節能柴油發電機在噴灌設備中的應用研究

陳 卯

(莆田學院，福建 莆田 351100)

節能柴油發電機在噴灌設備中的應用研究

陳 卯

(莆田學院，福建 莆田 351100)

柴油發電機噴灌設備具有低成本、移動方便的優點。將柴油發電機進行節能改造，設計一款適應丘陵山地地區使用的便攜式的、小型的噴灌設備。

柴油發電機；噴灌設備；節能

1 噴灌技術的應用背景

據統計，全國耕地面積約為18.3億畝，其中丘陵山地耕地面積約占8.2億畝。平原耕地可以采用傳統的地面灌溉方式，而丘陵山地很難采用地面灌溉方式進行灌溉。和地面灌溉相比，噴灌方式具有節水、省力、對地形和土質適應性強以及保持水土等優點[1]。據海關整理統計，2002－2011年前3季度，機械式調速柴油發電機組進出口總計約700 000臺[2]。經過反復試驗以及油耗監測發現，當負載較小時，柴油發電機以額定轉速運行，存在柴油浪費問題。假如節能改造設計能夠節約6%的燃油，700000臺每次加20 L柴油，合計能夠節約4200000元費用。但由于大型噴灌設備具有高成本與移動不便等缺點，在我國丘陵山地地區存在推廣難的現狀。

2 噴灌設備的技術指標

噴灌系統中，供水壓力H和流量Q是需要調節的主要參數。在水泵直接加壓的情況下，噴灌設備的H～Q特性曲線是一條負斜率的直線。由于供水壓力H不穩定，將直接影響噴灌質量，因此需要調節水泵的H、Q參數，調節方式主要有以下三種：一是閥門調節，二是壓力罐壓力調節，三是水泵變速調節。本設計選擇水泵變速調節方式，選用帶變頻調速器的水泵電機，采用柴油發電機給水泵供電，供水壓力和供水流量的自動調節控制，由帶變頻調速的水泵電機完成。

由流體力學可知，水泵的特性與其轉速存在一定的相關關系，通過公式推導可以得出，其功率P與轉速n的立方成正比。由于水泵電機的耗電功率也可用公式P=U*I來表示，因此，可近似地得出水泵電機的耗電電流I與轉速n的立方成正比。設計中，通過檢測供水壓力取代水泵電機轉速的檢測。控制過程中，將供水壓力信號反饋給水泵的變頻調速器，由變頻調速器自動調節水泵電機的轉速，使噴灌設備的H～Q特性曲線趨于理想化。

3 柴油發電機調速裝置設計

轉速調節是柴油機運行過程中的一個重要環節，機械式調速器設定的彈簧力，使供油量控制杠桿向增加燃油供給的方向轉動；而發動機帶動的飛球所產生的離心力，使油量控制杠桿向減少燃油供給的方向轉動。彈簧力與離心力對油量控制杠桿相互作用的結果，使柴油機運行在額定轉速下。

調速裝置改造方案：在柴油發電機調速器上安裝一直流減速步進電機，步進電機的轉軸連接一個偏心輪，由偏心輪嚙合發電機的調速手柄，步進電機帶動調速手柄來調整調速彈簧的拉力，進而調節柴油發電機的轉速。通過檢測水泵電機負載電流的大小，自動控制步進電機的正反轉工作，調節調速彈簧的拉力。當水泵電機的負載電流增大時，步進電機順時針轉動，加大調速彈簧的拉力，燃油供給增加，柴油發電機的轉速上升。當水泵電機的負載電流減小時，調速彈簧拉力減小，油量供給減少，柴油發電機的轉速下降。

4 控制系統設計

4.1 負載電流檢測與柴油發電機轉速檢測

本系統控制電路設計以 STC12C5202AD單片機作為控制核心，采用電流互感器檢測水泵電機的工作電流。電流互感器的輸出經過整流和電壓變換，單片機通過AD端口進行電壓采樣，以獲得水泵電機的工作電流。柴油發電機的速度頻率公式為n=60*f/p，式中p為柴油發電機的磁極對數，通過對柴油發電機的輸出頻率f進行檢測，即可求出發電機的轉速n。

4.2 控制策略設計

在現場試驗的過程中，本人嘗試了實時無極調速和分檔調速兩種控制策略。實時無極調速控制策略的缺點是，柴油發電機無法在某一固定轉速上穩定地運行。分檔調速則是根據負載電流區間，自動選擇合適的轉速檔位，使柴油發電機穩定地運行，因此選擇分檔調速的控制策略。根據速度頻率公式，將柴油發電機的速度分為6檔，如圖1所示。

檔位切換在軟件設計上，一種方法是，直接根據負載電流大小來選擇轉速檔位。這種方法的缺點是，在負載臨屆點，發電機檔位會在相鄰兩檔之間不停地切換，造成發電機抖動劇烈，運行穩定性差。因此，設計上采用改進控制算法，即借鑒施密特觸發器的工作原理，設計出施密特觸發器原理的檔位切換控制算法。假設某一時刻水泵電機工作電流為9.5 A，則柴油發電機的轉速檔位是由水泵電機的歷史電流值決定；假如歷史電流值為8.5A，則柴油發電機在4檔運行；假如歷史電流值為10.5A，則發電機在5檔運行；這種控制算法的優點是，檔位切換過程有1 A的負載電流緩沖區，可以保證柴油發電機檔位切換的平滑性，避免設備在負載電流臨界點時產生的不穩定性與噪聲。檔位切換示意圖如圖1所示。

本設計在YT3800X-3kW的便攜式柴油發電機和YVP的變頻水泵電機上進行試驗，以一小時作為測量時間基準，分別測試了柴油發電機調速器改造前后的油耗數據，如表1所示。調速器改造后，1檔空載可以正常運行，但帶載運行不穩定，容易停機，因此無帶載油耗數據；6檔為額定轉速檔，油耗與改造前一致。2、3、4檔節油效率都達到了6%的預期目標。

圖1 檔位與檔位切換示意圖

表1 柴油發電機調速器改造前后的油耗數據

5 總結

通過試驗可以發現，當噴灌面積變化時，水泵電機的電流跟著變化，控制系統能夠根據電流的大小自動切換柴油發電機的轉速檔位，達到預期的控制效果。根據油耗監測表可以看出，當負載較小時，柴油發電機節能改造后能夠達到節約6% 燃油的預期效果；不足之處，柴油發電機在5檔運行時，節油效果沒有達到預期目標。結合噴灌技術自身的優點，此次設計的便攜式的、小型的噴灌設備，在小負載運行時，取得了預期的節能效果，將該設備在我國丘陵山地地區推廣應用將會有很大的前景。

[1]趙競成，任曉力等.噴灌工程技術[M].北京：中國水利水電出版社，1999：5-7.

[2]肖偉鋒.9.5MW柴油發電機組油耗分析及其節油措施[J].能源技術，2001(2)：79-80.

Research on application of energy-saving diesel generator using in irrigation equipment

CHEN Mao
(Putian University,Putian Fujian 351100)

Diesel generator irrigation equipment has the advantages of low cost,easy to move.The diesel generator for energy saving,design a suitable for the hilly and mountainous area,small portable irrigation device.

Diesel generator; Spray irrigation equipment; Energy-saving

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.062

1672–7304(2016)01–0133–02

福建省教育廳科技項目（JB12258）；莆田學院激光精密加工工程技術中心開放基金資助

（責任編輯：張時瑋）

陳卯（1987- ），男，福建仙游人，研究方向：電氣與電子工程技術。