水泵变频调速灌溉系统的仿真研究

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水泵变频调速灌溉系统的仿真研究

农田灌溉是我国农业发展中重要的一项工程,灌溉需要大量的水资源和电能资源。截至 2010 年

底,我国累计建成灌溉配套机电井 501.2 万眼,装机容量 4321 万kW。灌溉系统节水和灌溉水泵电

机系统节能 2方面综合考虑,才所谓真正的资源节约型农田灌溉系统。通过新的水力模型或制造

技术提高水泵效率已几乎无可能,解决方法唯有通过优化系统配置来提高整体效率。变频调速技

术应用于农田灌溉是农田灌溉节能技术的新方向,其主要优点是自动调节水泵转速满足流量、扬

程要求,具有明显节能、满足随机取水、减少管理成本等优势。文献分析了灌溉系统变频的基本

原理,通过试验得出节能率 20%~69%。文献和以实地试验表明变频调速装置在不同灌溉方式下

的节能效果显著,具有经济可行性。变频调速灌溉系统的仿真研究涉及较少,有学者对变频调速

装置控制的恒压供水系统进行仿真,文献针对大型泵站综合自动化系统中水泵的变频调速进行了

仿真实验,为变频调速灌溉系统仿真提供了一定的参考。

本研究拟从水泵变频调速节能原理入手,对引入变频装置的灌溉系统节能原理进行分析;构建系

统各部分数学模型,通过仿真对系统的节能效果、变频调速的控制等进行相关研究。

1系统构成

变频调速灌溉系统的特点是使用变频器驱动水泵(图1)。系统运行中,可以人为设定灌水器所需

要的压力或流量,并与传感器检测后反馈至变频器的信号进行对比,自动改变水泵电机输入频率

来改变电动机的转速,从而改变水泵的运行工况,使灌水器实际压力或流量维持在灌水所需的设

定值。

2水泵变频调速节能原理

农田灌溉中,不同灌溉方式下灌水器对管网的扬程和流量的要求不同。常用的调节流量的方法有

阀门控制法和转速控制法。传统调节流量的方法是阀门控制法,即恒定的转速下通过调节阀门开

度的大小来调节流量,使得一部分能量被消耗在挡板上,水泵的工作效率降低,浪费了大量的电

能。另外当改变出水口阀门开度大小时,必然出现超压或者欠压的状态。转速控制法则是在保持

阀门开度不变的情况下,通过改变水泵转速来调节流量。

根据水泵的比例定律,即相似工况下,水泵运行在不同转速下的扬程、流量和泵消耗的功率分别

与转速有以下比例关系

式中:n1 和n2 为2种运行工况下的转速,r/min;Q1 和Q2 分别为转速为 n1 和n2 时的流量,m3/h;H1

和H2 分别为转为 n1 和n2 时的扬程,m;P1 和P2 分别为转速 n1 和n2 时的功率,kW。

采用变频调速驱动水泵电机时,可以调节水泵电机转速来获得灌溉系统变化后的所需扬程或流

量,由式(3)可知水泵消耗的功率与转速呈三次方关系。阀门控制法只是调节阀门开度来改变管

路系统的管阻特性来调节水泵的运行状态,由于其转速并没改变,因此水泵消耗的功率也不变,且

阀门开度改变后水泵的运行效率也会随流量的减小而降低;转速控制时,功率与转速的三次方的

比例变化关系使得水泵消耗功率随转速变化而较大幅度变化,而水泵的运行效率基本维持不变,

水泵继续运转在尽高效率区间。当需要流量减小时,转速控制法具有明显的节能效果。此外,转

“ ” “ ”速控制法可以根据不同灌溉系统的需求调节转速实现恒压变量和恒量变压模式运行。

传统的渠道轮灌灌溉模型中, “多采用定流量, ”变历时方式,以某出水口是否出水,建立轮灌的 0-1

规划模型。本模型中,采用了管道输水和变频调速技术,可以调节转速来控制流量或压力在 0~1

之间连续变化,对精细灌溉、自动控制、节水节能有重要的意义。此外,电机的变频起动可以减

少异步机起动大电流对电网的冲击,减少配电变压器容量,亦能节约电网投资成本。

3、系统仿真模型

3.1 变频器异步电机简化模型

根据异步电机原理可知,当给定子绕组通以对称的三相交流电时,在气隙中可产生正比与三相交

流电频率的同步旋转磁场,转子与磁场不同步时便切割磁感线,并产生感应电势。由于转子绕组

短路,故有转子电流产生,该电流与同步旋转磁场相互作用,产生电磁转矩,从而驱动转子顺着同步

旋转磁场的方向旋转。

在变频调速过程中,协调定子电压幅值E和频率 f的比值为常数,从而维持气隙磁通恒定不变,E/f

的改变仅仅改变气隙磁通的同步角速度 ω1,因此变频器异步电机模型可以使用频率 f1 作为调速

系统的输入量,输出量选转子角速度 ω2。结合异步电磁转矩计算、电动机矢量图、系统拖动方

程等可以推导出异步电机恒磁通变频调速系统模型(图2)[10,15-18]。

3.2 水泵模型

水泵选择通用型离心水泵,其结构简单,适用范围广,操作维修方便,在农业和水利工程、给排水等

领域得到了广泛的应用。其工作原理是在离心力的作用下,叶轮里的水以很高的速度被甩离叶

轮,水经螺旋形扩散室后,沿着排水管路被压送到高处。

根据水泵的实际性能需要,水泵在额定转速下的扬程 H与流量 Q间的关系可由一元二次多项式

表示[19-21]为H=K1+K2Q+K3Q2(4)式中:K1,K2,K3 由水泵在额定转速下的性能曲线拟合得到,

大量实际算例[22]表明 K1>0,K2>0,K3<0。结合水泵的相似定律,将式(1)(2)(3)代入(4)可得任意转

速n下的流量扬程关系 H=K1N2+K2NQ+K3Q2(5)由式(5)可知,对于任何一台泵,只要转速和流量

确定,其扬程亦为定值。输入转矩、扬程和流量是表征离心泵运行时输入、输出的重要参数。水

泵由电动机旋转带动水泵旋转产生动能进行抽水,因此可用转速作为水泵模型输入。由式(1)(2)

(3),以水泵的额定工况为参考,可建立离心泵仿真模型(图3)。

该模型可以反过来可以在已知所需扬程或流量时推算水泵应提供的转速。已知管网拓扑结构、

管线参数和出水口所需压力时,即可计算得水泵

出水口应提供的压力,可由上述模型反向推导出电机应提供的转速,作为电机调速的参考值。

3.3 管路系统数学模型

管道输水可以减少灌溉水的沿途损失,且供水速度快,是当今灌溉常用技术之一。管网的布置类

型可以分为树状管网、环状管网和混合式管网 3种。

根据水源位置、控制范围、地面坡度、田块形状、作物种植方向等条件,官网布置采用不同的管

网布置, “ ” “如一字形、H ” “形、L ” “ ”形、梳齿形等。大规模的管网中,可以先对其管网结构进行

简单基础单元分析,进而对由简单单元组成的复杂管网进行分析。

以树状管网为例,建立管网系统数学模型。

集中轮灌方式运行下各管道流量等于系统设计流量(水泵出水流量),出水口超过 2个时,各级管道

流量为

式中:Q 为管道设计流量,m3/h;Nm 为管道控制范围内同时开启的给水栓个数;N 为全系统同时开

启的给水栓个数。水头损失即扬程损失,包括沿程水头损失和局部水头损失。沿程水头损 hf 采

用有压管道的勃拉休斯公式计算:

式中:f 为沿程水头损失摩阻系数;m 为流量指数;b 为管径指数;L 为管道长度,m;d 为管道直径,m。

局部水头损失一般以流速水头乘以局部水头损失系数来表示。管道的总局部水头损失等于管道

上各局部水头损失之和,表示为

式中:hj 为局部水头损失,m;ξ 为局部水头损失系数,可由相关设计手册中查出;ν 为断面平均流

速,m/s;g 为重力加速度,g=9.81m/s2。在实际工程设计中,为简化计算,总水头损失通常按沿程水头

损失的10%~15%考虑,即Δh=(10%~15%)hf(9)求得管路扬程损失后,可以根据各个出水口的扬程

需要求得水泵出水口对应提供的扬程 Hn0(管网入口扬程)(10)式中:Δhn 为管线总水头损失,m;ΔZ

为设计控制点与管网入口地面高程差,m;Hg 为设计控制点给水栓工作水头,m。

综上可建立管路系统的数学模型框图见图4。对于使用潜水泵或深井泵的井灌区,水泵扬程按式

(11)计算Hp=Hn0+Hm+hp(11)式中:Hp 为水泵扬程,m;Hm 为机井动水位埋深,m;hp 为水泵进出水

管总水头损失,m。确定水泵扬程和流量需求后,就可以选择对应水泵型号和配套电机。

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水泵变频调速灌溉系统的仿真研究农田灌溉是我国农业发展中重要的一项工程,灌溉需要大量的水资源和电能资源。截至2010年底,我国累计建成灌溉配套机电井501.2万眼,装机容量4321万kW。灌溉系统节水和灌溉水泵电机系统节能2方面综合考虑,才所谓真正的资源节约型农田灌溉系统。通过新的水力模型或制造技术提高水泵效率已几乎无可能,解决方法唯有通过优化系统配置来提高整体效率。变频调速技术应用于农田灌溉是农田灌溉节能技术的新方向,其主要优点是自动调节水泵转速满足流量、扬程要求,具有明显节能、满足随机取水、减少管理成本等优势。文献分析了灌溉系统变频的基本原理,通过试验得出节能率20%~69%。文献和以实地试...

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