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1 立項背景及技術創新點
水資源及能源緊缺是制約我國經濟發展的重要因素，節水節能是我國社會經濟持續發展的基本國策.美國從20世紀90年代將變頻節水節能技術應用于平移式、軸轉動式噴灌機及管道灌溉等系統，經測試其節能率為39％～56％，節水率為15％～30％，既穩定了管網壓力，提高了灌溉質量，又節水節能，便于自動化管理，但其價格昂貴.當時，在我國城鄉供水及水泵抽灌系統中，水泵一旦開始工作，電機便以額定轉速運行，并以額定出水量供水，當用水量減少或在用水低谷時，管網壓力過高，水龍頭（或噴頭）和輸水管道往往被損壞，使水白白流掉，電能白白耗掉；有些系統通過閥門控制出水量，來減少供水管網壓力升高，這樣也造成電能與水資源的浪費.
“九五”期間，我國在工業上將交流變頻調速技術列為新技術推廣項目，但當時水利行業在灌溉方面未應用.為改善上述資源浪費狀況，生產出價格低廉，農業能夠接受的變頻節水節能控制裝置，水利部西北水利科學研究所承擔了水利部“948”計劃項目“變頻節水節能技術”，本項目的關鍵技術為交流變頻調速技術.1998年12月，我們引進了德國的8210和8220系列變頻器標準規范、技術指標、性能參數檢測方法和部分樣機.交流變頻技術大致可分為直—交變頻與交—交變頻兩種，我們引進的為直—交變頻技術，即通常所見的變頻器大多采用的變頻技術.我們的技術路線是引進關鍵技術，并對其消化吸收，在此基礎上，開發外圍技術，研制并生產變頻節水節能產品，并重點進行推廣應用.
該項技術引進后，我們對進口樣機的性能參數進行了全面測量和記錄，在消化吸收的基礎上研制開發出了四個系列的變頻調速節水節能裝置，這些變頻節水節能產品除了變頻調速器和PLC外，其他已全部國產化.本文介紹CX-B系列變頻恒壓供水自動控制裝置和CX-D系列變頻恒壓節水灌溉自動控制裝置.
本項目的技術創新點：（1）把交流變頻調速技術應用于城鄉供水及農業灌溉中，達到節水節能效果；（2）根據項目需要，自己研制出水位顯示控制器，提高自動化程度；（3）根據實際需要，研制出多段壓力設置轉換電路，適應農業多種灌溉方式；（4）將變頻調速技術、可編程序控制技術、水位顯示控制技術、壓力傳感技術等進行了集成.
2 變頻調速的基本原理
交流異步電動機的轉子轉速n可以用下式表示
式中 f——定子供電電源的頻率；
p——電動機的極對數；
s——異步電動機的轉差率.
由式（1）可見，當平滑地改變異步電動機的供電頻率f時，即可改變電動機轉子的轉速n..
根據水泵的相似原理
式中的Q、H、P、n分別為水泵的流量、揚程、軸功率和轉速.
由式（2）、式（3）、式（4）可知，基于轉速控制比基于流量控制可以大幅度降低軸功率.
3 CX-B系列變頻恒壓供水自動控制裝置
3.1 基本構成
整個恒壓供水系統由CX-B系列變頻恒壓供水自動控制裝置與水泵電機組合而成（見圖1）.該裝置由變頻器（內含PID調節器）、可編程時控開關、可編程控制器（PLC）、水位顯示控制器、遠傳壓力表、水位傳感器及相關電氣控制部件構成，是一種具有變頻調速和全自動閉環控制功能的機電一體化智能設備（見圖2），它可同時對一臺或多臺三相380V，50Hz的水泵電機進行自動控制.
圖1 變頻恒壓供水系統組成
圖2變頻恒壓供水自動控制裝置結構原理框圖
3.2 工作原理
CX-B系列變頻恒壓供水自動控制裝置以變頻方式工作時，水泵電機以軟啟動方式啟動后開始運轉，由遠傳壓力表檢測供水管網實際壓力，管網實際壓力與設定壓力經過比較后輸出偏差信號，由偏差信號控制調整變頻器輸出的電源頻率，改變水泵轉速，使管網壓力不斷向設定壓力趨近.這個閉環控制系統通過不斷檢測、不斷調整的反復過程實現管網壓力恒定，從而使水泵根據需水量自動調節供水量，達到節能節水的目的.
PLC的主要控制作用：（1）控制多臺水泵（包括備用泵）循環軟啟動，周期性地以變頻方式工作；（2）控制備用泵的自動啟動.當第一臺水泵電機以變頻方式運行，并達到額定功率（即變頻器輸出電源頻率達到50H），而供水管網壓力未達到設定壓力時，第二臺水泵電機會自動啟動，并以工頻方式運行，這時若管網壓力仍不能達到設定壓力時，第三臺水泵電機會自動啟動，第一臺水泵仍以變頻方式運行，達到保持管網恒壓的目的，投入運行的水泵數量由裝置根據管網壓力自動控制.
水位顯示控制器設有上、中、下3個水位控制限，當池水位從上限降到中限位置時，控制器輸出補水泵啟動信號，使補水泵向池內補水，補至上限時，控制器輸出補水泵停機信號，停止補水；當池水位降到下限時，控制器輸出取水泵停機信號，使取水泵停止取水，待水位上升到中限后，控制器使取水泵自動啟動，恢復取水.
3.3 控制功能
CX-B系列變頻恒壓供水自動控制裝置具有以下控制功能：（1）設有手動/自動切換電路，當切換至自動位置時，系統可根據出口壓力變化，自動調節變頻泵的轉速和自動啟動、停止備用泵，以維持出口壓力恒定，當變頻控制電路出現故障時，可切換至手動位置，使水泵直接在工頻下運行，保證正常供水；（2）能夠在1d內設置1～9個供水時間段，一周內各天的供水時間可以不同；（3）用PLC控制水泵（包括備用泵）全循環軟啟動，周期性地自動交換使用，以期水泵壽命基本一致；（4）地下蓄水池缺水后取水泵自動停機保護，補水泵自動開機補水，蓄滿水后補水泵自動停機，蓄水池水位以數字顯示；（5）故障顯示及報警，具有缺相、短路、過熱、過載、過壓、欠壓、漏電、瞬時斷電保護等電氣保護功能.
4 CX-D系列變頻恒壓節水灌溉自動控制裝置
4.1 基本構成
整個恒壓供水系統由CX-D系列變頻恒壓節水灌溉自動控制裝置與水泵電機組合而成（見圖1）.一些節水灌溉基地設計有噴灌、微噴灌、滴灌等多種灌溉方式，不同的灌溉方式所需的工作壓力不同.為使同一供水管網能為不同灌溉方式提供不同的工作壓力，在CX-B系列變頻恒壓控制裝置的基礎上增加了多段壓力設置轉換電路，它可同時對一臺或多臺三相水泵電機進行自動控制（見圖3）.
圖3變頻恒壓節水灌溉自動控制裝置結構原理框圖
4.2 工作原理
CX-D系列變頻恒壓節水灌溉自動控制裝置除多段壓力設置轉換電路外，其他部分的工作原理與CX-B系列變頻恒壓供水自動控制裝置相同.多段壓力設置轉換電路中設計了對應于噴灌、微噴灌、滴灌及管道灌溉4個壓力檔位，在進行灌溉時，PLC按灌溉方式輸出對應的控制信號，壓力設置轉換電路自動轉換到相應壓力檔位，該裝置就在這一設定壓力下以恒壓供水，實現節水灌溉.
4.3 控制功能
除具有CX-B系列變頻恒壓供水自動控制裝置的功能外，還具有壓力轉換功能.
5 加強變頻節水節能技術的應用和推廣
引進先進技術主要的目的在于推廣應用，把變頻調速技術應用于水利行業及農業，實現了節能節水.幾年來，通過向社會積極宣傳變頻節水節能技術的優越性，這一技術已逐步被水利行業及農業所接受.
在城鄉供水方面，我們已經推廣應用變頻恒壓供水自控裝置12套，根據對其中四套裝置運行數據的統計計算可知，可節約電能25％～50％，節水3％～10％.各臺裝置的節能率和節水率差異較大，其主要原因是各裝置的運行環境差異較大，用水高峰與低谷流量差值大的裝置節能率高，用水高峰與低谷流量差值小的裝置節能率低；供水管路完好率高的系統使用該裝置后，節水效果不顯著，供水管路完好率低的系統使用該裝置后，節水效果顯著（由于恒壓供水，減少了管網高壓所產生的漏水）.實踐證明，使用變頻恒壓供水自控裝置，不但能夠節水節能，而且提高了供水質量，保證了供水管網的安全運行.
在農業灌溉方面，2001年6月為“99全國節水示范工程秦都項目區（咸陽市秦都區雙照鎮龍泉南村）節灌系統”設計并安裝了變頻恒壓節水灌溉自動控制裝置一套，使一條供水管網能夠在不同時間段提供兩種工作壓力，既滿足了微噴灌和滴灌的要求，又使灌溉管理大大簡化.據2001年7～12月資料統計，節電17％，節水19％.2001年12月同陜西省農墾農工商總公司簽訂了合作合同，為該公司華陰農場節水灌溉增效示范項目設計安裝6套變頻恒壓節水灌溉自動控制裝置.該示范項目實施完成后，變頻恒壓節水灌溉自控裝置與灌溉自動控制系統聯網，將形成目前我國較高標準的節水灌溉自動控制網絡，控制滴灌面積76hm2.
變頻恒壓自動控制裝置，不但可廣泛應用于高層建筑和自來水廠的供水系統中，而且能應用于農業水泵抽灌系統中，并在農業抽灌系統中剛剛開始應用，其節水節能技術具有強大的生命力和廣闊的應用前景.
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