（检测技术与自动化装置专业论文）水流量标准装置变频调速稳压系统研究.pdf

摘要 流量标准装置的研究和应用是流量计量和测试技术发展的重要环节。流量稳 定性是流量标准装置的一项重要技术指标，它直接影响装置的稳定性和不确定 度。本文针对水塔稳压法投资多、建造周期长，当前变频加容器稳压流量稳定性 仍与水塔法有较大差距的现状，开展水流量标准装置变频加容器稳压系统的研 究。 本文主要完成以下工作： 1 改造天津大学流量实验室4 。水流量标准装置，搭建了流量稳定性研究平 台。在此平台上可研究各种稳压系统控制方案、控制算法，也可方便地 实验测试水塔法、变频法和变频加容器法的流量稳定性。 2 。在分析变频调速负载特性、变频器速度控制方式的基础上，设计了流量 标准装置的变频调速系统，重点说明了外部控制电路和变频器接线电路 设计和控制过程。进行了相关产品选型，总结了调试中的问题。 3 在分析流量稳定性各种影响因素的基础上，分析比较了多种流量调节方 式，研究了串级数字p i d 控制算法，设计了流量装置稳压系统控制方案， 并着重分析比较了稳流和稳压两种控制方案的优缺点。提出了针对离心 泵高效工作区的宽范围流量调节方法。对控制系统的硬件、软件和控制 流程进行了说明。 4 分析了流量稳定性评估方法和实现方式，设计了数据采集系统，针对开 环、单同路流量反馈、单回路压力反馈和串级控制进行了流量稳定性实 验研究。实验表明，在未加入稳压罐的情况下，变频器单回路压力控制 的控制方案，装置的流量稳定性优于0 2 ，调节时间1 0s 2 0s 。 关键词：流量标准装置：流量稳定性；变频调速；容器稳压；控制系统 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ff l o wc a l i b r a t i o nf a c i l i t ya r ei m p o r t a n tp a r to ft h e d e v e l o p m e n to ft h ef l o wm e a s u r e m e n ta n dt e s tt e c h n o l o g y t h ef l o ws t a b i l i t yi sa n i m p o r t a n tt e c h n i c a lp a r a m e t e ro ft h ef a c i l i t y , w h i c hd i r e c t l yi n f l u e n c e si t ss t a b i l i t ya n d u n c e r t a i n t y t h et h e s i sc a r r i e do u tt h er e s e a r c ho ff r e q u e n c yc o n t r o la n dt h ec o n t a i n e r s t a b i l i z i n gp r e s s u r es y s t e m o fw a t e rf l o ws t a n d a r d f a c i l i t y , i nv i e wo fm u c h i n v e s t m e n ta n dl o n gb u i l d i n gt e r mo ft h et a n kr e g u l a t o rm e t h o d ，a n dt h ew i d eg a po f f l o ws t a b i l i t yb e t w e e nt h et a n kr e g u l a t o ra n dt h ef r e q u e n c yc o n t r o lw i t ht h ec o n t a i n e r s t a b i l i z i n gp r e s s u r es y s t e m t h er e s e a r c h e sw e r ec o m p l e t e da sf o l l o w si nt h i st h e s i s f i r s t l y , t r a n s f o r m e dt h e 矿w a t e rf l o ws t a n d a r df a c i l i t yi nt i a n j i nu n i v e r s i t yf l o w l a b o r a t o r y , a n dap l a t f o r mf o rt h er e s e a r c ho f f l o ws t a b i l i t yw a sb u i l t ，b yt h ep l a t f o r m ， t h ec o n t r o lp r o g r a m ，t h ec o n t r o la l g o r i t h mo fk i n d so fr e g u l a t o rs y s t e m sc a nb e i n v e s t i g a t e d ，a n dt h ef l o ws t a b il i t yo ft h et a n kr e g u l a t o rm e t h o dc a nb et e s t , f r e q u e n c y c o n t r o l ，f r e q u e n c yc o n t r o lw i t hc o n t a i n e rs t a b i l i z i n gp r e s s u r e s e c o n d l y , b a s e do nt h ea n a l y z i n go ft h el o a dc h a r a c t e r i s t i c so ff r e q u e n c yc o n t r o lo f m o t o rs p e e da n dt h es p e e dc o n t r o lo ff r e q u e n c yc o n v e r t e r s ，t h ef r e q u e n c yc o n t r o l s y s t e mo ff l o ws t a n d a r df a c i l i t yw e r ed e s i g n e d ，t h ed e s i g na n dc o n t r o lp r o c e s so f e x t e m a lc o n t r o le l e c t r i cc i r c u i ta n dt h ef r e q u e n c yc o n v e r t e r sw i r i n gc i r c u i tw e r e e x p l a i n e de m p h a t i c a l l y s e l e c t i o no ft h er e l a t e dp r o d u c t sa n dt h ep r o b l e mo f d e b u g g i n gw e r ed e s c r i b e di nt h et h e s i s t h i r d l y , k i n d so ff l o wr e g u l a t i o nw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，a n dc a s c a d ed i g i t a l p i dc o n t r o la l g o r i t h mw a ss t u d i e d ，a n dt h ec o n t r o l p r o g r a mo ff l o wf a c i l i t y s r e g u l a t o rs y s t e mw a sd e s i g n e d ，a n dt h et w ok i n d so fc o n t r o lp r o g r a m sf o rf l o wr a t e a n dp r e s s u r ew e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e de m p h a t i c a l l y , o nt h eb a s eo f a n a l y z i n gt h e r e l a t e df a c t o r so ff l o ws t a b i l i t y as o l u t i o nf o rt h ew i d ef l o wr e g u l a t i o no fh i g h l y e f f e c t i v ew o r ka r e ao f c e n t r i f u g a lp u m pw a sp u tf o r w a r d t h eh a r d w a r e ，t h es o f t w a r e a n dt h ec o n t r o lp r o c e s so ft h ec o n t r o ls y s t e mw e r es h o w n f o u r t h l y , t h ef l o ws t a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d sa n di t sr e a l i z a t i o nw e r ea n a l y z e d t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e d t h ef l o ws t a b i l i t i e so fo p e n l o o p ， s i n g l e l o o p f l o wf e e d b a c k , s i n g l e - l o o pp r e s s u r ef e e d b a c ka n dc a s c a d es y s t e mw e r e t e s t i tw a ss h o w nb ye x p e r i m e n t st h a t ，w i t h o u tt h et a n kr e g u l a t o r , i nt h ec o n t r o l p r o g r a mo fs i n g l e l o o pp r e s s u r ec o n t r o lo fc o n v e n e r t h ef l o ws t a b i l i t yo ft h ef a c i l i t y i sb e a e rt h a no 2 ，a n ds e t t l i n gt i m ei s1 0s 2 0s k e yw o r d s ：f l o ws t a n d a r d ；f l o ws t a b i l i t y ；f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ；c o n t a i n e ro f r e g u l a t o r ；c o n t r o ls y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 李交 签字日期： 20 0c f 年9 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：名臣客二 导师签名： i ，。 签字日期：勘。7 年护月 s - f i 签字r 期： ；戗呖 砰月哕日 第一章绪论 1 1 研究流量装置的意义 第一章绪论 各种流量测量仪表在研制工作中有大量实流实验工作，以便充分掌握仪表动 态特性，进一步验证或改进设计。在流量计生产过程中，除标准节流装置以外均 需逐台检定，以确定流量计仪表系数、不确定度、重复性和量程范围等技术指标。 这些工作都需要在流量标准装置上进行，因此，装置的研究和应用是流量计量和 测试技术发展的重要环节。 另外，流量标准装置作为流量单位量值统一与传递的标准，确保我国各地区 和各部门的量值统一在一个标准上，为经济核算或仲裁工作提供依据。在制定国 家( 或企业) 标准和计量规程时，它也能研究测试方法并进行数据验证犯3 。 随着我国经济的不断发展，需要物质流量和数量测量的场合越来越多，并且 测量要求也越来越高，加强各种流量装置的研究，提高流量装置的精度、稳定性 和建立完善的流量标准计量体系，对流量计量技术乃至国民经济发展都具有重要 意义。在国际流量学术讨论会上，标准装置是讨论的中心问题之一，学术论文中 流量装置也占有相当大的比重h 引。因为装置流量稳定性是水流量标准装置中的 一个重要参数和指标，所以流量稳定性问题是水流量标准装置研究的热点。 1 2 液体流量标准装置稳压系统的研究现状 1 2 1 流量稳定性的含义 流量标准装置累积时间内的流量稳定性，是指装置一次测量时间之内流量的 变化。流量标准装置累积时间之间的流量稳定性，是指装置各次测量之间流量的 变化阳1 。关于两种流量稳定性的评价方法，可参考( ( j j g6 4 3 2 0 0 3 标准表法流量 标准装置检定规程。不同等级的流量标准装置所要求的流量稳定性也不相同乜3 。 流量标准装置的流量稳定性与装置水源的压力稳定性有直接关系旧3 。只要水 源具有足够高的压力稳定性，就可以保证装置流量稳定。所以装置流量稳定系统 通常也被称为“稳压系统”；不同的流量稳定方法，也被称为“稳压方法”；稳流 容器也常被称为“稳压容器”、“稳压罐”。尽管“压力稳定性”在一定程度上能 间接反映流量稳定性的好坏，但两者在量值上仍存在一定差距，不可等同。 第一章绪论 1 2 2 流量稳定性的重要性 在流量仪表的校验或标定等试验工作中，对装置的流量稳定性有很高要求。 由流量基本定义，只有流量在整个流动过程中保持恒定的条件下才有可能用 l i m ，、竺代替竺，从而才具有直接测量y 和出的可能，只有在提高装置循环 叫2 u f 出 系统稳定性的条件下才有实效弛1 。凡是以动能、动量、动量矩的原理设计开发 的流量计，在建立基本方程式时，都是假定液体处于稳定流( 定常流) 的状态中， 是由稳定流动的伯努利方程和连续性方程式导出一3 。 在( ( j j g16 4 2 0 0 0 液体流量标准装置检定规程和( ( j j g6 4 3 2 0 0 3 标准表法 流量标准装置检定规程中流量稳定性均作为一项单独的指标列出6 | 。在检定 流量计时，流量计的重复性直接和装置的稳定性相关联。另外，在检定差压类( 节 流式) 流量仪表时，计算被检表的不确定度，必须考虑装置稳定性误差的影响b 。 因此，水流量标准装置的流量稳定性是一项不容忽视的重要指标和重要参数。 在超声、涡轮、涡街和电磁流量计检定规程中都规定重复性为基本允许误差 的1 5 1 3 ，如果流量标准装置流量稳定性没有量化要求，是很难满足被检流量 计重复性要求的阳卜引。如果规定重复性不超过相应准确度等级规定的最大允许 误差的1 5 ，例如0 2 级超声流量计，重复性应是0 0 4 ，若装置流量稳定性不 佳就很难满足这个要求。 根据流量装置检定流量计对象的不同，应规定其流量稳定性( 重复性) 等于 或小于流量计的重复性指标引。 1 2 3 流量标准装置常用稳压方法及优缺点 水流量标准装置按稳压方法不同，可分为水塔稳压法、容器稳压法、变频稳 压法、变频加容器稳压法等制。 水塔稳压法，也可称为恒水头法，是指利用重力原理以恒液位的高位水塔作 为高稳定性的恒压水源，它能获得非常好的流体稳定性。但具有建造高位水塔所 需投资多、建造周期长、占地空间大、高度( 即压力) 亦有限制、无法标定热流 量等缺点。故对于高等院校及某些流量仪表生产厂、工业研究单位等极感不便， 甚至难以采用。但由于其具有较高的流量稳定性，故仍被国外高性能流量装置普 遍采用。由于水源压力受到水塔高度限制，所以压力不会很高，一般在4 1 0 5 p a 以下。因此对一定的管道来说，雷诺数较低，要提高雷诺数数量级很困难，这限 制了水塔稳压方法的进一步发展。 容器稳压法。考虑到水塔稳压法的诸多不便因素，可将稳压与水流源结合在 同一受压、流通容器内，并采取一定的自动控制策略，从而形成容器稳压法。即 2 第一章绪论 取受压、流通容器下部水相作为水流源，其入口由水泵直接供水，出口则作为恒 流水源供给流量试验管路。容器的上部为气相预充压缩空气作为压力源。具有投 资少、占地小、压力可以较高和可以搬迁等优点。但同时这种方式受水泵的不稳 定因素较多( 水泵电机供电电压和电网频率波动，水泵叶轮的不均匀性等) 。并 且由于容器稳压系统中，试验水流量的大小直接取决于气相压力，及其试验管路 的流阻，使水泵根据h - q 特性的供水能力受到约束，特别是在大流阻、大流量 情况下，不得不采用高扬程、大流量和大功率电机的水泵，使稳压容器可以有足 够高的气相压力，以保证有大的流量输出。然而在这种情况下，稳压容器对水泵 供水能力的约束，会造成设备及动力消耗上的浪费，故容器稳压法以用于中小流 量、低流阻的试验装置为宜。 变频稳压法。随着变频调速技术的发展和广泛应用，有的流量标准装置用变 频器调节水泵转速，通过压力变送器检测泵出口压力的波动情况，与变频器构成 闭环控制系统，控制流量装置管路系统压力保持恒定，达到稳压的目的。 变频加容器稳压法。变频调速的流量标准装置，直接用离心泵建立压力系统， 采用高频衰减管路( 或衰减容器) 消除泉出口处流体的高频脉动，用变频调速技 术实现流量的连续调节。因而在变频调速中，无须安装流量调节阀，这样消除了 依靠管路中的流量调节阀所带来的流量性能变差及能量损失大的问题。另外，变 频调速系统还能消除电网电压及电网频率的低频率脉动的影响。变频调速流量标 准装置既省基建投资，又使运行能耗降低，且流量稳定的一种流量标准装置。但 同时这种方法对于控制方案要求较高，实现起来不容易。目前，变频加容器稳压 法的流量稳定性仍与水塔稳压具有一定差距，但其具有建造费用低、占地面积小、 压力范围大和流量范围宽等优点，被国内新建装置广泛采用。 目前，国内外各个水流量装置的稳定性及稳压方法见下表1 - 1 所示。 表卜l国内外各装置稳压方法及稳定性”卜3 研究单位稳定性( )不确定度( )稳压方式流量范围( m 3 h ) p t b 可变温动 3 8 0m 3 h 时采用 静态质量法水流 l 0 0 4 水塔法 8 0 1 0 0 0m 3 h 时采 3 1 0 0 0 量装置 用变频加容器法 美国标准化局0 0 8 6 变频稳压0 4 8 - 2 2 8 0 日本人管水装置 o 1 变频稳压 7 5 0 1 2 0 0 0 国家水大流量计 o 0 5 水塔法 2 0 01 6 0 0 0 量站 0 1 水塔法0 1 1 0 0 0 第一章绪论 北京计量院油装 置 0 2 士o 0 5 容器稳压法 o 0 6 0 0 变频加容器( 消气 天津计量院 l 0 1 o 0 1 2 3 0 罐，仅有竖隔板) 王建中论文的水 士o 0 5 士o 2 0 0 5 变频加容器8 0 0 ( 最大) 装置 一 如表卜1 中所述，德国物理技术研究院( p t b ) 的可变温动静态质量法水 流量装置，测量流量范围：3 1 0 0 0m 3 h ，其扩展不确定度达到了o 0 4 ，采用 了水塔和变频调速稳压相结合的稳压方法。其在8 0 1 0 0 0 m 3 h 时，采用变频调速 稳压法；在3 8 0 m 3 h 时，采用水塔稳压法，这种方式既有效利用水塔稳压在小 流量时高稳定性的优良特性，又充分发挥了变频调速技术优势，极大扩大了流量 测量范围，并且在流量范围上还有很大的扩展空间，是宽流量范围的流量装置一 种可借鉴的方式。 由于国内的流量标准装置大多采用变频调速或变频调速加稳压容器的方式 进行稳压，很多研究人员在变频调速稳压方面进行了有意义的探索。 2 0 0 1 年，大庆油田设计院的方永杰等心研究了流量计量检定装置稳压系统， 采用变频调速加稳压容器的稳土方法，设计了特殊结构的机械阻尼容器和专用稳 压气囊，消除了离心泵高速运转产生的冲击流和脉动流对流量稳定性的影响，控 制系统采用单回路恒压节流控制。 2 0 0 4 年，何兴仁等比划对闭合循环管路标准表法水流量标准装置进行了研究， 采用非稳压方式，开环变频调速控制，流量稳定性为1 3 。 2 0 0 4 年，上海理工大学的杨晓英等心副研究了水流量标准装置中变频调速对 装置稳定性的影响，采用变频调速加稳压容器的开环控制方式，流量稳定性优于 0 2 ，但未研究闭环控制下的流量稳定性情况。 2 0 0 4 年，孙青竹等比射研究了油流量标准变频调速自动检定系统，在油装置 上采用变频调速的闭环控制方式，尝试直接用流量反馈自动调节流量，取得了一 定效果，但流量稳定性指标没有实际说明。 2 0 0 5 年，天津大学流量实验室的马奎等心础研究了多变频器调速系统在水流 量标准装置上的应用，系统采用恒压节流的稳压方式，实现流量的宽范围调节并 取得明显的节能效果，但对流量稳定性提及的不多。 4 第一章绪论 1 3 论文研究背景、主要研究内容及创新点 1 3 1 研究背景 从理论上讲，由于变频系统能有效的抑制电网电压及频率的波动，变频器输 出频率分辨率为o 0 1 h z ，按工频5 0 h z 计算，其输出频率精度在- 4 - 0 0 2 。在理论 上，水泵出口流量稳定性受变频器输出频率的影响精度也为士0 0 2 。由于离心 泵的叶轮机构，使其输出的流量产生高频脉动。在变频调速装置中，应采用衰减 管段衰减这一流量的高频脉动。根据理论计算，当采用合理的方案后，泵出口处 压力脉动经过衰减管路后，流量稳定性仍能保证4 - 0 0 5 ( 假定离心泵的出口脉 动量为4 5 ) 。由此可见，采用变频调速系统时，不再采用流量调节阀，故由于 流量调节阀而产生的流量不稳定性因素就可以不计了。据文献介绍，球形调节阀 的稳定性较好，但仍有1 0 - - 4 1 0 - 3 的误差。变频加容器实际稳定性估计在4 - 0 0 5 左右。但是在国内外水流量标准装置的实际应用中，采用变频加容器稳压方法的 流量稳定性一般比o 1 要差，与理论有较大差距，值得国内外学者和研究人员 进行深入的研究。 本文结合实验室的具体情况，对原有水流量标准装置进行了相应改造，通过 比较水塔法、变频调速法和变频加容器稳压方法，设计出一套具有较高效率、较 高精度和可靠性的水流量标准装置稳压系统。 1 3 2 论文主要研究内容 本文主要研究内容： ( 1 ) 对比国内外流量标准装置的稳压方法，结合天津大学实验室具体情况， 搭建水流量标准装置流量稳定性研究平台。 ( 2 ) 分析变频调速的基本原理，研究变频调速的负载特性、变频器速度控 制方式以及相应产品选型，在此基础上设计变频控制柜的控制电路，并对其进行 安装和相应调试。 ( 3 ) 分析影响流量稳定性的因素，研究和设计稳压控制方案，比较稳流和 稳压方案的优缺点，并设计系统的硬件和软件。 ( 4 ) 分析流量稳定性评价方法及其实现方式，对变频调速稳压水量标准装 置流量稳定性进行相关实验研究，对实验结果进行分析和总结。 1 3 3 论文创新点 1 提出了水流量标准装置变频加容器稳压系统串级p i d 控制方案。它以标 第一章绪论 准表流量为主被控变量，泵出口压力为副被控变量，变频器为执行器，变频器自 带的控制器为副控制器，计算机实现主控制器。 此方案既充分利用了压力变送器响应速度快的特点，又利用了流量这一直接 量作为主被控变量，在流量检定点从当前稳定值变更到新的流量点时，上述控制 方案可直接根据检定点流量值变化，用变频器调节水泵转速使流量稳定在新的流 量点，实现了流量自动调节，不需要调节阀，流量调节速度快。 1 4 论文章节安排 本文共分为6 章： 第一章绪论，对液体流量标准装置稳压系统的研究现状进行简要综述，同 时阐述了本课题的实际意义及本文的组织结构。 第二章水流量标准装置流量稳定性研究平台，在天津大学流量实验室4 4 水 流量标准装置的基础上，研究、设计并搭建流量稳定性研究平台。 第三章变频调速系统研究，依据变频调速基本原理，对系统负载特性进行 分析，完成了变频调速系统方案和控制电路的设计。 第四章稳压系统控制方案研究，分析影响流量稳定性的因素，并比较各种 流量调节方式，在此基础上，完成稳压系统的方案设计，总结调试过程中出现的 问题。 第五章水流量标准装置流量稳定性实验研究，分析流量稳定性评估方法和 实现方式，对变频调速稳压水量标准装置流量稳定性做了相关实验研究，并分析 了各种控制方式下流量稳定性的比较结果。 第六章总结与展望，对本文完成的工作进行简要总结，对进一步开展的研 究工作提出建议。给出了可能具有更好控制效果的开环矢量控制设计方案。 6 第二章水流最标准装置流萤稳定性研究甲台 第二章水流量标准装置流量稳定性研究平台 2 1 实验室原有4 8 水流量标准装置 2 1 1 装置的结构和工作原理 天津大学流量实验室原有4 “水流量标准装置结构如图2 1 所示，其工作原理 是：启动水泵，将水池中的水抽入水塔中，依次开启进水阀和调节阀，使水经过 标准表、被检流量计、换向器和旁通管路流入水池。静态质量法时，工作流程为： 开始检定时，操作调节阀将流量调至所需流量后，启动换向器使水由旁通管路换 入称量容器，同时根据光电信号转换器的信号启动计时器和被检流量计的的脉冲 计数器、开始记录被检流量计示值和测量时间，当达到预定水量时，操作换向器， 使水由称量容器换入旁通管路，同时停止流量计和计时器信号记录。比较电子秤 的称量值和被检流量计的输出流量值，从而确定被检流量计的计量特性晗6 2 7 3 。 图2 1 静态质量法水流量标准装置结构示意图 1 进水阀2 过滤罐3 标准表4 调节阀5 平衡罐6 排污阀7 计算机 8 被检流量计9 接线柜1 0 流量调节阀1 1 喷嘴 1 2 换向器1 3 量器1 4 放水阀1 5 电子秤 该装置融合了静态质量法和标准表法，静态质量法水流量标准装置是依据流 量的基本定义予以实施的装置，即以质量m 作为原始的度量依据，结合时间， 的测量，得到容积流量或质量流量；标准表法部分是通过该装置自身的静态质量 第二章水流鼍标准装置流爱稳定性研究平台 法部分进行量值传递的，用具有良好重复性及稳定性的涡轮流量计作为标准表。 装置系统中的计时，利用读取计算机c p u 上电后的时钟周期数除以计算机 时钟频率得出，计时精度能够达到毫秒级。实验过程中，计算机发出指令依次通 过计算机板卡p c i7 5 0 5 、继电器给电磁阀输出控制信号，电磁阀控制气缸带动换 向器动作，同时由p c i7 5 0 5 读入光电信号，确定换向器是否已经换向完成，换 向完成后即开始计时和计数过程。 2 1 2 装置的性能 水流量装置不确定度主要受换向器换向精度影响，以下从换向器检定结果来 说明原装置的性能瞳。 换向器是水流量装置中用于引导水流交替地沿着正常通道流动或流向称重 容器的可动装置。 根据封闭管道中液体流量的测量一称重法( g b t1 7 6 1 2 1 9 9 8 ) 中规定担引， 换向器动作应足够快( 例0 h , j , 于0 1 s ) ，以减少在测量注水时间中引入较大误差 的可能性，并要求行程差要小，如果装置台位测量最短时间为3 0s ，要求换向器 的时间差为1 0 1 5m s 。流量对称性也要好，换向时不影响管道内的压力，使流 场处于对称和稳定的状态。通过喷嘴狭缝的压力损失不应超过2 0k p a 以避免液 体飞溅、夹杂空气，以及避免液体越过换向器和在称重容器内扰动。 4 4 水流量标准装置的换向器的检定数据如表2 1 所示。 表2 1 4 4 水流量标准装置换向器检定数据 正常流量测量参数累积流量测量参数b 类不 检定 秤读数测量时间总脉秤读数累积时间累积脉 确定度 序号 ( k g ) ( s ) 冲数 ( k g ) ( s ) 冲数 ( ) l1 3 9 2 0 4 5 4 3 5 43 0 7 4 01 4 3 7 04 6 9 7 2 03 1 7 8 00 0 0 7 6 21 4 1 6 04 6 2 5 4 33 1 2 8 61 4 4 1 54 7 1 2 9 73 1 8 6 3- 0 0 0 2 2 31 4 1 5 04 6 2 5 6 63 1 2 4 21 4 4 3 54 7 1 9 8 93 1 8 6 80 0 0 0 5 41 4 1 5 04 6 2 5 4 83 1 2 0 41 4 4 6 54 7 3 2 0 43 1 9 1 20 0 0 2 2 51 4 1 5 04 6 _ 2 6 1 93 1 1 8 21 4 4 8 54 7 4 1 1 13 1 9 5 60 0 0 5 9 61 4 1 5 04 6 2 7 6 33 1 1 7 51 4 6 2 04 7 8 4 5 33 2 2 2 1- 0 0 0 1 7 7 1 4 1 5 04 6 3 0 8 83 1 1 8 11 4 6 2 54 7 9 0 0 63 2 2 6 30 0 0 5 8 81 4 1 5 54 6 3 3 0 73 1 2 0 81 4 6 1 54 7 8 8 1 63 2 2 5 30 0 0 5 1 91 4 1 5 0 4 6 3 2 1 73 1 1 9 51 4 6 0 54 7 8 5 0 63 2 2 3 2- 0 0 0 5 6 1 01 3 8 5 04 5 3 6 0 83 0 5 4 81 4 5 7 54 7 7 7 0 l3 2 1 7 30 0 0 4 3 第= 水渔量标准装t 流量稳2 性* r 平台 通过表2 - 1 中数据不难发现，实验室原有装置换向器换向精度已经很高，其 b 类相对标准不确定度优于00 1 。在来进行稳压源改造前，该装置的扩展不确 定度优于00 5 。 2 24 + 水流量标准装置的改造 4 水流量标准装置采用水塔稳压法，根据本课题研究流量稳定性的需要对 装置的稳压源进行了改造，由单一的水塔稳压方式改为可以分别采用水塔稳压、 变频稳压和变频加稳压罐稳压三种方式的稳压实验平台。改造后的装置如图2 2 所示。 圈2 - 2 装置改造后实物圈 改造后的装置原理图如图2 0 所示，当打开球阀a ，关闭球阀b 和球阀d 时，装置由水塔供水；当关闭球阀a 、球阀c 和球阀d 时，打开球阀b 时，装 置由变频泵供水：当关闭球阔a 和球阀b ，打开球阀c 和球阀d 时，装置由变 频泵加稳压罐供水。 装置改造后为实验室搭建了研究流量稳定性的实验平台，在此平台上可以 研究基于各种算法的控制系统，也可阻直观地比较水塔稳压法、变频稳压法和变 频加容器稳压三种方式的稳压效果， 第二章水流每标准装置流量稳定性研究甲台 2 3 稳压罐 图2 3 装置改造后原理图 稳压罐也称为稳压容器，是利用密闭压力罐内空气的压缩性和罐内设置的隔 板来缓冲流量波动的一种装置。 变频器根据稳压罐出口流量变化及容器内液位变化调节水泵转速。如果水泵 匀速运转且容器入口流量等于出口流量时，整个稳压系统处于稳定流动。此时稳 压容器中空气压强或液位只受水流紊动影响，为减少这种影响，系统运转前给稳 压容器中空气加压，使其形成“气塞”即容器水面上受一个刚度很大的“强力弹 簧”的作用，它可使容器内水位波动大大减少，使稳压系统中的压力稳定性得到 改善。当容器入口流量不等于出口流量时，如检定流量点变化或电网中电压改变， 稳压系统中出现了新的不稳定流动，稳压容器水位立即发生变化，空气压强也随 之变化，变频器调节水泵转速直到运转在新的工作点，整个稳压系统又出现新的 稳定流动状态。 稳压罐的外部结构如图2 4 所示。由于稳压罐相对来说属于高压容器，出 于安全考虑，在稳压罐的封头顶部必须按转安全阀，防止罐内气压过高引起危险。 设计加气阀和排气则是出于控制的考虑，以维持罐内压力的稳定。差压变送器取 压口的预留是为了测量罐内液位高度，通过控制液位维持压力的稳定。排污阀是 在密闭罐内混入污物时能够使其方便排出，也可在稳压罐长期不使用时，将罐内 l o 第一章水流量标准装置流景稳定性研究平台 的水排空，防止稳压罐被腐蚀生锈。 图2 - 4 稳压罐外部结构图 1 稳压罐进水口2 排气阀3 安全阀4 加气阀 5 差压交送器采压口6 稳压罐出水口7 排污阀 稳压罐内部设计结构如图2 - 5 所示，在进水1 5 1 上方到竖隔板顶端的空间内， 等距离放置3 块多孔横隔板，自下向上分别为第一层、第二层和第三层隔板。其 具体形状和尺寸如图2 - 6 所示。 关于稳压罐的详细内容见同课题组李峥硕士的学位论文水流量标准装置 不确定度和流量稳定性研究，其中详细介绍了稳压罐的原理、结构以及计算和 设计的具体过程。 图2 - 5 稳压罐内部结构图 1 第一层隔板2 第二层隔板3 第三层隔板 第二章水流景标准装置流景稳定件研究平台 、o c o 。，e _ c ，c ，e to ) o 夺。一” 、c c ( ，o ，- o ( o e 、o ，j 、? o ( c 。oc oc ( 一c + c 、，c o 一：c ，oc c ，口 、正! 坌i 7 ；万莓葛葛；百耳苇百百虿百写罨碍疋疆f f 万葶百。葛蔫孑 e 寺c o ) o 予由，o oco 巾o e oc _ 审母，io o 、口。争c o o o o o o o ，- 十o o 小c o ) 守c ， 争母十斗争争母巾蛐甘争争口母母o 母9 睁o o 母母。巾e 畸，母咖十e 崎由 、p e - q 州 母“h 州- - ，o k 一 、吧o 夺寺母0 4 ，o e 巾0 9 毛 ， 、母。母o o oo 争寺口c 7 、2 2 1 2 j ：二一7 ( 2 ) # # 4 女 4 m 川f _ h o 9 q o 口 o o 母口o o 川o o oo o u 十口呻 6 4 4 0 m m + o o 一 、口 啼川川 4 e 、+ o a m + 啼川r 、十， 、t 盘点墨笔登名一7 ( 3 ) 图2 - 6 三块隔板的结构和尺寸图 1 自下向上第一层隔板2 自下向上第二层隔板3 自下向上第三层隔板 2 4 本章小结 本章介绍了天津大学流量实验室4 。水流量标准装置的结构和工作原理，经检 定，装置的扩展相对不确定度优于于0 0 5 。在4 。装置的基础上，搭建了流量稳 定性研究平台，在此平台上可以研究基于各种算法的控制系统，也可以直观地比 较水塔稳压法、变频稳压法和变频加容器稳压法的流量稳定性。介绍了稳压罐的 原理和基本结构。 第三章变频调速系统研究 第三章变频调速系统研究 变频调速系统是变频加容器稳压方法的基础，变频调速的实现及稳定运行 是保证稳压系统可靠稳压的前提条件。本章基于变频调速基本原理，对负载特性、 变频器控制方式进行了分析，在此基础上重点说明了本系统变频控制电路的设 计。 3 1 变频调速原理 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速目的。当在定 子绕组上接上三相交流电时，在定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转磁场， 它与转子绕组产生相对运动，使转子绕组产生感应电势，出现感应电流，此电流 与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩，使电机转动起来呲3 。电机磁场的转速成为 同步转速，用n 表示： n = 6 0 f p ( 3 - 1 ) 式中：厂为三相交流电频率，一般为5 0h z ；p 为磁极对数。 由式( 3 1 ) 可知，磁极对数p 越多，转速就越慢。转子的实际转速玎比磁 场的同步转速要慢一点，所以称为异步电机，这个差别用转差率s 表示： j = ( ，2 1 - n ) n 1 x 1 0 0 ( 3 - 2 ) 其中，j 在0 l 之间变化。一般异步电机的额定负载下的转差率为1 6 怕引。 综合式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 可以得出： 珂：6 0 f ( 1 一s ) ( 3 3 ) p 由式( 3 - 3 ) 可知，电机转速r 与电源频率厂成正比，只要改变频率厂即可 改变电动机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。变频器就是在调整频率 ( v a r i a b l ef r e q u e n c y ) 的同时还要调整电压( v a r i a b l ev o l t a g e ) ，故称变压变频调 速，简称v v v f n 制。如图3 1 所示，变频器的输入端接至频率固定的三相交流电源， 输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机。 第三章变频调速系统研究 r u s v tw v v v f 图3 1 变频器的功能 变频调速系统中的变频器一般可以分为“交一交”变频器和“交一直一交” 变频器两种，其工作原理示意图见图3 - 2 所示。 a v v v f 加，c ( a c 周波变换器 a c 图3 2 变频器工作原理示意图 “交一交”变频器也称直接变频器或周波变频器，它是直接将电网的交流电 压变成电压和频率都可调的交流输出。“交一直一交”变频器也称间接变频器， 它是将交流电经过可控整流器变成幅度可调的直流电压( 简称w ) ，然后再将 此直流电经过逆变器变成频率可调的交流输入( 简称v f ) b 。 “交一交”变频电路一般采用三相桥式电路，因其最高输出频率只能是电网 频率的1 3 以下，所以在变频领域其逐步减少旧6 | 。当前变频器主要采用交一直一 交方式，即先把工频交流电源通过整流装置转换成直流电源，然后再把直流电源 转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、 中间直流环节、逆变和控制4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流，逆 变部分为i g b t 三相桥式逆变，且输出为p w m 波形，中间直流环节的作用为滤 波、直流储能和缓冲无功功率。它可以有效地抑制电网电压与频率波动的影响。 3 2 变频调速的负载特性分析 为了使变频调速装置达到良好特性，需要先分析电机的负载特性，重要的是 了解其转矩特性以及在起动时和正常操作时的变化情况，在此基础上再合理设计 变频调速装置。常见的负载类型有以下三种扭7 | ： l 、平方转矩负载 1 4 第三章变频调速系统研究 风机类、泵类负载是平方转矩负载。一般情况下，具有u 忙o n s t ( u 是指 输出电压，厂是指输出电压的频率) 控制模式的变频器基本都能满足这类负载的 要求。这类变频器的主要特点在选型时需要注意的问题：避免过载、避免共振、 启停时变频器加速时间与减速时间的匹配、憋压与水锤效应。 2 、恒转矩负载 恒转矩负载的基本特点为，在负荷一定的情况下，负载阻转矩取决于皮带与 滚筒间的摩擦阻力和滚筒的半径。这类负载转矩和转速的快慢无关，在初始速度 时就有阻力，即启动需要启动转矩，所以在调节转速过程中，负载的阻转矩保持 不变。恒转矩负载在选择变频调速系统时，除了按常规要求外，应对变频器的控 制方式进行选择。典型实例：带式输送机、潜水泵、空气压缩机、自动旋转门等。 3 、恒功率负载 恒功率负载的基本特点为，在不同的转速下，负载的功率基本恒定。 由公式：t = 9 5 5 0 尸刀可知：负载阻转矩丁和转速刀成反比。典型实例：各 种薄膜的卷取机，车床，钻床、磨床。 表3 1各种负载特性比较 j j | | j 。 jl 特性曲线r j pr ，7 _ ，) 、n t = z ( n ) ， 。 l p = 工( 以) u r u，u r 打 打 打 主要设备输送带、起重机、压缩机各种风机泵类卷曲机、轧机、机床土轴 功率与转速关系p 虻胛t = c p 矿t 。c 玎2 p = ct 瓯、| n 使用变频器目的节能为主节能调速为毛调速为主 使用变频器 一般显著 较小( 指降压方式) 节电效果 3 3 变频器速度控制方式 变频器的主要工作原理是借助于控制技术、电力电子技术和计算机技术的结 合，使其能获得需要的电压、电流和频率b 。各类变频器输出一般为可变电压、 可变频率的形式。 在磁通恒定时，不同频率异步电动机的机械特性，硬度变化很小，所以在调 速时气隙磁通保持为恒定值至关重要。磁通太弱，铁芯不能获得充分利用，造成 浪费：磁通太强，铁芯饱和，使电机电流上升，异步电动机发生过热现象。定子 第三章变频调速系统研究 频率控制是异步电动机获得平稳调速的关键，其主要控制方式有3 种。 l 、恒压频比( v f ) 控制 第一代变频器采用压频比标量控制方式，是最基本的控制方式，是上世纪七 十年代发展起来的。通常是开环控制，维持磁通为常数。在对异步电动机进行调 速控制时，希望电动机的主磁通( 气隙磁通) 保持额定值不变。v f 控制分两种情 况：基频以下的恒磁通变频调速为使电机的气隙主磁通保持不变，可采用近 似等于常数的方式进行控制，属于恒转矩调速方式，但要考虑到电机