【正文】 16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。此后在 8031上發(fā)展出了 MCS51系列單片機系統(tǒng)。 早期的單片機都是 8位或 4位的。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。應保持在無故障 狀態(tài)下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。負載電流不超過變頻器額定電流 是選擇變頻器的基本原則。其中后兩項，變頻器生產(chǎn)廠家由本國或公司生產(chǎn)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出 電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。對于風機、泵類等平方轉矩 (TL∝ n2)，低速下負載轉矩較小，通常可選擇普通功 能型的變頻器。 根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類型 :普通功能型 u/f控制變頻器、具有轉矩控制功能的高性能型 u/f控制變頻器 (也稱無跳閘變頻器 )和矢量控制高性 能型變頻器。 變頻器的選擇 通用變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇和容量選擇兩個方面。另外一種思路是設計新的控制方法，降低性能參數(shù)的敏感性。但是，矢量控制技術需要對電動機參數(shù)進行正確估算，如何提高參數(shù)的準確性是一直研究的課題。 根據(jù)異步電動 機的動態(tài)數(shù)學方程式，它具有和直流電動機的動態(tài)方程式相同的形式，因而如果選擇合適的控制策略，異步電動機應能得到和直流電動機相類似的控制性能，這就是矢量控制 [7]。在勵磁電流恒定時，直流電動機所產(chǎn)生的電磁轉矩和電樞電流成正比，控制直流電動機的電樞電流可以控制電動機的轉矩，因而直流電動機具有良好的控制性能。兩套繞組在機械上是獨立的，在空間上互差 90176。 矢量 控制是一種高性能異步電動機控制方式，它基于電動機的動態(tài)數(shù)學模型，分別控制電動機的轉矩電流和勵磁電流，具有直流電動機相類似的控制性能。 [7]在變頻控制時，保持 E / f恒定，可以維持磁通恒定。而當電動機出現(xiàn)欠勵磁時，將會影響電動機的輸出轉矩。由于電動機設計時電動機的磁通常處于接近飽和值，磁通的進一步增大將導致電動機出現(xiàn)飽和。由式 (21)可以看出，當電動機電源頻率變化時，若電動機電壓不隨著變化，那么電動機的磁通將會出現(xiàn) 飽和或欠勵磁。 13 電動機定子的感應電動勢 ： E1＝ f 1 N1 (31) 式中 Kwl—— 電動機繞組系數(shù)； f1 —— 電源頻率； N1 —— 電動機繞組匝數(shù)； Фm—— 每極磁通。轉差的大小和電動機的負載大小有關。 控制原理 如下 ： 異步電動機的同步轉速由電源頻率和電動機極數(shù)決定，在改變頻率時，電動機的同步轉速隨著改變。 此種控制方式比較簡單，多用于節(jié)能型變頻器，如風機、泵類機械的節(jié)能運轉及生產(chǎn)流水線的工作臺傳動等。 V/f控制是在改變電動機電源頻率的同時改變電動機電源的電壓 ,使電動機磁通保持一定，在較寬的調速范圍內，電動機的效率、功率因數(shù)不下降。前四種已獲得成功應用，并有商品化產(chǎn)品，本章只討論前 2種控制方式。當 s 為以上兩段的中間數(shù)值時，機械特性從直線段逐漸過渡到雙曲線段，如圖 所示。21239。當 s 接近于 1 時，可忽略分母中的 39。121 )()(3lrlsrsrspe LLsRsR RsUnT ???????????? ??? 12 當 s 很小時，忽略分母中含 s 各項，則 sRsUnT rspe ?????????? 39。212239。因此，高性能的矢量控制變頻器與變頻器專用 電動機的組合在控制性能方面可以達到和超過高精度直流伺服電動機的控制性能。一般來說，通用型變頻器的調速范圍可以達到 1:10以上，而高性能的矢量控制變頻器的調速范圍可以達到 1:1000。 在采用了變頻器的交流拖動系統(tǒng)中，異步電動機的調速控制是通過改變變頻器的輸出頻率實現(xiàn)的。 對電動機的調速范圍和精度要求不高，通常采用在價格方面比較經(jīng)濟的通用型變頻器。 與傳統(tǒng) 的交流拖動系統(tǒng)相比，利用變頻器對交流電動機進行調速控制的 交流拖動系統(tǒng)有許多優(yōu)點。 但是，由于結構上的原因，直流電動機存在以下缺點： （ 1）需要定期更換電刷和換向器，維護保養(yǎng)困難，壽命較短； （ 2）由于直流電動機存在換向火花，難以應用于存在易燃易爆氣體的惡劣環(huán)境； （ 3）結構復雜，難以制造大容量、高轉速和高電壓的直流電動機。 圖 系統(tǒng) 控制原理 圖 變頻 調速 變頻器簡介 直流電動機拖動和交流電動機 拖動 先后誕生于 19世紀，距今已有 100多年的歷史，并已成為動力機械的主要驅動裝置。通過控制算法輸出給定給變頻器來驅動泵來調節(jié)轉速，從而達到恒壓控制的目的。 如 圖 所示 。在此范圍內，電動機的負載率在 50%~100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 考察水泵的效率曲線，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，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。 9 圖 變頻調速恒壓供水單臺水泵工況調節(jié)圖 求出運行在 B 點的泵的軸功率 運行在 C 點泵的軸功率 兩者之差： 也就是說，采用閥門控制流量時有 ΔV 的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量，需要減少流量時關小閥門，管路性能曲線有 R1 變?yōu)?行工況點沿著水泵性能曲線從 A 點移到 D 點，揚程從 H0 上升到 H1，流量從 Q0 減少到 Q1。由式（ ）可知管路水力損失與流量的平方成正比。 （ ） 式中 S 被稱為管路阻力系數(shù)。 由流體力學知：管網(wǎng)壓力 P、流量 Q 和功率 N 的關系為 ： N=PQ 由功率與水泵電機轉速成三次方正比關系，基于轉速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。 目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據(jù)交流電機的轉速特性，電機的轉速 n 為： n=120(1s)/p （ ） 式中 s 為電機的 轉差率 （ s=）， p 為電機極對數(shù)， f 為定子供電頻率。 采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性。根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調速系統(tǒng)，以使水泵的轉速保持與調速裝置所設定的控制壓力相匹配， 使調速技術和自控技術相結合，達到最佳節(jié)能效果。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了 h1. 根據(jù)水泵相似原理 ： Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3 式中， Q、 H、 P、 n 分別為泵流量、壓力、軸功率和轉速。而管路的特性曲線將向上平移到 A1，兩線交點 e 即為此時的工況點，這樣，在水量減少到 Q1 時，將導致管網(wǎng)不利點水壓升高到 H0﹥ H1，則 H1 即為水泵的能量浪費。所以其工況點是在 H 上平移。 (2)水泵變速運轉，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時，當用水量由 Qmax 下降時，控制系統(tǒng)降低水泵轉速來改變其特性。 當用水量從 Qmax 減少到 Q1 的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。 如 圖 所示， n 為水泵特性曲線， A 管路特性曲線， H0 為管網(wǎng)末端的服務壓力，H1 為泵出口壓力。 6 2 變 調速 系統(tǒng) 能耗 分析 供水系統(tǒng)分析 水泵機組應用變頻調速技術。由于用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調整加上出口閥開度調節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消 耗在出口閥而浪費，而且存在著水池 “ 二次 5 污染 ” 的問題 [4]。 長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。因此擬用單片機來完成人工參數(shù)試湊的過程來整定參數(shù)。 [3]而在本科所學的方法中都要求控制對象明確才能計算控制器參數(shù)。作為變頻器 （ ABB ACS510） 的給定，通過變頻器輸出調節(jié)泵的轉速，來調節(jié)水壓 ， 從而達到恒壓控制的目的。 利用浩捷 PTJ207壓力傳感器測量水管壓力，其輸出為數(shù)字量。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)。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。 (2)國內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。 [2] 變頻供水系統(tǒng)應用范圍 4 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。 （ 5） 由于變頻恒壓調速 直接從水源供水，減少了原有供水方式的二次污染，防止了很多傳染疾病。 （ 3） 配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。 變頻恒壓供水系統(tǒng)主要特點 ： （ 1） 節(jié)能，可以實現(xiàn)節(jié)電 20%~40%，能實現(xiàn)綠色省電。 采用變頻調 速恒壓供水，利用反饋控制來進行恒壓供水設計時還存在的問題有：由于供水系統(tǒng)的供水管道長、拐彎多 , 難于確定系統(tǒng)的數(shù)學模型 。該變頻器將壓力閉環(huán)調節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。深圳華為電氣公司和成都希望集團也推出 了恒壓供水專用變頻器()，無需外接 PLC 和 PID 可完成。 [2] 目前國內有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外品牌的變頻器控制水泵的轉速，水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器及相應的軟件予以實現(xiàn) ； 有的采用單片機及相應的軟件予以實現(xiàn)。它將 PID 調節(jié)器和 P LC 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功 3 能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多七臺電機 (泵 )的供水系統(tǒng)。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、變壓變頻比控制及各種保護功能。近幾年隨著交流變頻調速技術的發(fā)展和微型計算機的推廣應用，上述想法已成為現(xiàn)實。[1]究竟采用何種供水方式效果更好呢？根據(jù)流體力學的原理，水泵的流量與轉速成正比，而電機軸上消耗的功率與轉速的平方成正比。而且采用高位水箱最重要的是將產(chǎn)生二次污染。這種辦法顯然比較落后，一是投資大，二是不利與維護和抗震。 傳統(tǒng)的蓄水加壓辦法 有：高位水箱、氣壓給水 以及 無水箱供水 等三種 方式。 關鍵字： 恒壓變頻供水， 單片機 ，差壓供水，自動控制 2 1 緒 論 課題 研究 的目的與 意義 隨著高層建筑層數(shù)的不斷加高，高層居民經(jīng)常出現(xiàn)用水難問 題。 另外水泵耗電功率與電機轉速的三次方成正比關系，所以水泵調速運行的節(jié)能 效果非常明顯，平均耗電量較通常供水方式節(jié)省近四成。提出利用壓力反饋， PID 控制 ，配以變頻器、單片機、壓力傳感器等，根據(jù)管網(wǎng)的壓力，通過變頻器控制水泵的轉速， 從而 使管網(wǎng)中的壓力始終保持在合適的范圍。目 錄 中文摘要 ............................................................................................................................... 1 中文摘要 ............................................................................................................................... 2 1 緒論 ................................................................................................................................... 3 課題 研究 的目的與 意義 .......................................................................................... 3 國內外發(fā)展 的 狀況 .................................................................................................. 3 變頻供水系統(tǒng)應用范圍 .................................