【正文】 揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統(tǒng)的工作點，如圖11中的N點在這一點，供水系統(tǒng)既滿足了揚程特性，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)定運行。 4．供水功率 供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率PG（KW）稱為供水功率，供水功率與流量和揚程的乘積成正比：PG=CPHTQ（11）式中CP——比例常數(shù)。 由圖11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，最根本的控制對象是流量。因此，要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而轉(zhuǎn)速則保持不變（通常為額定轉(zhuǎn)速）。閥門控制法的實質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強行改變流量，以適應用戶對流量的需求。這時，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性則不變。 如圖12所示，設用戶所需流量QX為額定流量的60%（即QX=60%QN），當通過關(guān)小閥門來實現(xiàn)時，管阻特性將改變?yōu)榍€③，而揚程特性仍為曲線①，故供水系統(tǒng)的工作點移至E點，這時：流量減小為QE（=QX）；揚程增加為HE；由式（11）知，供水功率PG與面積0DEJ成正比。 即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變（通常為最大開度）。轉(zhuǎn)速控制法的實質(zhì)是通過改變水泵的供水能力來適應用戶對流量的需求。當水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚程特性將隨之改變，而管阻特性則不變。仍以用戶所需流量等于60%QN為例，當通過降低轉(zhuǎn)速使QX=60%QN時，揚程特性為曲線④，管阻特性仍為為曲線②，故工作點移至C點。這時，流量減小為QE（=QX），揚程減小為HC，供水功率PC與面積0DCK成正比。圖12調(diào)節(jié)流量的方法與比較Figure11 Methodb and parison of the regulation flow3．兩種方法的比較 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（QX＜100%QN）的情況下，轉(zhuǎn)速控制時的揚程比閥門控制時小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。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，即電動機的輸出功率）之比，即為水泵的工作效率，符號是ηP： ηP=PG/PP （12） (2)水泵工作效率的近似計算據(jù)有關(guān)資料介紹，水泵工作效率相對值η*的近似計算公式如下： ηP*=C1（Q*/n*）－C2(Q*/n*)2 (13)式中，ηP*、Q*、n*分別為效率、流量和轉(zhuǎn)速的相對值；CC2常數(shù)，由制造廠家提供，C1與C2之間，通常遵循如下規(guī)律:C1－C2=1 (3)不同控制方式時的工作效率由式（13）可知，當通過關(guān)小閥門來減小流量時，由于轉(zhuǎn)速不變，n*=1，比值Q*/n*=Q*，可見，隨著流量的減小，水泵工作的效率降低十分明顯。在轉(zhuǎn)速控制方式時，由于在閥門開度不變的情況下，流量Q*和轉(zhuǎn)速n*是成正比的，比值Q*/n*不變。就是說，采用轉(zhuǎn)速控制方式時，水泵的工作效率總是處于最佳狀態(tài)。所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，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)能效果的第二個方面。 5．從電動機的效率看節(jié)能 在設計供水系統(tǒng)時，由于：①對用戶的管路情況無法預測；②管阻特性難以準確計算；③必須對用戶的需求留有足夠的余地。因此，在決定額定揚程和額定流量時，通常裕量較大。所以，在實際的運行過程中，即使在用水流量的高峰期，電動機也常常處于輕載狀態(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而適當降低轉(zhuǎn)速。由于電動機在低頻運行時，變頻器具有能夠根據(jù)負載輕重調(diào)整輸入電壓的功能，從而提高了電動機的工作效率。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，所以要大力發(fā)展變頻調(diào)速技術(shù)。 變頻供水系統(tǒng)應用范圍 變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應用，按所使用的范圍大致分為三類：(1)小區(qū)供水(加壓泵站)變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在 135kw以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多的方式。 (2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機功率在135kw~320kw之間，電網(wǎng)電壓通常為220V或380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。 (3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點是功率大、機組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器 研究意義 變頻調(diào)速技術(shù)的應用和推廣，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中無非是解決兩大問題一是節(jié)能，二是改善生產(chǎn)過程。我國的產(chǎn)值能耗是世界上最高的國家之一。據(jù)統(tǒng)計，目前我國電機的總裝機容量己達4億千瓦，年耗電量約占全國用電量的60%，但我國電機驅(qū)動系統(tǒng)的能源利用率卻非常低，基本上要比國外平均水平低20%，70%的電機只相當于國際20世紀50年代的技術(shù)水平電機驅(qū)動系統(tǒng)能效比國外低20%左右，電能浪費十分嚴重。 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)能已成為時代特征的現(xiàn)實條件下，我們這個水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、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，自動化程度低。飲水工程對于每個人來說都是非常重要的，供水系統(tǒng)也在現(xiàn)代工業(yè)中無處不在。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題，傳統(tǒng)供水方式己經(jīng)不能滿足當前社會的發(fā)展和需求。 要解決生產(chǎn)過程中能耗高的問題，除其它相關(guān)的技術(shù)問題需要改進外，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，其重要性日益得到了國家的重視，在國內(nèi)推廣變調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實意義和巨大的經(jīng)濟價值及社會價值。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、運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景和明顯的經(jīng)濟效益與社會效益。 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關(guān)器件。以小電流控制大功率的變換，但其開關(guān)頻率低，只能導通不能自關(guān)斷。20世紀70年代電力電子器件開發(fā)的電力晶體管(GTR)和門極關(guān)斷(GTO)晶閘管，它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可以方便的實現(xiàn)變頻、逆變和斬波，為變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)、發(fā)展和普及奠定了基礎。20世紀80年代，又進一步開發(fā)成功了絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，它是一種電壓(場控)型自關(guān)斷的電力電子器件，具有在任意時刻用基極(柵極、門極)信號控制導通或關(guān)斷的功能從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁進了一步。電力電子器件發(fā)展逐步把控制、驅(qū)動、保護等功能集成化起來，出現(xiàn)了智能化功率集成電路(IGBT)。 模塊和智能功率模塊(IPM)，它們實現(xiàn)了開關(guān)頻率的高速化、低導通電壓的高性能及功率集成電路的大規(guī)?；?，包括了邏輯控制、功率、保護、傳感及測量的電路功能，為交流變頻調(diào)速技術(shù)開辟了新的天地。電力電子技術(shù)的發(fā)展與后來的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）的結(jié)合推動了變頻調(diào)速應用于恒壓供水系統(tǒng)中。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。這無疑將推動交流變頻調(diào)速技術(shù)向新的方向發(fā)展。我國的交流變頻調(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)逐步應用在各個領域，尤其在風機、水泵方面，但同國外仍有一定的差距，我們還要大力發(fā)展自己的電力電子技術(shù)。國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展，隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和全球性能源短缺，變頻器越來越廣泛地應用在機械、紡織、供水、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)，并取得顯著的經(jīng)濟效益。尤其在水泵、風機方面的應用，取得了顯著的節(jié)能效果，近年來高電壓大電流的SCR、GTO、IGBT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應用，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。 本文主要研究內(nèi)容 本文主要論述了變頻調(diào)速的基本原理及單片機在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應用。為了表述如何利用單片機完成對電機的變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)變頻調(diào)速恒壓供水，本文提出了一個基于AT89C51單片機的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并設計了該系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。 本章總結(jié)本章主要介紹了變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的產(chǎn)生背景及研究意義，對比分析了傳統(tǒng)供水方式的弊病，突出了變頻恒牙供水系統(tǒng)的特點，并針對此系統(tǒng)最大的優(yōu)勢——節(jié)能進行了詳細的說明。第2章 單片機概述 單片機簡介 單片機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隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、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)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。 單片機不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。事實上，單片機是世界上數(shù)量最多的計算機。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有12部單片機。而個人電腦中也會有為數(shù)不少的單片機在工作。汽車上一般配備40多部單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作的單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。 不同的單片機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芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用戶要使用某種單片機，必須了解該型產(chǎn)品是否 滿足需要的功能和應用系統(tǒng)所要求的特性指標。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)手冊中得到。軟件特征是指指令系統(tǒng)特性和開發(fā)支持環(huán)境，指令特性即我們所說的單片機的尋址方式，數(shù)據(jù)處理和邏輯處理方式，輸入輸出特性及對電源的要求等等。開發(fā)支持的環(huán)境包括指令的兼容及可移植性，支持軟件(包含可支持開發(fā)應用程序的軟件資源)及硬件資源。要利用某型號單片機開發(fā)自己的應用系統(tǒng)，掌握其結(jié)構(gòu)特征和技術(shù)特征是必須的。 單片機控制系統(tǒng)因其體積小，成本低，功能強大等特點，正逐漸取代以前利用復雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制過程可以以軟件控制來實現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化。隨著控制范疇的不斷拓展，單片機的應用領域也將越來越廣泛，它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設計思想。是控制技術(shù)的一次革命。 單片機的發(fā)展史 1974 年,美國仙童(Firchild)公司研制出世界第一臺單片微型機F8。該機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域的歡迎和重視。從此,單片機開始迅速發(fā)展,應用領域也在不斷擴大?，F(xiàn)已成為微型計算機的重要分支,單片機的發(fā)展過程通?？梢苑譃橐幌聨讉€發(fā)展過程。 第一代單片機(19741976):這是單片機發(fā)展的起步階段。在這個時期生產(chǎn)的單片機特點是,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(19761978):這是單片機的第二發(fā)展階段。這個時代生產(chǎn)的單片機隨然已能在單塊芯片內(nèi)集成CPU,并行口,定時器,RAM和ROM等功能部件,但性能低,品種少,應用范圍也不是很廣,典型的產(chǎn)品有Inrel公司的MCS48系列機。 第三代單片機(19791982):,不僅存儲量和尋址范圍大,而且中斷源,并行I/O口和定時器/計數(shù)器個數(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,普遍增設了乘除法和比較指令。這一時期的單片機品種齊全,可滿足各種不同領域的需要。代表產(chǎn)品有Intel公司的MCS51系列機,Motorola公司的MC6801系列機,TI公司的TMS7000系列機,此外,Rockwell,NS,GI和松下等公司也先后生產(chǎn)了自己的單片機系列。第四代單片機(1983年以后):這是十六位單片機和八位高性能單片機并行發(fā)展的時代,十六位機的特點是,工藝先進,集成度高和內(nèi)部功能強,加法運算速度可達到1us以上,而且允許用戶采用面向工業(yè)控制的專用語言,如PL/MPLUS C和Forth語言等。代表產(chǎn)品有intel公司的MCS96系列,TI公司的TMS9900,NEC公司的783系列和NS公司的HPC16040等。 我國開始使用單片機是在1982年，從那時到現(xiàn)在20多年的時間里，單片機領域發(fā)生了翻天覆地的變化。國內(nèi)的單片機發(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市場占有相當大的比重。中國單片機市場經(jīng)過近三十年的發(fā)展，及在國家的支持下，也產(chǎn)生了一些非常優(yōu)秀的單片機設計生產(chǎn)廠家。 單片機的發(fā)展趨勢 計算機系統(tǒng)的發(fā)展已明顯地朝三個方向發(fā)展；這三個方向就是：巨型化，單片化，網(wǎng)絡化。以解決復雜系統(tǒng)計算和高速數(shù)據(jù)處理為主的工作仍然是巨型機在起作用，故而，巨型機在目前在朝高速及處理能力的方向努力。單片機在出現(xiàn)時，Intel公司就給其單片機取名為嵌入式微控制器（embe