1 立項背景及技術(shù)創(chuàng)新點
　　水資源及能源緊缺是制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，節(jié)水節(jié)能是我國社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基本國策.美國從20世紀(jì)90年代將變頻節(jié)水節(jié)能技術(shù)應(yīng)用于平移式、軸轉(zhuǎn)動式噴灌機(jī)及管道灌溉等系統(tǒng)，經(jīng)測試其節(jié)能率為39％～56％，節(jié)水率為15％～30％，既穩(wěn)定了管網(wǎng)壓力，提高了灌溉質(zhì)量，又節(jié)水節(jié)能，便于自動化管理，但其價格昂貴.當(dāng)時，在我國城鄉(xiāng)供水及水泵抽灌系統(tǒng)中，水泵一旦開始工作，電機(jī)便以額定轉(zhuǎn)速運行，并以額定出水量供水，當(dāng)用水量減少或在用水低谷時，管網(wǎng)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(tǒng)通過閥門控制出水量，來減少供水管網(wǎng)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(yè)上將交流變頻調(diào)速技術(shù)列為新技術(shù)推廣項目，但當(dāng)時水利行業(yè)在灌溉方面未應(yīng)用.為改善上述資源浪費狀況，生產(chǎn)出價格低廉，農(nóng)業(yè)能夠接受的變頻節(jié)水節(jié)能控制裝置，水利部西北水利科學(xué)研究所承擔(dān)了水利部“948”計劃項目“變頻節(jié)水節(jié)能技術(shù)”，本項目的關(guān)鍵技術(shù)為交流變頻調(diào)速技術(shù).1998年12月，我們引進(jìn)了德國的8210和8220系列變頻器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、技術(shù)指標(biāo)、性能參數(shù)檢測方法和部分樣機(jī).交流變頻技術(shù)大致可分為直—交變頻與交—交變頻兩種，我們引進(jìn)的為直—交變頻技術(shù)，即通常所見的變頻器大多采用的變頻技術(shù).我們的技術(shù)路線是引進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，并對其消化吸收，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)外圍技術(shù)，研制并生產(chǎn)變頻節(jié)水節(jié)能產(chǎn)品，并重點進(jìn)行推廣應(yīng)用.
　　該項技術(shù)引進(jìn)后，我們對進(jìn)口樣機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行了全面測量和記錄，在消化吸收的基礎(chǔ)上研制開發(fā)出了四個系列的變頻調(diào)速節(jié)水節(jié)能裝置，這些變頻節(jié)水節(jié)能產(chǎn)品除了變頻調(diào)速器和PLC外，其他已全部國產(chǎn)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(jié)水灌溉自動控制裝置.
　　本項目的技術(shù)創(chuàng)新點：（1）把交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于城鄉(xiāng)供水及農(nóng)業(yè)灌溉中，達(dá)到節(jié)水節(jié)能效果；（2）根據(jù)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(jù)實際需要，研制出多段壓力設(shè)置轉(zhuǎn)換電路，適應(yīng)農(nóng)業(yè)多種灌溉方式；（4）將變頻調(diào)速技術(shù)、可編程序控制技術(shù)、水位顯示控制技術(shù)、壓力傳感技術(shù)等進(jìn)行了集成.
　　2 變頻調(diào)速的基本原理
　　交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jī)的極對數(shù)；
　　s——異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率.
　　由式（1）可見，當(dāng)平滑地改變異步電動機(jī)的供電頻率f時，即可改變電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n..
　　根據(jù)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(zhuǎn)速.
　　由式（2）、式（3）、式（4）可知，基于轉(zhuǎn)速控制比基于流量控制可以大幅度降低軸功率.

　　4 CX-D系列變頻恒壓節(jié)水灌溉自動控制裝置
　　4.1 基本構(gòu)成
　　整個恒壓供水系統(tǒng)由CX-D系列變頻恒壓節(jié)水灌溉自動控制裝置與水泵電機(jī)組合而成（見圖1）.一些節(jié)水灌溉基地設(shè)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(wǎng)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(chǔ)上增加了多段壓力設(shè)置轉(zhuǎn)換電路，它可同時對一臺或多臺三相水泵電機(jī)進(jìn)行自動控制（見圖3）.
　　
　　圖3變頻恒壓節(jié)水灌溉自動控制裝置結(jié)構(gòu)原理框圖
　　4.2 工作原理
　　CX-D系列變頻恒壓節(jié)水灌溉自動控制裝置除多段壓力設(shè)置轉(zhuǎn)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(shè)置轉(zhuǎn)換電路中設(shè)計了對應(yīng)于噴灌、微噴灌、滴灌及管道灌溉4個壓力檔位，在進(jìn)行灌溉時，PLC按灌溉方式輸出對應(yīng)的控制信號，壓力設(shè)置轉(zhuǎn)換電路自動轉(zhuǎn)換到相應(yīng)壓力檔位，該裝置就在這一設(shè)定壓力下以恒壓供水，實現(xiàn)節(jié)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(zhuǎn)換功能.
　　5 加強(qiáng)變頻節(jié)水節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用和推廣
　　引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)主要的目的在于推廣應(yīng)用，把變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于水利行業(yè)及農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)了節(jié)能節(jié)水.幾年來，通過向社會積極宣傳變頻節(jié)水節(jié)能技術(shù)的優(yōu)越性，這一技術(shù)已逐步被水利行業(yè)及農(nóng)業(yè)所接受.
　　在城鄉(xiāng)供水方面，我們已經(jīng)推廣應(yīng)用變頻恒壓供水自控裝置12套，根據(jù)對其中四套裝置運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計算可知，可節(jié)約電能25％～50％，節(jié)水3％～10％.各臺裝置的節(jié)能率和節(jié)水率差異較大，其主要原因是各裝置的運行環(huán)境差異較大，用水高峰與低谷流量差值大的裝置節(jié)能率高，用水高峰與低谷流量差值小的裝置節(jié)能率低；供水管路完好率高的系統(tǒng)使用該裝置后，節(jié)水效果不顯著，供水管路完好率低的系統(tǒng)使用該裝置后，節(jié)水效果顯著（由于恒壓供水，減少了管網(wǎng)高壓所產(chǎn)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(jié)水節(jié)能，而且提高了供水質(zhì)量，保證了供水管網(wǎng)的安全運行.
　　在農(nóng)業(yè)灌溉方面，2001年6月為“99全國節(jié)水示范工程秦都項目區(qū)（咸陽市秦都區(qū)雙照鎮(zhèn)龍泉南村）節(jié)灌系統(tǒng)”設(shè)計并安裝了變頻恒壓節(jié)水灌溉自動控制裝置一套，使一條供水管網(wǎng)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(jù)2001年7～12月資料統(tǒng)計，節(jié)電17％，節(jié)水19％.2001年12月同陜西省農(nóng)墾農(nóng)工商總公司簽訂了合作合同，為該公司華陰農(nóng)場節(jié)水灌溉增效示范項目設(shè)計安裝6套變頻恒壓節(jié)水灌溉自動控制裝置.該示范項目實施完成后，變頻恒壓節(jié)水灌溉自控裝置與灌溉自動控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，將形成目前我國較高標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)水灌溉自動控制網(wǎng)絡(luò)，控制滴灌面積76hm2.
　　變頻恒壓自動控制裝置，不但可廣泛應(yīng)用于高層建筑和自來水廠的供水系統(tǒng)中，而且能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)水泵抽灌系統(tǒng)中，并在農(nóng)業(yè)抽灌系統(tǒng)中剛剛開始應(yīng)用，其節(jié)水節(jié)能技術(shù)具有強(qiáng)大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景.