0 引言

“數(shù)字農業(yè)”是在農業(yè)領域實現(xiàn)計算機技術，地學空間技術，網(wǎng)絡通訊技術和電子工程技術等信息技術;實現(xiàn)農業(yè)辦公自動化，農業(yè)數(shù)據(jù)信息獲取自動化和標準化，農業(yè)設施運行智能化與機電一體化等。“數(shù)字農業(yè)”和“綠色農業(yè)”是建設現(xiàn)代化農業(yè)的必然選擇[1]。我國是目前世界上產(chǎn)值、能耗高的國家之一，農村的能源利用效率較低，在農業(yè)領域開展農業(yè)機械的節(jié)能研究，建立“節(jié)約型新農村”是一項長期而緊迫的任務。農用風機和水泵是主要的電能消耗設備，本文以農業(yè)機械中水泵、風機的流量調節(jié)為例，研究感應電動機變頻調速的節(jié)電技術。所謂變頻調速是將電動機的驅動電源由三相工頻(50Hz)交流電(或任意電源)變換成三相(或單相)電壓可調、頻率可調的交流電來改變電動機的轉速[2]。

1 變頻調速技術的現(xiàn)狀

近年來，交流調速技術在風機、水泵類負載領域得到了一定的推廣應用，電壓在380 V以下的低壓變頻器已大量使用;在中小功率變頻技術方面，國內幾乎所有的產(chǎn)品都是普通的V轅f控制，采用矢量控制技術的變頻器應用較少，品種與質量不能滿足市場需求，每年需要進口。在大功率交—交變頻、無換向器電機等變頻技術方面，國內只有少數(shù)科研單位有能力制造。大多數(shù)的變頻調速裝置采用晶閘管交—交變頻調速，制造成本較高，裝置可靠性差， 對電網(wǎng)污染嚴重，功率因數(shù)低、無功損耗大。同時變頻器的整機技術落后，國內雖有單位投入一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術和生產(chǎn)規(guī)模。有些地方還使用晶閘管直流電機調速，盡管此類系統(tǒng)制造技術成熟，但技術水平和效率低下，難以普及發(fā)展。變頻調速技術依托于電力電子技術的發(fā)展，變頻器所用半導體功率器件，國內生產(chǎn)幾乎是空白。國外高電壓、大電流晶閘管、大功率三極管、場效應管、GTO(Gate Turn-off Thyristor，門極可關斷晶閘管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管)、IGCT(Integraed Gate Conmmutated，集成門極換流晶閘管)以及IPM(Intelligent Power Module，智能功率模塊)等器件的生產(chǎn)，以及電子器件并、串聯(lián)技術的發(fā)展，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應用成為現(xiàn)實，大大促進了變頻調速技術的發(fā)展[3]。

我國變頻調速技術與工業(yè)發(fā)達國家相比還相當落后，日本、德國和法國對高性能大容量的變頻調速系統(tǒng)的研究和應用非常重視，一直處于世界領先地位。不僅在農業(yè)應用領域，在電力機車、船舶等其他行業(yè)也走在前列。法國阿爾斯通公司已能提供單機容量達30 000 kW 的電氣傳動設備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調速技術方面，ABB公司提供了單機容量為60 000 kW的設備用于抽水蓄能電站;在中功率變頻調速技術方面，德國西門子公司Simovert A電流型晶閘管變頻調速設備單機容量為10耀2 600 kV·A，其控制系統(tǒng)已實現(xiàn)全數(shù)字化，廣泛用于電力機車、風機和水泵驅動等領域[4] [5]。

2 風機水泵的變頻調速節(jié)電原理

2.1 風機水泵的流量調節(jié)方式

水泵(或風機)的流量調節(jié)主要有三種方法。一種是采用傳統(tǒng)機械方法，水泵和風機一旦開始工作，電機便以額定轉速運行，以額定量供水和供風，當水量或風量需要減少或增加時，通過調節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調節(jié)供水量和供風量，電機輸出功率大量的消耗在擋板或閥門的截流過程中，浪費了大量電能。另一種方式是采用電磁轉差離合器或

液壓耦合器調節(jié)風機、水泵的轉速(電動機恒速運轉)，電機消耗的能量不變，僅改變傳動比，多余的能量也以其他能量形式消耗掉[6]。第三種調節(jié)方式是通過改變電動機的轉速來控制水(或風)流量，此種方法能根據(jù)用水量(風量)減少或增加來調節(jié)水泵轉速，無多余能量損耗，是目前最有效的節(jié)能調節(jié)方式之一。電機調速主要分直流調速和交流調，直流調速系統(tǒng)是用直流電驅動直流電動機，分為單閉環(huán)、多

環(huán)調速和可逆直流調速，通過改變直流電動機的電樞電壓、勵磁磁通或電樞回路總電阻來調節(jié)電機轉速以實現(xiàn)流量調節(jié)。交流調速可分為調壓調速、雙饋電機調速、串級調速、變極調速和開關磁阻電動機調速等。變頻調速是交流調速方法之一，是用變頻、變壓的交流電驅動交流電機，其控制方法可分為標量控制、直接轉矩控制、矩陣式變頻、矢量控制調速等方式[7]。

2.2 風機水泵的變頻調速節(jié)能原理

對異步電機進行調速控制時，保持電機的主磁通恒定值不變，通過改變異步電機的供電頻率，改變其同步轉速，實現(xiàn)調速運行。水泵和風機是一種平方轉矩負載，其轉矩(T)特性為

變頻器提供給電動機的電壓U隨頻率的平方成正比降低，故可大幅度減少功耗，節(jié)電率高達30%~60%以上[4] [8]。電動機轉速n與流量q、揚程h及軸功率Pq的關系如式(5)、(6)、(7)所示。

水泵的流量與其轉速成正比，水泵的揚程與其轉速的平方成正比，水泵的軸功率與其轉速的立方成正比。由以上公式可以看出，在環(huán)境氣壓、氣溫等參數(shù)不變的情況下，當轉速減少50豫時，流量減少50豫，揚程減少75豫，功率消耗減少87.5%，節(jié)能效果非常顯著[4] [6]。

若采用在水流吸入側加擋板調節(jié)流量，電機運行于額定轉速，在不同流量q 時，電機軸功率Pq 與額定功率Pe 和額定流量qe有下列經(jīng)驗公式

離心風機(水泵)的風壓(揚程)h—風量(流量)q曲線特性如圖1所示。正常工作時，工況點為A，其流量壓力分別為q1、h1，此時風機水泵所需的功率正比于Ah1Oq1的面積。當要求減小風量(流量)到q2，實際上通過調節(jié)(減小)擋板開度增加管網(wǎng)管阻(R1寅R2)，使風機水泵的工作點移到B 點，風壓(水壓)增大，這時風機水泵所需的功率正比于Bh2Oq2的面積,顯然風機水泵所需的功率增大了[8]。這種調節(jié)方式控制簡單，但功率損耗大，不利于節(jié)能，是以高運行成本換取簡單控制方式。若采用變頻調速，風機水泵轉速由n1下降到n2，這時工作點由A 點移到C點，流量仍是q2，壓力由h1降到h3，這時變頻調速后風機(水泵)所需的功率正比于Ch3Oq2的面積，由圖1可見功率的減少是明顯的[9]。

采用變頻調速技術后，變頻器可根據(jù)實際需要改變電機轉速來調節(jié)水流量，使水泵實際負載與流量在任何工作階段均能保持一致或根據(jù)流量要求變化，保證電機在整個負載變化范圍內平穩(wěn)、精確地運行，徹底消除溢流或流量不夠現(xiàn)象，能量消耗達到所需的最小程度，實現(xiàn)節(jié)能目的[10]。

2.3 風機水泵變頻調速器控制方式

2.3.1 標量控制方式

這是一種最簡單的控制方法，操作人員根據(jù)實際的需要，手動調節(jié)變頻器的頻率設定值和輸出電壓，以改變風量或流量。一般可分為電壓/頻率控制和轉差頻率控制兩種方式，其主要調節(jié)原理是

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