乳化液泵站的無壓力傳感器變頻調(diào)速控制研究

1、乳化液泵站的無壓力傳感器變頻調(diào)速控制研究摘 要：本文通過對(duì)乳化液泵站的特性分析，結(jié)合現(xiàn) 場實(shí)際應(yīng)用，指出傳統(tǒng)乳化液泵站 PID 變頻調(diào)速算法的不足， 并提出新的無壓力傳感器變頻調(diào)速控制方法。關(guān)鍵詞：乳化液泵站；變頻調(diào)速；無壓力傳感器 中圖分類號(hào)： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-2064（2018）15-0049-021 概述 乳化液泵站是用來向綜采工作的液壓支架或普采工作 面的單 ?w 液壓支柱輸送壓力液體 （乳化液） 的動(dòng)力設(shè)備。 是 維持采煤工作面生產(chǎn)必須運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備之一。礦井要實(shí)現(xiàn)高 效、高產(chǎn)， 液壓支架的支護(hù)速度、 支護(hù)能力必須能滿足要求， 作為液壓動(dòng)力源的乳化液泵

2、站高效、可靠運(yùn)行則至關(guān)重要。在礦井實(shí)際生產(chǎn)過程中，液壓支架的移架、升柱、降柱 等動(dòng)作和相鄰液壓支架的動(dòng)作都是不連續(xù)的，工作面需求的 供液量遠(yuǎn)小于乳化泵的實(shí)際輸出能力。為保證液壓支架處于 隨時(shí)可移動(dòng)狀態(tài)，乳化液泵站需要不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣會(huì)造成 大量不必要的機(jī)械磨損和電能浪費(fèi)。因此，乳化液泵站運(yùn)行 時(shí)引入變頻調(diào)速控制就非常有必要。本文主要根據(jù)乳化液泵站的工作原理，闡述乳化液泵站 的無壓力傳感器變頻調(diào)速控制方法。2 乳化液泵站的工作原理乳化液泵站由兩臺(tái)或以上乳化泵及配套液相組成。乳化 泵本質(zhì)為往復(fù)式柱塞泵。其基本工作原理如圖 1 所示。電機(jī)帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)柱塞做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，把乳化液 推入乳化液管路中

3、。柱塞類泵有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）瞬時(shí)流量是脈動(dòng)的；乳化液泵站輸出管路中配套 緩沖裝置來平緩脈動(dòng)， 越高端的泵站， 緩沖裝置越先進(jìn)。 （2） 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒等時(shí)，平均流量是恒定的；當(dāng)工作面需求流 量小于泵輸出流量時(shí)，乳化泵輸出端配有電磁或機(jī)械卸載 閥，卸載閥動(dòng)作，將多余流量流回泵的吸入端。 （ 3）泵的輸 出壓力決定于輸出管路負(fù)載而不是泵本身。即泵的排出壓力 不是由泵本身決定的，而是取決于泵裝置的管路特性，并且 與流量無關(guān)。理論上，不論泵裝置的管路上有多大的阻力， 泵都可以按其特定流量輸出。3 PID 調(diào)速控制存在的問題 目前采用變頻調(diào)速方式驅(qū)動(dòng)的乳化液泵站基本采用 PID 控制算法，以乳化液泵

4、站輸出壓力為調(diào)節(jié)目標(biāo)，通過變頻器 調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制壓力，期望達(dá)到恒壓供液和節(jié)能降耗 的目的。基于乳化液泵站的基本特性，采用 PID 控制方式控 制乳化液泵站的輸出壓力存在以下問題：（1）必須配套壓力傳感器并且壓力傳感器必須可靠， 一旦壓力傳感器失效，則無法實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制；（2）無法實(shí)現(xiàn)恒壓供液控制。乳化液泵站輸出流量： Q=iFSn ; i為總缸數(shù)，F(xiàn)為柱塞 面積， S 為沖程長度， n 為曲軸轉(zhuǎn)速?？梢钥闯觯陔姍C(jī)轉(zhuǎn) 速一定的情況下， 泵的輸出流量是固定的。 根據(jù)伯努利方程：P+ p v2+ p gh=常數(shù)輸出管道安水平管分析，則P+p v2=常數(shù)。而流速v=Q/A，即P+p 2=常數(shù)。當(dāng)

5、工作面液壓支架動(dòng)作時(shí)，每多一 組支架工作，相當(dāng)于增大一倍，則管路壓力 P 會(huì)將為原來的 1/4 。當(dāng)然，實(shí)際的應(yīng)用現(xiàn)場條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)比公式復(fù)雜，管路中存 在壓力緩沖裝置，壓力變化相應(yīng)也會(huì)緩和許多。但是其基本 趨勢(shì)是不變的。（ 3）液壓支架的動(dòng)作相對(duì)隨機(jī)，無規(guī)律性，因此在恒 壓狀態(tài)下如果突然加入一組支架動(dòng)作，如想要保持系統(tǒng)壓 力，則電機(jī)轉(zhuǎn)速需瞬時(shí)提升。這在變頻控制當(dāng)中是無法實(shí)現(xiàn) 的，變頻控制電機(jī)加速總是需要一定的加速時(shí)間。在這種情 況下出現(xiàn)推移支架慢，支架支撐力不夠等問題。這種情況是 不被現(xiàn)場操作人員接受的。4 無壓力傳感器變頻調(diào)速控制的實(shí)現(xiàn)因乳化液泵站的 PID 調(diào)速控制算法存在一定缺陷， 本文 提

6、出新的乳化液泵站調(diào)速控制思路。即以最大限度減少空載 能耗和機(jī)械磨損為最終目的，在不需要系統(tǒng)壓力傳感器的條 件下，根據(jù)乳化液泵站的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過科學(xué)的統(tǒng)計(jì)與 分析，判斷系統(tǒng)的供液流量需求進(jìn)而調(diào)整乳化泵泵站驅(qū)動(dòng)電 機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。本控制方式實(shí)現(xiàn)的核心是乳化液泵站加載與卸載狀態(tài) 的判斷。因?yàn)槿榛罕谜竟ぷ髟谛遁d狀態(tài)下是不往管道中輸 出流量的。卸載狀態(tài)下的電機(jī)負(fù)載接近空載。電機(jī)通過變頻 器控制時(shí)，通過變頻器能讀取電機(jī)的實(shí)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩。圖 2 是 淄礦雙欣礦業(yè)有限公司 4110 工作面乳化液泵站的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 曲線圖。 該工作面采用 YJVFT-355L1-4 1140V 315kW 變頻調(diào) 速一體機(jī)驅(qū)動(dòng)

7、BRW315/31.5 系列乳化液泵站。通過曲線可以明顯看出，乳化液泵站在加載狀態(tài)時(shí)電機(jī) 轉(zhuǎn)矩在70%85%之間，在卸載狀態(tài)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩在 20%以下。 通過電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，可以準(zhǔn)確判斷出乳化液泵站的工作狀 態(tài)。判讀出乳化液泵站的工作狀態(tài)之后，就可以分析出工作 面需要供液流量。加載狀態(tài)下電機(jī)轉(zhuǎn)速在單位時(shí)間內(nèi)的積分 值乘以固定系數(shù)，即為工作面需求供液流量。即Q=antj（Q為需求流量，a為流量系數(shù)，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速tj為加載時(shí)間）。采煤工作面實(shí)際生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)班需要開啟至少兩臺(tái) 泵，檢修班至少開啟一臺(tái)泵。兩臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)供液能力大于實(shí) 際需求。乳化液泵站有很多時(shí)間是工作在卸載狀態(tài)，卸載狀 態(tài)下作無用功并

8、且存在機(jī)械磨損。引入變頻調(diào)速的最終目 的，其實(shí)就是盡量減少乳化液泵站的卸載工作時(shí)間。圖 3 是上文所述工作面電機(jī)實(shí)際給定運(yùn)行速度曲線。以 下以該曲線為例具體說明無壓力傳感器的變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)方 法。雖然采煤工作面實(shí)際生產(chǎn)過程中液壓支架的工作是無 規(guī)律的，但是在一段時(shí)間內(nèi)液壓支架的需求供液流量是可預(yù) 測(cè)的。通過上文的供液流量需求算法，可以計(jì)算出工作面實(shí) 際需求最大供液量。Q 總 =Q1+Q2=an1tj1+an2tj2將泵轉(zhuǎn)速設(shè)定為工頻轉(zhuǎn)速 1490 轉(zhuǎn) /分，分析某一時(shí)間段 的總需求流量，特別是推移支架最快的時(shí)候，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)兩臺(tái) 泵的加載時(shí)間 tj 占總運(yùn)行時(shí)間不超過 65%。通過計(jì)算，將兩臺(tái)泵的最

9、大電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000 轉(zhuǎn) /分即可滿足需求。相比兩臺(tái)工頻泵（ 1490 轉(zhuǎn) /分）至少節(jié)省 1/3 的無 功損耗和機(jī)械磨損。最低轉(zhuǎn)速的確定。圖中可以看出乳化液泵站的最低電機(jī) 轉(zhuǎn)速為 800 轉(zhuǎn) /分。這個(gè)速度是由乳化液泵站本身的潤滑特性 決定的。 在本例中乳化液泵站最低要求轉(zhuǎn)速為 800 轉(zhuǎn) /分，低 于此轉(zhuǎn)速時(shí)泵潤滑不足容易損壞。不同的泵站最低轉(zhuǎn)速不 同。確定乳化液泵站的最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速后，在轉(zhuǎn)速范圍 內(nèi)通過固定時(shí)間段流量積分值來判斷下個(gè)固定時(shí)間段內(nèi)的 流量需求值，以此為基準(zhǔn)調(diào)整下時(shí)間段內(nèi)泵的轉(zhuǎn)速給定。以加載時(shí)間 tj 為變頻加速輔助限制條件。通過以上手段，實(shí)現(xiàn)乳化液泵站無壓力傳感器變頻調(diào)

10、速 控制。5 結(jié)語本控制方法在雙欣礦業(yè)有限公司實(shí)際應(yīng)用以來，現(xiàn)場反 饋以下應(yīng)用效果。（ 1）乳化液泵站運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低， 現(xiàn)場噪音明顯減??； （2） 沒有出現(xiàn)移架慢，支架支撐力不足等情況；（ 3）乳化液泵站的密封件損壞頻率明顯比之前工頻運(yùn)行時(shí)低；（ 4）乳化液泵站的故障率比工頻運(yùn)行時(shí)明顯降低。通過現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，可以看出，本文所述變頻調(diào)速控制 方法是一種能適用工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的調(diào)速方法。對(duì)促進(jìn)變頻控 制乳化液泵站的發(fā)展具有重要意義。變頻控制乳化液泵站的 推廣，符合國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)節(jié)能工作的決定 、“十一五” 國家十大重點(diǎn)節(jié)能工程 、國家發(fā)改委節(jié)能專項(xiàng)規(guī)劃 和煤 炭工業(yè)節(jié)能工作意見 ，以及地方政府為節(jié)能所制定的法律、 法規(guī)