南疆农田泵房节能改造的技术研究

南疆农田泵房节能改造的技术研究

孙少杰 裴玖玲 塔里木大学机械电气化工程学院

新疆南部地区常年干旱少雨，属于典型的灌溉农田，随着农业产业结构调整和节能降耗的要求，以阿拉尔农田泵房为例，对水泵进行了变频调速技术改造。实践证明，电机的变频调速与传统控制方式运行相比较，不仅可节约电能35%左右，它的宽电压运行条件和软启动功能，还能保护电机，延长设备使用寿命。

水泵；变频调速；农业灌溉；节能改造

目前，南疆地区农田滴灌技术得到了大力推广【1】，有效地节约了水资源，但泵房中水泵的启动方式基本上还是采用星三角启动、自耦降压启动和软启动方式，使电机全额运行，因电机不能调速，只好调节滴灌系统中的阀门以满足灌溉系统中用水需要，造成很大能源浪费。随着变频器的普及和推广，在南疆面广量大的农田里，如果对电机采用变频调速方式，可使电机及其负载在无需任何改动的情况下按照用户要求调整转速输出，使水泵始终处于高效率运行状态，达到显著节电效果。

1.传统水泵控制方式存在的弊端

图1 通用变频器主电路

电机传统的控制方式有Y-△角启动、自耦降压启动、软启动三种方式。Y-△起动和自耦降压启动属于硬启动方式，是通过降低电机的启动电压来减少启动电流，且控制回路复杂，启动过程中存在电机冲击电流大、冲击转矩大、效益低等缺点。软启动可实现电机电压的平稳升降和无触点通断，启动电流可根据负载情况任意设定，还有多种保护功能，如短路、过载、断相等，对泵的冲击很小，是国内目前电机启动应用较多的一种控制方法，缺点就是电机只能定速运行，不能调速。传统控制方式下的水泵，都使配套电机全额定速运行，在滴灌系统中，造成了很大的电能浪费。而变频器是现代电动机控制领域技术含量最高，控制功能最全、控制最好的电机控制装置，把它应用到滴灌系统的泵房里，会起到很好的节能效果【2-3】。

2.变频调速原理和特点

根据交流异步电机原理，可知转速n公式为：

公式1：

而且，通过流体力学的基本定律可知：水泵电机属于平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有入下关系（见下公式1）：

由上式可知，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。如果当需60%的额定水量时，通过调节电机的转速至额定转速的60%，所需功率仅为原来的21.6%。所以，通过控制电机输入电源的频率，可实现控制水泵转速、出水量、出口压力、轴功率的目标，使水泵始终处于高效运行状态，起到节水节能的效果。

3.通用变频器结构、使用

变频器就是把恒压恒频的交流电（市电）变换为变压变频的交流电，以满足交流电机变频调速的需要，从整体结构上看，一般可分为交—交和交—直—交变频器两大类型【4】。农田水泵电机是通用型交流电动机，故在泵房改造时，根据性价比，选用国产品牌，市场应用范围广的韦德韦诺变频器，VDF650型号的交-直-交变频器(VVVF)，内部结构框图如图1所示。通用型VVVF变频器主电路电路包括三部分，第一个交流作用是将三相380VAC的交流电整流为550VDC左右的直流电，直流部分的作用是限流充电、旁路、滤波、制动调功等作用，最后一个交流作用是将550VDC左右的直流电逆变成三相频率电压可调的交流电。

变频器使用时，需要通过端子外接主回路和控制回路。三相电源分别变频器的接R、S、T三个主回路端子，U、V、W这三个端子接负载水泵电机的三个接线柱，另外较大功率变频器还需要通过+和PB端子外接制动电阻，以释放能量。变频器之所以实现调整电机的无极调速、能够多方位保护电机，对过程量具有控制作用对负载具有节能作用，是因为还需通过控制端子外接控制回路。常用的控制端子有电源端子、模拟输入和输出端子、数字输入和输出端子、继电器输出端子和辅助接口。通过操作面板调试，配置适当参数，变频器就实现了对电机的无极调速和节能作用。

4.农田水泵变频调速系统设计

变频恒压供水控制方案有很多种，现以阿拉尔十二团南口镇1号泵站为例，该泵站有两台型号为300HW-8水泵，配套电机功率25KW的水泵，采用一拖二控制。在改造中，因是一拖二控制，两台电机总功率为50KW，故选用韦德韦诺变频器的通用型VDF650-T3-045G/055P，VDF650表示通用型变频器系列，T3表示三相变频器，045G表示恒转矩负时载配套电机45KW，055示风机水泵负载配套电机55KW，其主电路接线如图2所示：

正常工作时，如果电机M1运行于变频状态，电M2处于工频备用状态，根据远程压力表传来的数据，需切换到电机M2运行于变频状态，电机M1处于工频备用状态，为了保证出水母管的压力，只需三个步骤就可以了：第一步将电机M2工频启动，同时将M1变频停止；第二步将电机M1工频启动，同时电机M2工频停止；第三步将电机M2变频启动，同时将电机M1工频停止备用，完成切换过程；同理可完成反向切换，完成灌溉用水需求。

水泵除了变频运行功能外，同时也具有工频旁路运行方式，以防止变频器发生故障退出后，还可以保证整个系统运行的可靠性。

4.节能效益分析

泵房电机经过变频调速改造后，节能效果非常明显。经过测试比较，发现未使用变频调

速技术前，输入功率大，泵站效率低；使用变频调速技术后，输入功率明显降低，泵站效率显著提高。

图2 恒压供水系统主电路

而且，采用变频调速后，提高了电机的功率因数，减少了无功功率消耗，提高了电能利用率；还可对电机实现软启动，启动时电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长；该装置适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-15%～+10%之间波动时，系统均可正常运行；而且变频器具有过电流、短路、过压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机，水泵电机的故障率大大降低，提高水泵电机运行的可靠性，降低了设备维修费用。

5.小结

变频控制不但可实现水泵电机的无极调速、调速精度高、调速范围宽，还可兼做软启，保护电机，所以农田水泵配套电机采用变频调速技术是我国农业产业结构调整实现节能降耗的一项重点推广技术。另外，新疆地区农业大都是滴灌技术，采用变频调速，不仅操作简单，运行方便，更有利于实现滴灌全过程的自动化(程序化)，为建立现代农业灌溉系统奠定技术基础。

[1]VDF650系列矢量变频调速器数据手册[M].31-36

[2]苏荟.新疆农业高效节水灌溉技术选择研究：[D].新疆：石河子大学，2013

[3]沈松根，钱国良等.变频调速技术在农业灌溉中的节能效益分析[J].浙江水利科技，2006，144（2）：51-53.

[4]冯建斌，曾祥泉.水泵变频器调速技术在农业灌溉中的应用[J].新疆农垦科技，2008（4）：49-50

[5] 王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）[M].北京：机械工业出版社,2009.

此文为塔里木大学校长基金项目成果，项目编号TDZKSS201112。

裴玖玲（1980-），女，汉族，河南开封，塔里木大学机械电气化工程学院，讲师，硕士，主要研究方向：电力电子技术、电力拖动和自动控制。