變頻調(diào)速節(jié)能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計研究

[摘 要] 近年來，隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的高速提升，變頻調(diào)速在灌溉系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其通過系統(tǒng)頻率的變化實(shí)現(xiàn)灌溉速度的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能的目的。另外，變頻調(diào)速的應(yīng)用還能夠保證系統(tǒng)恒壓供水，這在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式的升級，大大提升了水資源的利用效率，降低了成本，延長了設(shè)備的使用壽命，從而有效保證了農(nóng)業(yè)灌溉的穩(wěn)定性與可靠性。目前，變頻調(diào)速在灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用問題已經(jīng)引起了社會各界的高度重視，大量的技術(shù)人員已經(jīng)投身到相關(guān)科研研究中。本文主要針對變頻調(diào)速節(jié)能灌溉系統(tǒng)的優(yōu)勢及應(yīng)用原理兩方面進(jìn)行簡要分析，以期能為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供一定的幫助。

[關(guān)鍵詞] 變頻調(diào)速；灌溉系統(tǒng)；設(shè)計

[中圖分類號] S275；TM921.51 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-7909（2017）26-95-2

目前，我國的水資源短缺問題日益嚴(yán)重，由于農(nóng)業(yè)的不規(guī)范生產(chǎn)，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水效率相對較低。例如，農(nóng)田的過量灌水、水資源的分配不均等問題均會在很大程度上降低水資源的使用效率，當(dāng)下我國農(nóng)業(yè)用水效率僅為30%～40%，而國際上部分國家甚至可以達(dá)到80%以上，傳統(tǒng)的水泵模式由于灌溉速度無法調(diào)節(jié)、電力資源浪費(fèi)較大以及裝置效率低等不足，逐漸被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)淘汰，并且水泵灌溉主要是以農(nóng)田的實(shí)際需求為基礎(chǔ)，然后工作人員進(jìn)行閥門控制與機(jī)器操作，這在一定程度上需要工作人員的看守與監(jiān)控，無形之中增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。因此，加強(qiáng)對灌溉系統(tǒng)的升級與完善具有不可忽視的必要性。

1 變頻調(diào)速節(jié)能灌溉系統(tǒng)的優(yōu)勢

1.1 節(jié)約電能

在傳統(tǒng)的電泵灌溉中，往往使用大功率的電動機(jī)，并通過閥門控制灌溉速度，這會在一定程度上導(dǎo)致電能與水資源的浪費(fèi)。并且，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，不同農(nóng)作物對于水資源的需求、灌溉周期等要求大不相同，而傳統(tǒng)的灌溉模式供水壓力恒定，出水閥門固定時無法調(diào)節(jié)水流量，因此使得我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益相對較低。而在節(jié)能灌溉系統(tǒng)中，通過調(diào)速器的應(yīng)用，加強(qiáng)對管網(wǎng)壓力值的及時測量，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)頻率與速度的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到節(jié)能的目的[1]。

1.2 穩(wěn)定性高

在一般情況下，由于系統(tǒng)電動機(jī)的運(yùn)行功率相對較大，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，強(qiáng)大的瞬時電流會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的沖擊。因此，相關(guān)工作人員不得不加強(qiáng)地區(qū)供電系統(tǒng)的容量，這在很大程度上造成了電力資源的浪費(fèi)，同時嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而在新型的灌溉系統(tǒng)中，由于變頻器自身就具有較高的穩(wěn)定性，其能夠在高負(fù)荷下長期工作，并且系統(tǒng)還應(yīng)用了軟啟動，保證系統(tǒng)在啟動時不會對電網(wǎng)造成沖擊，有效保障了電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，變頻器還能夠在欠壓、超載及失控等突發(fā)情況下實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的良好保護(hù)，從而有效提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的室外環(huán)境中實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高設(shè)備的使用安全性及使用壽命。

1.3 操作簡單

傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行與停止都需要工作人員的操作，而且系統(tǒng)的水流速、流量及壓力等都需要工作人員根據(jù)作物的總體需求進(jìn)行判斷。因此，要求工作人員應(yīng)具有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。并且在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，大部分工作人員都不懂得按照作物對水量的需求進(jìn)行閥門的調(diào)節(jié)，只是知道在需求差異性較大的情況下，通過控制開機(jī)數(shù)量實(shí)現(xiàn)對水量的粗略控制，這在很大程度上造成了水資源的浪費(fèi)。而在新型灌溉系統(tǒng)中，其憑借著較高的集成度，使得系統(tǒng)的運(yùn)行方案多式多樣，并可以通過編程實(shí)現(xiàn)對各種組合方案的設(shè)計，有效提升了系統(tǒng)操作的簡便性與智能性[2]。

2 變頻調(diào)速節(jié)能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計原理

2.1 灌溉系統(tǒng)調(diào)速原理

節(jié)能灌溉系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能即為能夠?qū)崿F(xiàn)對水流量的準(zhǔn)確控制，而這主要是通過閥門與轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。若實(shí)際壓力低于標(biāo)準(zhǔn)壓力，則變速器的輸出頻率會相應(yīng)提升，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速隨之提升，管網(wǎng)壓力增大。反之，若實(shí)際壓力高于標(biāo)準(zhǔn)壓力，則變速器頻率降低，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速減小，管網(wǎng)壓力隨之減小。因此，只要保持管網(wǎng)壓力不產(chǎn)生變化，而調(diào)節(jié)變頻器的頻率，即可實(shí)現(xiàn)“恒壓變流”的功能。

而目前大部分的節(jié)能灌溉系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)對于灌溉流量的實(shí)時監(jiān)控，這主要是由于灌溉系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對于田間用水量的實(shí)時監(jiān)控，通過對管道壓力變化的監(jiān)控，將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑥亩噪娔M量的形式輸入控制器中，在這一情況下，變頻器就能夠根據(jù)壓力信號轉(zhuǎn)化而來的電模擬量來實(shí)現(xiàn)主回路交流電頻率的自動調(diào)整，進(jìn)而改變水泵的運(yùn)行功率，降低能耗，實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)水功能。

2.2 系統(tǒng)的自動控制原理

灌溉系統(tǒng)自動控制功能的實(shí)現(xiàn)主要憑借變頻器自身的PID調(diào)節(jié)，變頻器系統(tǒng)內(nèi)部程序通過一定的PID運(yùn)算實(shí)現(xiàn)自動控制。由于水泵的壓力、流量等條件隨著系統(tǒng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而發(fā)生改變，因此，只要通過變頻器對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，即可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的差異化控制。工作人員可以利用變頻器的參數(shù)對管網(wǎng)壓力進(jìn)行一定的設(shè)定，系統(tǒng)便可自行運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，為了防止電動機(jī)振蕩情況的產(chǎn)生，工作人員還可以將變速器的PID參數(shù)設(shè)定在合理范圍內(nèi)，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，有效提升設(shè)備的使用壽命。

2.3 灌溉系統(tǒng)變頻原理

變頻器的應(yīng)用主要是為了實(shí)現(xiàn)對水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而更好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多樣化的需求。首先，通過使用變頻器，能夠很好地實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的恒壓變速，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，其可以先將電動機(jī)的頻率設(shè)為0，然后再慢慢升至標(biāo)準(zhǔn)頻率，這能夠在很大程度上降低電動機(jī)啟動電流與電網(wǎng)電網(wǎng)沖擊，有效保證了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；其次，變頻器能夠快速地實(shí)現(xiàn)恒壓供水，并且可以根據(jù)水泵壓力的實(shí)際變化及時調(diào)節(jié)系統(tǒng)流速、流量等，有效提升系統(tǒng)運(yùn)行的自動化水平，大大降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人力成本，避免由于工作人員的操作失誤而帶來損失；最后，由于變頻器頻率精度較高，因此，使得水泵的轉(zhuǎn)速能夠根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化精確調(diào)節(jié)，最大程度地提升水資源的利用效率，具體控制流程如圖2所示。

圖2 灌溉系統(tǒng)變頻控制流程

3 結(jié)語

節(jié)能灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用對于我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著非常重要的作用，大量的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，其能夠節(jié)約電能20%～60%。目前，該系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用成果，其能夠很好地滿足用戶的多樣化需求，同時具有節(jié)能、自動化及高效等不可忽視的重要功能，從而有效提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益。因此，這要求技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)對相關(guān)課題的重視，有效提升系統(tǒng)的設(shè)計水平。

參考文獻(xiàn)

[1]張旺龍.PLC 控制電機(jī)變頻調(diào)速試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].黑龍江科技信息，2016（5）：25.

[2]才媛媛.中央空調(diào)PLC 控制變頻節(jié)能調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計[J].科學(xué)與財富，2016（1）：96.