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水泵变频调速灌溉系统的仿真研究本文关键词:水泵,灌溉,仿
真,变频调速,研究
水泵风冷调速灌溉系统的仿真研究本文简介:农田灌溉是我国畜
牧业农业发展中重要的一项工程,灌溉需要大量的水资源和发电河湖资
源。截至2021年底,,装
机容量4321万kW。灌溉系统节水和灌溉水泵电机系统节约能源节能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全都无可能,解决方
冷却系统变频调速研究灌溉系统的仿真研究本文内容:
农田灌溉是我国农业发展中所重要的一项工程,灌溉需要大量
的网络带宽水资源和电能网络资源。截至2021年底,我国累计建成灌
,装机容量4321万kW。灌溉系统节水和灌溉
水泵电机系统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适应满
足流量、扬程要求,具有明显节能、满足随机取水、减少成本控制等优
势。文献分析了灌溉渠道变频的基本原理,通过试验得出节能三万
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所的
节能时所效果显著,具有经济可行性。变频调速灌溉系统的仿真自吸泵
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数字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。
本调速研究拟从抽水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研究成果相关研究。
1系统构成
逆变器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,读写自动改变水泵电机输入频率来
改变电动机的转速,从而消减水泵的运行工况,使灌水器实际压力或流
量维持在灌水所需的。
2水泵变频差动节能原理
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。的调节流量的方法有阀门控制法和转速控制法。传统可调流
量的方法是管口阀门控制法,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,涡轮机的工作效率降低,
浪费了少量的电能。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。
根据水泵的比例方程,即相似工况下,下所水泵运行在不同转
速之下的扬程、流量和泵消耗暧昧关系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。
电机采行变频调速驱动水泵电机时,可以调节水泵电机转速获
得来灌溉系统变化后的所需扬程或流量,由式(3)可知水泵消耗掉的功
率与转速呈三次方关系。阀门控制法只是来阀门开度来改变管路系统
的管阻特性调节调节水泵的运行状态,由于其转速并没改变,因此锅炉
消耗的功率也工作电压不变,度阀门修且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起伏的比例变化
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,水泵继续运转在尽起动高效率区间。当需要流量减小前
会,功率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
灌溉系统的资金需求调节转速实现“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,可以忧虑调节转速来控制流量或顾虑在0~1之
间连续变化,对精细灌溉、自动控制、节水节能有重要的实际意义。此
外,电机的变频起动可以降低艾美特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

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
场不镜像时便切割磁感线,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,协调机制定子电压幅值E和频率f的比值
为常数,从而维持气隙磁通恒定恒定,E/f的基底膜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f1作为调速系
统的输入量,压降选转子角速度ω2。联结异步电磁转矩计算、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]。

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
理是在离心力的指导作用下,叶轮底下外边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,对任于何一台泵,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。水泵水泵由电动机旋转带动水泵旋转产生动能
进行抽水机,因此可用转速作为锅炉水泵模型输入。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)。
该模型可以需可以在已知所反过来扬程或流量以后推算水泵
应提供的转速。已知管网拓扑结构中、管线参数和出水口所需压力管
网时,即可计算得水泵
出水口应提供的财务压力,可由上述模型反向推导出电机应提
供的,作为电机调速的参考值。

截流管道输水可以减少灌溉水的沿途损失,且供水速度快,是
长久以来灌溉常用技术之一。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,官网布置采用各有不同的管网布置,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或进行判
断分析。
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为管道跨入控制范围内同时
开启的给水栓个数;N为个数全系统同时开启的给水栓绝对值。水头损
失即扬程损失,以及沿程水头四沟损失和局水头损失。沿程水头损部hf
采用有压管道的选用勃拉休斯公式计算:
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。局水头损失一部般以流速水头乘
以局水头损失系数部来表示。管道的总局水头损失等于管道部上各局
水头损失部之和,表示为
式中:hj为局水头损失部,m;ξ为局部长岭损失系数,可由相
关机构设计手册中查出;ν为断面平均流速,m/s;g为重力加速
度,g=。在实际工程设计中会,为简化计算,总水头损失有时按
沿程水头总损失的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
或深井泵的井灌溉区,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
头财产损失损失,m。确定水泵扬程和流量需求后,就可以选择对应水泵
型号和公共设施电机。
4、仿真试验

基于少于各部分数学模型,选择在MATLAB/simulink平台上进
行仿真,仿真流程见图5。
参考转速由管网和水泵结合计算后得出。转速调节器采用模
糊PID控制器,是模糊技术与常规的PID算法的相结合的一种控制算法,
前结合后分别发挥各自的控制竞争优势,使得动、静态性能都能得到很
好的改善,即动态响应快、超调小、稳态误差小[7-9,23]。PID控制不
具有自适应控制能力,使用模糊控制对PID参数需要进行在线修正,实
现自适应控制能力。模糊PID控制器原理框图见图6。
由变频器、异步电机、管网和传感器组成的供水系统传递函
数为
式中:K为系统的总增益;T为信息系统的惯性时间常数;τ为
系统内的滞后时间常数。系统的模型参数可以使用阶跃响应法测得。
反馈部分以转速采取闭环控制。转速的获得可以直接下端得
电动机转速或者管网测的压力经计算变换后得出所需转速。严格来讲,
应当使用管路各出水端的参数量(压力或流量)经压力或控管流量调节
器后控制变频驱动系统,但大型农田系统中传感器数量的增加会使得技
术经济性能不理想。因此,本系统仅仅在水泵出水端安装传感器,利用
水泵扬程(或流量)和转速的关系,以转速控制艾美特驱动。转速调节器
获得经过调整后的转速,转化为对应的同步频率,进而控制变频器,驱动
异步电机水泵系统。

基于综上所述完全符合模型和仿真设计,在Simulink平台建
立系统仿真模型如图7所示。
本例仿真试验管道系统设计为梳齿型典型管道布置(图8)。干
管上每隔200m设置出水支管共5条,支管上每隔100m设置洞口进行灌
溉。依据其良好的自旋,节水制度设计为分组轮灌,分为3组:1号轮灌
组包含3号支管,2号轮灌组包含2和4号支管,3号轮灌组包含1和5
号支管。各支管上出水口由距离水泵近到远依次编号为1至5,轮灌组
内灌溉时,因其结构对称,对称点上才的运行工况相同,故2号轮灌组和
3号轮灌组中不同支管上以相同编号烧的出水口可同时出水。
给定灌区参数为设计流量40m/h,选择UPVC管,经济流速
,可确定管径为110mm,,管道参数
为:f=×105,m=,b=。水力计算的控制点选择运行时最大
的扬程出水口,即最不利灌水点。
1号和5号支管最末端严峻考验为不利灌水点,该点正常工作
时,管网入口设计双重压力按式(8)计算。局部水头损失取沿程水头损
失的15%;;。可计算得管网入口扬程(即水泵出水
口财务压力)。水泵扬程按式(9)计算,Hm=3m;hp=2m,得所需冷

据以上计算的扬程和系统设计流量,标示出水泵的类型为
200QJ50-26/2型潜水泵,额定扬程26m,额定流量50m3/h,配套电机功率
。由式(5)~(10)可计算得各水口出水时水泵应提供的扬程见表1。
在农田灌系统系统体感模型(图7)中以表1的扬程变化作为输
入,观察系统的输出响应并展开功耗分析。以轮灌组3运行为例,各出
水口扬程变化
如图9所示。依管网计算出的扬程作为参考输出进行输出调
节,可以实现动态控制。其中阶跃曲线为输入参考扬程,参考扬程的变
化表示管网出水口的改变。
流量方面,图10为轮灌组3灌溉时各取水口的流量变化。随
扬程的变化,出水口量也变化。
测得出水口的水量校正达到市场预期目标时,可以需要进行出
水口的切换,即相异切换参考输入扬程。轮灌组2和3运行时,因为有2
条支管在出水,各支管流量为水泵出端流量的一半。
采用变频控制后水泵耗的功率消不再是恒定值,会随扬程大小
而变化(图11)。鉴于本例中,管网所需最大扬程小于水泵额定值,因此
变速运行时,。而转速固定时,水
泵耗的功率消不变。变频调速法和变频转速恒定法运行情况下,固定各
种类型时间均为600s,3个轮灌组耗的电消能和节能率见表2。变频调
速方法偏向固定转速情况下节约的电能占转速固定所耗电能的比例即
为节能率。
5、结束语
1)农田灌溉采用管道输水后,结合变频调速技术可以实现扬程
或流量的控制,即根据管网和灌溉工作动态平衡制度下出水口对流量或
者压力的要求进行恒定,实行闭环调节控制,以考虑管网结构的扬程或
流量经转速调节器后对变频器进行控制,可实现出水口扬程或流量
0~1(零至额定值)连续或浮点变化。
2)针对变频器、异步电机、水泵和管网组成的系统,本研究对
水泵变频调速控制轮次的农田灌溉系统各环节进行建模仿真,特别是将
管道系统模型引入,使系统更为完备。文中单水泵多管道模型可为大规
模复杂管道灌溉渠建模提供参考。
3)仿真案例结果表明,变频调速控制时,水泵运行更节能,节总
%,对于大规模农田灌溉有明显的非常明显可预期经济效益。
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