陳 卯

(莆田學(xué)院，福建 莆田 351100)

節(jié)能柴油發(fā)電機(jī)在噴灌設(shè)備中的應(yīng)用研究

陳 卯

(莆田學(xué)院，福建 莆田 351100)

柴油發(fā)電機(jī)噴灌設(shè)備具有低成本、移動(dòng)方便的優(yōu)點(diǎn)。將柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，設(shè)計(jì)一款適應(yīng)丘陵山地地區(qū)使用的便攜式的、小型的噴灌設(shè)備。

柴油發(fā)電機(jī)；噴灌設(shè)備；節(jié)能

1 噴灌技術(shù)的應(yīng)用背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)耕地面積約為18.3億畝，其中丘陵山地耕地面積約占8.2億畝。平原耕地可以采用傳統(tǒng)的地面灌溉方式，而丘陵山地很難采用地面灌溉方式進(jìn)行灌溉。和地面灌溉相比，噴灌方式具有節(jié)水、省力、對(duì)地形和土質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)以及保持水土等優(yōu)點(diǎn)[1]。據(jù)海關(guān)整理統(tǒng)計(jì)，2002－2011年前3季度，機(jī)械式調(diào)速柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)出口總計(jì)約700 000臺(tái)[2]。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)以及油耗監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，存在柴油浪費(fèi)問(wèn)題。假如節(jié)能改造設(shè)計(jì)能夠節(jié)約6%的燃油，700000臺(tái)每次加20 L柴油，合計(jì)能夠節(jié)約4200000元費(fèi)用。但由于大型噴灌設(shè)備具有高成本與移動(dòng)不便等缺點(diǎn)，在我國(guó)丘陵山地地區(qū)存在推廣難的現(xiàn)狀。

2 噴灌設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)

噴灌系統(tǒng)中，供水壓力H和流量Q是需要調(diào)節(jié)的主要參數(shù)。在水泵直接加壓的情況下，噴灌設(shè)備的H～Q特性曲線是一條負(fù)斜率的直線。由于供水壓力H不穩(wěn)定，將直接影響噴灌質(zhì)量，因此需要調(diào)節(jié)水泵的H、Q參數(shù)，調(diào)節(jié)方式主要有以下三種：一是閥門(mén)調(diào)節(jié)，二是壓力罐壓力調(diào)節(jié)，三是水泵變速調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)選擇水泵變速調(diào)節(jié)方式，選用帶變頻調(diào)速器的水泵電機(jī)，采用柴油發(fā)電機(jī)給水泵供電，供水壓力和供水流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，由帶變頻調(diào)速的水泵電機(jī)完成。

由流體力學(xué)可知，水泵的特性與其轉(zhuǎn)速存在一定的相關(guān)關(guān)系，通過(guò)公式推導(dǎo)可以得出，其功率P與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。由于水泵電機(jī)的耗電功率也可用公式P=U*I來(lái)表示，因此，可近似地得出水泵電機(jī)的耗電電流I與轉(zhuǎn)速n的立方成正比。設(shè)計(jì)中，通過(guò)檢測(cè)供水壓力取代水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。控制過(guò)程中，將供水壓力信號(hào)反饋給水泵的變頻調(diào)速器，由變頻調(diào)速器自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使噴灌設(shè)備的H～Q特性曲線趨于理想化。

3 柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速裝置設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，機(jī)械式調(diào)速器設(shè)定的彈簧力，使供油量控制杠桿向增加燃油供給的方向轉(zhuǎn)動(dòng)；而發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的飛球所產(chǎn)生的離心力，使油量控制杠桿向減少燃油供給的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。彈簧力與離心力對(duì)油量控制杠桿相互作用的結(jié)果，使柴油機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速下。

調(diào)速裝置改造方案：在柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速器上安裝一直流減速步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸連接一個(gè)偏心輪，由偏心輪嚙合發(fā)電機(jī)的調(diào)速手柄，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)速手柄來(lái)調(diào)整調(diào)速?gòu)椈傻睦ΓM(jìn)而調(diào)節(jié)柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)檢測(cè)水泵電機(jī)負(fù)載電流的大小，自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)工作，調(diào)節(jié)調(diào)速?gòu)椈傻睦?。?dāng)水泵電機(jī)的負(fù)載電流增大時(shí)，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，加大調(diào)速?gòu)椈傻睦?，燃油供給增加，柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)水泵電機(jī)的負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)速?gòu)椈衫p小，油量供給減少，柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 負(fù)載電流檢測(cè)與柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)

本系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)以 STC12C5202AD單片機(jī)作為控制核心，采用電流互感器檢測(cè)水泵電機(jī)的工作電流。電流互感器的輸出經(jīng)過(guò)整流和電壓變換，單片機(jī)通過(guò)AD端口進(jìn)行電壓采樣，以獲得水泵電機(jī)的工作電流。柴油發(fā)電機(jī)的速度頻率公式為n=60*f/p，式中p為柴油發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，通過(guò)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的輸出頻率f進(jìn)行檢測(cè)，即可求出發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n。

4.2 控制策略設(shè)計(jì)

在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的過(guò)程中，本人嘗試了實(shí)時(shí)無(wú)極調(diào)速和分檔調(diào)速兩種控制策略。實(shí)時(shí)無(wú)極調(diào)速控制策略的缺點(diǎn)是，柴油發(fā)電機(jī)無(wú)法在某一固定轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定地運(yùn)行。分檔調(diào)速則是根據(jù)負(fù)載電流區(qū)間，自動(dòng)選擇合適的轉(zhuǎn)速檔位，使柴油發(fā)電機(jī)穩(wěn)定地運(yùn)行，因此選擇分檔調(diào)速的控制策略。根據(jù)速度頻率公式，將柴油發(fā)電機(jī)的速度分為6檔，如圖1所示。

檔位切換在軟件設(shè)計(jì)上，一種方法是，直接根據(jù)負(fù)載電流大小來(lái)選擇轉(zhuǎn)速檔位。這種方法的缺點(diǎn)是，在負(fù)載臨屆點(diǎn)，發(fā)電機(jī)檔位會(huì)在相鄰兩檔之間不停地切換，造成發(fā)電機(jī)抖動(dòng)劇烈，運(yùn)行穩(wěn)定性差。因此，設(shè)計(jì)上采用改進(jìn)控制算法，即借鑒施密特觸發(fā)器的工作原理，設(shè)計(jì)出施密特觸發(fā)器原理的檔位切換控制算法。假設(shè)某一時(shí)刻水泵電機(jī)工作電流為9.5 A，則柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速檔位是由水泵電機(jī)的歷史電流值決定；假如歷史電流值為8.5A，則柴油發(fā)電機(jī)在4檔運(yùn)行；假如歷史電流值為10.5A，則發(fā)電機(jī)在5檔運(yùn)行；這種控制算法的優(yōu)點(diǎn)是，檔位切換過(guò)程有1 A的負(fù)載電流緩沖區(qū)，可以保證柴油發(fā)電機(jī)檔位切換的平滑性，避免設(shè)備在負(fù)載電流臨界點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的不穩(wěn)定性與噪聲。檔位切換示意圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)在YT3800X-3kW的便攜式柴油發(fā)電機(jī)和YVP的變頻水泵電機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，以一小時(shí)作為測(cè)量時(shí)間基準(zhǔn)，分別測(cè)試了柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速器改造前后的油耗數(shù)據(jù)，如表1所示。調(diào)速器改造后，1檔空載可以正常運(yùn)行，但帶載運(yùn)行不穩(wěn)定，容易停機(jī)，因此無(wú)帶載油耗數(shù)據(jù)；6檔為額定轉(zhuǎn)速檔，油耗與改造前一致。2、3、4檔節(jié)油效率都達(dá)到了6%的預(yù)期目標(biāo)。

圖1 檔位與檔位切換示意圖

表1 柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速器改造前后的油耗數(shù)據(jù)

5 總結(jié)

通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴灌面積變化時(shí)，水泵電機(jī)的電流跟著變化，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電流的大小自動(dòng)切換柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速檔位，達(dá)到預(yù)期的控制效果。根據(jù)油耗監(jiān)測(cè)表可以看出，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)節(jié)能改造后能夠達(dá)到節(jié)約6% 燃油的預(yù)期效果；不足之處，柴油發(fā)電機(jī)在5檔運(yùn)行時(shí)，節(jié)油效果沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。結(jié)合噴灌技術(shù)自身的優(yōu)點(diǎn)，此次設(shè)計(jì)的便攜式的、小型的噴灌設(shè)備，在小負(fù)載運(yùn)行時(shí)，取得了預(yù)期的節(jié)能效果，將該設(shè)備在我國(guó)丘陵山地地區(qū)推廣應(yīng)用將會(huì)有很大的前景。

[1]趙競(jìng)成，任曉力等.噴灌工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1999：5-7.

[2]肖偉鋒.9.5MW柴油發(fā)電機(jī)組油耗分析及其節(jié)油措施[J].能源技術(shù)，2001(2)：79-80.

Research on application of energy-saving diesel generator using in irrigation equipment

CHEN Mao
(Putian University,Putian Fujian 351100)

Diesel generator irrigation equipment has the advantages of low cost,easy to move.The diesel generator for energy saving,design a suitable for the hilly and mountainous area,small portable irrigation device.

Diesel generator; Spray irrigation equipment; Energy-saving

：A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.01.062

1672–7304(2016)01–0133–02

福建省教育廳科技項(xiàng)目（JB12258）；莆田學(xué)院激光精密加工工程技術(shù)中心開(kāi)放基金資助

（責(zé)任編輯：張時(shí)瑋）

陳卯（1987- ），男，福建仙游人，研究方向：電氣與電子工程技術(shù)。