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高楼供水拖动电机节能控制毕业论文.doc

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高楼供水拖动电机节能控制毕业论文.doc

1高楼供水拖动电机节能控制及保护系统的设计摘要为了解决高楼供水系统内压力负荷不稳定及节能等问题,本文论述了变频调速恒压供水的原理及由AT89C51组成的变频调速恒压供水控制系统的硬件组成和软件设计方法,提高供水系统的自动化程度。关键词恒压供水;变频器;AT89C51单片机;电机节能;ABSTRACTSUPPLYWATERTHESYSTEMINSIDETHEPRESSURETOCARRYFORTHESAKEOFTHEHIGHFLOOROFSOLUTIONUNSTEADYSETTLEANDSAVEENERGYPROBLEM,EXPOUNDTHEFACTFREQUENCYCONVERSIONTRANSFERSPEEDPRINCIPLEANDCOMPOSEDOFAT89C51SFREQUENCYCONVERSIONTHATCONSTANTVOLTAGESUPPLYWATERTRANSFERCONSTANTVOLTAGEOFTHESPEEDSUPPLYWATERHARDWAREMAKINGUPANDSOFTWAREDESIGNEROFTHECONTROLSYSTEMFRANCE,INCREASETHEAUTOMATIONDEGREEOFTHEWATERSUPPLYSYSTEMKEYWORDSWATERPROVISIONINCONSTANTPRESSURE;FREQUENCYCONVERTER;AT89C51SINGLECHIPMICROCOMPUTER;ELECTRICMOTORSSAVINGENERGY;1、引言随着社会的发展,城市规模不断扩大,高层建筑越来越多,供水水压会随着管路的加长而逐渐减弱;生活区用水,一天内不同时段的用水量具有明显的差异,昼夜负荷变化大,供水量不固定,给用户带来极大不便;要解决高层建筑的供水和生活区供水问题,就要解决压力不断减弱和不稳定问题。目前通常采用的方法是在供水管网的用户端进行二次加压。二次加压有组合泵供水、气压供水、恒压调速供水、高位水塔供水等多种方式。在这些供水方式中,除了调速供水具有节能作用外,其他几种都造成了较大的电能损耗。为了解决高楼供水及节能等问题,我们采用变频调速恒压供水系统。该系统是根据用户用水量的变化随时调节水泵电机转速和水泵开启台数,从而调节供水量,实现恒压变流量供水。但当电机发生缺相或过载现象时,则以造成电机烧毁,因此,我们还应该研究电机的保护措施。2、水泵特性分析及节能原理水泵电动机的轴动力P与其流量Q、扬程H之间的关系为P∝QH1当流量由Q1变化到Q2时,电动机的转速为N1、N2,此时Q、H、P相对于转速的关系如下式所示Q2Q1N2/N1H2H1N2/N12P2P1N2/N1而电动机的轴功率P和扭矩T的关系为T∝P/N3所以T2T1N2/N14由上式2、4可看出,水泵电动机的轴动力与转速的3次方成比例,而扭矩与转速的2次方成比例。当电动机驱动水泵时,电动机的轴功率PKW可按下式计算式中P─电动机功率(KW);Ρ─流体密度(KG/M3);H─泵的流量(M3/S);ΜC─泵的效率,一般取06~084;ΜF─传动效率,与电动机直接相连则取1;2图1是泵的流量Q与扬程H的关系曲线。图中曲线①为泵在转速N1下的扬程流量(HQ)的特性;曲线⑤为泵在转速N2下的扬程流量(HQ)的特性;曲线②为泵在转速N1下的功率流量(PQ)的特性;曲线③、④为管阻特性;假设泵的标准工作点A点的效率最高,输出流量Q为100,此时轴功率P1与Q1、H1的乘积面积AH1OQ1成正比。根据生产工艺要求,当流量从Q1减小Q2到时,如果采用调节阀门方法(相当于增加管网阻力),使管阻特性从曲线③变到曲线④,系统由原来的工作点A变到新的工作点B运行。此时,泵扬程增加,轴功率P2与面积BH2OQ2成正比。如果采用变频器控制方式,泵转速由N1降到N2,在满足同样流量Q2的情况下,扬程H3大幅度降低,轴功率与面积H3O成正比。轴功率P3与P1、P2和相比较,将显著减小,节省的功率损耗ΔP与面积BH2H3C成比例,节能效果十分显著。3、变频调速原理31、变频调速方式异步电动机应用变频调速方式来控制转速是比较多的。采用变频进行调速控制,是根据N160F1/P改变F1即可改变电动机转速N1。式中,P为极对数;F1为电源频率。由上式可知,若均匀的改变定子供电频率F1,则可以平滑的改变电动机的转速。然而,只调节频率F1是不行的,因为E1444F1N1KN1ΦM≈U1当定子电压U1不变时,ΦM与F1成反比,F1的升高或降低,会导致磁通ΦM的减小或增大。从而使电动机最大转矩减小,严重时将导致电动机堵转,或者使磁路饱和,铁损急剧增加。为此,在调节电源频率的同时,要调节电压的大小,以维持磁通的恒定,使最大转矩不变。根据U1和F1不同的比例关系,可形成多种变频调速方式。311恒比例控制方式这种控制方式是在调频的同时调节电压,维持U1/F1CONST,当频率较高时,定子电阻压降可忽略不计,这时有U1≈E1,ΦM≈CONST,磁通近似不变。根据异步电动机的转矩表达式TCMΦMI2COSФ2可知,当有功电流额定,ΦMCONST时,电动机的转矩不变,因而这种恒比例控制方式属于恒转矩调速性质。但当频率较低时,定子电阻压降不可忽略,E1与U1相差较大,即使U1/F1CONST,E1/F1也已不在近似为常数,最大转矩将随频率F1的降低而减小,启动转矩也将减小,甚至不能带动负载。所以,恒比例控制方式只适用于调速范围不大(F1不会进入低频段)或转矩随转速下降而减小的负载(如风机、水泵),对于宽调速范围的恒转矩负载,不能采用恒比例控制方式。312恒磁通控制方要在整个调速范围内实现恒磁通控制,必须按E1/F1CONST来进行控制,即维持恒磁通,亦即最大转矩变频调速的协调控制条件。313恒功率控制方式3当转速超过额定转速调速时,要求F1F1N额定频率,若仍按恒磁通控制方式控制,势必使U1超过U1N(额定电压),这是不允许的。这时必须改用恒功率控制方式,即当F1F1N时,保持U1U1N不进行电压的协调控制。这种方式适用于负载随转速的升高而变轻的场合。314恒电流控制方式在变频调速时,保持异步电动机定子电流I1为恒定值,叫作恒流控制。恒流控制限制了电流,所以恒流控制时的最大转矩要比恒磁通控制时小得多,过载能力小,因此只适用于负载变化不大的场合。32、控制方式的选择为了使异步电动机变频调速取得好的技术和经济效果,不同类型的负载根据具体要求应选择不同的控制方式。水泵类负载属于转速平方型负载,这类负载的性质是转矩和转速的平方成正比,当负载较重时,电流大、铜损大,采用恒磁通控制方式较合适,但负载较轻时,不宜采用这种控制方式。这是因为恒磁通控制,磁通不变,铁损较大,对降低轻载时的损耗不利。负载较轻时,可采用恒电流控制方式。恒流控制时,对水泵类负载来说,磁通和转速的平方成正比,随着转速的下降,铁损能大大减小,有利于减小电动机损耗。综合以上分析和实际情况,该系统采用恒磁通控制方式比较合适。4、水泵循环控制原理系统控制多台(2~6台)性能相同的大水泵和一台小水泵,其中大水泵中总有一台(任意一台)处于变频调速状态,其它为恒速或停机状态,小水泵是为小流量和夜间供水所需。表(1)是两台大水泵和一台小水泵的切换程序表(其中大泵工频流量为QK,调频流量为QF,最低调频流量为QT,则QKQFQT,小泵流量为QG)。水泵切换程序是根据设定的基准压力与远传压力表测定的现场压力信号之差ΔP来控制的。当ΔP0时,通过计算我们增加输出电流的大小,提高变频器的输出频率,从而使变频泵转速加快,实际水压得以提高,ΔP减小;如果ΔP0,则减小输出电流的大小,降低变频器的输出频率,从而使变频泵转速减小,使实际压力减小,│ΔP│减小。这种调整要经历多次,直到ΔP0。这样,实际压力围绕设定压力附近波动,保证了压力恒定。如果实际压力太小,本台调频泵调整到最大供水仍不足以使ΔP0,则使本台变频泵切换至工频,而增加下一台为变频泵工作;反之,如果实际压力过大,本台变频泵调到最小流量也不足以使ΔP0,则关闭上次转换成工频的水泵,再进行调整。这样,使每台大泵在工频和变频之间切换,大泵之间做到先开先停,后开后停,即所谓循环调频,合理利用资源。表(1)水泵切换程序表用水流量QU变频电机工频电机状态QTQUQG小泵开泵QKQUQT大泵12QKQUQK大泵2大泵1QTQUQK大泵2QGQUQT小泵QUQG关泵45、高楼恒压供水系统的组成和原理51、系统的组成该系统以AT89C51芯片为核心,有压力采集和压力设定部分、键盘显示部分、变频部分、A/D变换部分、电控部分、保护部分、报警部分等部分组成。52、系统的原理恒压供水系统采用单片机控制变频调速装置,具有控制水泵恒压和变压的功能,该自动控制系统通过安装在水泵组出水管上的远传压力变送器,把出口压力变成(0~5)V的模拟信号,经前置放大,多路切换,A/D变换成数字信号;送入单片机,经单片机运算并与给定参数进行比较,得出一调节参量;再由SLE4520转换成三路相应脉宽的矩形波信号,产生六路脉冲送给变频器;控制其输出频率变化和开启台数。用户的用水量与频率的变化有关;用水量多时,频率提高,水泵电动机转速加快;反之,用水量少时,频率降低,水泵处于低速状态,达到节能、恒压的目的。另外,系统除了利用元件本身的过热报警,过压、欠压报警,缺相保护外,我们在设计中还加了变频器保护电路,并充分利用单片机接受报警信号,可以进行中断处理,并通过程序延时等手段实现软启动,无扰动切换,使系统更安全可靠地运行。系统结构框图如图2所示6、系统的硬件设计整个系统电控部分以ATMEL公司的AT89C51为核心芯片,控制信号采集、处理、输出三个过程。这种芯片内置4KEPROM,因为系统要求控制线较多,如果采用8031外置EPROM程序控制结构,则造成控制线不够;而89C51却可以利用P0、P2口作控制总线,大大简化了硬件结构,并可以直接控制键盘参数输入、LCD数据显示,方便现场调试和维护,使整个系统的通用性和智能化得到了很大的提高。压力信号由1151远传压力变送器采集后送至前置放大电路放大,再由MC14433进行模数转换;将转换后的数字信号,送入单片机,经单片机运算并与给定参数进行比较,得出一调节参量;再由SLE4520转换成三路相应脉宽的矩形波信号,产生六路脉冲送给变频器;由变频器结合继电器按规定切换顺序控制水泵电机工作。用8155芯片扩展键盘、显示电路,可显示采集到的电压信号值和设定电压值,其硬件结构框图如图3所示

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