【文章內(nèi)容簡介】 力罐，其體積大、投資大，又因其壓力變化快、運行效率低，因此電能消耗大，運行費用高 [6]。 綜上所述，傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)浪費了很多水力資源和 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。它們還有一個共同的致命缺點是自動化程度不高，跟不上時代發(fā)展的需求。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。 變頻調(diào)速恒壓供水節(jié)能分析 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)最突出的特點就是節(jié)能。在該系統(tǒng)中，最主要的是對水泵 的控制，在日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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。 圖 11 供水系統(tǒng)的基本特性 Figure11 Basic characteristics of watersupply system 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 3 一、供水系統(tǒng)的特性和工作點 1． 揚程特性 以管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明在某一轉(zhuǎn)速下，全揚程 HT與流量 Q 間關(guān)系的曲線 HT=f(Q)，稱為揚程特性曲線，如圖 11 中的曲線 ① 所示。揚程特性是反映用戶的用水需求狀況對全揚程的影響的。 2． 管阻特性 以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，全揚程 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 11 中的曲線 ② 所示，管阻特性是表明由 管阻（閥門開度）來控制供水能力的特性曲線。 3． 供水系統(tǒng)的工作點 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(yīng)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。 圖 12調(diào)節(jié)流量的方法與比較 Figure11 Methodb and parison of the regulation flow 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 4 如圖 12 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(yīng)用戶對流量的需求。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。仍以用戶所需流量等于 60%QN為例，當(dāng)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 [8]。 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 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。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； C 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 :C1－ C2=1 (3)不同控制方式時的工作效率由式 （ 13） 可知，當(dāng)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 [10]。 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) [9]。 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(shè)計供水系統(tǒng)時，由于： ① 對用戶的管路情況無法預(yù)測； ② 管阻特性難以準(zhǔn)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 [10]。 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 5 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(dāng)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(fù)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) 。 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(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]。 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(dāng)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(yīng)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(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(dǎo)通不能自關(guān)斷。 20 世紀(jì)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(chǔ) [12]。 20 世紀(jì) 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(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(dǎo)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 ，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。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(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(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)。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(yīng)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(fēng)機方面的應(yīng)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(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。 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(yīng)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(shè)計了該系統(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(dāng)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(shè)備。事實上，單片機是世界上數(shù)量最多的 計算機 ?，F(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(biāo)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(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(yuǎn)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(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)手冊中得到。軟件特征是指指吉林農(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 7 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(yīng)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(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(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(yīng)用領(lǐng)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(shè)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(lǐng)域的歡迎和重視。從此 ,單片機開始迅速發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)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)的單片機隨眼已能在單塊芯片內(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(yīng)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):這是八位單片機成熟的階段 .這一代單片機和前兩代相比 ,不僅存儲容量和尋址范圍大 ,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(shè)了懲處法和比較指令。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。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和日本松下等公司也先后生產(chǎn)了 自己的單片機系列 [14]。 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(lǐng)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(dāng)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(shè)計生產(chǎn)廠家。 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。以解決復(fù)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 （ embedded microcontroller） 。單片機的最明顯的優(yōu)勢，就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中。這一點是巨型機和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。目前，用戶對單片機的需要越來越多，但要求也越來越高，在這個刺激下，單片機技術(shù)在很多方面都有了進步。 首先，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，單片機已集成了越來越多的部件。這些部件包括一般常用的電路，例如：定時器，比較器， A/D 轉(zhuǎn)換器， 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， C167CS32FM，81C90； Motorola 公司的 68HC08AZ 系列等。特別是