变频调速技术在农业灌溉改造工程中的应用

1.变频调速的原理

1.1 变频调速的基本控制方式

异步电动机的同步转速即旋转磁场的转速为:nl = 60f1/ np

式中:nl-同步转速;f1-定子频率(HZ);np-磁极对数。

异步电动机的轴转速为: n=n1(1-s)= 60f1/ np(1-s)(1)

式中s-异步电动机的转差率,s=(n1-n)/n1改变异步电动机供电电源的频率P,则可改变同步转速,实现调速运行。

根据流体力学原理,水泵的流量Q、总扬程H、轴功率P有下列关系:Q/Qo=n/no(2);H/Ho= (n/no)2 (3);p/po= (n/no)3(4)

式中,n0为基准转速;n为运行转速;Qo为no时的流量;Q为n时的流量;Ho为no时的扬程;H为n时的扬程;po为no时的功率;p为n时的功率。

由以上4式看出,通过控制电机输入电源频率,可以实现控制水泵转速、出水量、出口压力、轴功率的目标,起到节水节能的效果。

1.2变频调速节能原理

对于实际的泵负载,通常存在一个与高低差有关的实际扬程,在进行变频调速运行时必须注意。根据泵的H-Q特性和P-Q特性,在实际的运行点应由管路阻抗曲线与H-Q特性的交点决定。例如,80%时的运转点不在高点,而是低点。轴功率也要考虑同样问题,即工作点不是转速立方曲线直接相交。亦即当实际扬程越大,在相同的转速下(此处为80%)流量减少的比例也越大,使转速调节范围变窄,从而使节电效果变小。

当流量从高点变为低点时,对于阀门控制通过关小阀门使阻抗曲线发生变化,则工作点由高点转移到低点。若改用转速控制,则在同一阻抗曲线上从高点转移到低点。在阀门控制时由100%速度的高点转移到低点;则减少很小的耗能。而转速控制时,在由实际扬程决定的功率特性上由高点转移到低点,与阀门控制相比可获得相当于高至低大小的节电效果。而泵采用变频调速时,轴功率随实际扬程变化的时。实际扬程越小,轴功率越接近理想的立方关系曲线,由于调速而产生的节电效果也越大。

2.变频调速技术在农业灌溉改造工程中的应用

2.1 变频调速技术在农业灌溉中应用的优势

2.1.1 传统农业灌溉方法的弊端 水泵和配套电机功率大小是根据所需灌溉面积和灌水定额来选择的,水泵运行后,电机就全速运转,不能进行电机转速调整和流量控制。在实际的农业生产灌溉中,田间(包括经济物旱地)的需水量是根据农作物生长时节的变化而不同的。在通常的农业灌溉中造成了能源的极大浪费。其次,作为农业灌溉的泵站根据田间灌溉种类的不同,水泵规格也就不尽相同。有轴流泵或离心泵灌溉,又分为水泵是无压渠道灌溉和有压管道灌溉,特别是在有压管道灌溉时,常规采用调整阀、回流阀、截止阀等节流设备进行流量、液位、压力等信号控制。这样,不仅造成了大量的能源浪费和管路、阀门等密封性能的破坏,还加速了泵腔、阀门的磨损和气蚀,严重时损坏设备。农业灌溉多采用异步电动机三角皮带驱动或直接驱动方式运行,存在启动电流大、机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命,而且当设备出现机械故障时,不能瞬间动作保护设备,经常出现泵损坏,甚至烧毁的现象。

2.1.2 使用PWM变频调速技术的优势 采用PWM变频调速技术后,可根据实际灌溉需求进行电机转速控制,以满足农作物、经济作物不同季节,不同时段的供水需求,达到最大的节能效果。该技术采用软启动和软停机方式控制电机运行,减小了对泵腔、管路和阀门的损坏,从而延长其使用寿命。同时,该技术具有过流、过压、缺相、短路等多种保护功能,切实保护水泵和电机不受损坏和烧毁。

2.2 水泵变频调速的控制原理

2.2.1 变频控制功能在农业灌溉中有多种灌溉方式 不同的灌溉方式所需的压力是不同的,但在同一种灌溉方式中一般采用恒压供水系统。所谓恒压供水,是 在保持水泵扬程恒定的前提下,通过改变转速达到调节流量的目的。(流量恒定时,转速从高到低时,流量从某流量减少到相应的流量)。农业灌溉中,在供水系统中设置多压控制电路,控制电路可以按照农业生产对应的喷灌、微喷灌、滴灌等多个压力需求设定,在农业生产灌溉时,控制电路按灌溉方式要求不同,可以设定不同的压力值,压力值控制电路自动转换到相应工作压力,使系统达到恒压供水方式,达到节电节水灌溉的目的。

2.2.2 恒压功能根据不同的灌溉方式确定管网压力 当检测压力大于设定压力时,变频控制系统将输出电源频率下调减少,水泵转速降低,出水量减小,管网压力下降。反之,变频控制系统将输出电源频率上调增大,水泵转速升高。出水量增大,管网压力升高。通过PID调节使检测压力和设定压力平衡,即达到系统恒压运行。

2.2.3 变频恒压供水方案及控制过程 变频恒压供水系统的控制方案有多种,其中单台变频器控制多台水泵的方案适于中小型的供水系统,是目前比较先进的一种方案。应用多采用单台变频器控制两台水泵的的方法。此方法简单、经济实用、维护方便、投资少、性能可靠,深受用户的信赖。