为变频器效率。

由上述技术方案可知，本发明提供的机泵模拟控制系统，包括：直流电机负载转矩控制系统，类调门可调电阻控制系统和类管道可调线路控制系统，所述直流电机负载转矩控制系统为双闭环控制系统，通过控制所述整流器直流侧电压来改变所述直流电机电枢电压，进而改变所述直流电机转速-转矩特性，使转速-转矩曲线上下移动，与被测交流电机转速-转矩曲线相交于不同工作点，来模拟不同泵类负载特性；所述类调门可调电阻控制系统为单闭环控制系统，通过控制类调门可调电阻值大小，改变所述直流电机机械特性，使所述直流电机转速-转矩机械特性改变，模拟实际阀门能量损失；所述类管道可调线路控制系统为单闭环控制系统，通过控制类管道可调线路的相关参数大小，改变所述直流电机机械特性，使所述直流电机转速-转矩机械特性改变，模拟实际管道功率损失。可见，本发明可以实现多种设备、多种工况能效模拟测试，解决了实际系统测试试错成本过高，实验室系统难以模拟变工况泵类负荷、调节阀特性、管路特性的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了机泵模拟控制系统的总体结构图。

图2示出了机泵模拟系统的总体结构图；

图3示出了机泵模拟系统的工作原理图；

图4示出了直流电机负载转矩控制系统工作原理图；

图5示出了机泵模拟系统的泵特性模拟原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种基于机泵模拟系统的机泵模拟控制系统，该机泵模拟系统以及机泵模拟控制系统可以模拟实际机泵系统能耗状况。实际机泵系统能耗一般包括三个部分，泵类负荷、调节阀损失、管路损失，实际系统测试试错成本过高，实验室系统难以模拟变工况泵类负荷、调节阀特性、管路特性。本发明实施例利用直流电机模拟泵类负荷，利用类调门可调电阻模拟调节阀特性，类管道可调线路模拟管道特性，调节直流电机负载、类调门可调电阻阻值、类管道可调线路参数，可以模拟不同工况。

参见图1～图3，图1示出了本发明实施例提供的基于机泵模拟系统的机泵模拟控制系统的总体结构示意图；图2示出了机泵模拟系统的总体结构图；图3示出了机泵模拟系统的工作原理图。

参见图2和图3，所述机泵模拟系统，包括：直流电机、整流器、类调门可调电阻和类管道可调线路；所述直流电机与被测机泵系统中的被测交流电机同轴连接，模拟所述交流电机机械负载；当所述交流电机工作于电动状态时，所述直流电机工作于发电状态，通过调节所述直流电机电枢电压，改变所述直流电机电磁功率，以模拟所述交流电机机械负载的转矩变化；其中，所述被测交流电机为被测机泵系统的原动机，与所述直流电动机同轴连接；所述直流电机与所述整流器的直流侧连接，通过调节所述整流器直流侧电压来调节所述直流电机电枢电压，进而改变所述直流电机电磁功率，以模拟所述交流电机机械负载的转矩变化；所述整流器，还用于作为所述直流电机负载，将直流电机的电动电能回馈电网；所述类调门可调电阻，用于模拟被测机泵系统中的调节阀特性；所述类管道可调线路，用于模拟被测机泵系统中的管道特性；

相应地，参见图1，所述机泵模拟控制系统包括：直流电机负载转矩控制系统，类调门可调电阻控制系统和类管道可调线路控制系统，其中：

所述直流电机负载转矩控制系统为双闭环控制系统，通过控制所述整流器直流侧电压来改变所述直流电机电枢电压，进而改变所述直流电机转速-转矩特性，使转速-转矩曲线上下移动，与被测交流电机转速-转矩曲线相交于不同工作点，来模拟不同泵类负载特性；

所述类调门可调电阻控制系统为单闭环控制系统，通过控制类调门可调电阻值大小，改变所述直流电机机械特性，使所述直流电机转速-转矩机械特性改变，模拟实际阀门能量损失；

所述类管道可调线路控制系统为单闭环控制系统，通过控制类管道可调线路的相关参数大小，改变所述直流电机机械特性，使所述直流电机转速-转矩机械特性改变，模拟实际管道功率损失。

由上面描述可知，本实施例提供的机泵模拟控制系统，包括：直流电机负载转矩控制系统，类调门可调电阻控制系统和类管道可调线路控制系统，所述直流电机负载转矩控制系统为双闭环控制系统，通过控制所述整流器直流侧电压来改变所述直流电机电枢电压，进而改变所述直流电机转速-转矩特性，使转速-转矩曲线上下移动，与被测交流电机转速-转矩曲线相交于不同工作点，来模拟不同泵类负载特性；所述类调门可调电阻控制系统为单闭环控制系统，通过控制类调门可调电阻值大小，改变所述直流电机机械特性，使所述直流电机转速-转矩机械特性改变，模拟实际阀门能量损失；所述类管道可调线路控制系统为单闭环控制系统，通过控制类管道可调线路的相关参数大小，改变所述直流电机机械特性，使所述直流电机转速-转矩机械特性改变，模拟实际管道功率损失。可见，本实施例可以实现多种设备、多种工况能效模拟测试，解决了实际系统测试试错成本过高，实验室系统难以模拟变工况泵类负荷、调节阀特性、管路特性的问题。

在一种优选实施方式中，所述直流电机负载转矩控制系统为转矩-电压双闭环控制系统，转矩环为外环，电压环为内环，外环实现转矩无差控制，内环实现电压快速跟踪。

在一种优选实施方式中，若要产生大小为T_e ^*的机械转矩，设置T_e ^*为转矩环给定值，交流电动机-直流电动机连轴系统转矩传感器测量参数T_e为反馈值，给定值和反馈值做差进入转矩控制器，转矩控制器输出参数为电枢电压给定值；

电压环给定值为转矩环输出，电压环反馈值为电压表测量整流器直流电压值，内环控制器实现跟踪给定。

根据上面描述可知，本实施例提供的机泵模拟控制系统，可以模拟实际机泵系统能耗状况，该系统的结构示意图如图1所示，首先收集待模拟系统资料，包括机泵负载转矩、阀门压降损耗功率、管道管阻损耗功率，然后将收集的资料上传至上位机中进行模拟仿真。

其中，所述直流电机负载转矩控制系统为双闭环控制系统，其工作原理如图4所示，电枢电压即为整流器直流侧电压，改变电枢电压可以改变电动机转速-转矩机械特性，电枢供电可以采用直流发电机或可控整流器，本例选择可控整流器。直流电动机机械特性方程为：

其中，U为电枢电压，R_a为电枢回路电阻，C_e为电动势常数，C_T为转矩常数，φ为气隙磁通，n为直流电机转速，T为直流电机电磁转矩。

其中，改变电枢电压，认为机械特性理想空载转速与电源电压成正比，不同电枢电压值时，机械特性曲线与固有机械特性曲线平行。改变直流机电枢电压，与交流电动机机械特性曲线相交于不同工作点，实现负载转矩模拟。

其中，控制系统采用转矩-电压双闭环控制，转矩环为外环，电压环为内环。例如，要产生大小为T_e ^*的机械转矩，设置T_e ^*为转矩环给定值，交流电动机-直流电动机连轴系统转矩传感器测量参数T_e为反馈值，给定值和反馈值做差进入转矩控制器，控制器输出参数为电枢电压给定值。转矩控制器可以采用多种控制方法，如古典PID法，现代控制理论零极点配置法及神经网络等先进控制方法，因需要无差控制，本例选择PID法。

其中，参数可采用衰减曲线法选取，如设置衰减率为0.75，则记录系统调节过程比例带δ和衰减周期T_s，则PID比例带为0.8δ，积分参数为0.3T_s，微分参数为0.1T_s。

其中，电枢电压控制环(内环)给定为转矩环输出，反馈为电压表测量整流器直流电压值。内环控制器主要任务是跟踪给定，对快速性要求较高，不要求误差，因此选择比例控制器。比例参数选择方法同上，大小为δ。

其中，类调门可调电阻和类管道可调线路，依据实际系统计算，在系统中设置完成。

在一种优选实施方式中，所述机泵模拟系统还包括：电压表、电流表、转速传感器和转矩传感器，分别用于测量对应器件的电压、电流、转速和转矩参数。例如，测量交流电机、直流电机、耗能电阻、整流器的电压、电流；测量电机的转速和转矩。

在一种优选实施方式中，所述控制器通过调节所述整流器直流侧电压来改变所述直流电机电枢电压，进而改变所述直流电机转速-转矩特性，使转速-转矩曲线上下移动，与被测交流电机转速-转矩曲线相交于不同工作点，来模拟不同泵类负载特性。

在一种优选实施方式中，所述直流电机转矩特性为：

E_a＝U+(R_a+R₁+R₂)I_a (3)

E_a＝C_eφn (4)

T＝C_TφI_a (5)

其中，E_a为电枢电动势，U为电枢电压，R_a为电枢回路电阻，R₁为类调门可调电阻，R₂为类管道可调电阻，I_a为电枢电流，C_e为电动势常数，C_T为转矩常数，φ为气隙磁通，n为直流电机转速，T为直流电机电磁转矩。

电枢电压即为整流器直流侧电压，通过调节整流器直流电压，即改变直流电动机电枢电压，改变发电机转速-转矩特性，使转速-转矩曲线上下移动，与待测异步电动机转速-转矩曲线相交于不同工作点，来模拟不同泵类负载特性。参见图5，如异步电动机-直流发电机已工作于n₁转速下，改变工作状态至n₂状态，步骤如下，降低直流电机电枢电压U，由公式(4)反电势E_a与转速成正比，暂时保持恒定，由公式(3)电枢电流增大，由公式(5)发电机电磁转矩增大，大于电动机电磁转矩，经过暂态过程转速降低至n₂，异步电动机转速降低转矩增大，异步电动机-直流发电机重新达到平衡。稳定后直流机E_a降低，I_a增加，T增加。

在一种优选实施方式中，所述类调门可调电阻的大小根据事先测量得到的调节阀消耗功率确定，其中，所述类调门可调电阻的大小与调节阀消耗功率的关系为：

P₁＝γQh_j (8)

P₁＝I² _aR₁ (9)

其中，h_j为局部水头损失，ξ为局部阻力系数，v为断面平均流速，g为重力加速度，P₁为流体损失能量，γ为被输送流体的容重，Q为水泵的流量，I_a为电枢电流，R₁为类调门可调电阻。

在一种优选实施方式中，所述类管道可调线路采用T型线路模拟被测机泵系统中的管道特性。所述类管道可调线路的参数根据事先测量得到的管道参数确定，其中，所述类管道可调线路的参数与管道参数的关系为：

L＝1/gA (10)

R＝λ|Q|/(2gDA²) (11)

C＝gA/a² (12)

其中，L为等效电感，R₂为类管道可调电阻，C为等效电容，g为重力加速度，A为管道断面积，λ为摩阻系数，Q为等效流量，D为管道直径，A为管道断面积，a为水击波速。

在一种优选实施方式中，所述机泵模拟系统模拟得到的机泵能效为：

其中，T为直流电机转矩，Ω为直流电机转速，U为被测交流电机电压，I为被测交流电机电流，θ为功率因数。

在一种优选实施方式中，当被测机泵系统为变频调速系统时，所述机泵模拟系统模拟得到的机泵能效为：

其中，T为直流电机转矩，Ω为直流电机转速，U为变频器输入电压，I为变频器基波电流，η_c为变频器效率。

由上面描述可知，本发明实施例提供的机泵模拟控制系统，也可以称作机泵能效测试控制系统，可以模拟企业实际工况机泵参数、调节阀参数、管道参数。直流电动机励磁和调速系统解耦，是最佳调速方式，可以精确模拟泵类负载。直流电机工作在发电机状态，将交流机能量转换为直流电能，传递给整流器。类调门可调电阻，模拟调节阀损耗；类管道可调线路，模拟管道损耗。整流器是直流发电机控制电源，也是直流发电机负载，通过调节整流器直流侧电压，改变直流电动机电枢电压，进而改变直流电动机转矩，达到模拟机泵转矩的要求。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。