吉 林 农 业 大 学学 士 学 位 论 文 论文题目： 变频调速恒压供水系统的设计 学生姓名： 包旭东 专业年级： 自动化06级 指导教师： 胡俊海 职称 讲师 年 月 日目 录摘 要I1 前 言11.1 变频调速技术概况11.2 变频调速恒压供水系统产生的背景及研究意义11.2.1 传统供水方式21.2.2 变频调速恒压供水节能分析21.2.3 研究意义51.3 变频调速恒压供水系统的发展51.4 本文主要研究内容62 单片机概述62.1 单片机简介62.2单片机的发展史72.3 单片机的发展趋势82.4 AT89C51单片机简介93 变频调速恒压供水系统的工作原理93.1 变频调速的基本原理103.1.1 变频调速的基本控制方式103.2 系统工作过程113.3 系统的参数选取及调速范围134 变频调速恒压供水系统的硬件设计134.1 主控单片机引脚说明144.2反馈压力检测电路154.3 输出控制电路164.4 控制输入电路174.5 系统电压监控及Watchdog电路175 变频调速恒压供水系统的软件设计185.1 单片机接口地址分配和控制端口功能185.2 软件程序设计186 结论21参考文献21致 谢22附录23变频调速恒压供水系统学 生：包旭东专 业：自动化指导教师：胡俊海摘 要：随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。建设节约型社会，合理开发、节约利用和有效保护水资源也是一项艰巨任务。因此，有利于节能节水的变频调速恒压供水系统得到了更广泛的应用。本文论述了变频调速恒压供水系统的调速原理及节能分析。描述了变频调速恒压供水系统的设计和实现方法。本文提出的系统设计方案是以ATMEL公司的AT89C51为基础，同时描述了包括变频器和传感器在内的硬件控制系统和相应的软件控制系统。充分发挥了单片机成本低，易于使用的特点。关键词： 变频调速；恒压供水；AT89C51单片机1 前 言1.1 变频调速技术概况变频技术是利用大功率半导体器件及其相应的控制与保护电路来实现电能频率参量的控制与变换，以实现电力的某些使用目的，并提高其使用质量与效率的一种技术。变频技术在经历了早期电子管、晶闸管整流器（60年代）和集成电路技术（70年代）几个阶段后，从80年代至今一直沿用基于电力电子技术的功率集成电路技术，并随着技术的进步继续发展1。而变频调速技术就是在变频的基础上调整电机转速的技术，其基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率实现转速的改变。变频调速技术已深入我们生活的每个角落，在国民经济和日常生活中占有重要地位:应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术;是节约能源的高新技术;是国际上技术更新换代最快的领域;是高科技领域的综合性技术。交流变频调速技术，已成为国内外公认的最理想、最有发展前途的电机调速方式。经测算，电机采用变频调速技术运行后，一般可节电20%一40%，因此这项技术具有广阔的使用前景，可被广泛应用于改造锅炉、风机、水泵、制冷机等设备的运行方式，以用来降低压差损耗以及起停电机的电耗2。我国现有的100万kw以上的大型电厂中，每套30万kw的发电机一般都配备30-35台辅机驱动用电动机。一个大型电厂，其辅机电动机多达250台左右。火力发电厂用电动机驱动的辅机主要是风机水泵、给水泵、循环水泵、空压机和磨煤机等，据初步调查，其中50%-60%的风机、水泵可以改为调速运行。如果这些设备都实现变频调速运行，按节电20%计算，年节电可达200亿kW.h，相当于装机400万kw容量的发电设备3。因此，应用电力电子的交流变频调速装置以及相关高新技术来改造传统的产业，就可以获得很好的社会效益和经济效益。近几年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。在这种环境下，电机交流变频调速技术已经逐渐发展成为当今世界节电、改善工艺流程以提高产品质量、改善环境以及推动技术进步的一种主要手段。1.2 变频调速恒压供水系统产生的背景及研究意义我国国民经济正处于迅猛发展时期，能源紧缺是制约我国经济发展的重要因素，节能节水是我国经济持续发展的基本国策。另外，随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、经济、稳定性提出了越来越高的要求4。供水质量的好坏直接影响着人民的生活水平和企业的生产效率。要安全、稳定、经济可靠的管理好遍布全城的供水管网，一定要有一个满足供水特点的、先进的自动化供水控制系统。但我国长期以来在城市供水、楼宇供水、工业生产供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，效率低下。究其原因，主要是由于受供水设备和供水方式的限制。1.2.1 传统供水方式1.恒速泵直接供水方式这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。2.水塔/水箱的供水方式这种方式是水泵先向水塔或水箱供水，再由水塔或水箱向用户供水。这种供水压力比较恒定，且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶部5。即使如此，在大型建筑物种还常常不能满足最不利供水点的供水要求，且难于满足不断增长的供水需求。同时，由于在建筑物顶部形成很大的负重，所以增加了结构面积，也妨碍了美观。另外这种供水方式的水质容易受到污染，系统的开、停，将完全由人操作，这将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。3.气压供水方式模糊控制变频调速恒压供水系统的研究与设计这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水塔/水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔水箱要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性，灵活性大、建设快、不妨碍美观，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。但缺点是需要压力罐，其体积大、投资大，又因其压力变化快、运行效率低，因此电能消耗大，运行费用高6。综上所述，传统的供水系统浪费了很多水力资源和电力资源，效率低下，且可靠性低，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。它们还有一个共同的致命缺点是自动化程度不高，跟不上时代发展的需求。所以开发一种新型的自动化程度高、可靠性高且节能效果好的供水系统迫在眉睫。1.2.2 变频调速恒压供水节能分析图1-1 供水系统的基本特性Figure1-1 Basic characteristics of watersupply system变频调速恒压供水系统最突出的特点就是节能。在该系统中，最主要的是对水泵的控制，在日常生活及工农业生产中，由离心泵组成的供水系统普遍存在，下面就以离心泵为例分析变频调速节能的原理。一、供水系统的特性和工作点1扬程特性 以管路中的阀门开度不变为前提，表明在某一转速下，全扬程HT与流量Q间关系的曲线HT=f(Q)，称为扬程特性曲线，如图1-1中的曲线所示。扬程特性是反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。2管阻特性 以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，全扬程HT与流量Q间关系的曲线HT=f(Q)，称为管阻特性曲线。如图1-1中的曲线所示，管阻特性是表明由管阻（阀门开度）来控制供水能力的特性曲线。3供水系统的工作点 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图1-1中的N点在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。4供水功率 供水系统向用户供水时所消耗的功率PG（KW）称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比：PG=CPHTQ（1-1）式中CP比例常数。由图1-1中可以看出：供水系统的额定功率与面积0ANG成正比7。二、调节流量的方法与比较在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。1.阀门控制法 即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变（通常为额定转速）。阀门控制法的实质是水泵本身的供水能力不变，而是通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量，以适应用户对流量的需求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。图1-2调节流量的方法与比较Figure1-1 Methodb and comparison of the regulation flow如图1-2所示，设用户所需流量QX为额定流量的60%（即QX=60%QN），当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线，而扬程特性仍为曲线，故供水系统的工作点移至E点，这时：流量减小为QE（=QX）；扬程增加为HE；由式（1-1）知，供水功率PG与面积0DEJ成正比。2.转速控制法 即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度则保持不变（通常为最大开度）。转速控制法的实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。仍以用户所需流量等于60%QN为例，当通过降低转速使QX=60%QN时，扬程特性为曲线，管阻特性仍为为曲线，故工作点移至C点。这时，流量减小为QE（=QX），扬程减小为HC，供水功率PC与面积0DCK成正比8。3.两种方法的比较 比较上述两种调节流量的方法可以看出，在所需流量小于额定流量（QX100%QN）的情况下，转速控制时的扬程比阀门控制时小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制方式小得多。两者之差P便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积KCEJ（图中的阴影部分）成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本的方面。4从水泵的工作效率看节能(1)工作效率的定义水泵的供水功率PG与轴功率PP（输入功率，即电动机的输出功率）之比，即为水泵的工作效率，符号是P：P=PG/PP （1-2）(2)水泵工作效率的近似计算据有关资料介绍，水泵工作效率相对值*的近似计算公式如下：P*=C1（Q*/n*）C2(Q*/n*)2 (1-3)式中，P*、Q*、n*分别为效率、流量和转速的相对值；C1、C2常数，由制造厂家提供，C1与C2之间，通常遵循如下规律:C1C2=1(3)不同控制方式时的工作效率由式（1-3）可知，当通过关小阀门