【正文】 ( ?? XXsRRsRUmP m??????? (35) 在變頻調(diào)速時，由于系統(tǒng) m? 不變，從電機公式 臺州學院畢業(yè)設計（論文） 7 mwNkfEfU ? ?? (36) 可以看出，要 使主磁通 m? 保持不變，則 11 fU 必須保持不變。 gvv 22122 ? 水泵出水口與進水口的動能增量轉(zhuǎn)化的揚程。在給水排水工程中，從使用水泵的角度來看，水泵的工作必然要和管路系統(tǒng)以及許多外界條件聯(lián)系在 一起。 臺州學院畢業(yè)設計（論文） 5 3． 恒壓供水系統(tǒng)的理論分析及方案設計 ． 供水壓力和變頻器輸出頻率的關(guān)系 在恒壓變頻供水系統(tǒng)中，供水壓力是通過對變頻器輸出頻率的控制來實現(xiàn)的。此時水泵輸出功率用圖形表示為（ O，2Q ， D， 0H ）圍成的矩形面積，其值為： ??102 20QHPF ? （ 25） 可見，改變調(diào)速控制，節(jié)能量為（ 0H ， D， F， 1H ）圍成的矩形面積，其值為： ?????? 102 )(102102 2020021 QHHQHQHPPP DF ??????? （ 26） 所以，當用閥門控制流量 時，有 P? 功率被浪費掉。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其實質(zhì)是通過改變誰路中的阻力大小來改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚程特性不變。 變頻調(diào)速時，從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優(yōu)點，調(diào)速性能可與直流電機調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因 此，供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機的變頻調(diào)速。因此，管阻特性過反映的是揚程 H與供水流量 GQ 之間的關(guān)系 )( GQfH? 。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系 )( UQfH? 。在大力提倡節(jié)約能源的今天，研究這種高性能、經(jīng)濟型的恒壓供水控制系 統(tǒng)，對于提高勞動生產(chǎn)率、降低能耗具有重要的現(xiàn)實意義 [2]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻完善，以變頻調(diào)速為核心的智能供水控制系統(tǒng)取代了以往高位水箱和壓力罐等供水設備。本文采用變頻器和 PLC 實現(xiàn)恒壓供水，采用 AT89C51 單片機系統(tǒng)模擬 供水網(wǎng)絡。臺州學院畢業(yè)設計（ 論文） 電氣工程自動化論文 題 目 恒壓變頻供水系統(tǒng)的研究 學 院 物理與電子工程學院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 臺州學院畢業(yè)設計（論文） I 摘要 隨著電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)的不斷完善和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速方法在恒壓供水控制系統(tǒng)得以應用，這不僅大大提高了系統(tǒng)的自動化程度，而且也有效地減少了能源浪費。采用 PID 控制算法對系統(tǒng)中的恒壓控制器進行設計。該控 制系統(tǒng)起動平穩(wěn)，起動電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊；由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命；可以消除起動和停機時的水錘效應。 2． 恒壓變頻供水系統(tǒng)簡介 ． 供水系統(tǒng)的基本特性 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線 f(Q)，如圖 21所示。管阻特性反應了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中的流動阻力的變化規(guī)律。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為臺州學院畢業(yè)設計（論文） 2 供水系統(tǒng)的工作點， 如圖 21中 A 點，用戶的用水流量 UQ 和供水系統(tǒng)的供水流量 GQ處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了來揚程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運行 [3]。異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應用于對水泵電 機的調(diào)速 [4]。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要照成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速 [5]。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是 1H 增大，而被浪費的功率要隨之增加。確定供水壓力和輸出頻率的關(guān)系是設計控制環(huán)節(jié)控制策略的基礎(chǔ)，是確定控制算法的依據(jù)。在給水排水工程中，把水泵配上管路以及一切附件后的系統(tǒng)稱為“裝置”，在控制系統(tǒng)的設計中真正對系統(tǒng)的分析和設計有價值的也是這種稱為系統(tǒng)的裝置，而不是單單的孤立水泵。 由于水泵在送水過程中，清水池水位一般高于水泵的測量點，所以不存在進水口抽真空，所以在進水口的真空值為 ，位置差為 0。因此在變頻調(diào)速過程中，電壓應該與頻率成正比例變化，設 11 fkU w? (37) 代入式 (35)得： 22122121221)()( ?? XXsRRfsRkmPwm??????? (38) 根據(jù)能量守恒定律，有 mPN ??? (39) 其中， ?? 為電機的效率。 ． 恒壓控制的理論分析 對本文中提到的恒壓變頻供水的主要特點進行分析，我們可以得出如下結(jié)論：恒壓變頻供水系統(tǒng)控制對象是一個時變的、非線性的、滯后的、模型不穩(wěn)定的對象。 圖 32 恒 壓變頻控制的原理圖 從恒壓控制的原理圖（圖 32）中可以看出，在系統(tǒng)運行過程中，如果實際供水壓力低于設定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，計算出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設定壓力的差值，將這個增量和變頻器當前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當前應該輸出的頻率。 由于恒壓變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的控制對象是一個時變的、非線性的、之后的、模型不穩(wěn)定的對象，我們難以得出它的精確的數(shù)學模型，只能進行近似等效 [11]。 ． 恒壓變頻供水系統(tǒng)的方案設計 ． 恒壓變頻供水控制系統(tǒng)控制方 案的設計 從上一節(jié)恒壓變頻供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機組以及低壓電器組成。在硬件上只需確定 PLC的硬件配置和 I/O的外部接線，當控制要求發(fā)生改變時，可以方便的通過 PC機來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。 臺州學院畢業(yè)設計（論文） 10 圖 33 恒 壓變頻供述系統(tǒng)組成原理框圖 ． 恒壓變頻供水系統(tǒng)中加減泵的條件分析 當變頻器的輸出頻率己經(jīng)到達上限頻率，而實際的供水壓力仍然低于設定壓力時，存在的實際供水壓力差已經(jīng)不能夠使輸出頻率增大，實際供水壓力也不會提高。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件一滿足就進行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設定壓力?？梢灶A見，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入 ~切出 ~再投入 ~再切出地循環(huán)下去。 對于第二個判別條件，通過相同的討論方法也能夠得到類似的結(jié)論。考慮到只有當變頻器的輸出頻率在上下限頻率時才 可能發(fā)生切換，并且上限頻率時不可能減泵，下限頻率時不可能增泵，所以，可以采用回滯環(huán)思想進行判別如圖 34表示： 圖 34 用于壓力判斷的回滯環(huán) 即 :如果變頻器的輸出為上限頻率，則只有當實際的供水壓力低于比設定壓力小2dP? 的時候才允許進行機組增加 。它的原理如圖 41所示。它比較適用于流量控制、壓力控制、溫度控制等過程量的控制。其控制規(guī)律為 [13]： 臺州學院畢業(yè)設計（論文） 13 ?????? ??? ?t diP tdtdeTteTteKtu0 )()()(1)()( (42) 或 ?????? ??? ?t di tdtdeTteTtetu0 )()()(1)(1)( ? (43) 式中 PK ： 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) iT ： 調(diào)節(jié)器的積分時間 dT ： 調(diào)節(jié)器的微分時間 e：調(diào)節(jié)器的偏差信號 ? ： 比例帶，它是慣用增益的倒數(shù) u：輸出 簡單來 說， PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用是這樣的： 比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。 僅用 P動作控制，不能完全消除偏差。對有積分元件的負載系統(tǒng)可以單獨使用 P動作控制。在該場合，為使 P動作的振蕩衰減和系統(tǒng)穩(wěn)定，可用 PD控制。這種控制方式用于從產(chǎn)生偏差到出現(xiàn)響應需要一定時間的負載系統(tǒng) (即實時性要求不高，工業(yè)上的過程控制系統(tǒng)一般都是此類系統(tǒng)，本系統(tǒng)也比較適合 PID調(diào)節(jié)，效果比較好。當執(zhí)行條件為 OFF時， PID()不執(zhí)行。 下表顯示了參數(shù)字的功能： 表 參數(shù)設定范圍 臺州學院畢業(yè)設計（論文） 17 5．變頻恒壓供水系統(tǒng)的軟硬件設計 ． 系統(tǒng)的硬件組成 根據(jù)前文中恒壓變頻供水系統(tǒng)組成原理框圖，我們得到該系統(tǒng)的電氣控制框圖如圖 33所示。 臺州學院畢業(yè)設計（論文） 18 圖 52 變頻 器的操作面板 變頻器的參數(shù)設定： n001=4：可設定的參數(shù)范圍 n001～ n179 n002=0: V/f 控制模式 n003=1：控制端子有效 n004=1：頻率指令有效 n006=0：可反轉(zhuǎn) LO/RE ：選擇“遠程 RE” n128=0： PID 調(diào)節(jié)無效 n011=50Hz ：最高輸出頻率 n012=200V ：最大電壓 n013=50Hz ：最大電壓輸出頻率 n014=25HZ ：中間輸出頻率 n015=50V ：中間輸出頻率電壓 n016= ：最低輸出頻率 n017=10V ： 最低輸出頻率電壓 ． 被控對象的硬件設計 由于本次設計的恒壓變頻供水系統(tǒng)的被控對象采用單片機系統(tǒng)的模擬。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 A/D 轉(zhuǎn)換器芯片選用 ADC0809。 臺州學院畢業(yè)設計（論文） 20 圖 54 A/D轉(zhuǎn)換電路 圖 55 時鐘電路 ． D/A 轉(zhuǎn)換電路 該電路是負責將計算得到壓力數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。轉(zhuǎn)換器采用直通方式，外接 OP07 將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。 HD7279 是一種管理鍵盤和 LED顯示器的專用智能控制芯片。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集、顯示、模擬量輸出都要依靠軟硬件的配合才能實現(xiàn)。本文中 K=,T=144, ? =2s。 00/T? 越大，系統(tǒng)越不穩(wěn)定，因此Kc 應該小一些。 （ 2）依據(jù)驗前知識（如對 τ的了解），把 iT 和 dT 置于合適的數(shù)值，然后主要對 CK值進行湊試，得出最合宜的數(shù)值。一般取 ?2?iT 或 pi TT )1~(? （ PT 是振蕩周期）。 在控制品質(zhì)方面，穩(wěn)定性的要求是前提。 用戶用水流量的變化用滑動變阻器調(diào)壓來模擬，同時采集三臺水泵電機的轉(zhuǎn)速。由此便可構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。 表 61 調(diào)試數(shù)據(jù) 流量 電機工作情況 輸出壓力 M1變頻 頻率為 M1變頻 頻率為 M1變頻 頻率為 M1工頻、 M2變頻 頻率為 M1工頻、 M2變頻 頻率為 通過上述數(shù)據(jù)看出，本次設計的恒壓變頻供水系統(tǒng)基本達到了設計的目的。如對系統(tǒng)采用基于 GPRS的無線方式進行數(shù)據(jù)的傳輸、通過網(wǎng)絡對系統(tǒng)進行遠程診斷和維護等。在論文的完成期間還得到了龔和趙同學的指導和幫助，在此致以衷心的感謝。 sbit addb=P3^4。 //0809輸出數(shù)據(jù)控制 sbit EOC=P3^2。 sbit P0_3=P0^3。 sbit P0_7=P0^7。 int Yali。 // clk 連接于 sbit dat=P2^0。 //***短延時 *** void delay10ms(char)。 send_byte_7279 (dta)。 for (i=0。} else {dat=0。 short_delay()。 for (i=0。 for (i=0。