水泵变频调速灌溉系统的仿真研究

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1、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kATLAB/simulink平台上进行仿真,仿真流程见图5。参考转速由管X和水泵模型结合计算后得出。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,结合后分别发挥各自的控制优势,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

2、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X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为系统的惯性时间常数;τ为系统的滞后时间常数。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测得电动机转速或者管X末端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

3、泵扬程(或流量)和转速的关系,以转速控制变频驱动。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。4.2仿真结果基于综上所述模型和仿真设计,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设置出水口进行灌溉。依据其良好的对称性,灌溉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

4、1至5,轮灌组内灌溉时,因其结构对称,对称点上的运行工况相同,故2号轮灌组和3号轮灌组中不同支管上相同编号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1.5m/s,可确定管径为110mm,内径103.6mm,管道参数为:f=0.947105,m=1.77,b=4.77。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号支管最末端为不利灌水点,该点正常工作时,管X入口设计压力按式(8)计算。局部水头损失取沿程水头损失的15%;ΔZ取0.5m;Hg取0.3m。可计算得管X

5、入口扬程(即水泵出水口压力)为17.17m。水泵扬程按式(9)计算,Hm=3m;hp=2m,得所需水泵总扬程为22.17m。据以上计算的扬程和系统设计流量,选取水泵的类型为200QJ50-26/2型潜水泵,额定扬程26m,额定流量50m3/h,配套电机功率5.5kW。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。在农田灌系统系统仿真模型(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进行功耗分析。以轮灌组3运行为例,各出水口扬程变化如图9所示。依管X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

6、中阶跃曲线为输入参考扬程,参考扬程的变化表示管X出水口的改变。流量方面,图10为轮灌组3灌溉时各出水口的流量变化。随扬程的变化,出水口流量也变化。测得出水口的水量达到预期目标时,可以进行出水口的切换,即对应切换参考输入扬程。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消耗的功率不再是恒定值,会随扬程大小而变化(图11)。鉴于本例中,管X所需最大扬程小于水泵额定值,因此变速运行时,水泵消耗功率始终小于额定值5.5kW。而转速固定时,水泵消耗的功率不变。变频调速法和转速恒定法运行情况下,固

7、定仿真时间均为600s,3个轮灌组消耗的电能和节能率见表2。变频调速方法相对固定转速所节约的电能占转速固定情况下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X和灌溉工作制度下出水口对流量或者压力的要求进行调节,实行闭环调节控制,以考虑管X拓扑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X组成的系统,本研究对水泵变频调速控制的农田灌溉系统各环节进行建模仿真,特别是将管道系统

8、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系统建模提供参考。3)仿真案例结果表明,变频调速控制时,水泵运行更节能,总节能率达56.6%,对于大规模农田灌溉有明显的可预期经济效益。