【正文】 ciple of Water Supply Control System 分析控制系統(tǒng)機(jī)組（水泵2機(jī)組）工作過(guò)程，可分為以下三個(gè)工作狀態(tài)：（1）水泵2變頻啟動(dòng)；（2）水泵1變頻運(yùn)行，水泵2工頻運(yùn)行；（3）水泵1單獨(dú)變頻運(yùn)行，一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)中，當(dāng)管網(wǎng)壓力突變時(shí)，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(duì)應(yīng)著三個(gè)切換過(guò)程。 系統(tǒng)工作過(guò)程 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際狀況，白天一般只需開動(dòng)一臺(tái)水泵，就能滿足生產(chǎn)生活需要，小機(jī)工頻運(yùn)行作恒速泵使用，大機(jī)變頻運(yùn)行作變量泵；晚上用水低峰時(shí)，只需開動(dòng)一臺(tái)大機(jī)就能滿足供水需要，因此可以采用一大一小搭配進(jìn)行設(shè)計(jì)，即把水泵1（220KW）和水泵2（160KW）為一組，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可以根據(jù)運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)調(diào)整選擇不同的機(jī)組運(yùn)行。由式(31)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化不大時(shí)，ｎ基本上正比于，所以改變供電電源頻率即可調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。即通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子電源效率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)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(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實(shí)際揚(yáng)程，這三種因素任一項(xiàng)發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會(huì)發(fā)生變化因此水泵工況點(diǎn)的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關(guān)。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。第3章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，是通過(guò)變頻調(diào)速來(lái)改變水泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兯霉ぷ鼽c(diǎn)來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)供水壓力的目的。 AT89C51單片機(jī)的主要特性有：與MCS51兼容，4KB可編程閃爍存儲(chǔ)器，1000次的擦寫循環(huán)周期，10年數(shù)據(jù)保留時(shí)間，0Hz24MHz全靜態(tài)工作，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定， 1288位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。該器件采用ATMEL公司的高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)。單片機(jī)將更易用、性能更加穩(wěn)定、價(jià)格更低，而主流仍然是8位機(jī)。 個(gè)性是指一些面向特殊領(lǐng)域、特殊設(shè)計(jì)的單片機(jī)，如用于特殊控制的簡(jiǎn)單電路，有的單片機(jī)只有一個(gè)定時(shí)器，內(nèi)部集成上電復(fù)位電路，ROM只有1K的SOP8的單片機(jī)，價(jià)格在1元人民幣以下。3 共性和個(gè)性 共性，是指單片機(jī)的共同特性，8051為代表的單片機(jī)架構(gòu)和指令對(duì)整個(gè)單片機(jī)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，其他單片機(jī)或多或少都會(huì)受到其加構(gòu)的影響。 2 資源豐富 盡管單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)由最初的微處理器變?yōu)槲⒖刂破?，?shí)現(xiàn)在單片化，但是出于成本和穩(wěn)定性的考慮，如A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)、D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換器)、PWM(脈沖產(chǎn)生器)以及LCD(液晶)驅(qū)動(dòng)器等也集成到內(nèi)部，出于開發(fā)和調(diào)試的方便，大多支持ISP下載、片上調(diào)試、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、上電復(fù)位電路、甚至集成有單運(yùn)放電路。有的還使用雙晶振設(shè)計(jì)，在空閑時(shí)候關(guān)閉高速晶振，使用片內(nèi)或外部低速晶振。 綜上所述，單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1 低功耗 制作工藝全部CMOS化?，F(xiàn)在的單片機(jī)基本上采用CMOS技術(shù)，有個(gè)別的公司。這些單片機(jī)有Fujitsu公司的MB89191～89195，MB89121～125A，MB89130系列等，～6V的工作電壓條件。目前，～。 現(xiàn)在單片機(jī)的封裝水平已大大提高，隨著貼片工藝的出現(xiàn)，單片機(jī)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?，F(xiàn)在新的單片機(jī)的功耗越來(lái)越小，特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待、暫停、睡眠、空閑、節(jié)電等工作方式。特別是在控制，系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，構(gòu)成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)十分有用。特別是在單片機(jī)C167CS32FM中，內(nèi)部還含有2個(gè)CAN。 有的單片機(jī)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。 首先，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，單片機(jī)已集成了越來(lái)越多的部件。這一點(diǎn)是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。單片機(jī)在出現(xiàn)時(shí)，Intel公司就給其單片機(jī)取名為嵌入式微控制器（embedded microcontroller）。 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展已明顯地朝三個(gè)方向發(fā)展；這三個(gè)方向就是：巨型化，單片化，網(wǎng)絡(luò)化。直到現(xiàn)在 51系列的芯片還在中國(guó)市場(chǎng)占有相當(dāng)大的比重。 我國(guó)開始使用單片機(jī)是在1982年，從那時(shí)到現(xiàn)在20多年的時(shí)間里，單片機(jī)領(lǐng)域發(fā)生了翻天覆地的變化。第四代單片機(jī)(1983年以后):這是十六位單片機(jī)和八位高性能單片機(jī)并行發(fā)展的時(shí)代,十六位機(jī)的特點(diǎn)是,工藝先進(jìn),集成度高和內(nèi)部功能強(qiáng),加法運(yùn)算速度可達(dá)到1us以上,而且允許用戶采用面向工業(yè)控制的專用語(yǔ)言,如PL/MPLUS C和Forth語(yǔ)言等。這一時(shí)期的單片機(jī)品種齊全,可滿足各種不同領(lǐng)域的需要。 第三代單片機(jī)(19791982):,不僅存儲(chǔ)量和尋址范圍大,而且中斷源,并行I/O口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器個(gè)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。 第二代單片機(jī)(19761978):這是單片機(jī)的第二發(fā)展階段。在這個(gè)時(shí)期生產(chǎn)的單片機(jī)特點(diǎn)是,制造工藝落后和集成度低,而且采用了雙片形?，F(xiàn)已成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支,單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程通常可以分為一下幾個(gè)發(fā)展過(guò)程。該機(jī)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。是控制技術(shù)的一次革命。 單片機(jī)控制系統(tǒng)因其體積小，成本低，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，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(guò)程可以以軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化。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。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(cè)中得到。汽車上一般配備40多部單片機(jī)，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺(tái)單片機(jī)在同時(shí)工作的單片機(jī)的數(shù)量不僅遠(yuǎn)超過(guò)PC機(jī)和其他計(jì)算的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。手機(jī)、電話、計(jì)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(jī)。事實(shí)上，單片機(jī)是世界上數(shù)量最多的計(jì)算機(jī)。 單片機(jī)不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。 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(duì)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(diǎn)，并針對(duì)此系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)——節(jié)能進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文主要論述了變頻調(diào)速的基本原理及單片機(jī)在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。國(guó)外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展，隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和全球性能源短缺，變頻器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、紡織、供水、化工、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。這無(wú)疑將推動(dòng)交流變頻調(diào)速技術(shù)向新的方向發(fā)展。電力電子技術(shù)的發(fā)展與后來(lái)的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）的結(jié)合推動(dòng)了變頻調(diào)速應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中。電力電子器件發(fā)展逐步把控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能集成化起來(lái)，出現(xiàn)了智能化功率集成電路(IGBT)。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(shí)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)。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。 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(lái)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。 要解決生產(chǎn)過(guò)程中能耗高的問(wèn)題，除其它相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題需要改進(jìn)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(guó)家的重視，在國(guó)內(nèi)推廣變調(diào)速技術(shù)有著非常重大的現(xiàn)實(shí)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值及社會(huì)價(jià)值。飲水工程對(duì)于每個(gè)人來(lái)說(shuō)都是非常重要的，供水系統(tǒng)也在現(xiàn)代工業(yè)中無(wú)處不在。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)電機(jī)的總裝機(jī)容量己達(dá)4億千瓦，年耗電量約占全國(guó)用電量的60%，但我國(guó)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源利用率卻非常低，基本上要比國(guó)外平均水平低20%，70%的電機(jī)只相當(dāng)于國(guó)際20世紀(jì)50年代的技術(shù)水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能效比國(guó)外低20%左右，電能浪費(fèi)十分嚴(yán)重。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(yīng)用和推廣，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中無(wú)非是解決兩大問(wèn)題一是節(jié)能，二是改善生產(chǎn)過(guò)程。 (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(diǎn)是功率大、機(jī)組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類變頻器電機(jī)功率在135kw~320kw之間，電網(wǎng)電壓通常為220V或380V。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國(guó)內(nèi)研究和推廣最多的方式。 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)。由于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，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(dòng)機(jī)的工作效率。所以，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，即使在用水流量的高峰期，電動(dòng)機(jī)也常常處于輕載狀態(tài)，其效率和功率因數(shù)都較低。 5．從電動(dòng)機(jī)的效率看節(jié)能 在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，由于：①對(duì)用戶的管路情況無(wú)法預(yù)測(cè)；②管阻特性難以準(zhǔn)確計(jì)算；③必須對(duì)用戶的需求留有足夠的余地。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。在轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，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。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。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(shí)的揚(yáng)程比閥門控制時(shí)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。仍以用戶所需流量等于60%QN為例，當(dāng)通過(guò)降低轉(zhuǎn)速使QX=60%QN時(shí)，揚(yáng)程特性為曲線④，管阻特性仍為為曲線②，故工作點(diǎn)移至C點(diǎn)。轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水泵的供水能力來(lái)適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。 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(guò)關(guān)小閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，管阻特性將改變?yōu)榍€③，而揚(yáng)程特性仍為曲線①，故供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至E點(diǎn)，這時(shí)：流量減小為QE（=QX）；揚(yáng)程增加為HE；由式（11）知，供水功率PG與面積0DEJ成正比。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種。 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(duì)象是流量。 4．供水功率 供水系統(tǒng)向用戶供水時(shí)所消耗的功率PG（KW）稱為供水功率，供水功率與流量和揚(yáng)程的乘積成正比：PG=CPHTQ（11）式中CP——比例常數(shù)。 3．供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) 揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖11中的N點(diǎn)在這一點(diǎn)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性。 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(yáng)程HT與流量Q間關(guān)系的曲線HT=f(Q)，稱為管阻特性曲線。 供水系統(tǒng)的特性和工作點(diǎn) 1．揚(yáng)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(yáng)程HT與流量Q間關(guān)系的曲線HT=f(Q)，稱為揚(yáng)程特性曲線，如圖11中的曲線①所示。 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(diǎn)就是節(jié)能。 e. 由于變頻恒壓調(diào)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。 c. 配置靈活，自動(dòng)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(diǎn) a. 節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%~40%，能實(shí)現(xiàn)綠色省電。它們還有一個(gè)共同的致命缺點(diǎn)是自動(dòng)化程度不高，跟不上時(shí)代發(fā)展的需求。但缺點(diǎn)是需要壓力罐，其體積大、投資大，又因其壓力變化快、運(yùn)行效率低，因此電能消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高[6]。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(shè)備的成本比水塔水箱要低得多。另外這種供水方式的水質(zhì)容易受到污染，系統(tǒng)的開、停，將完全由人操作，這將會(huì)出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費(fèi)和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。即使如此，在大型建筑物種還常常不能滿足最不利供水點(diǎn)的供水要求，且難于滿足不斷增長(zhǎng)的供水需求。這種供水壓力比較恒定，且有貯水。這種系統(tǒng)形式簡(jiǎn)單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。 傳統(tǒng)供水方式 這種供水方式，水泵從蓄水池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。但我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)在城市供水、樓宇供水、工業(yè)生產(chǎn)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低，效率低下。供水質(zhì)量的好壞直接影響著人民的生活水平和企業(yè)的生產(chǎn)效率。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)產(chǎn)生的背景及研究意義 我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)正處于迅猛發(fā)展時(shí)期，能源緊缺是制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，節(jié)能節(jié)水是我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)策。近幾年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。如果這些設(shè)備都實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速運(yùn)行，按節(jié)電20%計(jì)算，相當(dāng)于裝機(jī)400萬(wàn)kw容量的發(fā)電設(shè)備[3]。一個(gè)大型電廠，其輔機(jī)電動(dòng)機(jī)多達(dá)250臺(tái)左右。經(jīng)測(cè)算，電機(jī)采用變頻調(diào)速技術(shù)運(yùn)行后，一般可節(jié)電20%一40%，因此這項(xiàng)技術(shù)具有廣闊的使用前景，可被廣泛應(yīng)用于改造鍋爐、風(fēng)機(jī)、水泵、制冷機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行方式，以用來(lái)降低壓差損耗以及起停電機(jī)的電耗[2]。是高科技領(lǐng)域的綜合性技術(shù)。是節(jié)約能源的高新技術(shù)。而變頻調(diào)速技術(shù)就是在變頻的基礎(chǔ)上調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)，其基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1s）／p，（式中n、f、s、p分