【正文】 describes the design and implementation approach of the frequency conversion speed adjusting water supply system. The proposed system design is based on the pany39。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)的進步繼續(xù)發(fā)展 [1]。是國際上技術(shù)更新?lián)Q代最快的領(lǐng)域 。我國現(xiàn)有的 100 萬 kw 以上 的大型電廠中，每套 30 萬 kw 的發(fā)電機一般都配備 3035 臺輔機驅(qū)動用電動機。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)來改造傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，就可以獲得很好的社會效益和經(jīng)濟效益。另外，隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴大，人口的增多以及人們生 活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、經(jīng)濟、穩(wěn)定性提出了越來越高的要求 [4]。究其原因，主要是由于受供水設(shè)備和供水方式的限制。 /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。同時，由于在 建筑物頂部形成很大的負重，所以增加了結(jié)構(gòu)面積，也妨礙了美觀。而且氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進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 改變壓力罐的壓力來滿足不斷增加的供水需求。所以開發(fā)一種新型的自動化程度高、可靠性高且節(jié)能效果好的供水系統(tǒng)迫在眉睫。揚程特性是反映用戶的用水需求狀況對全揚程的影響的。供水系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。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。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。當(dāng)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。兩者之差 ΔP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。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) [9]。因此 ，在決 定額定揚程和額定流量時，通常裕量較大 [10]。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。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(dāng)于國際 20 世紀(jì)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(yán)重 [11]。 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。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。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(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、傳感及測量的電路功能 ，吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 6 為交流變頻調(diào)速技術(shù)開辟了新的天地。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(yīng)用在各個領(lǐng)域，尤其在風(fēng)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)。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(shè)計了該系統(tǒng)的硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。事實上，單片機是世界上數(shù)量最多的 計算機 。汽車上一般配備 40 多部單片機，復(fù)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。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(yīng)用程序的軟件資源 )及硬件資源。是控制技術(shù)的一次革命?，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。 第二代單片機 (19761978):這是單片機的第二發(fā)展階段。這一時期生產(chǎn)的單片機品種齊全 ,可以滿足各種不同領(lǐng)域的需要。 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(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 8 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(luò)化。這一點是巨型機和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。 有的單片機為了構(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。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時，構(gòu)成一個控制網(wǎng)絡(luò)十分有用。 現(xiàn)在單片機的封裝水平已大大提高，隨著貼片工藝的出現(xiàn)，單片機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。這些單片機有 Fujitsu公司的 MB89191～ 89195， MB89121～125A， MB89130 系列等，應(yīng)該說該公司的 F2MC8L系列單片機絕大多數(shù)都滿足 ～6V的工作 電壓條件。這些技術(shù)的進步大大地提高了單片機的內(nèi)部密度和可靠性。等機功耗非常低。因此國內(nèi)很多企業(yè)生產(chǎn)類似于 51 系列的增強型的單片機，這些芯片，保留了 8051 單片機的功能特性的同時，增強了其功能，比如采用流水線，單周期執(zhí)行周期等，使單片機運算速度提高十倍以上。 AT89C51 單片機簡介 本文設(shè)計的系統(tǒng)主要采用 AT89C51 作為控制。由于芯片中組合有多功能8 位 CPU和閃爍存儲器， ATMEL的 AT89C51 是一種功能強大、性價比高的微控制器，廣泛應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，水泵工況點的調(diào)節(jié)是一個十分關(guān)鍵的問題。即通過改變電動機定子電源效率來改變電動機轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點壓力恒定，達到節(jié)能效果。 變頻調(diào)速的基本控制方式 在進行異步電機調(diào)速時，希望保持電機中每極磁通量 Φm為額定量不變。 1 基頻以下調(diào)速 由式 （ 32） 可知，要保持 Φm不變，當(dāng)頻率 ?1從額定值?1n 向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低 Eg，使 Eg/?1=常值 (33) 即采用恒定的電動勢頻率比的控制方式。 2 基頻以上調(diào)速 基頻以上調(diào)速時，頻率可以從 ?1n 向上增高，但電壓 U1卻不能超過電機的額定電壓U1n，最多只能保持 U1=U1n。根據(jù)電力拖動原理，在基頻以下，磁通恒定時轉(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)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。 圖 32 異步電動機變壓變頻調(diào) 速控制特性 Figure 32 The control characteristics of variable pressure and frequency control with asynchronous motor 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 12 分析控制系統(tǒng)機組（水泵 2 機組）工作過程，可分為以下三個工作狀態(tài)： （ 1）水泵 2 變頻啟動； （ 2） 水泵 1 變頻運行，水泵 2 工頻運行； （ 3） 水泵 1 單獨變頻運行，一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)中，當(dāng)管網(wǎng)壓力突變時，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)對應(yīng)著三個切換過程。變頻器對拖動水泵 2 的電動機采用軟啟動，水泵 2 啟動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，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， KM2失電，水泵 2 自變頻器輸出端斷開， KM1 得電，水泵 2 切換至工頻運行，水泵 2 自變頻器輸出端斷開， KM1 得電水泵 2 切換至工頻運行。 Ⅱ 由水泵 1 變頻運行，水泵 2 工頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)樗?1 單獨變頻運行狀態(tài)。水泵 1 電機開始軟啟動。 變頻器在投入運行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達到最佳運行 狀態(tài) 的必要手段。 考察水泵的效率曲線，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低，避免水泵在低效率段運行。當(dāng)用水量增加時 , 控制器控制變頻器使電動機的電壓和頻率加大 , 水泵轉(zhuǎn)速升高 , 出水量增加 。 壓力變送器送來的 4～ 20mA 的壓力信號經(jīng) IC7 轉(zhuǎn)換為 0～ 5V 的電壓信號 。完整硬件設(shè)計圖見附錄。 P0口： P0口為一個 8位漏級開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門電流。 P1口： P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O圖 41 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖 Figure 41 System structure diagram 圖 42 AT89C51引腳分布 Figure 42 Pin designation of AT89C51 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 15 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。并因此作為輸入時， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2口在 FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST腳兩個機器周期的高電平時間。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。另外，該引腳被略微拉高。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。反饋壓力采集程序如下。輸出控制電路如圖 44 所示。 系統(tǒng)電壓監(jiān)控及 Watchdog 電路 Watchdog電路，又叫 Watchdog timer， 俗稱“看門狗”。 O P T O I S O 11 N 4 1 4 8R1R 1 3R 1 1R212 34D C S S R12 34D C S S R控制輸入圖 45 控制輸入電路 Figure 45 Control circuit of input 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計） 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計 18 Watchdog有硬件和軟件兩種。軟件 Watchdog技術(shù)的原理和硬件差不多，只不過是用軟件的方法實現(xiàn)。 5 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的軟件設(shè)計 假設(shè)供水系統(tǒng)共有 2 臺水泵 , 其中水泵 1 為變頻運行 ,水泵 2 為工頻運行 , 由接觸器分別啟動或停止 , 單片機通過繼電器控制接觸器的工作。 水泵 1 繼電器控制 :當(dāng) =0時 水泵 1開 。 開機命令 :當(dāng) =0時 ,系統(tǒng)開始工作 , 當(dāng) =1時 ,系統(tǒng)停止工作 。程序框圖圖見圖 52。如控制量為零 ,說明系統(tǒng)壓力過高 ,水泵 1已經(jīng)調(diào)至最低轉(zhuǎn)速 ,這時需要水泵 2停止工作 。 繼電器控制子程序框圖見圖 53。 與傳統(tǒng)供水方式相比，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)最大的特點就是采用改變電源供電頻率的方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，從而改變供水量。 本文所設(shè)計的 供水 系統(tǒng)采用單片機控制。61～ 69 [3] 胡崇岳 .現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù) .機械工業(yè)出版社， 2021： 1～ 27 [4] 陳虹，史旺旺 .中小型水廠自動化技術(shù)的實現(xiàn) [J]，給水排水 2021 [5] 陳潤泰 ,楊愛蓮 .高樓恒壓供水電氣傳動及控制系統(tǒng) .電子與自動化 ,1998 年第 1 期 [6] 杜消府 .小氣壓罐與變頻調(diào)速結(jié)合的節(jié)能供水系統(tǒng) ,中國給水排水， 2021. 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