專利名稱：可變速控制的泵系統(tǒng)的制作方法
專利說明 本發(fā)明一般涉及一種泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含由頻率變換器和電動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成的(可)變速(度)驅(qū)動單元和一通過該(可)變速(度)驅(qū)動單元可進行變速運行(變速操作)并至少具有一泵功能的液壓機(泵、水泵-水輪機等)，本發(fā)明尤其涉及一種能迅速響應(yīng)外部指令、通過(可)變速(度)控制可以適用于改進電力系統(tǒng)的電力的供需平衡的泵系統(tǒng)。
在傳統(tǒng)的抽水蓄能(水力)發(fā)電廠中，通常是用旋轉(zhuǎn)速度為定值的水泵-水輪機進行發(fā)電或抽吸操作的，而在抽吸操作期間，則按照預(yù)定的落差函數(shù)來對水泵-水輪機的導(dǎo)流葉片的開口量(開度)進行線性調(diào)節(jié)。
然而，從電力系統(tǒng)的觀點看，上述傳統(tǒng)發(fā)電廠在泵送操作期間僅能提供沒有自由度(不可調(diào)節(jié))的負(fù)載操作，以致不能通過調(diào)節(jié)來改進電力系統(tǒng)的電力供需平衡。
為此目的，新近提出了(可)變速(度)泵系統(tǒng)，在這系統(tǒng)中，水泵-水輪機的旋轉(zhuǎn)速度是可變的，以便與泵送運轉(zhuǎn)期間的電力系統(tǒng)相對應(yīng)。
例如，日本專利公開刊物1984年No.203883揭示了一種運行方法，在這方法中，如果當(dāng)泵運轉(zhuǎn)時從系統(tǒng)發(fā)出了一個減少系統(tǒng)泵輸入的請求時，則僅在泵輸入減少期間，在感應(yīng)發(fā)電機-電動機的速度控制單元的速度控制之前，通過控制導(dǎo)流葉片的開口量(開度)使泵旋轉(zhuǎn)速度下降且不產(chǎn)生振動或噪聲。
此外，在日本已公開專利1985年No.128886中揭示了另一種運轉(zhuǎn)方法，在該方法中，當(dāng)泵運轉(zhuǎn)時，如果從系統(tǒng)發(fā)出一個增加泵輸入的請求時，僅在增加泵輸入期間，在控制導(dǎo)流葉片打開的速度變化以調(diào)節(jié)水流量之前，通過控制感應(yīng)發(fā)電機-電動機的速度變化使泵旋轉(zhuǎn)速度增加且不會產(chǎn)生振動或噪聲。
然而，這兩種已有的運轉(zhuǎn)方法的主要目的在于泵的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)并在泵可穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)改變泵的旋轉(zhuǎn)速度來滿足電力系統(tǒng)的請求。因為這樣做不必要地延長了系統(tǒng)的總響應(yīng)時間，所以不可能快速響應(yīng)電力系統(tǒng)的快速波動變化。
為了解決這一問題，日本專利1988年No.212774提出了一種解決方案，揭示了一種控制變速泵送發(fā)電機以快速響應(yīng)電力系統(tǒng)的波動的技術(shù)概念。
上述日本專利No.212774中提到的這種變速泵系統(tǒng)顯示在附

圖17中，它包含由頻率變換器3和電動機2組成的變速驅(qū)動單元;由該變速驅(qū)動單元操作的變速泵4;和控制上述可變速度驅(qū)動單元和泵4的控制系統(tǒng)。
這種已有技術(shù)的泵系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)有旋轉(zhuǎn)速度控制電路、電力控制電路和導(dǎo)流葉片控制電路。
旋轉(zhuǎn)速度控制電路包括最佳旋轉(zhuǎn)速度函數(shù)發(fā)生器12，它接收來自外部的電力指令信號Po和那時的靜態(tài)落差HST(僅表示泵的上下蓄水池的水位差)，然后根據(jù)這些輸入計算出那時的最佳旋轉(zhuǎn)速度NOPT;一個加法器，它用來把函數(shù)發(fā)生器12的輸出信號NOPT與實際旋轉(zhuǎn)速度N進行比較并構(gòu)成一個負(fù)反饋電路;和電力控制校正信號發(fā)生器16，它至少具有一個積分元件以消除輸出信號NOPT和實際旋轉(zhuǎn)速度N之間的差值。因此該旋轉(zhuǎn)速度控制電路輸出校正信號ε。
電力控制電路包括加法器19，用于將電力指令信號Po和它的校正信號ε相加以獲得復(fù)合信號Po+ε;加法器20，它用于將該復(fù)合信號與實際輸出PM作比較并構(gòu)成一負(fù)反饋電路;和電力控制器7，它至少設(shè)有一個積分元件以消除復(fù)合信號和實際輸入PM之間的差。因此，電動機2的輸入PM受頻率變換器3的控制，該頻率變換器3受到復(fù)合信號Po+ε的作用以用于交流激勵。
導(dǎo)流葉片控制電路包括最佳導(dǎo)流葉片開口量信號發(fā)生器13，它接收來自外部的負(fù)載指令信號Po和靜態(tài)差HST，然后計算出那時的導(dǎo)流葉片開口量的最佳值YOPT;加法電路21，它將信號發(fā)生器13的輸出信號YOPT與導(dǎo)流葉片實際開口量Y相比較并構(gòu)成一負(fù)反饋電路;和導(dǎo)流葉片控制器9，它通過設(shè)在控制器9中的積分元件來消除輸出信號YOPT和導(dǎo)流葉片實際開口量之間的差值。
對于這種已有技術(shù)控制系統(tǒng)，通過旋轉(zhuǎn)速度控制電路可得到平衡狀態(tài)下的N＝NOPT，通過電力控制電路可得到PM＝Po+ε，通過導(dǎo)流葉片控制電路可得到Y(jié)＝Y(jié)OPT。因為由泵所需的輸入Pp和實際到電動機的輸入PM之間的差通過轉(zhuǎn)動慣量GD2的積分作用被吸收到零，這種轉(zhuǎn)動慣量通常被看作一種積分元件，且電動機2和泵4都有這種元件，因此PM＝Pp。而且，如果忽略函數(shù)發(fā)生器12、13的誤差，則基本上YOPT＝與Po相對應(yīng)的Y和NOPT＝與Po相對應(yīng)的N。因此建立了關(guān)系式PO＝Pp＝PM＝PO+ε，以致電力控制的校正信號ε為零。因此，按照這種已有技術(shù)，根據(jù)外部的電力指令信號PO來控制實際的輸入PM是有可能的。這種已有技術(shù)適用于這樣一種類型的變速泵，在這種泵中，電動機的輸入響應(yīng)電力系統(tǒng)的波動較慢，旋轉(zhuǎn)速度和導(dǎo)流葉片的開口量都能跟得上。然而，這種已有技術(shù)不能適用于這樣一種變速泵，在這種泵中，電動機的輸入被控制得能迅速響應(yīng)電力系統(tǒng)的電力波動，特別是不適用于與轉(zhuǎn)動慣量控制的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的時間常數(shù)相比時間常數(shù)小到可以忽略的快速響應(yīng)。這是因為在快速變化的電動機輸入和泵的旋轉(zhuǎn)速度及導(dǎo)流葉片的開口量變化速度(這兩種速度跟隨輸入速度)之間的差值變得太大，以致在電動機的輸入、泵的旋轉(zhuǎn)速度、和導(dǎo)流葉片的開口量之間失去了關(guān)連性。
如果為了避免失去關(guān)連性，假設(shè)增加泵的旋轉(zhuǎn)速度和導(dǎo)流葉片開口量的響應(yīng)速度，那末，這將會失去泵的旋轉(zhuǎn)速度和導(dǎo)流葉片的開口量之間的平衡，以至泵可能落入部分逆流特性范圍內(nèi)(駝峰特性(hump characteristic))。
即，在已有技術(shù)中沒有揭示過這樣一種系統(tǒng)的基本原理，在這種系統(tǒng)中，電機以與旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的時常數(shù)相比可以忽略的極小的時間常數(shù)受到控制，上述無關(guān)連性減至最小以避免泵的任何部分逆流特性。換句話說，已有技術(shù)沒有揭示過避免逆流特性和把電動機輸入的控制時常數(shù)減至最小的基本原理。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種變速泵系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能迅速響應(yīng)電力系統(tǒng)的增加/減少電力的要求并能減少以上所述無關(guān)連性(現(xiàn)象)以防止泵的運轉(zhuǎn)落入具有部分逆流區(qū)的駝峰特性，從而保證了系統(tǒng)穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。
按照本發(fā)明的第一個方面，本發(fā)明提供了一種變速(度)泵系統(tǒng)，它包含具有液流調(diào)節(jié)裝置并至少包含一個泵功能的液壓機(hydraulic machine);連接到液壓機并至少包含一個使液壓機旋轉(zhuǎn)的電動機功能的旋轉(zhuǎn)機;驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機的頻率變換器;和按照外部指令信號控制旋轉(zhuǎn)機的變速運轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包含1)與指令信號和校正信號相對應(yīng)控制旋轉(zhuǎn)機輸出的電力控制系統(tǒng)，2)把校正信號輸送給電力控制系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)，使液壓機以與指令信號相對應(yīng)的正確旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，和3)使液流調(diào)節(jié)裝置的開口量與指令信號相對應(yīng)的、控制液壓機的液流調(diào)節(jié)裝置的液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng);具有與旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)的時間常數(shù)相比小到可以忽略的小時間常數(shù)的電力控制系統(tǒng);具有設(shè)定一傳輸功能的裝置的液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和/或旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)，以使當(dāng)液壓機旋轉(zhuǎn)速度增加時，液壓機的機械負(fù)載不會減少，且當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度下降時，機械負(fù)載也不會增加。
按照本發(fā)明的第二個方面，本發(fā)明所提供的變速泵系統(tǒng)包含具有液流調(diào)節(jié)裝置且至少包含一個泵功能的液壓機;連接到液壓機進行操作且至少包含一個用于旋轉(zhuǎn)液壓機的電動機功能的旋轉(zhuǎn)機;一用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機的頻率變換器;和按照外部指令信號或與該指令信號相對應(yīng)的信號控制旋轉(zhuǎn)機的變速運轉(zhuǎn)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包含1)與指令信號和校正信號相對應(yīng)控制旋轉(zhuǎn)機的輸出的電力控制系統(tǒng)，2)將校正信號輸送給電力控制系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)，使得液壓機旋轉(zhuǎn)相應(yīng)于指令信號以正確的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，3)控制液壓機的液流調(diào)節(jié)裝置的液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制使得液流調(diào)節(jié)裝置的開口量與指令信號相對應(yīng);所述電力控制系統(tǒng)具有與所述旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)的時間常數(shù)相比小得可以忽略的小時間常數(shù);液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)(

y/

t)和旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)的響應(yīng)(

y/

t)設(shè)置得使下面的不等式至少有一個能成立
這里，Y是液流調(diào)節(jié)裝置開口量的無量綱的開口量，n是液壓機的無量綱的旋轉(zhuǎn)速度，Pp是液壓機的無量綱的輸入，h為無量綱的總的動態(tài)落差。
按照本發(fā)明的第三個方面，本發(fā)明所提供的變速泵系統(tǒng)，其中，液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)(

y/

t)和旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)的響應(yīng)(

n/

t)設(shè)置得使下列不等式能成立
對應(yīng)于一外部指令信號或一與該指令信號相應(yīng)的信號，旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)設(shè)置一正確旋轉(zhuǎn)速度指令信號，然后得到正確旋轉(zhuǎn)速度指令信號和實際旋轉(zhuǎn)速度之間的差值，且輸出一校正信號使這種差值變零。
為了達(dá)到這一目的，控制速度的控制系統(tǒng)最好可包含一函數(shù)發(fā)生單元，它用于按照電力指令信號和靜態(tài)落差輸出一最佳旋轉(zhuǎn)速度的目標(biāo)值，并且還包含一延遲元件，它用于以一與運轉(zhuǎn)狀態(tài)相對應(yīng)的時間常數(shù)對目標(biāo)值進行延遲且輸出這一延遲了的目標(biāo)值作為旋轉(zhuǎn)速度指令信號。
該延遲元件可以有一個轉(zhuǎn)換元件，以便當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度要增加時給出一個大的響應(yīng)速度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度要下降時給出一個小的響應(yīng)速度。
用于校正旋轉(zhuǎn)速度的校正信號可以根據(jù)延遲元件輸出的指令的旋轉(zhuǎn)速度和一實際旋轉(zhuǎn)速度之間的差而發(fā)送。
液流調(diào)節(jié)裝置可以是導(dǎo)流葉片。
液流調(diào)節(jié)控制裝置最好包含函數(shù)發(fā)生單元，它輸出最佳的導(dǎo)流葉片開口量的指令信號的目標(biāo)值作為外部指令信號，一電力指令信號和一靜態(tài)落差和一延遲元件，用于把目標(biāo)值延遲一個與操作狀態(tài)相一致的時間常數(shù)，且輸出該已延遲的目標(biāo)值作為導(dǎo)流葉片開口量的指令信號。
該延遲元件可有一個轉(zhuǎn)換元件，以便當(dāng)導(dǎo)流葉片開口量要增加時它給出一個小的響應(yīng)速度，而當(dāng)導(dǎo)流葉片開口量指令信號指令下降時，它給出一個大的響應(yīng)速度。
液壓機可以是一個泵、水泵-水輪機等。而旋轉(zhuǎn)機可以是一個電動機、發(fā)電機-電動機等。
在本發(fā)明中，導(dǎo)流葉片開口量根據(jù)指令的導(dǎo)流葉片開口量和導(dǎo)流葉片的實際開口量之間的差進行控制。
按照本發(fā)明的電力控制系統(tǒng)，電動機的輸出能迅速跟隨電力系統(tǒng)的需求而變化。同時，通過按照上面所述條件設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)和液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)，所以電動機的輸入能迅速響應(yīng)。
換言之，在電動機的輸入、泵的轉(zhuǎn)速和導(dǎo)流葉片的開口量之間暫時出現(xiàn)的無關(guān)聯(lián)現(xiàn)象可以減至最小以避免泵的局部逆流特性。
上述和其它優(yōu)點、特征和本發(fā)明的其他的目的，本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員在參閱以下的詳細(xì)說明和附圖之后是很顯而易見的，其中一些體現(xiàn)本發(fā)明原理的較佳實施例是作為說明用的例子而在這里舉出的。
圖1是本發(fā)明一實施例的(可)變速(度)泵系統(tǒng)方框圖; 圖2是表示圖1實施例中各種信號響應(yīng)的波形圖; 圖3是(可)變速(度)泵系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)分析方框圖; 圖4表示泵的總動態(tài)落差和泵的液流量之間的關(guān)系特性曲線圖; 圖5表示當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時、導(dǎo)流葉片的控制和校正的特性曲線圖; 圖6和7表示當(dāng)泵輸入增加和減少時，各個操作點的運動特性曲線圖; 圖8表示總動態(tài)落差和泵的液流量之間關(guān)系的另一特性曲線圖; 圖9、10和11分別表示舉例說明的轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器的方框圖; 圖12、13和14分別表示舉例說明的導(dǎo)流葉片開口量的函數(shù)發(fā)生器的方框圖; 圖15表示本發(fā)明的(可)變速(度)泵系統(tǒng)應(yīng)用于抽水蓄能發(fā)電廠的另一實施例方框圖; 圖16是表示與圖15相類似的另一實施例的方框圖; 圖17是表示已有技術(shù)的(可)變速(度)泵系統(tǒng)的方框圖;和 圖18是適用于本發(fā)明可變速度泵系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的計算機硬件舉例的方框圖; 上述各圖中凡是類同的部分或元件均用相同的參考號(編號)，且為了簡明扼要起見，基本上對于重復(fù)的描述一概予以省略。
本發(fā)明的原理，當(dāng)用于具有圖1所示的功能的變速泵系統(tǒng)時，特別有用。
圖1的變速泵系統(tǒng)包含一包含發(fā)電機-電動機2和頻率變換器3的變速驅(qū)動單元30;-水泵-水輪機4;和它們的控制系統(tǒng)。該水泵-水輪機4例如可以是一種軸向輻流型的泵。
頻率變換器3包含例如一種循環(huán)變換器，該變換器連接在電力系統(tǒng)(圖1中未畫出)和發(fā)電機-電動機2之間，并在其間進行電力的頻率變換。
電力控制的交流激勵器電路，它與本實施例無直接聯(lián)系，因此這兒省略了有關(guān)它的詳細(xì)描述。
變速泵系統(tǒng)的控制系統(tǒng)包含電力控制系統(tǒng)32，它用于控制發(fā)電機-電動機2的驅(qū)動;轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)31，它用于控制水泵-水輪機的轉(zhuǎn)速，并且作為控制系統(tǒng)以控制對水泵-水輪機進行液流調(diào)節(jié)的液流調(diào)節(jié)裝置;導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)33，它用于控制導(dǎo)流葉片9a的開口量。
轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)31包含轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50，它用于根據(jù)外部的電力指令信號Po的函數(shù)和水泵-水輪機的高低蓄水池之間那時的落差、即靜態(tài)落差HG來計算出最佳轉(zhuǎn)速度Na;加法器18，它用于把函數(shù)發(fā)生器50輸出的最佳旋轉(zhuǎn)速度Na與實際轉(zhuǎn)速N進行比較以獲得其間的一個差值;和一電力控制校正信號發(fā)生器16，它用于根據(jù)加法器18的相加結(jié)果以產(chǎn)生校正信號ε。
該電力控制校正信號發(fā)生器16包含一積分元件，該元件用來使最佳轉(zhuǎn)速Na和實際轉(zhuǎn)速N之間的變化為零。
一轉(zhuǎn)速N的信號，從具有轉(zhuǎn)動慣量GD2的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)輸出，反饋到轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，以構(gòu)成一個負(fù)反饋控制回路。當(dāng)該旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速，即發(fā)電機-電動機2和水泵-水輪機4的實際旋轉(zhuǎn)速度由一個未畫出的旋轉(zhuǎn)速度傳感器檢測得時，就可以獲得旋轉(zhuǎn)速度N。
轉(zhuǎn)動慣量GD2代表由旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、即發(fā)電機-電動機2和水泵-水輪機4所具有的轉(zhuǎn)動慣量作用，它并不是一個實際的裝置，用于把發(fā)電機-電動機2的輸出PM與水泵-水輪機4的機械輸入Pp相加的加法器Ad。加法器AD代表其間的差值，作為能量的變化由轉(zhuǎn)動慣量GD2吸收，它也不是一個實際的加法器。
電力控制系統(tǒng)32包含加法器19，它用于將外部電力指令信號Po與校正信號ε相加;加法器20，它用于把由未畫出的傳感器所檢測到的發(fā)電機-電動機2的實際輸出PM加到加法器19的輸出上;和電力控制器7。它把電力控制信號加給頻率變換器3。該電力控制系統(tǒng)32把發(fā)電機-電動機的輸出PM的檢測信號作為負(fù)信號加到加法器20上，于是構(gòu)成一個負(fù)反饋回路。
電力控制7包含一個積分元件，它用于把加法器19的相加(P+ε)結(jié)果和實際發(fā)電機-電動機輸出PM之間的差化為零。
導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)33包含導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器60，它根據(jù)輸入的電力指令信號Po和靜態(tài)落差HG計算出一個最佳的導(dǎo)流葉片9a開口量;加法器21，它用于將函數(shù)發(fā)生器60的輸出信號Ya與由一未畫出的傳感器所檢測的導(dǎo)流葉片9a的實際開口量Y相比較，以計算出其間的差值;和導(dǎo)流葉片控制器9，用于控制水泵-水輪機4的導(dǎo)流葉片9a。該導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)33把導(dǎo)流葉片9a的實際開口量Y、作為負(fù)信號加到加法器21上，以構(gòu)成一個負(fù)反饋回路。
導(dǎo)流葉片9a由圖中未畫出的一伺服電動機打開和關(guān)閉，并按照指令信號采取一合適的開啟姿態(tài)。該導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)33還有一未畫出的傳感器以檢測導(dǎo)流葉片9a的上述開口量。
導(dǎo)流葉片控制器9包含一積分元件，它用來將函數(shù)發(fā)生器60的輸出信號Ya和導(dǎo)流葉片9a的實際開口量Y之間的差化為零。該導(dǎo)流葉片控制器還包含輸出控制信號部分，一導(dǎo)流葉片伺服電動機用于根據(jù)接收到該控制信號對導(dǎo)流葉片9a進行打開或關(guān)閉，另外控制器9還可包含一個檢測導(dǎo)流葉片9a的開口量的傳感器。
在本實施例的可變速泵系統(tǒng)中，在通常情況下，或在平衡狀態(tài)中，由轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)31、電力控制系統(tǒng)32和導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)33各自確定N＝Na、PM＝(Po+ε)和Y＝Y(jié)a。
水泵-水輪機4的機械輸入Pp和發(fā)電機-電動機2的實際電動機的輸出PM之間的差，輸入到發(fā)電機-電動機2和水泵-水輪機4的兩者的轉(zhuǎn)動慣量(GD2)上。這種轉(zhuǎn)動慣量可以看作一種積分元件。
如上所述，因為轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)31構(gòu)成一個負(fù)反饋電路，所以控制系統(tǒng)31的控制使得PM和Pp之間的差為零。換言之，在一般情況下，如果PM＝Pp，或者如果函數(shù)發(fā)生器60的誤差能減至極小值，則基本上Ya＝與Po相對應(yīng)的Y，且Pp被控制到初始的Po，即Pp＝PO，因此， Po＝Pp＝PM＝Po+ε 且電力校正信號ε將最終為零。
根據(jù)本實施例的上述結(jié)構(gòu)，按照外部電力指令來控制實際的輸入PM是可能的。
圖1中的轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50，如圖9、10和11中所示，可設(shè)有一種延遲元件。
圖9的結(jié)構(gòu)包含函數(shù)發(fā)生器51，它用于根據(jù)電力指令信號Po和靜態(tài)落差HG產(chǎn)生并輸出最佳轉(zhuǎn)速指令信號的目標(biāo)值Na′;和一延遲元件電路。
一一級延遲元件電路可用作延遲元件電路。該延遲元件電路不意味著限于一級延遲元件電路，其他的延遲電路，如二級延遲元件電路也可用作延遲元件電路。
該延遲元件電路包含比較部分52，它用于將轉(zhuǎn)速指令信號的目標(biāo)值Na′和最終輸出的轉(zhuǎn)速指令信號Na進行比較并檢測其間的差值;一飽和元件部分56，它用于把飽和特性加于比較部分的輸出信號;和積分元件部分58，用于對飽和元件部分56的輸出信號進行積分。
在轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50中，飽和元件部分56有這樣一種飽和特性最佳轉(zhuǎn)速指令信號Na的速度的增加受到飽和值β11的限定，而速度的降低由一很小的飽和值β12限定。因此轉(zhuǎn)速指令信號Na可增加增加速度到絕對值｜β11·KN｜，但只能增加降低速度到絕對值｜β12·KN｜，所以速度變化控制是不對稱的。
為了避免上述的無關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，最好是β11和β12有它們的盡可能大的絕對值，而且它們彼此不要差得太遠(yuǎn)。
函數(shù)發(fā)生器60輸出的最佳轉(zhuǎn)速指令信號Na的變化速度和最佳導(dǎo)流葉片開口量指令信號Ya的變化速度之間，有如下關(guān)系 當(dāng)電力指令信號Po增加時，Na的增加的速度MAX大于Ya的增加速度MAX。
當(dāng)電力指令信號Po下降時，Na的下降速度MAX小于Ya的下降速度MAX。
在當(dāng)Po增加或下降的過渡期間，因為轉(zhuǎn)速指令信號Na從高值側(cè)趨近于Na′(通常情況下的目標(biāo)值)，所以能防止泵落入具有部分逆流的駝峰特性。
轉(zhuǎn)速指令信號的目標(biāo)值Na′的暫態(tài)值設(shè)置得等于或大于與時刻變化的導(dǎo)流葉片開口量指令信號Ya相對應(yīng)的那個值(on-cam)。
現(xiàn)在來描述圖10的轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50。該函數(shù)發(fā)生器50包含函數(shù)發(fā)生部分51;電力指令信號判別部分59，它用于判別電力指令信號Po是增加還是下降以控制下面要描述的開關(guān)部分55的開關(guān)動作;和延遲元件電路。
延遲元件電路包含比較部分52;增益元件部分53、54，用以調(diào)節(jié)輸入信號的增益使之達(dá)到預(yù)定值;開關(guān)部分55，用于選擇增益元件部分53、54的輸出之一;和積分元件部分57。
增益元件部分53、54相互并聯(lián)連接，前者的增益KN1大于后者增益KN2。因此根據(jù)電力指令信號判別部分59，當(dāng)增加電力指令信號Po時，則由開關(guān)部分55選通增益元件部分53，且使用增益KN1。另一方面，當(dāng)減低功率指令信號Po時，則開關(guān)部分55選擇增益元件部分54，且使用增益KN2。
為了避免上述無關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，應(yīng)該使KN1和KN2的絕對值盡可能大，而且彼此相差不太遠(yuǎn)。
用這樣的結(jié)構(gòu)，延遲元件電路的時間常數(shù)(延遲元件電路包括比較部分52，增益元件部分53、54、開關(guān)部分55、積分元件部分57和轉(zhuǎn)速指令信號Na的負(fù)反饋通道)，當(dāng)增加電力指令信號Po時為1/kN1，當(dāng)降低電力指令信號Po時為1/kN2。即前者小而后者大。
在圖10的轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50中，通過接通(轉(zhuǎn)換)配置在函數(shù)發(fā)生器51后面以產(chǎn)生轉(zhuǎn)速指令信號的目標(biāo)值Na′的某種主要延遲元件的時間常數(shù)，暫態(tài)最佳轉(zhuǎn)速指令信號Na能從高值側(cè)接近目標(biāo)值Na′。時常數(shù)可以轉(zhuǎn)換的本實施例與圖9的例子不同，在那里，轉(zhuǎn)速指令信號Na的變化速度受到限制。
圖11中的例子是圖9和圖10例子的結(jié)合;在用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)速指令信號的目標(biāo)值Na′的函數(shù)發(fā)生器51之后，設(shè)置了起某種延遲電路作用的電路以同時限制速度的變化速率和轉(zhuǎn)換的時間常數(shù)。
這種轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50包含函數(shù)發(fā)生器51;電力指令信號判別部分59;和延遲元件電路。
延遲元件電路包含比較部分52;增益元件部分53、54，相互并行連接;開關(guān)部分55;飽和元件部分56;積分元件部分57;和轉(zhuǎn)速指令信號Na的負(fù)反饋通道。
本例的作用由圖9和圖10的延遲元件電路共同進行工作。
在圖9、10和11的例子中，某種能自動轉(zhuǎn)換響應(yīng)速度的延遲元件被加到轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50，同樣地某種能自動轉(zhuǎn)換響應(yīng)速度的延遲元件被加到導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器60。轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50可以有一個沒有開關(guān)功能的獨特的延遲元件。當(dāng)然，能自動轉(zhuǎn)換響應(yīng)速度的延遲電路可以加到每個轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50和導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器60上。
現(xiàn)在我們將參照圖12、13和14來描述導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器60的各種例子。
圖12的導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器60包含一函數(shù)發(fā)生器61;和一主延遲電路。該主延遲電路包含比較部分62;飽和元件部分66;積分元件68;和導(dǎo)流葉片開口量指令信號Ya的負(fù)反饋通道。主延遲電路連接在函數(shù)發(fā)生器部分61的后面。
在本例中，導(dǎo)流葉片開口的最佳指令信號的目標(biāo)值Ya′是根據(jù)電力指令信號Po和靜態(tài)落差HG從函數(shù)發(fā)生器61輸出，并且輸入到上面所述延遲元件電路。飽和元件部分66設(shè)計得可以把導(dǎo)流葉片開口量指令信號Ya的增加的速度MAX和下降的速度MAX分別調(diào)節(jié)到｜β21·KY｜和｜β22·KY｜。飽和值β22設(shè)置得其絕對值大于飽和值β21。
為了避免上述無關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，最好是使β21和β22的絕對值盡可能地大，且彼此相差不太大。于是仍有如下關(guān)系 當(dāng)增加電力指令信號Po時，則Ya的增加速度MAX小于Na的增加速度MAX。
當(dāng)降低電力指令信號Po時，則Ya的減少(降低)速度MAX大于Na的減少(降低)速度MAX。
當(dāng)Po增加或下降的暫態(tài)期間，因為導(dǎo)流葉片開口量指令信號Ya(通常情況下的目標(biāo))從目標(biāo)值Ya′的低值側(cè)接近目標(biāo)值Ya′，所以可防止泵落入具有部分逆流的駝峰特性。
與圖12的例子不一樣，在圖12中Ya通過限制變化速度從Ya′的低值側(cè)趨近Ya′，而圖13的導(dǎo)流葉片開口量的函數(shù)發(fā)生器60通過轉(zhuǎn)換Ya′后面的延遲元件電路的時間常數(shù)來執(zhí)行相同的結(jié)果。
函數(shù)發(fā)生器60包含函數(shù)發(fā)生部分61;電力指令判別部分69，它判別電力指令信號Po的增加和減少以控制開關(guān)部分65的轉(zhuǎn)換功能;和一主延遲電路。
延遲元件電路包含比較部分62;增益元件部分63、64;開關(guān)部分65;積分元件部分67;和導(dǎo)流葉片開口量指令信號Ya的負(fù)反饋通道。
函數(shù)發(fā)生器60的各個部分的作用基本上與圖10中那些相同。增益KY2設(shè)置得大于KY1。為了避免上述無關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，最好是使KY1和KY2的絕對值盡可能地大，且彼此不相差太大。
圖14的例子是圖12和13例子的結(jié)合;在產(chǎn)生導(dǎo)流葉片開口量指令信號的目標(biāo)值Ya′的函數(shù)發(fā)生器61后面設(shè)置了一種延遲電路以同時限制速度的變化率和轉(zhuǎn)換時間常數(shù)。
這種導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器60包含函數(shù)發(fā)生器61;電力指令信號判別部分69;和延遲元件電路。
延遲元件電路包含比較部分62;相互間并行連接的增益元件部分63、64;開關(guān)部分65;飽和元件部分66;積分元件部分67;和導(dǎo)流葉片開口量指令信號Ya的負(fù)反饋通道。
本例是通過圖12和13的延遲電路的結(jié)合而進行工作的。
在圖10、11、13和14中的每個例子中，增益元件部分的轉(zhuǎn)換是在積分元件之前進行的。這是因為通過增益的切換(轉(zhuǎn)換)，防止了最后輸出的轉(zhuǎn)速指令信號Na和導(dǎo)流葉片開口量指令信號Ya的突然的跳變。
在圖9至圖14中的函數(shù)發(fā)生器50、60中，時間常數(shù)設(shè)置得使轉(zhuǎn)速N隨時間的變化和導(dǎo)流葉片開口量隨時間的變化能滿足下述的不等式(1)和(2)。
函數(shù)發(fā)生器50、60可通過計算機構(gòu)成，至少包括其它的加法器18、19、20、21和電力控制校正信號發(fā)生器16。當(dāng)然這些元件或電路中只有一部分可以電腦化。
具體地說，如圖18所示，控制可變速泵系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)的硬件包含輸入接口101，用于從外部輸入信號;輸出接口106，用于將信號輸出到外部;CPU(中央處理單元)102，用于執(zhí)行數(shù)據(jù)操作;存儲器103，用于儲存程序和數(shù)據(jù)，包括操作算法，以實現(xiàn)CPU102的各部分的功能;顯示數(shù)據(jù)的顯示器104;打印機105等。
在函數(shù)發(fā)生器50、60的每一個中，延遲元件電路用作為設(shè)定時間常數(shù)的裝置。當(dāng)然本發(fā)明并不限于這一具體的例子。
在前面的實施例中，函數(shù)發(fā)生部分和時間常數(shù)設(shè)定部分在功能上是分開的，但是這兩個部分可作為單一功能操作。
上述計算機化的結(jié)構(gòu)可適用于其它控制系統(tǒng)如導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等。在這種情況下，硬件系統(tǒng)能共用。
導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器60和函數(shù)發(fā)生部分61的操作，現(xiàn)在參照圖4和5具體進行描述。
圖4的垂直座標(biāo)表示總的動態(tài)落差(靜態(tài)落差HG和管道損失的水落差之和)，而水平座標(biāo)表示水流量Q。
導(dǎo)流葉片的開口量Y0＜Y2＜Y1，而泵的輸入PP2＜PP1＜P3。
假設(shè)H從H1增加到H0而轉(zhuǎn)速N不變，函數(shù)發(fā)生部分61輸出導(dǎo)流葉片開口量指令信號的目標(biāo)值，使泵效率η在那時的H上為最高(或合適的)，并且導(dǎo)流葉片的開口量Y從Y1減到Y(jié)0。系統(tǒng)的響應(yīng)是，泵輸入會從PP1降到PP0;當(dāng)H在一個較寬范圍內(nèi)變化時，泵輸入將沿著圖5的點劃線包絡(luò)線受控。
上面描述中，假定了轉(zhuǎn)速N不變，實際上，如圖1所示，在可變速泵系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速根據(jù)靜態(tài)落差HO通常將被自動設(shè)定到一個適合的轉(zhuǎn)速上。
現(xiàn)在描述本實施例的操作。
首先，本實施例中各個元件或部分對輸入的響應(yīng)方式將聯(lián)系圖2進行討論。
如圖2的(a)所示，當(dāng)外部的電力指令信號Po在時間t0階躍增加時，各部分的響應(yīng)如曲線圖b)、c)、d)、e)、f)、g)所示。
電動機的輸出PM以小的延遲首先上升，如曲線g)所示。
導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器60的輸出Ya和轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50的輸出Na，通過各個函數(shù)發(fā)生器所特有的時間常數(shù)和/或?qū)ｉT給定的附加時間常數(shù)進行響應(yīng)，如曲線b)和c)所示。
相對于曲線b)和Ya的導(dǎo)流葉片的實際開口量Y的響應(yīng)如曲線d)所示。這響應(yīng)的直線部分表明導(dǎo)流葉片受導(dǎo)流葉片伺服電動機的開口速度限制的限制(如，這種限制由導(dǎo)流葉片的伺服電機的配置閥的行程限制給出)。
水泵-水輪機4的轉(zhuǎn)速N，被曲線g)的電動機輸出PM和曲線e)的泵輸入(或機械負(fù)載)Pp之間的差值所加速，按照曲線f)增加，最后當(dāng)N達(dá)到Na時則停止增加。
泵輸入Pp隨導(dǎo)流葉片開口量Y的增加和轉(zhuǎn)速N的增加而增加，如曲線e)所示。
在曲線f)中，轉(zhuǎn)速N的運動因受到電力校正信號發(fā)生器16的充分的轉(zhuǎn)移作用而得以穩(wěn)定。這種作用通過如用比例元件和積分元件的并聯(lián)電路來構(gòu)成電力校正信號發(fā)生器16和選擇這些元件適當(dāng)?shù)脑鲆鎭韺崿F(xiàn)。
下面結(jié)合對應(yīng)用這種系統(tǒng)的發(fā)電廠的抽吸狀態(tài)操作的分析，來詳細(xì)描述本發(fā)明可變速泵系統(tǒng)的操作運行。在下面的描述中，每個變量都是無量綱的值，用小寫字母表示，以便與大寫字母表示的有單位的變量區(qū)別開來。
圖3是表示圖1系統(tǒng)的抽吸狀態(tài)操作分析的方框圖。圖3僅就相對于轉(zhuǎn)速n的信號流簡略圖示了系統(tǒng)響應(yīng)，以分析該實施例的操作，并且可能存在某些與系統(tǒng)中的實際信號流不相一致之處。在圖3中，在每個方框A301、A304、A303、A307、A306、A310、A311、A312中的偏微分僅表示增益，而不是每個方框的整個傳輸功能。
在圖3中，方框A301和A302，和一組方框A304-A314分別代表圖1的水泵-水輪機4和泵輸入PP，和由轉(zhuǎn)動慣量GD2的回路構(gòu)成的信號傳輸元件、轉(zhuǎn)速N、并專用于水泵-水輪機4。
方框A303和A315代表其它控制系統(tǒng)，即電力控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)。
方框301代表泵的專用特性，即泵輸入Pp的改變正比于轉(zhuǎn)速n的改變，其增益是(

Pp/

n)。
方框A303表示導(dǎo)流葉片的開口量Y隨n的變化而變化;這就是說，方框A303意味著(

y/

n)。這等于(

y/

t)(

t/

n)，因而也等于導(dǎo)流葉片開口量的響應(yīng)(

y/

t)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的響應(yīng)(

n/

t)的倒數(shù)的乘積，導(dǎo)流葉片開口量的控制系統(tǒng)是一種液流調(diào)節(jié)裝置。因此它將是(

y/

t)和(

n/

t)的組合功能的響應(yīng)，而與兩個控制系統(tǒng)的構(gòu)成無關(guān)。
方框A304表示Pp相對于Y的變化而變化，它是水泵-水輪機4的專有特性，它的增益是(

Pp/

y)。
方框307表示總動態(tài)落差h相對于Y的變化而變化，它是泵的專有特性。而且在這種情況下，考慮了水對水管通道的撞擊造成的影響。它的增益是(

q/

y)(

q/

h)或是(

h/

y)。方框A306表示h相對于n的變化而變化，在這種情況下，泵的專有特性和水的撞擊影響都已考慮進去。
方框310是按照剛柱理論(the rigid column theory)在總動態(tài)落差h變換成流量q部分的模擬，它的增益是(

q/

h)。
方框A312是由于總動態(tài)落差h的上升(下降)而使泵輸入Pp減少(增加)的部分的模擬。它的增益是(

Pp/

h)。
方框A302將方框A301的輸出和方框A304的輸出相加;相對于n的變化而直接變化的Pp與由于Y變化而變化的Pp相加。
方框A305將方框A302和數(shù)與方框A312的輸出相加。即Pp隨n的直接變化、Pp隨Y的變化和Pp隨總動態(tài)落差的變化所引起的變化三者相加以便獲得水泵-水輪機4的泵輸入。
泵輸入Pp與發(fā)電機-電動機2的驅(qū)動輸出PM由相加部分A313進行比較，其差值將通過方框A314依次變?yōu)檗D(zhuǎn)速n，該方框A314表示由于慣性效應(yīng)(GD2)引起的積分操作。
方框A302、A305、A308和A309表示各相加部分。
在圖3中，即使包含在方框A315中的控制系統(tǒng)是正確的，但當(dāng)受控的泵由于接收到部分逆流特性的影響而出現(xiàn)暫時不需要的特性時，整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性仍將受到削弱。
如果泵的實際輸入響應(yīng)時間常數(shù)與相對于輸出調(diào)節(jié)指令信號的驅(qū)動輸出的響應(yīng)時間常數(shù)相比很大的話，此時間常數(shù)是本發(fā)明針對的對象，這就意味著在指令信號后轉(zhuǎn)速n立即迅速變化。在這種情況下，因為總動態(tài)落差h瞬變也很尖銳，泵有落入部分逆流特性的趨勢，下面將解釋它的原因。
當(dāng)泵落入部分逆流特性時，則某些泵的專有特性在圖3的方框中會反過來，以致不再能得到穩(wěn)定的控制。這會引起大的振動，甚至影響到系統(tǒng)的安全。
在本發(fā)明中，泵控制不會產(chǎn)生任何不希望的影響，尤其是導(dǎo)流葉片Y的控制是結(jié)合Pp和n一起給出的。這種規(guī)律不僅適用Y也適用n。
與Pp和n相關(guān)聯(lián)時，當(dāng)n增加(下降)時，Y設(shè)置得滿足下面的判別式(1)以均勻增加(減少)泵輸入Pp。
為這一目的，為了通過增加(下降)n而至少保持加法部分A302上的Pp的增加(下降)，Y設(shè)置得滿足下面的判別式(3)。
除此之外，在加法部分A308中，Y也設(shè)置得滿足下面的判別式(3)。
雖然判別式(1)、(2)、和(3)最終應(yīng)滿足判別式(1)，但它們的前提是應(yīng)滿足判別式(2)和(3)。另外，本發(fā)明的目的只要通過設(shè)置Y使至少判別式(2)和(3)之一得到滿足就能夠?qū)崿F(xiàn)。
其原因是判別式(2)和(3)包括公共因子(

y/

n)，并且在系統(tǒng)操作中相互有緊密聯(lián)系。利用實際的抽水蓄能發(fā)電廠的位置條件，本發(fā)明者在本實施例適應(yīng)于這些條件的假設(shè)下進行了試驗并發(fā)現(xiàn)當(dāng)判別式(2)和(3)之一得到滿足、則判別式(1)也會滿足。因此，y和/或n控制得使至少滿足判別式(2)和(3)之一。
根據(jù)圖3的分析，從那些能使系統(tǒng)穩(wěn)定操作的條件可得到這些判別式。

如果y和/或n受控以使判別式(2)和(3)中的至少一個，最好是判別式(1)，得到滿足，則系統(tǒng)就能穩(wěn)定操作，而不用考慮是否存在泵專有的部分逆流特性。
通過設(shè)置導(dǎo)流葉片開口量控制系統(tǒng)的響應(yīng)(

y/

t)和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的響應(yīng)(

n/

t)以滿足上述判別式從而完成穩(wěn)定的操作。
在圖6中，根據(jù)總動態(tài)落差HO(為清晰起見忽略水管損耗)電動機的驅(qū)動輸出從PpO增加到Pp3。
工作點從Ao運動到A3。此時，如果它是沿通道RB運動的，則泵輸入暫時降低到Ppo以下，這會使判別式(1)得不到滿足，因此泵的逆流特性很可能會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
相反，如果工作點沿路徑RA移動，就能獲得穩(wěn)定性。
電動機的驅(qū)動輸出隨n的增加從Ppo增加到Pp3;然后導(dǎo)流葉片開口量Y從YO增加到Y(jié)3、以實現(xiàn)正確的控制。
下面結(jié)合圖8繼續(xù)對前面的工作進行描述。
曲線G80是表示在轉(zhuǎn)速為NO和導(dǎo)流葉片開口量為YO條件下H和Q的關(guān)系的曲線，它對應(yīng)于泵輸入PpO。曲線81是表示在轉(zhuǎn)速為NO和導(dǎo)流葉片開口量為Y3(比轉(zhuǎn)速為NO時的最佳開口量YO大得多)條件下H和Q的關(guān)系的曲線。在曲線81中，當(dāng)總的動態(tài)落差H＝HO時，Y超過開口量，以致泵落入逆流特性(在峰值附近)，液流量迅速從QO降到QO′。
回到圖6，在移動路徑為RB的情形下，導(dǎo)流葉片在開口期間開口量超過很多，以致泵傾向于落入逆流特性中。在路徑RA或路徑RB中，在移動期間，H＞HO。這表明由于在水管中水的撞擊引起H短暫的上升。
圖7表示工作點從A3到A0的逆運動。在路徑RC的情形中，沒有過調(diào)節(jié)現(xiàn)象。在路徑RD的情形中，與轉(zhuǎn)速下降相比導(dǎo)流葉片開口量被延遲，以致在路徑中存在過調(diào)節(jié)現(xiàn)象。在這種情況下，工作點很有可能接近(或落入)不需要的逆流特性。
當(dāng)泵輸入下降時，液流量下降，以致水的撞擊使H下降，即當(dāng)工作點運動時H＜HO。
在本實施例中，目的是要實現(xiàn)一種變速泵，在這樣的泵中，電動機的輸出的控制可以高速響應(yīng)電力系統(tǒng)的指令。在這種情況下，電動機的輸出控制必須以高速進行，而不管泵的實際工作狀態(tài)如何(N或Y)。因此如圖1所示，實際電機輸出PM被檢測并且必須直接跟隨電機輸出指令信號(PO+ε)(這里ε變化較慢。是由于在轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50中是一個比較長的時間常數(shù)，并且在變化開始時立即近似于零。)而且，與其它的N或Y控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間常數(shù)相比，電動機控制系統(tǒng)32的響應(yīng)時間常數(shù)必須顯著地更小。
在這種類型的泵系統(tǒng)中，在任何其它控制之前首先控制PM，旋轉(zhuǎn)速度指令信號Na或?qū)Я魅~片開口量指令信號Ya將由函數(shù)發(fā)生器計算出，在此函數(shù)發(fā)生器上加有輸出指令信號PO、實際輸出PM或他們的等效輸入信號。
如上所述，當(dāng)PM增加時，必須使N增加的響應(yīng)速度大于Y增加的響應(yīng)速度。當(dāng)PM下降時，必須使Y的下降的響應(yīng)速度比N下降的響應(yīng)速度增加得更快。因此這樣的一種系統(tǒng)，即Y控制和N控制之一跟隨另一個控制，像一種從動控制跟隨主控制，是不合適的。
假定輸出指令信號PO迅速地反復(fù)增加和下降，則N響應(yīng)或Y響應(yīng)不應(yīng)該像已有技術(shù)那樣慢。否則工作點會偏離正確點。尤其是，如果Y的增加和下降的響應(yīng)速度之間差別太大的話，則上述偏離情況更甚。
為此，本發(fā)明對轉(zhuǎn)速N和導(dǎo)流葉片開口量Y的控制作了限制、以便不遭到上述偏離情況。在前面的實施例中，這種限制是通過圖9到14中的函數(shù)發(fā)生器50、60設(shè)定的。
按照本發(fā)明，因為從理論上本方法避免泵進入逆流特性，所以當(dāng)增加泵輸入時，導(dǎo)流葉片的開口速度能增加到最大可能的限值，當(dāng)減少泵輸入時，旋轉(zhuǎn)速度的下降也可增加到最大可能的限值。
結(jié)果，避免了無關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，從而使所提供的可變速度抽吸操作能為電力系統(tǒng)服務(wù)而有最高響應(yīng)速度。
圖15顯示了另一實施例，在該實施例中，在具有變速泵系統(tǒng)的抽水蓄能發(fā)電廠中使用線繞轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機2a作為發(fā)電機-電動機。線繞轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機2a驅(qū)動水泵-水輪機4以完成抽吸動作。圖中凡是與前面各實施中相類同的部件或元件都標(biāo)上同樣的編號。
線繞轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機2a，它的初級側(cè)連到電力系統(tǒng)1，而它的次級側(cè)連接到頻率變換器3。線繞轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機2a的輸入將按照頻率變換器的交流激勵電流的相位指令信號增加和減少。實際輸入PM由電力檢測器6對其進行檢測，然后輸入給加法器20;而實際轉(zhuǎn)速N由轉(zhuǎn)速檢測器5檢測，然后輸入給加法器18。
控制系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)31、它由轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器50、加法器18和電力校正信號發(fā)生器16組成;電力控制系統(tǒng)32，它由加法器19、20，和電力控制器7組成;和導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)33，它由導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器60和導(dǎo)流葉片控制器9組成。圖15中沒有表示實際導(dǎo)流葉片開口量的信號的反饋，但這并不排斥使用反饋。圖16的導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)33的情況與此相同。
使用本實施例的抽水蓄能發(fā)電廠有第一工作狀態(tài)，在該狀態(tài)中，在接收到來自電力系統(tǒng)1的電力后，由感應(yīng)電機2a驅(qū)動起泵作用的水泵-水輪機4，以進行抽吸作用，同時作為負(fù)載吸收電力系統(tǒng)1的電力;還有第二工作狀態(tài)，剛好相反，由水泵-水輪機4驅(qū)動作為發(fā)電機的感應(yīng)電機2a，并且把電力供給電力系統(tǒng)1。
在第一工作狀態(tài)中，根據(jù)從電力系統(tǒng)1接收的頻率基本不變的電力，感應(yīng)電機2a由轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)31以這樣的方式對其控制轉(zhuǎn)速根據(jù)工作狀態(tài)而變化。而且水泵-水輪機4的流量由導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)33對其進行控制。水泵-水輪機4由感應(yīng)電機2a驅(qū)動。在此情況下，當(dāng)通過外部的電力指令信號使感應(yīng)電機2a的輸出增加時，與轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)31中的轉(zhuǎn)速增加指令信號的增加速度的最大值相比，導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)33中的液流增加指令信號的增加速度的最大值設(shè)置得更小。當(dāng)通過外部的電力指令信號使感應(yīng)電機2a的輸出減小時，與導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)33中的液流減小指令信號的減小速度的最大值相比，轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)31中的轉(zhuǎn)速下降指令信號的下降速度的最大值設(shè)置得更小。
由于上述調(diào)節(jié)，感應(yīng)電機2a的電動機能跟隨電力指令信號的增加和下降而穩(wěn)定工作。
圖16表明另一實施例，該實施例中，在具有可變速度泵系統(tǒng)的抽水蓄能發(fā)電廠里，一種同步電機用作發(fā)電機-電動機。
在該實施例中，頻率變換器17配置在系統(tǒng)1和同步電機10之間，同步電機10作為發(fā)電機-電動機工作，以驅(qū)動水泵-水輪機4，由此完成泵的抽吸動作。圖中凡是和前面各實施例相同的部件和元件都采用相同的標(biāo)號(編號) 而且，本實施例有相位檢測器11，用于將相位指令信號與頻率變換器17相匹配。根據(jù)該相位檢測器11的檢測信號，頻率變換器17驅(qū)動同步電機10。實際的輸入PM由電力檢測器6檢測，然后輸入給加法器20，并且實際轉(zhuǎn)速N由轉(zhuǎn)速檢測器5檢測，然后輸入給加法器18。
其它操作與圖15中實施例相類似，因此在這里省略對它們的描述。
以上實施例僅作為舉例之用，本發(fā)明并不限于這些特定的形式。
例如，在上述每個實施例中，暫態(tài)校正響應(yīng)在轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器和導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器兩者中進行控制。但是，這種控制也可在這兩個函數(shù)發(fā)生器中的任一個中進行。而且，在前面的實施例中，電力指令信號PO和靜態(tài)落差HG用作函數(shù)發(fā)生器的輸入，但其它等效于電力指令信號和靜態(tài)落差的信號，例如電動機的實際輸出信號也可使用。
再者，在上面實施例中，暫態(tài)校正響應(yīng)是在轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器和導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器中進行控制的。而本發(fā)明不限于所示的實施例，這些響應(yīng)可在轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的合適部位和在導(dǎo)流葉片控制系統(tǒng)的合適部位上進行控制。
在上面的實施例中，水泵-水輪機用作液壓機。但作為另一供選擇的形式，泵也是可以用的。
綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，可避免泵的部分逆流特性，并且能迅速響應(yīng)電力系統(tǒng)的需求，并保證穩(wěn)定工作、提高電力的供需平衡。
權(quán)利要求
1、一種(可)變速(度)泵系統(tǒng)包含
(a)具有液流調(diào)節(jié)裝置并至少包含抽吸功能的液壓機；
(b)與所述液壓機相連并至少包含使所述液壓機旋轉(zhuǎn)的電動機功能的旋轉(zhuǎn)機；
(c)驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)機的頻率變換器；和
(d)根據(jù)外部單元的指令信號或與該指令信號相應(yīng)的信號、控制所述旋轉(zhuǎn)機可變速工作的控制系統(tǒng)，
(e)所述控制系統(tǒng)包含1)控制所述旋轉(zhuǎn)機的輸出與指令信號相對應(yīng)的電力控制系統(tǒng)，2)輸出校正信號給所述電力控制系統(tǒng)使所述液壓機旋轉(zhuǎn)在與指令信號相應(yīng)的正確轉(zhuǎn)速上的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，和3)控制所述液壓機的液流調(diào)節(jié)裝置使所述液流調(diào)節(jié)裝置的開口量使與指令信號相應(yīng)的液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)；
(f)當(dāng)與所述旋轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)的時間常數(shù)相比較時，所述電力控制系統(tǒng)有一個小到可忽略的時間常數(shù)；
(g)所述液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和/或所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)具有以這樣一種方式設(shè)定傳輸功能的裝置，按照這種方式，當(dāng)其轉(zhuǎn)速增加時，所述液壓機的機械負(fù)載不會減少，當(dāng)其轉(zhuǎn)速下降時，機械負(fù)載不會增加。
2、一種可變速度泵系統(tǒng)包含
(a)具有液流調(diào)節(jié)裝置并至少包含抽吸功能的液壓機;
(b)與所述液壓機相連接并至少包含使所述液壓機旋轉(zhuǎn)的電動機功能的旋轉(zhuǎn)機;
(c)驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)機的頻率變換器;和
(d)按照外部單元的指令信號或與該指令信號相應(yīng)的信號控制所述旋轉(zhuǎn)機可變速工作的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包含1)控制所述旋轉(zhuǎn)機的輸出使與指令信號和校正信號相應(yīng)的電力控制系統(tǒng)，2)輸出校正信號給所述電力控制系統(tǒng)使所述液壓機旋轉(zhuǎn)在與指令信號相應(yīng)的正確的轉(zhuǎn)速上的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，3)控制所述液壓機的所述液流調(diào)節(jié)裝置以使所述液流調(diào)節(jié)裝置的開口量與指令信號相對應(yīng)的液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng);
(e)與所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的時間常數(shù)相比較、所述電力控制系統(tǒng)具有小到可忽略的時間常數(shù);
(f)所述液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)(
y/
t)和所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的響應(yīng)(
n/
t)設(shè)置得使下面的不等式至少有一個成立
其中y是所述液流調(diào)節(jié)裝置的無量綱的開口量，n是所述液壓機的無量綱的旋轉(zhuǎn)速度，Pp是所述液壓機的無量綱的輸入，而h是無量綱的總動態(tài)落差。
3、一種(可)變速(度)泵系統(tǒng)，包含
(a)具有液流調(diào)節(jié)裝置并至少包含抽吸功能的液壓機;
(b)與液壓機連接并至少包含使所述液壓機旋轉(zhuǎn)的電動機功能的旋轉(zhuǎn)機;
(c)驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)機的頻率變換器;
(d)按照外部單元的指令信號或與該指令信號相應(yīng)的信號控制所述旋轉(zhuǎn)機變速工作的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包含1)控制所述旋轉(zhuǎn)機的輸出使與指令信號和校正信號相對應(yīng)的電力控制系統(tǒng)，2)輸出校正信號給所述電力控制系統(tǒng)使所述液壓機旋轉(zhuǎn)在與指令信號相應(yīng)的正確的轉(zhuǎn)速上的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，3)控制所述液壓機的所述液流調(diào)節(jié)裝置使所述液流調(diào)節(jié)裝置的開口量與指令信號相對應(yīng)的液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng);
(e)與所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的時間常數(shù)相比、所述電力控制系統(tǒng)具有小到可忽略的時間常數(shù);
(f)所述液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)(
y/
t)和所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的響應(yīng)(
n/
t)設(shè)置得使下面的不等式成立
其中y是所述液流調(diào)節(jié)裝置的無量綱的開口量，n是所述液壓機的無量綱的轉(zhuǎn)速，Pp是所述液壓機的無量綱輸入，而h是無量綱的總動態(tài)落差。
4、一種變速泵的轉(zhuǎn)速函數(shù)發(fā)生器，包含
(a)根據(jù)電力指令信號和靜態(tài)落差輸出最佳轉(zhuǎn)速目標(biāo)值的函數(shù)發(fā)生單元;和
(b)將所述目標(biāo)值延遲一個與工作狀態(tài)相對應(yīng)的時間常數(shù)并作為轉(zhuǎn)速指令信號輸出已延遲的目標(biāo)值的延遲元件，所述延遲元件具有一個傳輸元件，該傳輸元件用來當(dāng)轉(zhuǎn)速要增加時給出一個大的響應(yīng)速度，而當(dāng)轉(zhuǎn)速要下降時給出一個小的響應(yīng)速度。
5、一種(可)變速(度)泵的導(dǎo)流葉片開口量函數(shù)發(fā)生器，它包含
(a)按照電力指令信號和靜態(tài)落差輸出導(dǎo)流葉片開口量最佳值指令信號的目標(biāo)值的函數(shù)發(fā)生單元;和
(b)將所述目標(biāo)值延遲一個與工作狀態(tài)相對應(yīng)的時間常數(shù)并作為導(dǎo)流葉片開口量指令信號輸出已延遲的目標(biāo)值的延遲元件，所述延遲元件具有一個傳輸元件，該傳輸元件用來當(dāng)導(dǎo)流葉片開口量要增加時給出一個小的響應(yīng)速度，或一個大的響應(yīng)時間，而當(dāng)導(dǎo)流葉片開口量要下降時給出一個大的響應(yīng)速度，或小的響應(yīng)時間。
6、如權(quán)利要求1所述的(可)變速(度)泵系統(tǒng)，其特征在于所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包含
(a)按照電力指令信號(作為外部指令信號)和靜態(tài)落差輸出轉(zhuǎn)速指令信號的最佳目標(biāo)值的函數(shù)發(fā)生單元;和
(b)將所述目標(biāo)值延遲一個與工作狀態(tài)相對應(yīng)的時間常數(shù)并作為轉(zhuǎn)速指令信號輸出已延遲的目標(biāo)值的延遲元件，所述延遲元件具有一傳輸元件，該傳輸元件用來當(dāng)轉(zhuǎn)速要增加時給出一個大響應(yīng)速度，而當(dāng)轉(zhuǎn)速要降低時給出一個小響應(yīng)速度，因此將根據(jù)從所述延遲元件輸出的轉(zhuǎn)速指令和實際轉(zhuǎn)速之間的差值發(fā)出校正轉(zhuǎn)速用的所述校正信號。
7、如權(quán)利要求1所述的(可)變速(度)泵系統(tǒng)，其特征在于所述液流調(diào)節(jié)裝置有導(dǎo)流葉片，所述液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)包含
(a)按照電力指令信號(作為外部指令信號)和靜態(tài)落差輸出導(dǎo)流葉片最佳開口量指令信號的目標(biāo)值的函數(shù)發(fā)生單元;和
(b)將所述目標(biāo)值延遲一個與工作狀態(tài)相對應(yīng)的時間常數(shù)并輸出所延遲的目標(biāo)值作為導(dǎo)流葉片開口量的指令信號的延遲元件，所述延遲元件具有一個傳輸元件，該傳輸元件用來當(dāng)導(dǎo)流葉片開口量要增大時給出一個小響應(yīng)速度，而當(dāng)導(dǎo)流葉片開口量要下降時給出一個大響應(yīng)速度，從而，將根據(jù)導(dǎo)流葉片開口量的指令和實際導(dǎo)流葉片開口量之間的差值來控制校正導(dǎo)流葉片開口量用的所述校正信號。
8、如權(quán)利要求1所述(可)變速泵系統(tǒng)，其特征在于所述傳輸函數(shù)設(shè)定裝置設(shè)置這樣一種傳輸函數(shù)、即所述液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)(
y/
t)和所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的響應(yīng)(
n/
t)設(shè)置得使下面不等式至少有一個成立
其中y是所述液流調(diào)節(jié)裝置的無量綱開口量，n是所述液壓機的無量綱轉(zhuǎn)速，Pp是所述液壓機的無量綱輸入，而h是無量綱總動態(tài)落差。
9、如權(quán)利要求1所述(可)變速(度)泵系統(tǒng)，其特征在于所述傳輸函數(shù)設(shè)定裝置設(shè)置這樣一種傳輸函數(shù)，即所述液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)(2y/2t)和所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的響應(yīng)(2n/2t)設(shè)置得使下面不等式成立
其中y是所述液流調(diào)節(jié)裝置的無量綱開口量，n是所述液壓機的無量綱轉(zhuǎn)速，Pp是所述液壓機的無量綱輸入，而h是無量綱總動態(tài)落差。
10、如權(quán)利要求1所述(可)變速(度)泵系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)機是發(fā)電機-電動機，而所述液壓機是水泵-水輪機。
11、如權(quán)利要求2所述(可)變速(度)泵系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)機是發(fā)電機-電動機，而所述液壓機是水泵-水輪機。
12、如權(quán)利要求3所述(可)變速(度)泵系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)機是發(fā)電機-電動機，而所述液壓機是水泵-水輪機。
13、如權(quán)利要求6所述(可)變速(度)泵系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)機是發(fā)電機-電動機，而所述液壓機是水泵-水輪機。
14、如權(quán)利要求7所述(可)變速(度)泵系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)機是發(fā)電機-電動機，而所述液壓機是水泵-水輪機。
15、如權(quán)利要求8所述(可)變速(度)泵系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)機是發(fā)電機-電動機，而所述液壓機是水泵-水輪機。
16、如權(quán)利要求9所述(可)變速(度)泵系統(tǒng)，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)機是發(fā)電機-電動機，而所述液壓機是水泵-水輪機。
17、一種(可)變速(度)泵系統(tǒng)包含通過電力系統(tǒng)的供電可旋轉(zhuǎn)的電動機，通過該電動機驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)的泵，用于控制所述電動機和所述泵轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，和控制所述泵液流量的液流控制系統(tǒng);一種操作該變速泵系統(tǒng)的方法，該方法包含
(a)當(dāng)電動機的輸出通過外部單元的電力指令信號使其增加時，設(shè)置液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的液流增加指令信號的增加速度的最大值，使其小于轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速增加指令信號的增加轉(zhuǎn)速的最大值;
(b)當(dāng)通過外部單元的電力指令信號使電動機的輸出下降時，設(shè)置轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速下降指令信號的下降速度的最大值使其小于液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的液流減少指令信號的下降速度的最大值;和
(c)操作電動機使其跟隨電力指令信號的增加和下降。
18、抽水蓄能發(fā)電廠具有這樣一種(可)變速(度)泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含通過電力系統(tǒng)的供電可旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機-電動機，由所述發(fā)電機-電動機驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)的水泵-水輪機、控制所述發(fā)電機-電動機和所述水泵-水輪機每一個的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，和控制所述水泵-水輪機的液流量的液流控制系統(tǒng)，
所述液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)具有設(shè)定功能，當(dāng)來自外部單元的電力指令信號使所述發(fā)電機-電動機的輸出增加時，該系統(tǒng)的設(shè)定功能設(shè)定液流增加指令信號的增加速度的最大值使小于所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速增加指令信號的增加速度的最大值，所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)具有一設(shè)定的功能，當(dāng)來自外部單元的電力指令使所述發(fā)電機-電動機的輸出下降時，該設(shè)定功能設(shè)定所述液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的液流減少指令信號的下降速度的最大值比所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速下降指令信號的下降速度的最大值更大，由此，所述發(fā)電機-電動機能跟隨電力指令信號的增加和下降而工作。
19、抽水蓄能發(fā)電廠具有這樣一種(可)變速(度)泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含通過電力系統(tǒng)的供電可旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機-電動機，通過所述發(fā)電機-電動機驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)的水泵-水輪機、控制所述發(fā)電機-電動機和所述水泵-水輪機每一個的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，和控制所述水泵-水輪機的液流量的液流控制系統(tǒng)，
所述液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)具有設(shè)定功能，當(dāng)來自外部單元的電力指令信號使所述發(fā)電機-電動機的輸出時，該設(shè)定功能設(shè)定液流增加指令信號的最大值使小于所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速增加指令信號的增加速度的最大值，由此，所述發(fā)電機-電動機能跟隨電力指令信號的增加和下降而工作。
20、抽水蓄能發(fā)電廠具有這樣一種(可)變速(度)泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含通過電力系統(tǒng)的供電可旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機-電動機、通過所述發(fā)電機-電動機驅(qū)動可旋轉(zhuǎn)的水泵-水輪機，控制所述發(fā)電機-電動機和所述水泵-水輪機每一個的轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，和控制所述水泵-水輪機的液流量的液流控制系統(tǒng)，
所述轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)具有設(shè)定功能，當(dāng)來自外部單元的電力指令信號使所述發(fā)電機-電動機的輸出下降時，該設(shè)定功能設(shè)定所述液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中的液流減少指令信號的下降速度的最大值。
由此，所述發(fā)電機-電動機能跟隨電力指令信號的增加和下降而工作。
全文摘要
一種可變速泵系統(tǒng)包含具有液流調(diào)節(jié)裝置的液壓機；使液壓機旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)機；驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機的頻率變換器；和按照外部指令信號控制旋轉(zhuǎn)機變速工作的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)還包含各種控制系統(tǒng)。其中電力控制系統(tǒng)的時間常數(shù)與其中的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的時間常數(shù)相比小到可忽略。其中液流調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)和/或轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)具有設(shè)定傳輸功能的裝置，使液壓機轉(zhuǎn)速增加或下降時，其機械負(fù)載不下降或不增加。
文檔編號F03B15/04GK1049396SQ90106958
公開日1991年2月20日 申請日期1990年8月8日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月8日
發(fā)明者桑原尚夫, 北英三 申請人:株式會社日立制作所, 關(guān)西電力株式會社