畢業(yè)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單片機(jī)

1、 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 論文題目： 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 專業(yè)年級(jí)： 指導(dǎo)教師： 職稱 年 月 日目 錄摘 要I1 前 言11.1 變頻調(diào)速技術(shù)概況11.2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景及研究意義1 傳統(tǒng)供水方式2 變頻調(diào)速恒壓供水節(jié)能分析2 研究意義51.3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展51.4 本文主要研究?jī)?nèi)容62 單片機(jī)概述62.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介62.2單片機(jī)的發(fā)展史72.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)82.4 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介93 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理93.1 變頻調(diào)速的基本原理10 變頻調(diào)速的基本控制方式103.2 系統(tǒng)工作過(guò)程113.3 系統(tǒng)的參數(shù)選取及調(diào)

2、速范圍134 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)134.1 主控單片機(jī)引腳說(shuō)明144.2反饋壓力檢測(cè)電路154.3 輸出控制電路164.4 控制輸入電路174.5 系統(tǒng)電壓監(jiān)控及Watchdog電路175 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)185.1 單片機(jī)接口地址分配和控制端口功能185.2 軟件程序設(shè)計(jì)186 結(jié)論21參考文獻(xiàn)21致 謝22附錄23變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)學(xué) 生： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求。建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，合理開(kāi)發(fā)、節(jié)約利用和有效保護(hù)水資源也是一

3、項(xiàng)艱巨任務(wù)。因此，有利于節(jié)能節(jié)水的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)得到了更廣泛的應(yīng)用。本文論述了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的調(diào)速原理及節(jié)能分析。描述了變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是以ATMEL公司的AT89C51為基礎(chǔ)，同時(shí)描述了包括變頻器和傳感器在內(nèi)的硬件控制系統(tǒng)和相應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)。充分發(fā)揮了單片機(jī)成本低，易于使用的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞： 變頻調(diào)速；恒壓供水；AT89C51單片機(jī)Frequency Conversion Speed Adjusting Water Supply SystemName: BaoXudongMajor: AutomationTutor: HuJunhaiA

4、bstract: With the Progress development of social economic and the construct scale of city continuously enlarge，increasing of population and standard of living of people continuously improved，more and more demanding to quantity，quality and stability of water supply bring for ward in city. Build a con

5、servation-oriented society, rational development, utilization and effective protection of water resources conservation is a difficult task. Therefore, it is conducive to saving energy and Frequency Conversion Speed Adjusting Water Supply System has been more widely used. This paper discusses the fre

6、quency conversion speed adjusting water supply system and energy-saving principle of speed control，and mainly describes the design and implementation approach of the frequency conversion speed adjusting water supply system. The proposed system design is based on the company's AT89C51 based ATMEL

7、, also described including the transducer and sensor control system including hardware, software control systems and the corresponding. Give full play to the single chip low cost, ease of use.Keywords: frequency control; constant pressure water supply;AT89C51 mcu1 前 言1.1 變頻調(diào)速技術(shù)概況變頻技術(shù)是利用大功率半導(dǎo)體器件及其相應(yīng)的

8、控制與保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電能頻率參量的控制與變換，以實(shí)現(xiàn)電力的某些使用目的，并提高其使用質(zhì)量與效率的一種技術(shù)。變頻技術(shù)在經(jīng)歷了早期電子管、晶閘管整流器（60年代）和集成電路技術(shù)（70年代）幾個(gè)階段后，從80年代至今一直沿用基于電力電子技術(shù)的功率集成電路技術(shù)，并隨著技術(shù)的進(jìn)步繼續(xù)發(fā)展1。而變頻調(diào)速技術(shù)就是在變頻的基礎(chǔ)上調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)，其基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變。變頻調(diào)速技術(shù)已深入我們生活的每個(gè)角落，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和日常生活中占有重

9、要地位:應(yīng)用面廣，是工業(yè)企業(yè)和日常生活中普遍需要的新技術(shù);是節(jié)約能源的高新技術(shù);是國(guó)際上技術(shù)更新?lián)Q代最快的領(lǐng)域;是高科技領(lǐng)域的綜合性技術(shù)。交流變頻調(diào)速技術(shù)，已成為國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的最理想、最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速方式。經(jīng)測(cè)算，電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)運(yùn)行后，一般可節(jié)電20%一40%，因此這項(xiàng)技術(shù)具有廣闊的使用前景，可被廣泛應(yīng)用于改造鍋爐、風(fēng)機(jī)、水泵、制冷機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行方式，以用來(lái)降低壓差損耗以及起停電機(jī)的電耗2。我國(guó)現(xiàn)有的100萬(wàn)kw以上的大型電廠中，每套30萬(wàn)kw的發(fā)電機(jī)一般都配備30-35臺(tái)輔機(jī)驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)。一個(gè)大型電廠，其輔機(jī)電動(dòng)機(jī)多達(dá)250臺(tái)左右?；鹆Πl(fā)電廠用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的輔機(jī)主要是風(fēng)機(jī)水泵、給水泵

10、、循環(huán)水泵、空壓機(jī)和磨煤機(jī)等，據(jù)初步調(diào)查，其中50%-60%的風(fēng)機(jī)、水泵可以改為調(diào)速運(yùn)行。如果這些設(shè)備都實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速運(yùn)行，按節(jié)電20%計(jì)算，年節(jié)電可達(dá)200億kW.h，相當(dāng)于裝機(jī)400萬(wàn)kw容量的發(fā)電設(shè)備3。因此，應(yīng)用電力電子的交流變頻調(diào)速裝置以及相關(guān)高新技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，就可以獲得很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。近幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。在這種環(huán)境下，電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展成為當(dāng)今世界節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善環(huán)境以及推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步

11、的一種主要手段。1.2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景及研究意義我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)正處于迅猛發(fā)展時(shí)期，能源緊缺是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，節(jié)能節(jié)水是我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)策。另外，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對(duì)城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性提出了越來(lái)越高的要求4。供水質(zhì)量的好壞直接影響著人民的生活水平和企業(yè)的生產(chǎn)效率。要安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)可靠的管理好遍布全城的供水管網(wǎng)，一定要有一個(gè)滿足供水特點(diǎn)的、先進(jìn)的自動(dòng)化供水控制系統(tǒng)。但我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)在城市供水、樓宇供水、工業(yè)生產(chǎn)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低，效率低下。究其原因，主要是由于

12、受供水設(shè)備和供水方式的限制。 傳統(tǒng)供水方式1.恒速泵直接供水方式這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒(méi)有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時(shí)段停止運(yùn)行。這種系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。2.水塔/水箱的供水方式這種方式是水泵先向水塔或水箱供水，再由水塔或水箱向用戶供水。這種供水壓力比較恒定，且有貯水。但它是由位置高度形成的壓力來(lái)進(jìn)行供水的，為此，需要建造水塔或?qū)⑺渲糜诮ㄖ锏捻敳?。即使如此，在大型建筑物種還常常不能滿足最不利供水點(diǎn)的供水要求，且

13、難于滿足不斷增長(zhǎng)的供水需求。同時(shí)，由于在建筑物頂部形成很大的負(fù)重，所以增加了結(jié)構(gòu)面積，也妨礙了美觀。另外這種供水方式的水質(zhì)容易受到污染，系統(tǒng)的開(kāi)、停，將完全由人操作，這將會(huì)出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費(fèi)和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。3.氣壓供水方式模糊控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水塔/水箱蓄水，通過(guò)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來(lái)控制泵的開(kāi)、停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(shè)備的成本比水塔水箱要低得多。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進(jìn)入而被污染的可能性，靈活性大、建設(shè)快、不妨礙美觀，且可以通過(guò)改變壓力罐的壓力來(lái)滿足不斷增加的供水需求。但缺點(diǎn)是需要

14、壓力罐，其體積大、投資大，又因其壓力變化快、運(yùn)行效率低，因此電能消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高6。綜上所述，傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)浪費(fèi)了很多水力資源和電力資源，效率低下，且可靠性低，嚴(yán)重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。它們還有一個(gè)共同的致命缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度不高，跟不上時(shí)代發(fā)展的需求。所以開(kāi)發(fā)一種新型的自動(dòng)化程度高、可靠性高且節(jié)能效果好的供水系統(tǒng)迫在眉睫。 變頻調(diào)速恒壓供水節(jié)能分析圖1-1 供水系統(tǒng)的基本特性Figure1-1 Basic characteristics of watersupply system變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)就是節(jié)能。在該系統(tǒng)中，最主要的是對(duì)水泵的控制，在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

15、中，由離心泵組成的供水系統(tǒng)普遍存在，下面就以離心泵為例分析變頻調(diào)速節(jié)能的原理。一、供水系統(tǒng)的特性和工作點(diǎn)1揚(yáng)程特性 以管路中的閥門(mén)開(kāi)度不變?yōu)榍疤幔砻髟谀骋晦D(zhuǎn)速下，全揚(yáng)程HT與流量Q間關(guān)系的曲線HT=f(Q)，稱為揚(yáng)程特性曲線，如圖1-1中的曲線所示。揚(yáng)程特性是反映用戶的用水需求狀況對(duì)全揚(yáng)程的影響的。2管阻特性 以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門(mén)在某一開(kāi)度下，全揚(yáng)程HT與流量Q間關(guān)系的曲線HT=f(Q)，稱為管阻特性曲線。如圖1-1中的曲線所示，管阻特性是表明由管阻（閥門(mén)開(kāi)度）來(lái)控制供水能力的特性曲線。3供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) 揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖1-1中的N點(diǎn)

16、在這一點(diǎn)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。4供水功率 供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率PG（KW）稱為供水功率，供水功率與流量和揚(yáng)程的乘積成正比：PG=CPHTQ（1-1）式中CP比例常數(shù)。由圖1-1中可以看出：供水系統(tǒng)的額定功率與面積0ANG成正比7。二、調(diào)節(jié)流量的方法與比較在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對(duì)象是流量。因此，要討論節(jié)能問(wèn)題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見(jiàn)的方法有閥門(mén)控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。1.閥門(mén)控制法 即通過(guò)關(guān)小或開(kāi)大閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變（通常為額定轉(zhuǎn)速）。閥門(mén)控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過(guò)改變水路中

17、的阻力大小來(lái)強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。這時(shí)，管阻特性將隨閥門(mén)開(kāi)度的改變而改變，但揚(yáng)程特性則不變。圖1-2調(diào)節(jié)流量的方法與比較Figure1-1 Methodb and comparison of the regulation flow如圖1-2所示，設(shè)用戶所需流量QX為額定流量的60%（即QX=60%QN），當(dāng)通過(guò)關(guān)小閥門(mén)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€，而揚(yáng)程特性仍為曲線，故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至E點(diǎn)，這時(shí)：流量減小為QE（=QX）；揚(yáng)程增加為HE；由式（1-1）知，供水功率PG與面積0DEJ成正比。2.轉(zhuǎn)速控制法 即通過(guò)改變水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門(mén)開(kāi)度則保持不變（通常為最大開(kāi)度

18、）。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水泵的供水能力來(lái)適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。仍以用戶所需流量等于60%QN為例，當(dāng)通過(guò)降低轉(zhuǎn)速使QX=60%QN時(shí)，揚(yáng)程特性為曲線，管阻特性仍為為曲線，故工作點(diǎn)移至C點(diǎn)。這時(shí)，流量減小為QE（=QX），揚(yáng)程減小為HC，供水功率PC與面積0DCK成正比8。3.兩種方法的比較 比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量（QX100%QN）的情況下，轉(zhuǎn)速控制時(shí)的揚(yáng)程比閥門(mén)控制時(shí)小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門(mén)控制方式小得多。兩者之差P便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積KCEJ（圖中的

19、陰影部分）成正比。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的最基本的方面。4從水泵的工作效率看節(jié)能(1)工作效率的定義水泵的供水功率PG與軸功率PP（輸入功率，即電動(dòng)機(jī)的輸出功率）之比，即為水泵的工作效率，符號(hào)是P：P=PG/PP （1-2）(2)水泵工作效率的近似計(jì)算據(jù)有關(guān)資料介紹，水泵工作效率相對(duì)值*的近似計(jì)算公式如下：P*=C1（Q*/n*）C2(Q*/n*)2 (1-3)式中，P*、Q*、n*分別為效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對(duì)值；C1、C2常數(shù)，由制造廠家提供，C1與C2之間，通常遵循如下規(guī)律:C1C2=1(3)不同控制方式時(shí)的工作效率由式（1-3）可知，當(dāng)通過(guò)關(guān)小閥門(mén)來(lái)減小流量時(shí)，由于轉(zhuǎn)速不變，n

20、*=1，比值Q*/n*=Q*，可見(jiàn)，隨著流量的減小，水泵工作的效率降低十分明顯10。在轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，由于在閥門(mén)開(kāi)度不變的情況下，流量Q*和轉(zhuǎn)速n*是成正比的，比值Q*/n*不變。就是說(shuō)，采用轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài)9。所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門(mén)控制方式相比，水泵的工作效率要大得多。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個(gè)方面。5從電動(dòng)機(jī)的效率看節(jié)能 在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，由于：對(duì)用戶的管路情況無(wú)法預(yù)測(cè)；管阻特性難以準(zhǔn)確計(jì)算；必須對(duì)用戶的需求留有足夠的余地。因此，在決定額定揚(yáng)程和額定流量時(shí)，通常裕量較大10。所以，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，即使在用水流量的高峰期，電動(dòng)機(jī)也常常處于輕載

21、狀態(tài)，其效率和功率因數(shù)都較低。采用了轉(zhuǎn)速控制方式后，可將排水閥完全打開(kāi)而適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，變頻器具有能夠根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓的功能，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個(gè)方面。綜上所述，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的節(jié)能顯而易見(jiàn)，所以要大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)。 研究意義變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用和推廣，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中無(wú)非是解決兩大問(wèn)題一是節(jié)能，二是改善生產(chǎn)過(guò)程。我國(guó)的產(chǎn)值能耗是世界上最高的國(guó)家之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)電機(jī)的總裝機(jī)容量己達(dá)4億千瓦，年耗電量約占全國(guó)用電量的60%，但我國(guó)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源利用率卻非常低，基本上要比國(guó)外平均水平低20%，70%的電機(jī)

22、只相當(dāng)于國(guó)際20世紀(jì)50年代的技術(shù)水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能效比國(guó)外低20%左右，電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重11。眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能已成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家，長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低。飲水工程對(duì)于每個(gè)人來(lái)說(shuō)都是非常重要的，供水系統(tǒng)也在現(xiàn)代工業(yè)中無(wú)處不在。然而，作為飲水工程中最重要的供水這一環(huán)目前卻存在著很多問(wèn)題，傳統(tǒng)供水方式己經(jīng)不能滿足當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展和需求。要解決生產(chǎn)過(guò)程中能耗高的問(wèn)題，除其它相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題需要改進(jìn)外，變頻調(diào)速技術(shù)已成為節(jié)能及提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效措施，其重要性日益

23、得到了國(guó)家的重視，在國(guó)內(nèi)推廣變調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)價(jià)值。變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。1.3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展變頻恒壓供水是在交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來(lái)的，所以談變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展就是要看看交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。交流變頻調(diào)速技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。電力電子器件最初是普通晶閘管，它主要是電流控制型開(kāi)關(guān)器件。以小電流控制大功率的變換，但其開(kāi)關(guān)頻率低，只能導(dǎo)通不能自關(guān)斷。20世紀(jì)70年代電力電子器件開(kāi)發(fā)的電力晶體管(G

24、TR)和門(mén)極關(guān)斷(GTO)晶閘管，它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可以方便的實(shí)現(xiàn)變頻、逆變和斬波，為變頻調(diào)速技術(shù)的開(kāi)發(fā)、發(fā)展和普及奠定了基礎(chǔ)12。20世紀(jì)80年代，又進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成功了絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，它是一種電壓(場(chǎng)控)型自關(guān)斷的電力電子器件，具有在任意時(shí)刻用基極(柵極、門(mén)極)信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷的功能，從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。電力電子器件發(fā)展逐步把控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能集成化起來(lái)，出現(xiàn)了智能化功率集成電路(IGBT)模塊和智能功率模塊(IPM)，它們實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)頻率的高速化、低導(dǎo)通電壓的高性能及功率集成電路的大規(guī)模化，包括了邏輯控制、功率、保護(hù)、傳感及測(cè)量的電路功能

25、，為交流變頻調(diào)速技術(shù)開(kāi)辟了新的天地。電力電子技術(shù)的發(fā)展與后來(lái)的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）的結(jié)合推動(dòng)了變頻調(diào)速應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中13。電力電子技術(shù)發(fā)展方向是：高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、小型化、智能化和低成本化。這無(wú)疑將推動(dòng)交流變頻調(diào)速技術(shù)向新的方向發(fā)展。我國(guó)的交流變頻調(diào)速技術(shù)雖起步晚，但是已取得了巨大發(fā)展，變頻技術(shù)逐步應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，尤其在風(fēng)機(jī)、水泵方面，但同國(guó)外仍有一定的差距，我們還要大力發(fā)展自己的電力電子技術(shù)。國(guó)外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展，隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和全球性能源短缺，變頻器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、紡織、供水、化工、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)

26、效益。尤其在水泵、風(fēng)機(jī)方面的應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果，近年來(lái)高電壓大電流的SCR、GTO、IGBT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容本文主要論述了變頻調(diào)速的基本原理及單片機(jī)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。為了表述如何利用單片機(jī)完成對(duì)電機(jī)的變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓供水，本文提出了一個(gè)基于AT89C51單片機(jī)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。2 單片機(jī)概述2.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介單片機(jī)是一種集成在電路芯片，采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、

27、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。事實(shí)上，單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有1-2部單片機(jī)。而個(gè)人電腦中也會(huì)有為數(shù)不少的單片機(jī)在工作。汽車(chē)上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控

28、制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作的單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過(guò)PC機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。不同的單片機(jī)有著不同的硬件特征和軟件特征，即它們的技術(shù)特征均不盡相同，硬件特征取決于單片機(jī)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機(jī)，必須了解該型產(chǎn)品是否滿足需要的功能和應(yīng)用系統(tǒng)所要求的特性指標(biāo)。這里的技術(shù)特征包括功能特性、控制特性和電氣特性等等，這些信息需要從生產(chǎn)廠商的技術(shù)手冊(cè)中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開(kāi)發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們所說(shuō)的單片機(jī)的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對(duì)電源的要求等等。開(kāi)發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件(包含可支持開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序

29、的軟件資源)及硬件資源。要利用某型號(hào)單片機(jī)開(kāi)發(fā)自己的應(yīng)用系統(tǒng)，掌握其結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特征是必須的。單片機(jī)控制系統(tǒng)因其體積小，成本低，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，正逐漸取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制過(guò)程可以以軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化。隨著控制范疇的不斷拓展，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也將越來(lái)越廣泛，它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計(jì)思想。是控制技術(shù)的一次革命。2.2單片機(jī)的發(fā)展史1974 年,美國(guó)仙童(Firchild)公司研制出世界第一臺(tái)單片微型機(jī)F8。該機(jī)有兩塊集成電路芯片組成,結(jié)構(gòu)奇特,具有與眾不同的指令系統(tǒng),深受民用電器和儀器儀表領(lǐng)域的歡迎和重視。從此,單片機(jī)開(kāi)始迅速發(fā)展,

30、應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)已成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支,單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程通?？梢苑譃橐幌聨讉€(gè)發(fā)展過(guò)程。第一代單片機(jī)(1974-1976):這是單片機(jī)發(fā)展的起步階段。在這個(gè)時(shí)期生產(chǎn)的單片機(jī)特點(diǎn)是,制造工藝落后和集成度低,而且采用了雙片形。典型的代表產(chǎn)品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等。第二代單片機(jī)(1976-1978):這是單片機(jī)的第二發(fā)展階段。這個(gè)時(shí)代生產(chǎn)的單片機(jī)隨眼已能在單塊芯片內(nèi)集成CPU,并行口,定時(shí)器,RAM和ROM等功能部件,但性能低,品種少,應(yīng)用范圍也不是很廣,典型的產(chǎn)品有Inrel公司的MCS-48系列機(jī)。第三代單片機(jī)(1979-1982):這是八位

31、單片機(jī)成熟的階段.這一代單片機(jī)和前兩代相比,不僅存儲(chǔ)容量和尋址范圍大,而且中斷源,并行I/O口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)都有了不同程度的增加,更有甚者是新集成了全雙工穿行通信接口電路。在指令系統(tǒng)方面,普遍增設(shè)了懲處法和比較指令。這一時(shí)期生產(chǎn)的單片機(jī)品種齊全,可以滿足各種不同領(lǐng)域的需要。代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS-51系列機(jī),Motorola公司的MC6801系列機(jī),TI公司的TMS7000系列機(jī),此外,Rockwell,NS,GI和日本松下等公司也先后生產(chǎn)了自己的單片機(jī)系列14。第四代單片機(jī)(1983年以后):這是十六位單片機(jī)和八位高性能單片機(jī)并行發(fā)展的時(shí)代,十六位機(jī)的特點(diǎn)是,工藝先進(jìn),集成度

32、高和內(nèi)部功能強(qiáng),加法運(yùn)算速度可達(dá)到1us以上,而且允許用戶采用面向工業(yè)控制的專用語(yǔ)言,如PL/MPLUS C和Forth語(yǔ)言等。代表產(chǎn)品有intel公司的MCS-96系列,TI公司的TMS9900,NEC公司的783××系列和NS公司的HPC16040等。我國(guó)開(kāi)始使用單片機(jī)是在1982年，從那時(shí)到現(xiàn)在20多年的時(shí)間里，單片機(jī)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。國(guó)內(nèi)的單片機(jī)發(fā)展在前幾年以51及其兼容系列為主。直到現(xiàn)在51系列的芯片還在中國(guó)市場(chǎng)占有相當(dāng)大的比重。中國(guó)單片機(jī)市場(chǎng)經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，及在國(guó)家的支持下，也產(chǎn)生了一些非常優(yōu)秀的單片機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家。2.3 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

33、的發(fā)展已明顯地朝三個(gè)方向發(fā)展；這三個(gè)方向就是：巨型化，單片化，網(wǎng)絡(luò)化。以解決復(fù)雜系統(tǒng)計(jì)算和高速數(shù)據(jù)處理為主的工作仍然是巨型機(jī)在起作用，故而，巨型機(jī)在目前在朝高速及處理能力的方向努力。單片機(jī)在出現(xiàn)時(shí)，Intel公司就給其單片機(jī)取名為嵌入式微控制器（embedded microcontroller）。單片機(jī)的最明顯的優(yōu)勢(shì)，就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中。這一點(diǎn)是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。目前，用戶對(duì)單片機(jī)的需要越來(lái)越多，但要求也越來(lái)越高，在這個(gè)刺激下，單片機(jī)技術(shù)在很多方面都有了進(jìn)步。首先，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，單片機(jī)已集成了越來(lái)越多的部件。這些部件包括一般常用的電路，例如：定時(shí)器，比較器，A/D轉(zhuǎn)換器，

34、D /A轉(zhuǎn)換器，串行通信接口，Watchdog電路，LCD控制器等。 有的單片機(jī)為了構(gòu)成控制網(wǎng)絡(luò)或形成局部網(wǎng)，內(nèi)部含有局部網(wǎng)絡(luò)控制模塊CAN。例如，Infineon公司的C 505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ 系列等。特別是在單片機(jī)C167CS-32FM中，內(nèi)部還含有2個(gè)CAN。因此，這類單片機(jī)十分容易構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，構(gòu)成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)十分有用。 其次，是功耗、封裝及電源電壓方面?，F(xiàn)在新的單片機(jī)的功耗越來(lái)越小，特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等工作

35、方式。Philips公司的單片機(jī)P87LPC762是一個(gè)很典型的例子，在空閑時(shí)，其功耗為1.5 mA，而在節(jié)電方式中，其功耗只有0.5mA。現(xiàn)在單片機(jī)的封裝水平已大大提高，隨著貼片工藝的出現(xiàn)，單片機(jī)也大量采用了各種合符貼片工藝的封裝方式出現(xiàn)，以大量減少體積。擴(kuò)大電源電壓范圍以及在較低電壓下仍然能工作是今天單片機(jī)發(fā)展的目標(biāo)之一。目前，一般單片機(jī)都可以在3.35.5V的條件下工作。而一些廠家，則生產(chǎn)出可以在2.26V的條件下工作的單片機(jī)。這些單片機(jī)有Fujitsu公司的MB8919189195，MB89121125A，MB89130系列等，應(yīng)該說(shuō)該公司的F2MC-8L系列單片機(jī)絕大多數(shù)都滿足2.2

36、6V的工作電壓條件。而TI公司的MSP430X11X系列的工作電壓也是低達(dá)2.2V的15。 最后是工藝方面?，F(xiàn)在的單片機(jī)基本上采用CMOS技術(shù)，但已經(jīng)大多數(shù)采用了0.6m以上的光刻工藝，有個(gè)別的公司，如Motorola公司則已采用0.35m甚至是0.25m技術(shù)。這些技術(shù)的進(jìn)步大大地提高了單片機(jī)的內(nèi)部密度和可靠性。綜上所述，單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)1 低功耗 制作工藝全部CMOS化。這主要是出于對(duì)低功耗的要求，而且在單片機(jī)工作模式上，也有多種模式，如idel，sleep模式等。有的還使用雙晶振設(shè)計(jì)，在空閑時(shí)候關(guān)閉高速晶振，使用片內(nèi)或外部低速晶振。等機(jī)功耗非常低。2 資源豐富 盡管單片機(jī)

37、內(nèi)部已經(jīng)由最初的微處理器變?yōu)槲⒖刂破?，?shí)現(xiàn)在單片化，但是出于成本和穩(wěn)定性的考慮，如A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)、D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)、PWM(脈沖產(chǎn)生器)以及LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)器等也集成到內(nèi)部，出于開(kāi)發(fā)和調(diào)試的方便，大多支持ISP下載、片上調(diào)試、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、上電復(fù)位電路、甚至集成有單運(yùn)放電路。 有些高檔單片機(jī)，如一些32位的單片機(jī)，出于一些特殊市場(chǎng)，還在內(nèi)部集成有音頻解碼和合成，圖片和視頻解碼電路，DMA通道，MMC等16。3 共性和個(gè)性共性，是指單片機(jī)的共同特性，8051為代表的單片機(jī)架構(gòu)和指令對(duì)整個(gè)單片機(jī)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，其他單片機(jī)或多或少都會(huì)受到其加構(gòu)的影響。因此國(guó)內(nèi)很多企業(yè)生產(chǎn)類似

38、于51系列的增強(qiáng)型的單片機(jī)，這些芯片，保留了8051單片機(jī)的功能特性的同時(shí)，增強(qiáng)了其功能，比如采用流水線，單周期執(zhí)行周期等，使單片機(jī)運(yùn)算速度提高十倍以上。個(gè)性是指一些面向特殊領(lǐng)域、特殊設(shè)計(jì)的單片機(jī)，如用于特殊控制的簡(jiǎn)單電路，有的單片機(jī)只有一個(gè)定時(shí)器，內(nèi)部集成上電復(fù)位電路，ROM只有1K的SOP-8的單片機(jī)，價(jià)格在1元人民幣以下。 總之，單片機(jī)的發(fā)展將進(jìn)一步多元化，單片機(jī)產(chǎn)品將更加豐富，單片機(jī)的盡用場(chǎng)合將進(jìn)一步細(xì)化。單片機(jī)將更易用、性能更加穩(wěn)定、價(jià)格更低，而主流仍然是8位機(jī)。2.4 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要采用AT89C51作為控制。AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電

39、壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有4KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該器件采用ATMEL公司的高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于芯片中組合有多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器，ATMEL的AT89C51是一種功能強(qiáng)大、性價(jià)比高的微控制器，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C51單片機(jī)的主要特性有：與MCS-51兼容，4KB可編程閃爍存儲(chǔ)器，1000次的擦寫(xiě)循環(huán)周期，10年數(shù)據(jù)保留時(shí)間，0Hz-24MHz全靜態(tài)工作，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定， 128×8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，

40、5個(gè)中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。3 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，是通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)改變水泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兯霉ぷ鼽c(diǎn)來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)供水壓力的目的。反應(yīng)水泵運(yùn)行工程的水泵工作點(diǎn)也稱為水泵工況點(diǎn)，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。如果水泵工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)較遠(yuǎn)，不僅會(huì)引起水泵運(yùn)行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴(yán)重的氣穴現(xiàn)象，還可能導(dǎo)致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實(shí)

41、際揚(yáng)程，這三種因素任一項(xiàng)發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會(huì)發(fā)生變化因此水泵工況點(diǎn)的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關(guān)。3.1 變頻調(diào)速的基本原理系統(tǒng)中的水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)。即通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子電源效率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=601(1-s)/np=n1(1s) (3-1)式中，n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；1為電動(dòng)機(jī)定子的供電頻率；s為轉(zhuǎn)差率；np為電動(dòng)機(jī)定子繞組極對(duì)數(shù)；n1為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。由式(3-1)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，基本上正比于1，所以改變供電電源頻率1，即可調(diào)節(jié)異步電

42、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速方法,可以獲得很大的調(diào)速范圍，很好的調(diào)速平滑性和相對(duì)穩(wěn)定性17。 變頻調(diào)速的基本控制方式在進(jìn)行異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，希望保持電機(jī)中每極磁通量m為額定量不變。如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，也不能產(chǎn)生足夠的電磁力矩，影響電機(jī)的加減速時(shí)的快速性；如果增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是Eg=4.441N1KN1m (3-2)式中，1定子頻率；N1定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；KN1基波繞組系數(shù)；m每極氣隙磁通量。圖3-1 恒壓頻比控制特性 1-不帶定子壓降補(bǔ)償2-帶定子壓降補(bǔ)償Figure 3-1 Const

43、ant voltage and frequency ratio control characteristics1- The compensation for pressure drop with no stator2- The compensation for pressure drop with stator由式（3-2）可知，N1、KN1是常數(shù)，只要控制好Eg和1，便可達(dá)到控制磁通m的目的。對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。1 基頻以下調(diào)速由式（3-2）可知，要保持m不變，當(dāng)頻率1從額定值1n向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低Eg，使Eg/1=常值 (3-3)即采用恒定的電動(dòng)勢(shì)頻

44、率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接測(cè)量的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)的值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓U1Eg，則得U1/1=常值 （3-4）這是恒壓頻比的控制方式。低頻時(shí)，U1和Eg都較小，定子漏阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不能再忽略，這時(shí)，可以人為的把電壓U1抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子漏阻抗壓降18。其控制特性如圖3-1所示。 2 基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從1n向上增高，但電壓U1卻不能超過(guò)電機(jī)的額定電壓U1n，最多只能保持U1=U1n。由式（3-2）可知，這將迫使磁通與頻率成反比的降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況19。 把基頻以下和基頻以上的情況

45、結(jié)合起來(lái)可得圖3-2所示的異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性。如果電動(dòng)機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，即電機(jī)都能在溫升允許情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。根據(jù)電力拖動(dòng)原理，在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)；而在基頻以上轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的裝機(jī)容量足夠大，所以不會(huì)出現(xiàn)基頻以上調(diào)速的情況，因此主要考慮基頻以下調(diào)速。圖3-2異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性Figure 3-2 The control characteristics of variable pressure and frequency contro

46、l with asynchronous motor3.2 系統(tǒng)工作過(guò)程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際狀況，白天一般只需開(kāi)動(dòng)一臺(tái)水泵，就能滿足生產(chǎn)生活需要，小機(jī)工頻運(yùn)行作恒速泵使用，大機(jī)變頻運(yùn)行作變量泵；晚上用水低峰時(shí)，只需開(kāi)動(dòng)一臺(tái)大機(jī)就能滿足供水需要，因此可以采用一大一小搭配進(jìn)行設(shè)計(jì)，即把水泵1（220KW）和水泵2（160KW）為一組，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)調(diào)整選擇不同的機(jī)組運(yùn)行20。系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3-3。圖3-3 供水控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖Figure 3-3 The structure diagram for the principle of Water Supply Contr

47、ol System分析控制系統(tǒng)機(jī)組（水泵1、2機(jī)組）工作過(guò)程，可分為以下三個(gè)工作狀態(tài)：（1）水泵2變頻啟動(dòng)；（2）水泵1變頻運(yùn)行，水泵2工頻運(yùn)行；（3）水泵1單獨(dú)變頻運(yùn)行，一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)中，當(dāng)管網(wǎng)壓力突變時(shí)，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)變換，因此這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著三個(gè)切換過(guò)程。1.切換過(guò)程水泵2變頻啟動(dòng)，頻率達(dá)到50Hz，水泵1變頻運(yùn)行，水泵2工頻運(yùn)行。系統(tǒng)開(kāi)始工作時(shí)，管網(wǎng)水壓低于設(shè)定壓力下限P。按下相應(yīng)的按鈕，選擇機(jī)組運(yùn)行， KM2得電，水泵2先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器FWD端。變頻器對(duì)拖動(dòng)水泵2的電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)，水泵2啟動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著運(yùn)行頻率的增

48、加，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻f0可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器BX端，變頻器FWD端斷開(kāi)，KM2失電，水泵2自變頻器輸出端斷開(kāi)，KM1得電，水泵2切換至工頻運(yùn)行，水泵2自變頻器輸出端斷開(kāi)，KM1得電水泵2切換至工頻運(yùn)行。水泵2工頻運(yùn)行后，開(kāi)啟水泵2閥門(mén)，水泵2工作在工頻狀態(tài)。接著KM3得電，水泵1接至變頻器輸出端，接通變頻器FWD端，變頻器BX端斷開(kāi)，水泵1開(kāi)始軟啟動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，開(kāi)啟水泵1閥門(mén)，水泵1電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)水泵2由變頻切換至工頻電網(wǎng)運(yùn)行，水泵1接入變頻器并啟動(dòng)運(yùn)行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值（PiPPm）為止。2.切換過(guò)程由水泵1變

49、頻運(yùn)行，水泵2工頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)樗?單獨(dú)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)晚上用水量大量減少時(shí)，水壓增加，水泵1電機(jī)在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值fmin，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設(shè)定水壓上限Pk時(shí)（f=fmin，PPk），在系統(tǒng)控制下，水泵2電機(jī)在工頻斷開(kāi)，2水泵1繼續(xù)在變頻器拖動(dòng)下變頻運(yùn)行。3.切換過(guò)程由水泵1變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)樗?變頻停止，水泵2變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時(shí)，水泵1電動(dòng)機(jī)工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻fi（即50Hz），水管水壓低于設(shè)定水壓上限Pi時(shí)（水泵1電機(jī)f=fi，PPi），接通變頻器BX端

50、，變頻器FWD斷開(kāi)，KM3斷開(kāi)，水泵1電機(jī)自變頻器輸出端斷開(kāi)；KM2得電，水泵1電機(jī)接至變頻器輸出端；接通變頻器FWD端，于此同時(shí)變頻器BX端斷開(kāi)。水泵1電機(jī)開(kāi)始軟啟動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)，開(kāi)始新一輪循環(huán)。3.3 系統(tǒng)的參數(shù)選取及調(diào)速范圍合理選取壓力控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水，這個(gè)目的的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵就在于恒壓控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)的選擇有兩個(gè)：一個(gè)就是管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒壓控制。另一個(gè)就是泵出口壓力恒壓控制。變頻器在投入運(yùn)行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)的必要手段。變頻器根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性的大小，在啟動(dòng)和停止電機(jī)時(shí)所需的時(shí)間就不同，設(shè)定時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致變頻器在加速時(shí)過(guò)電流

51、，在減速時(shí)過(guò)電壓保護(hù)；設(shè)定時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致變頻器在調(diào)速運(yùn)行時(shí)使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應(yīng)遲滯，應(yīng)變應(yīng)變能力差，系統(tǒng)易處于短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。為了變頻器不跳閘保護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)使用當(dāng)中的許多變頻器加減速時(shí)間的設(shè)置過(guò)長(zhǎng)，它所帶來(lái)的問(wèn)題很容易被設(shè)備外表的正常覆蓋，但是變頻器達(dá)不到最佳運(yùn)行狀態(tài)，所以現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)要根據(jù)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載性質(zhì)不同，測(cè)試出負(fù)載的允許最短加減速時(shí)間，進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于水泵電機(jī)，加減速時(shí)間的選擇在0.2-20秒之間21?？疾焖玫男是€，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器效率降得過(guò)低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚(yáng)程規(guī)定，當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)

52、即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚(yáng)程確定具體降低調(diào)速范圍，在實(shí)際配泵時(shí)揚(yáng)程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其頻率變化范圍在40Hz以上，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)。在此范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在50%-100內(nèi)變化22，電動(dòng)機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。4 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如前所述，本文設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)主要采用Atmel 公司的AT89C51 單片機(jī)作為控制CPU (因?yàn)樵搯纹瑱C(jī)片內(nèi)具有4KB 可編程閃爍存儲(chǔ)器)其系統(tǒng)構(gòu)成如圖4-1所示系統(tǒng)的工作原理是: 控制器通過(guò)檢測(cè)實(shí)際水壓值, 比較設(shè)定水壓值和實(shí)際水壓值的差別, 按PID 控制規(guī)律運(yùn)算后,輸出控制信

53、號(hào)至變頻器, 變頻器則根據(jù)控制器的輸入信號(hào)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的供電電壓和頻率。當(dāng)用水量增加時(shí), 控制器控制變頻器使電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率加大, 水泵轉(zhuǎn)速升高, 出水量增加; 當(dāng)用水量減少時(shí), 控制器控制變頻器使電動(dòng)機(jī)的電壓和頻率降低, 水泵轉(zhuǎn)速下降, 出水量減少。通過(guò)這種控制方式, 就可以使自來(lái)水管道壓力保持在設(shè)定值上。圖4-1 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖Figure 4-1 System structure diagram如前所述，系統(tǒng)的核心控制CPU為AT89C51單片機(jī)，為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行, 采用MAX813 作為系統(tǒng)的電壓監(jiān)控及Watchdog 電路; 壓力變送器送來(lái)的420mA 的壓力信號(hào)經(jīng)IC7 轉(zhuǎn)

54、換為05V 的電壓信號(hào); 由A/ D 轉(zhuǎn)換電路ADC0809將壓力傳感器的檢測(cè)水壓值和設(shè)定電位器的設(shè)定值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量, 供單片機(jī)使用; D/ A 轉(zhuǎn)換電路采用DAC0832 , 將單片機(jī)輸入的控制量轉(zhuǎn)換為420mA 電流環(huán), 控制變頻器的輸出頻率。變頻器采用常用于供水系統(tǒng)的TD2100由單片機(jī)到配電部分的控制信號(hào)及系統(tǒng)的一些控制開(kāi)關(guān)命令, 均通過(guò)光電耦合電路進(jìn)行隔離, 以減少?gòu)?qiáng)電回路對(duì)單片機(jī)的影響。完整硬件設(shè)計(jì)圖見(jiàn)附錄。4.1 主控單片機(jī)引腳說(shuō)明本文所使用的AT89C51單片機(jī)引腳分布見(jiàn)圖4-2。具體說(shuō)明如下：VCC：供電電壓。GND：接地。 圖4-2 AT89C51引腳分布Figure 4-

55、2 Pin designation of AT89C51P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址

56、接收。P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST