泵控软起动有效避免水锤现象_水泵_水锤

泵控软起动有效避免水锤现象

2013/8/1 10:09:25

　　【摘要】本文介绍一种针对水泵电机的软起停方式，它以传统晶闸管软起动的主电路结构为基础，通过转矩闭环控制来调节触发角度，按照水泵系统的特性曲线来控制电机的电磁转矩，使控制电机起停的电磁转矩与泵系统特性曲线相匹配，使水泵能够平稳起停，避免“水锤”现象的发生。

　　【关键词】水泵、水锤、触发、转矩

　　Abstract: This article introduce a kind of way to start and stop the pump, it based on the traditional thyristor soft start main circuit structure, adjusts the triggering angle through the colsed-loop control, and controls the electrical machinery according to the water pump system characteristic curve the electromagnetism torque, causes to control the electromagnetism torque and the pump system performance curve to start and stop the pump steady, avoid “water hammer”phenomenon.

　　Key words: pump、water hammer、trigger、torque

　　1 引言

　　水泵系统的负载与其它工况不同，由于其带动的是流体，本身具有很大的惯性，水泵的直接起动和停车会使系统管道中的流体发生突然变化，产生“水锤”现象，影响管道和阀门寿命。同时由于起动过程中会产生巨大的起动电流，造成过大的转矩突变，会对电机和叶轮造成严重的影响，若起动频繁易造成损坏。用开关截止阀的办法来解决冲击问题对于自动制来说比较麻烦，而采用传统的降压式起动的方式相比于直接起动加速转矩有大幅度降低，可水泵在起动接近尾声时产生的突升转矩仍会引起流体发生瞬间冲击。在软停车方面，线性斜坡降压软停方式不能有效的改善泵系统停机时的性能，常常引起电动机停止过程中转速不稳定，产生震荡。

　　本文推出一种泵控功能的软起软停方式，通过闭环调节输出转矩来达到平稳起动水泵无冲击的效果。

　　2 “水锤”的概念

　　水锤效应是一种形象的说法. 它是管道中的流体在输送过程中，由于水泵骤然起动停车、导叶等原因，使流速发生突然变化，同时压强产生大幅度波动的现象。由于流体具有具有动能和一定程度的压缩性，因此在极短的时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高和过低的冲击。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管道一样，故称为水锤效应。由水锤产生的瞬时压强可达管道中正常工作压强的几十倍甚至于数百倍。这种大幅度压强波动，可导致管道系统强烈振动，并可能破坏阀门接头，并引起水泵反转,管网压力降低等，对管道系统有很大的破坏性。

　　3 解决水锤效应的方法

　　即泵系统的负载转矩的变化与液流压力变化成正比，与转速变化的平方成正比，与液流流量的平方成正比。因此，降低转矩的突变可以降低液流对管道和叶轮的冲击，从而防止水锤现象的产生。

　　4 三种水泵起动停止方式的比较

　　4.1 起动方式的比较

　　4.1.1 全压起动

　　全压起动时电机在很短时间内达到全速，产生的过大加速转矩使转速迅速提高，起动负载。但电机产生的电磁转矩远远高于了负载泵的需求，这种流速突变的结果是使液流在管道中产生冲击和水锤。

　　4.1.2电压斜坡软起动

　　如果把液流速度从0加速到100%的时间延长，就可以减轻水锤的现象。这可以通过降低加在电机上的加速转矩来实现。降低加速转矩就意味着加在负载上的转矩减小，所以泵速变化的时间就可以延长。由感应电机的转矩公式:

　　　　4.1.3泵控制软起动

　　泵控制其实是通过转矩控制来实现的，要求控制电机起动时的电磁转矩按照泵特性曲线上升，即尽量使加速转矩保持在一个稳定的范围，而且数值不大，电磁转矩刚刚超过负载转矩即可。由于不存在转矩尖峰，电机从而得到了完全平滑的加速度，将系统中的水锤效应降至最低。

　　下图为三种起动方式转矩与速度的曲线图。

　　从图3.1中可以比较全压起动，电压斜坡软起动以及泵控制软起动的转矩／转速曲线，可知使用了泵控制功能后，电机转矩一直和泵负载的转矩相差一个近似恒定且数值不大的一个值，使起动过程产生的加速转矩大大地降低，使输出转矩得到了完善的控制。

　　下图为泵控制起动和直接起动以及电压斜坡起动的流量，时间关系曲线。

　　从图中可以看出，泵控制起动功能是通过控制泵机的加速转矩以及延长起动时间来降低流体的冲击的，转矩是一个平缓的上升过程，没有瞬间变化，极大地优化了电机的起动特性，将“水锤”最小化。

　　4.2停止方式的比较

　　在泵停止阶段中，降低冲击及水锤与起动过程同样重要。在使用直接停止方式下，当停止命令发出后，泵机则断电自由停车，泵系统液流的落差将迅速地超过泵电动机的惯性，使泵机快速停止，但管道中的流体仍在运动，具有很大动量，这种状况会引起管道及阀门的压力突升，由此会在系统中引起严重的管道和叶轮的损坏。对于一般的斜坡式降压软起动器，通过延长停止时间以缓解冲击，但是并不能解决泵在停止的瞬间产生的冲击转矩问题。因为当使用软停止功能时，电压沿斜波按用户设定的时间从满电压降到0电压，降压可以同时降低转矩，从而电机逐渐慢下来，但总有一点负载转矩大于电机转矩，使电机停转。液体仍会撞击关闭的阀门并存在“水锤”现象。然而，具有泵停止功能的软起动器，能精确控制泵机的减速，这和泵控制起动的原理一样，只不过是它的逆过程。当停止命令发出后，软起动器控制电机的减速，防止任何转矩突变，降低对系统的冲击。软起动器能够持续降低泵机转矩，改变速度特性，这种形式的泵机减速曲线在系统中产生的冲击及水锤最小，从而管道中的流体不会产生瞬间突变。同样，本文也对自由停车、一般软停车、泵停止这几种停车方式进行了分析对比，它们的流量／时间图如图4．3所示。

　　从图4．3可以得出，与自由滑行停车和普通软停车相比，泵控制的停车时间变长，能够使流量缓慢地降低，制止了流量的突变，很好地控制了停机时所产生的一系列冲击问题。

　　下图为直接起停、电压斜坡式软起停和泵控软起停时液流流量曲线的对比图，从图中可以看出，采用泵控软起动器来控制水泵的起停，流体没有突升或突降现象，在流体中不会产生冲击水锤。

　　5 泵控制软起动器的控制方法

　　通过上面的比较，可以知道泵控制功能的软起动器在解决转矩冲击，消除水锤上的优越性，下面对它的控制原理进行进一步的分析。

　　本文研究的泵控软起动是以传统晶闸管软起动的主电路结构为基础，并通过转矩闭环控制来实现的，它的控制策略是通过对转矩给定值和反馈值进行运算，来调整可控硅的触发角，从而调整电压值。具体来说，首先由反馈的电压和电流值运算出电磁转矩，再把它与给定值进行比较，得出差值，运算出需要调整的电压值，在把它转换为需要调整的触发角变化值，以此来控制电机转矩。

　　由电机运动方程，可知：