多電機(jī)同步控制在多臺(tái)水泵并列運(yùn)行中的必要性

王啟業(yè)(華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030)

多電機(jī)同步控制在多臺(tái)水泵并列運(yùn)行中的必要性

王啟業(yè)
(華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030)

分析了熱網(wǎng)循環(huán)水系統(tǒng)中并列運(yùn)行的大功率水泵組電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步對(duì)泵組效率和運(yùn)行振動(dòng)的影響，提出了電機(jī)轉(zhuǎn)速不同步會(huì)導(dǎo)致泵組整體效率下降以及水泵運(yùn)行振動(dòng)加劇，并對(duì)并聯(lián)同步控制進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了并聯(lián)同步控制在多臺(tái)泵并列運(yùn)行中的可行性。在國(guó)家節(jié)能降耗的政策背景下，同步控制對(duì)熱電廠降低廠用電率、優(yōu)化水泵運(yùn)行顯得至關(guān)重要。

循環(huán)水泵組效率；并聯(lián)同步控制；節(jié)能降耗

0 引 言

廠用電率作為電廠節(jié)能降耗的一個(gè)重要指標(biāo)，不容被忽視，熱電廠的廠用電率一般在8%左右[1]，廠內(nèi)主要的耗電設(shè)備多為水泵和風(fēng)機(jī)，其中大功率的給水泵、凝汽器循環(huán)水泵、熱網(wǎng)循環(huán)泵及其凝結(jié)水泵都是多臺(tái)并列運(yùn)行，并留有備用泵，這些泵耗電量很大，占整個(gè)廠用電的比例達(dá)到75%，因此，通過(guò)提高大功率水泵組的運(yùn)行效率、降低其耗電量，來(lái)降低廠用電率顯得尤為重要。

在水泵的性能實(shí)驗(yàn)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出泵的運(yùn)行效率，運(yùn)行效率低可直接反映出水泵電耗高，造成廠內(nèi)水泵電耗高的原因主要有兩個(gè)：一是泵選型不合理，主要表現(xiàn)在泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程比實(shí)際揚(yáng)程偏大很多，這種情況，可通過(guò)泵腔內(nèi)葉輪改造使泵運(yùn)行在高效區(qū)域；二是并列布置的泵組運(yùn)行不合理導(dǎo)致泵組的整體效率下降，造成電耗增加。針對(duì)后者進(jìn)行分析，通過(guò)國(guó)內(nèi)某電廠熱網(wǎng)水循環(huán)泵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證泵之間運(yùn)行不同步導(dǎo)致泵組效率下降，并給出理論分析，利用MATLAB仿真分析得出：并聯(lián)同步控制可有效提升泵組運(yùn)行效率。

1 熱網(wǎng)水循環(huán)泵組性能實(shí)驗(yàn)

國(guó)內(nèi)某熱電廠熱網(wǎng)首站配套8臺(tái)熱網(wǎng)循環(huán)泵，循環(huán)泵型號(hào)為KQSN/J350-M4/693，單極雙吸離心泵，一拖一變頻控制，設(shè)計(jì)為6用2備，最多實(shí)際運(yùn)行數(shù)量為7臺(tái)。供熱末期對(duì)其中4臺(tái)熱網(wǎng)水循環(huán)泵進(jìn)行了性能考核。

1.1 熱網(wǎng)水循環(huán)泵組并列運(yùn)行結(jié)構(gòu)

圖1 熱網(wǎng)水循環(huán)泵的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 熱網(wǎng)循環(huán)泵參數(shù)及其實(shí)驗(yàn)參數(shù)

熱網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 熱網(wǎng)循環(huán)泵設(shè)計(jì)參數(shù)

性能實(shí)驗(yàn)分為5個(gè)工況進(jìn)行，如表2所示。

表2 試驗(yàn)工況表

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

注：循環(huán)泵揚(yáng)程設(shè)計(jì)偏離設(shè)計(jì)值過(guò)大，導(dǎo)致泵效率偏低。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖2 熱網(wǎng)循環(huán)泵組效率與流量的關(guān)系曲線

從圖2中可以看出，泵組轉(zhuǎn)速不同步(工況1：頻率不同步)時(shí)，泵組的效率明顯低于轉(zhuǎn)速相同時(shí)的工況。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，頻率不同步的泵組中有2臺(tái)泵振動(dòng)明顯加劇，主要是因?yàn)轭l率低的水泵被“搶水”，泵流量下降，進(jìn)出口管路水流出現(xiàn)周期性喘息現(xiàn)象，導(dǎo)致泵的振動(dòng)加劇，運(yùn)行不穩(wěn)定。

2 多電機(jī)同步控制方案

對(duì)多電機(jī)的同步控制研究，大致分為4種[2]：(1)基于同一給定電壓的并聯(lián)運(yùn)行方法，各電機(jī)的速度環(huán)采用同一給定電壓,這種方法線路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，但啟動(dòng)同步跟隨性好，抗負(fù)載擾動(dòng)能力差；(2)基于同一給定電壓的串聯(lián)運(yùn)行方法，以前一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出作為下一臺(tái)電機(jī)的速度給定，這種方法簡(jiǎn)單易行，但啟動(dòng)過(guò)程跟隨性能不是很理想，抗負(fù)載擾動(dòng)不十分理想；(3)基于補(bǔ)償原理的輸出耦合控制方法，在各電機(jī)采用同一給定電壓或以前一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出作為下一臺(tái)電機(jī)的速度給定的基礎(chǔ)上，比較主從電機(jī)的轉(zhuǎn)速，其差值經(jīng)補(bǔ)償器加到從或主電機(jī)的控制輸入端，這種方法使同步控制精度和抗負(fù)載擾動(dòng)能力都得到了很大的提高，在實(shí)際應(yīng)用中使用最廣泛，補(bǔ)償?shù)姆绞椒椒ú煌Ч灿胁町悾?4)基于現(xiàn)代控制理論的控制方法，這種控制方法主要是在前3種方法的基礎(chǔ)之上將現(xiàn)代控制理論應(yīng)用到控制kongz控制器的設(shè)計(jì)和被控對(duì)象的模型辨識(shí)中。

鑒于上述幾種同步控制方法實(shí)現(xiàn)難易程度不同，綜合考慮電廠實(shí)際運(yùn)行邏輯，提出將簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的并聯(lián)同步控制方法運(yùn)用到熱網(wǎng)水循環(huán)泵組的控制中，即所有電機(jī)給定同一轉(zhuǎn)速，并聯(lián)同步控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 并列同步控制結(jié)構(gòu)圖

3 模型設(shè)計(jì)與仿真分析

在實(shí)際運(yùn)行中，拖動(dòng)熱網(wǎng)水循環(huán)泵的電動(dòng)機(jī)采用大功率的三相異步交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)[3]。在實(shí)際工程中大多運(yùn)用矢量控制技術(shù)[4]，通過(guò)坐標(biāo)變換，把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，用來(lái)分別控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁，獲得和直流電動(dòng)機(jī)相仿的高動(dòng)態(tài)性能，因此這里直接選取直流電動(dòng)機(jī)來(lái)做仿真研究。

3.1 模型設(shè)計(jì)

選取直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)：額定數(shù)據(jù)為10 kW，220 V，55 A，1 000 r/min，電樞電阻Ra=0.5 Ω；通過(guò)計(jì)算得出電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.192 5 V·min/r，取電樞回路總電阻R=1 Ω，飛輪慣量GD2=10 N·m2，通過(guò)計(jì)算，得出電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.017 s，機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.075 s。

實(shí)際中同一型號(hào)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)通常都是略有差別，取4臺(tái)電機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù)和機(jī)電時(shí)間常數(shù)如表4所示。

表4 各電機(jī)電磁時(shí)間常數(shù)和機(jī)電時(shí)間常數(shù)

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由變頻器來(lái)調(diào)節(jié)，將變頻器中電力電子變換裝置看作一階慣性環(huán)節(jié)KsTsS+1，在直接轉(zhuǎn)速給定下將變頻器傳遞函數(shù)取為0.05s+0.03。轉(zhuǎn)速跟蹤控制器選用PI調(diào)節(jié)滿足無(wú)靜差。

基于Ziegler-Nichols方法的PID整定[5]：該方法是基于穩(wěn)定性分析的PID整定方法。整定比例系數(shù)的思想是，首先置KD=KI=0，然后增加Kp直至系統(tǒng)開(kāi)始振蕩(即閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)在軸上)再將Kp乘以0.6，即為整定后的比例系數(shù)Kp。

整定公式如下。

Kp=0.6Km;KD=Kpπ4ωm;KI=Kpωmπ

(2)

式中，Km為系統(tǒng)開(kāi)始振蕩的K值;ωm為振蕩頻率。

利用根軌跡法可以確定Km和ωm。對(duì)于給定的被控對(duì)象函數(shù)，可以得到其根軌跡。對(duì)于穿越軸時(shí)的增益即為Km，而此點(diǎn)的ω值即為ωm。

通過(guò)Ziegler-Nichols方法的PID整定得到：Kp=14.263 4，KI=0.453 2，KD=0.125 1；在仿真中將跟蹤控制器傳遞函數(shù)取為14.26s+0.45s。

3.2 仿真分析

給定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，4臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線如圖4所示。

從圖4中可以看出僅在1 s以后，4臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速就都達(dá)到1 000 r/s，速度同步性能相當(dāng)好。

在5 s的時(shí)刻，模擬兩臺(tái)電機(jī)的電源發(fā)生擾動(dòng)，即給電機(jī)1施加+5A的階躍負(fù)載電流，給電機(jī)2施加-5 A的階躍負(fù)載電流，4臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度曲線如圖5所示。

5 s時(shí)電機(jī)1與電機(jī)2的速度曲線發(fā)生了變化，如圖5所示。它們的速度超調(diào)量為

圖4 載重恒定下4臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度曲線

圖5 電源擾動(dòng)下4臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度曲線

σ%=1 070-1 0001 000×100%=7%

可以滿足實(shí)際工程中對(duì)平穩(wěn)性的要求，恢復(fù)時(shí)間tv=2 s。

4 總 結(jié)

通過(guò)性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了循環(huán)水泵轉(zhuǎn)速不同會(huì)導(dǎo)致泵組整體效率下降、泵振動(dòng)加劇，并給出了理論分析。提出將并聯(lián)同步控制運(yùn)用于泵組的同步控制中，可有效提升泵組的整體效率，使泵運(yùn)行更加穩(wěn)定，延長(zhǎng)泵的使用壽命。建議國(guó)內(nèi)熱電廠推行這種控制方式，進(jìn)一步降低廠用電率，降低熱電廠運(yùn)行成本，同時(shí)達(dá)到“節(jié)能減排”的目的。

[1] 王林川．電廠廠用電率及對(duì)策[J]．東方電氣評(píng)論，2002，16(3)：158．

[2] 劉福才，張學(xué)蓮，劉立偉．多級(jí)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)同步控制理論與應(yīng)用研究[J]．控制工程，2002，9(4)：87-89．

[3] 陳堅(jiān)．交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及調(diào)速系統(tǒng)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1989．

[4] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：206．

[5] 劉金琨．先進(jìn)PID控制MATLAB仿真(第2版) [M]．北京：電子工業(yè)出版社，2004:86-87．

The influence of out-sync motor speed of high-power water pump in parallel operation on the efficiency of pump units and operation vibration is analyzed in the circulating water system of the heat supply network. It is proposed that the motor speed which is out of sync will lead to the reduced overall efficiency and excessive vibration of the pump units. The simulation analysis shows that the feasibility of parallel synchronization control is verified in the parallel operation of multiple pumps. In the context of energy conservation and consumption reduction policy, the synchronization control is of great importance to the reduction of auxiliary power rate and the optimization of pump operation.

efficiency of circulating pump units; parallel synchronization control; energy conservation and consumption reduction

TM763

A

1003-6954(2015)02-0082-03

2014-11-11)

王啟業(yè)(1985)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娬究刂婆c節(jié)能技術(shù)。