南疆農(nóng)田泵房節(jié)能改造的技術(shù)研究

南疆農(nóng)田泵房節(jié)能改造的技術(shù)研究

孫少杰 裴玖玲 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院

新疆南部地區(qū)常年干旱少雨，屬于典型的灌溉農(nóng)田，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能降耗的要求，以阿拉爾農(nóng)田泵房為例，對(duì)水泵進(jìn)行了變頻調(diào)速技術(shù)改造。實(shí)踐證明，電機(jī)的變頻調(diào)速與傳統(tǒng)控制方式運(yùn)行相比較，不僅可節(jié)約電能35%左右，它的寬電壓運(yùn)行條件和軟啟動(dòng)功能，還能保護(hù)電機(jī)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

水泵；變頻調(diào)速；農(nóng)業(yè)灌溉；節(jié)能改造

目前，南疆地區(qū)農(nóng)田滴灌技術(shù)得到了大力推廣【1】，有效地節(jié)約了水資源，但泵房中水泵的啟動(dòng)方式基本上還是采用星三角啟動(dòng)、自耦降壓?jiǎn)?dòng)和軟啟動(dòng)方式，使電機(jī)全額運(yùn)行，因電機(jī)不能調(diào)速，只好調(diào)節(jié)滴灌系統(tǒng)中的閥門以滿足灌溉系統(tǒng)中用水需要，造成很大能源浪費(fèi)。隨著變頻器的普及和推廣，在南疆面廣量大的農(nóng)田里，如果對(duì)電機(jī)采用變頻調(diào)速方式，可使電機(jī)及其負(fù)載在無(wú)需任何改動(dòng)的情況下按照用戶要求調(diào)整轉(zhuǎn)速輸出，使水泵始終處于高效率運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到顯著節(jié)電效果。

1.傳統(tǒng)水泵控制方式存在的弊端

圖1 通用變頻器主電路

電機(jī)傳統(tǒng)的控制方式有Y-△角啟動(dòng)、自耦降壓?jiǎn)?dòng)、軟啟動(dòng)三種方式。Y-△起動(dòng)和自耦降壓?jiǎn)?dòng)屬于硬啟動(dòng)方式，是通過降低電機(jī)的啟動(dòng)電壓來減少啟動(dòng)電流，且控制回路復(fù)雜，啟動(dòng)過程中存在電機(jī)沖擊電流大、沖擊轉(zhuǎn)矩大、效益低等缺點(diǎn)。軟啟動(dòng)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓的平穩(wěn)升降和無(wú)觸點(diǎn)通斷，啟動(dòng)電流可根據(jù)負(fù)載情況任意設(shè)定，還有多種保護(hù)功能，如短路、過載、斷相等，對(duì)泵的沖擊很小，是國(guó)內(nèi)目前電機(jī)啟動(dòng)應(yīng)用較多的一種控制方法，缺點(diǎn)就是電機(jī)只能定速運(yùn)行，不能調(diào)速。傳統(tǒng)控制方式下的水泵，都使配套電機(jī)全額定速運(yùn)行，在滴灌系統(tǒng)中，造成了很大的電能浪費(fèi)。而變頻器是現(xiàn)代電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域技術(shù)含量最高，控制功能最全、控制最好的電機(jī)控制裝置，把它應(yīng)用到滴灌系統(tǒng)的泵房里，會(huì)起到很好的節(jié)能效果【2-3】。

2.變頻調(diào)速原理和特點(diǎn)

根據(jù)交流異步電機(jī)原理，可知轉(zhuǎn)速n公式為：

公式1：

而且，通過流體力學(xué)的基本定律可知：水泵電機(jī)屬于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n與流量Q，壓力H以及軸功率P具有入下關(guān)系（見下公式1）：

由上式可知，流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。如果當(dāng)需60%的額定水量時(shí)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的60%，所需功率僅為原來的21.6%。所以，通過控制電機(jī)輸入電源的頻率，可實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速、出水量、出口壓力、軸功率的目標(biāo)，使水泵始終處于高效運(yùn)行狀態(tài)，起到節(jié)水節(jié)能的效果。

3.通用變頻器結(jié)構(gòu)、使用

變頻器就是把恒壓恒頻的交流電（市電）變換為變壓變頻的交流電，以滿足交流電機(jī)變頻調(diào)速的需要，從整體結(jié)構(gòu)上看，一般可分為交—交和交—直—交變頻器兩大類型【4】。農(nóng)田水泵電機(jī)是通用型交流電動(dòng)機(jī)，故在泵房改造時(shí)，根據(jù)性價(jià)比，選用國(guó)產(chǎn)品牌，市場(chǎng)應(yīng)用范圍廣的韋德韋諾變頻器，VDF650型號(hào)的交-直-交變頻器(VVVF)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。通用型VVVF變頻器主電路電路包括三部分，第一個(gè)交流作用是將三相380VAC的交流電整流為550VDC左右的直流電，直流部分的作用是限流充電、旁路、濾波、制動(dòng)調(diào)功等作用，最后一個(gè)交流作用是將550VDC左右的直流電逆變成三相頻率電壓可調(diào)的交流電。

變頻器使用時(shí)，需要通過端子外接主回路和控制回路。三相電源分別變頻器的接R、S、T三個(gè)主回路端子，U、V、W這三個(gè)端子接負(fù)載水泵電機(jī)的三個(gè)接線柱，另外較大功率變頻器還需要通過+和PB端子外接制動(dòng)電阻，以釋放能量。變頻器之所以實(shí)現(xiàn)調(diào)整電機(jī)的無(wú)極調(diào)速、能夠多方位保護(hù)電機(jī)，對(duì)過程量具有控制作用對(duì)負(fù)載具有節(jié)能作用，是因?yàn)檫€需通過控制端子外接控制回路。常用的控制端子有電源端子、模擬輸入和輸出端子、數(shù)字輸入和輸出端子、繼電器輸出端子和輔助接口。通過操作面板調(diào)試，配置適當(dāng)參數(shù)，變頻器就實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的無(wú)極調(diào)速和節(jié)能作用。

4.農(nóng)田水泵變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變頻恒壓供水控制方案有很多種，現(xiàn)以阿拉爾十二團(tuán)南口鎮(zhèn)1號(hào)泵站為例，該泵站有兩臺(tái)型號(hào)為300HW-8水泵，配套電機(jī)功率25KW的水泵，采用一拖二控制。在改造中，因是一拖二控制，兩臺(tái)電機(jī)總功率為50KW，故選用韋德韋諾變頻器的通用型VDF650-T3-045G/055P，VDF650表示通用型變頻器系列，T3表示三相變頻器，045G表示恒轉(zhuǎn)矩負(fù)時(shí)載配套電機(jī)45KW，055示風(fēng)機(jī)水泵負(fù)載配套電機(jī)55KW，其主電路接線如圖2所示：

正常工作時(shí)，如果電機(jī)M1運(yùn)行于變頻狀態(tài)，電M2處于工頻備用狀態(tài)，根據(jù)遠(yuǎn)程壓力表傳來的數(shù)據(jù)，需切換到電機(jī)M2運(yùn)行于變頻狀態(tài)，電機(jī)M1處于工頻備用狀態(tài)，為了保證出水母管的壓力，只需三個(gè)步驟就可以了：第一步將電機(jī)M2工頻啟動(dòng)，同時(shí)將M1變頻停止；第二步將電機(jī)M1工頻啟動(dòng)，同時(shí)電機(jī)M2工頻停止；第三步將電機(jī)M2變頻啟動(dòng)，同時(shí)將電機(jī)M1工頻停止備用，完成切換過程；同理可完成反向切換，完成灌溉用水需求。

水泵除了變頻運(yùn)行功能外，同時(shí)也具有工頻旁路運(yùn)行方式，以防止變頻器發(fā)生故障退出后，還可以保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4.節(jié)能效益分析

泵房電機(jī)經(jīng)過變頻調(diào)速改造后，節(jié)能效果非常明顯。經(jīng)過測(cè)試比較，發(fā)現(xiàn)未使用變頻調(diào)

速技術(shù)前，輸入功率大，泵站效率低；使用變頻調(diào)速技術(shù)后，輸入功率明顯降低，泵站效率顯著提高。

圖2 恒壓供水系統(tǒng)主電路

而且，采用變頻調(diào)速后，提高了電機(jī)的功率因數(shù)，減少了無(wú)功功率消耗，提高了電能利用率；還可對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)電流不超過電機(jī)額定電流的1.2倍，對(duì)電網(wǎng)無(wú)任何沖擊，電機(jī)使用壽命延長(zhǎng)；該裝置適應(yīng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)能力強(qiáng)，電壓工作范圍寬，電網(wǎng)電壓在-15%～+10%之間波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)均可正常運(yùn)行；而且變頻器具有過電流、短路、過壓、缺相、溫升等多項(xiàng)保護(hù)功能，更完善地保護(hù)了電機(jī)，水泵電機(jī)的故障率大大降低，提高水泵電機(jī)運(yùn)行的可靠性，降低了設(shè)備維修費(fèi)用。

5.小結(jié)

變頻控制不但可實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無(wú)極調(diào)速、調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬，還可兼做軟啟，保護(hù)電機(jī)，所以農(nóng)田水泵配套電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)是我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的一項(xiàng)重點(diǎn)推廣技術(shù)。另外，新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)大都是滴灌技術(shù)，采用變頻調(diào)速，不僅操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，更有利于實(shí)現(xiàn)滴灌全過程的自動(dòng)化(程序化)，為建立現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]VDF650系列矢量變頻調(diào)速器數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].31-36

[2]蘇薈.新疆農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉技術(shù)選擇研究：[D].新疆：石河子大學(xué)，2013

[3]沈松根，錢國(guó)良等.變頻調(diào)速技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的節(jié)能效益分析[J].浙江水利科技，2006，144（2）：51-53.

[4]馮建斌，曾祥泉.水泵變頻器調(diào)速技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用[J].新疆農(nóng)墾科技，2008（4）：49-50

[5] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)（第5版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

此文為塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目成果，項(xiàng)目編號(hào)TDZKSS201112。

裴玖玲（1980-），女，漢族，河南開封，塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，講師，碩士，主要研究方向：電力電子技術(shù)、電力拖動(dòng)和自動(dòng)控制。