變頻器技術(shù)在恒溫供水中的運(yùn)用

1、1. 前言1.1 研究的目的及意義當(dāng)今許多因素正沖擊著全球電力工業(yè)，在國外電力生產(chǎn)商之間有著十分激烈的競爭，而世界范圍內(nèi)電力生產(chǎn)的市場化加速了生產(chǎn)商采用新技術(shù)；尤其是近兩三年來，夏季持續(xù)高溫造成許多省市電力供應(yīng)緊張，供電已經(jīng)不能滿足急速膨脹的電力需求，拉閘限電現(xiàn)象日趨嚴(yán)重。由于電力網(wǎng)負(fù)擔(dān)過重，造成局部電力系統(tǒng)極其不穩(wěn)定，這種現(xiàn)象已經(jīng)嚴(yán)重影響了人民的日常生活和經(jīng)濟(jì)的正常運(yùn)行。我們注意到的全國節(jié)能活動(dòng)中，宣傳重點(diǎn)是民用電和商業(yè)用電的節(jié)約，而工業(yè)用電的節(jié)約則被淡化了。其實(shí)工業(yè)所耗用的電量占總用電量的比重極大，因此我們更應(yīng)該把更多的目光投入到工業(yè)用電的節(jié)約上來。這樣環(huán)境要求給所有的電力供應(yīng)商增加了額外

2、的責(zé)任，使高壓大功率變頻器的市場開發(fā)空間大大拓展。另外高壓變頻器的最終用戶對(duì)變頻器的自動(dòng)控制、節(jié)能、環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)烈，迫使其上游提供者尤其是系統(tǒng)集成商更加重視顧客變頻調(diào)速技術(shù)方面的需要。一般講，在占工業(yè)用電50%60%的風(fēng)機(jī)、泵和壓縮機(jī)等通用機(jī)械上使用變頻調(diào)速裝置，可以節(jié)電30%左右。這一類通用機(jī)械的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是工頻電機(jī)，具有各種可供選擇功能的通用變頻器，其輸出頻率在0400Hz之間，正適合這類機(jī)械。變頻器技術(shù)具有“工業(yè)維生素”之譽(yù)，是工業(yè)企業(yè)和日常生活工作中普遍需要的新技術(shù)；是高科技領(lǐng)域的綜合性技術(shù)；是替代進(jìn)口，節(jié)約投資的最大領(lǐng)域之一；是節(jié)約能源的高新技術(shù)。目前，低壓變頻器已經(jīng)非常普及和

3、成熟，高壓變頻器也正在被人們關(guān)注和逐步應(yīng)用。變頻器除了有卓越的調(diào)速性能之外，還有顯著的節(jié)約電能和保護(hù)環(huán)境等重大作用，是企業(yè)技術(shù)改造和產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想調(diào)速裝置，變頻器的出現(xiàn)讓工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能閃現(xiàn)了新的亮點(diǎn)。但由于變頻器進(jìn)入我國的時(shí)間還不久，對(duì)于變頻器的認(rèn)識(shí)還不夠，誤用了變頻器，使設(shè)備損壞，沒有達(dá)到預(yù)期的效果。所以我們要對(duì)變頻器進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和研究，能夠在今后的使用中達(dá)到理想的效果。1.2 國內(nèi)外研究概況和發(fā)展趨勢1.2.1 變頻技術(shù)應(yīng)用的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源的頻率和幅度的方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)元件。變頻器在中、韓等亞洲地區(qū)受日本廠商影響而曾被

4、稱作VVVF（VariableVoltageVariableFrequencyInverter）。變頻技術(shù)誕生背景是交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速的廣泛需求。傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)因體積大故障率高而應(yīng)用受限。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件普遍應(yīng)用了晶閘管及其升級(jí)產(chǎn)品。但其調(diào)速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足需要。20世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻（PWM−；VVVF）調(diào)速的研究得到突破，20世紀(jì)80年代以后微處理器技術(shù)的完善使得各種優(yōu)化算法得以容易的實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)80年代中后期，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國家的VVVF變頻器技術(shù)實(shí)用化，商品投入市場，得到了廣泛應(yīng)用。最早的變頻器可能是日本人買了英國專利研制的。不過美

5、國和德國憑借電子元件生產(chǎn)和電子技術(shù)的優(yōu)勢，高端產(chǎn)品迅速搶占市場。步入21世紀(jì)后，國產(chǎn)變頻器逐步崛起，現(xiàn)已逐漸搶占高端市場。發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已成全球共識(shí)。節(jié)能能源、降低消耗，構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)已是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一個(gè)永恒的話題。這場綠色革命的浪潮中，節(jié)能環(huán)節(jié)是極具邊際經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值的。相較于清潔能源在全球能源供應(yīng)端較低的占比和較高的邊際成本，節(jié)能仍是綠色革命中最具推廣意義和邊際經(jīng)濟(jì)效益的領(lǐng)域。如今，中國正在堅(jiān)定不移地推動(dòng)低碳經(jīng)濟(jì)，相關(guān)政策已密集出臺(tái)。電動(dòng)機(jī)做為最重要的電力設(shè)備，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，以電機(jī)做為驅(qū)動(dòng)的電力源，其耗用的電能占用全國總發(fā)電量的60以上。為此，國家規(guī)劃2011年7

6、月后禁售非高效中小型電機(jī)，但到目前高效電機(jī)市場滲透率僅3左右。電機(jī)能耗占比高，節(jié)能潛力大。通過對(duì)電機(jī)變頻調(diào)速可平均節(jié)能30以上，節(jié)能效果顯著，電機(jī)節(jié)能空間巨大。伴隨著節(jié)能政策的推廣，變頻器行業(yè)將迎來新一輪發(fā)展。摩根士丹利預(yù)測，中國潛在的節(jié)能市場規(guī)模達(dá)8000億元。變頻器是電機(jī)變頻調(diào)速的核心部件，根據(jù)測算高壓變頻器市場潛在規(guī)模約810億元。目前已經(jīng)配置變頻器的高壓電機(jī)不到10，預(yù)計(jì)未來3年高壓變頻器復(fù)合增長率達(dá)45以上。中低壓變頻器市場將保持15左右的持續(xù)增長，預(yù)計(jì)到2012年達(dá)190億元。中國變頻器市場正在呈迅速擴(kuò)大的趨勢，根據(jù)一份中國國內(nèi)的權(quán)威統(tǒng)計(jì)，在過去的幾年，中國變頻器市場保持著25-3

7、5的年增長率，增長速度排在電氣行業(yè)之首位。機(jī)械工業(yè)信息研究院產(chǎn)業(yè)與市場研究所發(fā)布數(shù)據(jù)稱，我國變頻器市場至少在10年以后才能趨于飽和，總體市場潛力為1200億-1800億元。威爾凱中國區(qū)CEO陳建義透露，目前中國市場上變頻器安裝容量（功率）的增長率實(shí)際上在20左右，按照這樣的增長速度計(jì)算，中國的變頻器市場至少要到15年后才能發(fā)展成熟并逐漸飽和。1.2.2 變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢變頻器是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交

8、流電源而得到迅猛發(fā)展。隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)格比越來越高，體積越來越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性，實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對(duì)電機(jī)的影響；二要看對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)；三要看本身的能量損耗（即效率）如何。這里僅以量大面廣的交直交變頻器為例，闡述它的發(fā)展趨勢：主電路功率開關(guān)元件的自關(guān)斷化、模塊化、集成化、智能化；開關(guān)頻率不斷提高，開關(guān)損耗進(jìn)一步降低。1.3 實(shí)驗(yàn)研究的主要內(nèi)容和方法1.3.1 問題的提出在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，電機(jī)運(yùn)行狀況直

9、接關(guān)系到電量消耗多少的問題。然而，變頻技術(shù)畢竟是一項(xiàng)新的技術(shù)，進(jìn)入我國的時(shí)間還不久，對(duì)于變頻器的認(rèn)識(shí)還不夠，誤用了變頻器，使設(shè)備損壞，沒有達(dá)到預(yù)期的效果。所以我們要對(duì)變頻器進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和研究，能夠在今后的使用中達(dá)到理想的效果。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫水泵的自動(dòng)控制，保障設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，為降低用電成本、優(yōu)化人員配置、實(shí)現(xiàn)無人值守提供了有力保障。1.3.2 本課題研究的主要內(nèi)容 變頻器 恒溫水池 轉(zhuǎn)換模塊 溫度采集模塊 水泵(冷水) 電熱絲 浮球開關(guān) 溫水泵 溫度表 圖1-1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本文對(duì)變頻器和恒溫供水系統(tǒng)做了有效的設(shè)計(jì)和初步研究，利用丹佛司2800變頻器的PID的電壓控制方式，可以實(shí)現(xiàn)

10、自動(dòng)加熱和自動(dòng)調(diào)節(jié)水速的功能。通過PT100溫度傳感器采集溫度，經(jīng)過變換器轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，送給溫度表，再由溫度表來控制是否加熱。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)熱水循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)冷水泵，如果水槽內(nèi)的水低于設(shè)定值，自動(dòng)對(duì)水槽加水。本系統(tǒng)簡單可靠，可適用于工業(yè)上許多恒溫供水的領(lǐng)域，有利于降低成本與提高系統(tǒng)的可靠性。通過論證本設(shè)計(jì)中的恒溫供水系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，且該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，處理事件速度快，功能易于擴(kuò)展，節(jié)約了企業(yè)成本，增強(qiáng)了實(shí)用性，具有一定的使用價(jià)值和推廣前景。2. 變頻器2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。整流單元將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。高容量電容存

11、儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能。逆變器由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波?？刂破靼丛O(shè)定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。2.2 工作原理變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路通過電容濾波。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路通過電感濾波。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”；吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”；以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。 整流器是將工頻電源變換為直流功率。最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變

12、換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。平波回路主要是吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)。在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。逆變器是將直流功率變換為交流功率。同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型PWM逆變器為例示出開關(guān)時(shí)間和電壓波形?？刂齐娐肥墙o異步電動(dòng)機(jī)供電

13、（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。 （1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。 （2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。 （3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 （4）速度檢測電路:以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測器(tg、plg等)的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按

14、指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。 （5）保護(hù)電路:檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。2.3 控制方式低壓通用變頻輸出電壓為380650V，輸出功率為0.75400kW，工作頻率為0400Hz，它的主電路都采用交直交電路。其控制方式經(jīng)歷了以下四代。 （1）U/f=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)控制方式：其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)

15、械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。因此人們又研究出矢量控制變頻調(diào)速。（2）電壓空間矢量(SVPWM)控制方式：它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多

16、，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。矢量控制(VC)方式：矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流Ia、Ib、Ic，通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流Ia1、Ib1，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1、It1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對(duì)速度，磁場兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個(gè)

17、分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式：1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)

18、機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。（4）矩陣式交交控制方式：VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻都是交直交變頻中的一種。其共同缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)低，諧波電流大，直流電路需要大的儲(chǔ)能電容，再生能量又不能反饋回電網(wǎng)，即不能進(jìn)行四象限運(yùn)行。為此，矩陣式交交變頻應(yīng)運(yùn)而生。由于矩陣式交交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為l，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。

19、其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)現(xiàn)的。具體方法是： 控制定子磁鏈引入定子磁鏈觀測器，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器方式；自動(dòng)識(shí)別(ID)依靠精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別； 算出實(shí)際值對(duì)應(yīng)定子阻抗、互感、磁飽和因素、慣量等算出實(shí)際的轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈、轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制； 實(shí)現(xiàn)BandBand控制按磁鏈和轉(zhuǎn)矩的BandBand控制產(chǎn)生PWM信號(hào)，對(duì)逆變器開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。矩陣式交交變頻具有快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)(2ms)，很高的速度精度(2，無PG反饋)，高轉(zhuǎn)矩精度(3)；同時(shí)還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及高轉(zhuǎn)矩精度，尤其在低速時(shí)(包括0速度時(shí))，可輸出150200轉(zhuǎn)矩。3. 恒溫供

20、水設(shè)計(jì)3.1 恒溫供水設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)利用丹佛斯2800變頻器來實(shí)現(xiàn)溫水自動(dòng)循環(huán)的過程。利用PT100測得恒溫水池的水溫，通過電阻電壓信號(hào)傳給變送器。變送器把PT100的電壓信號(hào)處理成電流信號(hào)，傳給溫度表。溫度表把變送器傳來的信號(hào)進(jìn)行分析，是否達(dá)到已設(shè)定的溫度值。若溫度沒有達(dá)到設(shè)定值時(shí)，電熱絲開關(guān)自動(dòng)閉合，開始給恒溫水池加熱。若已達(dá)到設(shè)定值時(shí)，溫度表就會(huì)給變頻器一個(gè)010V的電壓信號(hào)。這時(shí)溫水泵就會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，給系統(tǒng)恒溫供水?？紤]到系統(tǒng)中溫水的外漏外滲，所以外加了個(gè)冷水泵。當(dāng)水池中的水位沒達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定水位時(shí)，浮球開關(guān)控制冷水泵給水池補(bǔ)水。 圖3-1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.1.1 水溫采集電路 圖3-2：

21、水溫采集電路圖熱電阻傳感器將水溫轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將該電壓信號(hào)送入變送器的輸入網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包含調(diào)零和熱電阻補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)電路。經(jīng)調(diào)零后的信號(hào)輸入到運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，放大的信號(hào)一路經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換器計(jì)算處理后以420mA直流電流輸出；另一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器處理后到溫度表顯示。本系統(tǒng)中的關(guān)系：感溫電阻（電壓信號(hào)）變送器（電流信號(hào)）溫度表（電壓信號(hào)）。通過PT100溫度傳感器采集溫度，經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，送給溫度表，再由溫度表的來判斷是否加熱并控制溫水泵轉(zhuǎn)速。整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)熱水循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)冷水泵，如果水槽內(nèi)的水低于設(shè)定值，自動(dòng)對(duì)水槽加水。3.1.2 溫度表和變頻器控制電路圖3-3：溫度表和

22、變頻器控制電路圖溫度采集是采用溫度敏感元件也就是溫度傳感器（如鉑電阻，熱電偶，半導(dǎo)體，熱敏電阻等），將溫度的變化轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)的變化，溫度變化和電流信號(hào)的變化有一定的關(guān)系，如線性關(guān)系，一定的曲線關(guān)系等，這個(gè)電流信號(hào)可以使用模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路即AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)再送給單片機(jī)處理，單片機(jī)經(jīng)過內(nèi)部的軟件計(jì)算將這個(gè)數(shù)字信號(hào)和溫度聯(lián)系起來，成為可以顯示出來的溫度數(shù)值。然后通過顯示單元，顯示出來給人觀察。這樣就完成了基本測溫功能。泛達(dá)溫度控制表/溫度儀表/溫度表臺(tái)灣泛達(dá)P900系列調(diào)節(jié)儀（溫度控制表，溫度儀表，溫度表）特具有精度高，價(jià)格低，易操作具有自行診斷功能，可顯示故障狀況，F(xiàn)

23、UZZY PID自整定功能為標(biāo)準(zhǔn)配備單段斜率控制加持溫計(jì)時(shí)器輸出緩沖啟動(dòng)，輸出量無擾動(dòng)輸入，輸出完全隔離接受各式熱電偶，白金電阻或線性信號(hào)，軟體切換可調(diào)整PV補(bǔ)償加熱/冷卻輸出，同面板切換一組警報(bào)，可追加至3組，17種模式具有PV，SV值再傳送功能可接記錄器設(shè)定值可同外部設(shè)定輸入 交換式電源，AC85-265V 50/60HZ防水、防塵、供選擇輸入：各種熱電偶（TC）、熱電阻（RTD）、標(biāo)準(zhǔn)電流電壓信號(hào)測量精度：0.5FS 、0.2FS 冷端補(bǔ)償誤差：1（0-50范圍內(nèi)且可軟件修正）分辨力：14bit采樣周期：0.5sec顯示數(shù)值范圍：-1999+9999輸出；電流DC010mA,020mA,

24、420mA(RL1000)三組程序控制模式：一組8段，二組8段，一組16段，可自由選擇。變頻器是矢量控制電動(dòng)機(jī)。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵(lì)磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。簡單的說，矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的高性能調(diào)速。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。這樣就可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣

25、的靜、動(dòng)態(tài)性能。3.1.3 冷水泵與加熱絲主電路圖3-4：冷水泵與加熱絲主電路圖如圖3-4所示，電熱絲和冷水泵的通斷都是通過接觸器來控制的。當(dāng)溫度未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，溫度表的常閉開關(guān)閉合，使KM1線圈通電，KM1導(dǎo)通狀態(tài)，電熱絲開始加熱。當(dāng)水位不足時(shí)，浮球開關(guān)閉合，KM2線圈通電，觸頭閉合，這樣冷水泵就能工作。在冷水泵中穿入熱繼電器是用來保護(hù)電動(dòng)機(jī)。熱繼電器是雙金屬片式結(jié)構(gòu)，雙金屬片是用兩種不同線膨脹系數(shù)的金屬片，通過機(jī)械輾壓在一起制成的，一端固定，另一端為自由端。當(dāng)雙金屬片的溫度升高時(shí)，由于兩種金屬的線膨脹系數(shù)不同，所以它將彎曲。熱元件串接在電動(dòng)機(jī)定子繞組中，電動(dòng)機(jī)繞組電流即為流過熱元件的電流。

26、當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，熱元件產(chǎn)生的熱量雖能使雙金屬片彎曲，但不足以使繼電器動(dòng)作；當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，熱元件產(chǎn)生的熱量增大，使雙金屬片彎曲位移量增大，經(jīng)過一段時(shí)間后，雙金屬片彎曲推動(dòng)導(dǎo)板，并通過補(bǔ)償雙金屬片與推桿將觸點(diǎn)分開，觸點(diǎn)為熱繼電器串于接觸器線圈回路的動(dòng)斷觸點(diǎn)，斷開后使接觸器失電，接觸器的動(dòng)合觸點(diǎn)斷開電動(dòng)機(jī)等負(fù)載回路，保護(hù)了電動(dòng)機(jī)等負(fù)載。3.1.4 控制電路的設(shè)計(jì)圖3-5：控制電路的設(shè)計(jì)圖如圖3-5中HL1和HL2為顯示的燈泡，來判斷電路是否通電。KA上面連接KM1的常閉開關(guān)。這樣當(dāng)加熱時(shí)，溫水泵就不會(huì)與電熱絲同時(shí)運(yùn)行。達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)的要求。加熱和供水能很好的根據(jù)水溫來工作。浮球式水位開關(guān)原理：水

27、都有浮力，而浮球系統(tǒng)是根據(jù)液體的浮力而配套制作的，當(dāng)液位上漲時(shí)，浮球系統(tǒng)也相應(yīng)上漲，同理當(dāng)液面下降時(shí)也相應(yīng)下降，當(dāng)上漲或下降到設(shè)定的位置時(shí)，浮球系統(tǒng)就是會(huì)碰到在設(shè)定位置的開關(guān)，從而使開關(guān)發(fā)出電信號(hào)，而電控設(shè)備在接到電信號(hào)時(shí)會(huì)馬上動(dòng)作，切斷或接通電源，形成自動(dòng)控制系統(tǒng)。常用的方法是在浮球里裝有磁鐵，浮球運(yùn)行到干簧管的位置時(shí)使干簧管里的開關(guān)動(dòng)作。優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格便宜，幾元到幾十元都有，但是容易受外界環(huán)境影響，易壞。3.2 變頻器在恒溫供水中的作用供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成是，變頻器+水泵+檢測部件+PID調(diào)節(jié)器（目前大多數(shù)變頻器以將PID調(diào)節(jié)器集成到其內(nèi)部），該圖為簡單的單泵控制系統(tǒng)。圖3-6：供水系統(tǒng)的基本

28、構(gòu)圖如圖3-7的補(bǔ)償電阻Rc用于補(bǔ)償壓力遠(yuǎn)傳表電阻值與VLT變頻器輸出電源匹配問題。VLT變頻器的50端子是10V DC電源，專門用于過程控制系統(tǒng)的檢測裝置的供電電源。53端子是模擬量信號(hào)（反饋輸入和模擬量給定值）輸入端。55端子為公共端。圖3-7：內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖VLT2800集成有恒轉(zhuǎn)矩輸出特性和變轉(zhuǎn)矩輸出特性以及速度PID調(diào)節(jié)器和過程控制PID調(diào)節(jié)器，分別用于速度閉環(huán)運(yùn)行控制和過程運(yùn)行的閉環(huán)控制。在供水系統(tǒng)中使用變轉(zhuǎn)矩運(yùn)行特性和過程控制PID調(diào)節(jié)器。4. 系統(tǒng)的的干擾源及對(duì)控制的影響應(yīng)用硬件抗干擾措施是經(jīng)常采用的一種有效抗干擾的方法。實(shí)踐表明通過合理的硬件電路設(shè)計(jì)，可以消弱或抑制絕大部分干擾。

29、工程上廣泛應(yīng)用的的一些硬件抗干擾電路主要包括濾波技術(shù)、去耦電路、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)、接地技術(shù)等。（1）外部對(duì)變頻器的干擾：非線性用電設(shè)備對(duì)變頻器的干擾：由于各種整流設(shè)備、交直流互換設(shè)備、電子電壓調(diào)整設(shè)備、照明設(shè)備等非線性負(fù)載的應(yīng)用，這些負(fù)載成為電網(wǎng)中的大量諧波源，使電網(wǎng)電壓、電流產(chǎn)生波形畸變。變頻器的供電電源受到來自被污染的交流電網(wǎng)的干擾后，若不加以處理，電網(wǎng)噪聲就會(huì)通過電網(wǎng)電源電路干擾變頻器。供電電源對(duì)變頻器的干擾主要有過壓、欠壓、瞬時(shí)掉電；浪涌、跌落；尖峰電壓脈沖；射頻干擾。其次，共模干擾通過變頻器的控制信號(hào)線也會(huì)干擾變頻器的正常工作。補(bǔ)償電容器的投入和切出對(duì)變頻器的干擾：許多用戶都在變電

30、所內(nèi)采用集中電容補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣吖β室驍?shù)，在補(bǔ)償電容器投入和切出的暫態(tài)過程中，網(wǎng)絡(luò)電壓有可能出現(xiàn)很高的峰值。（2）變頻器對(duì)外部的干擾：變頻器對(duì)電網(wǎng)來說也是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)同一電網(wǎng)的其他電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。另外，逆變器采用spwm技術(shù)，當(dāng)其工作于開關(guān)模式并作高速切換時(shí)，產(chǎn)生大量耦合性噪聲,對(duì)共網(wǎng)的其他的電子、電氣設(shè)備來說是一個(gè)電磁干擾源。（3）電磁干擾的傳播途徑：變頻器能產(chǎn)生功率較大的諧波，對(duì)系統(tǒng)其他設(shè)備干擾性較強(qiáng)。其干擾途徑與一般電磁干擾途徑一樣，有電磁輻射、電路耦合、感應(yīng)耦合等。變頻器對(duì)電網(wǎng)來說是非線性負(fù)載，它所產(chǎn)生的諧波對(duì)接入同一電網(wǎng)的其它電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾。

31、當(dāng)變頻器的金屬外殼帶有縫隙或孔洞，則輻射強(qiáng)度與干擾信號(hào)的波長有關(guān)，當(dāng)孔洞的大小與電磁波的波長接近時(shí)，會(huì)形成干擾輻射源向四周輻射。而輻射場中的金屬物體還可能形成二次輻射。同樣，變頻器外部的輻射也會(huì)干擾變頻器的正常工作。上述的電磁干擾除了通過與其相連的導(dǎo)線向外部發(fā)射，還可以通過阻抗耦合或接地回路耦合，將干擾信號(hào)帶入其它電路。比較典型的傳播途徑是：接自工業(yè)低壓網(wǎng)絡(luò)的變頻器所產(chǎn)生的干擾信號(hào)可沿著配電變壓器進(jìn)入中壓網(wǎng)絡(luò)，并沿著其它的配電變壓器最終又進(jìn)入民用低壓配電網(wǎng)絡(luò)，使接自民用配電母線的電氣設(shè)備成為遠(yuǎn)程的受害者。當(dāng)變頻器輸入或輸出電路與其它設(shè)備的電路很近時(shí)，變頻器的高次諧波信號(hào)可通過感應(yīng)的方式耦合到其

32、它設(shè)備中去。其中電流干擾信號(hào)主要以電磁感應(yīng)方式傳播，電壓干擾信號(hào)主要以靜電感應(yīng)方式傳播。電氣設(shè)備中的“地”通常有兩種含義：一種是“大地”，另一種是“工作基準(zhǔn)地”。接地的目的是為了給各電路的工作提供基準(zhǔn)電位同時(shí)還可以增強(qiáng)系統(tǒng)的安全以及抑制干擾。合理的接地，不僅可以保證設(shè)備的正常工作，還可以極好地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)本采集系統(tǒng)來說，我們采用了安全接地、工作接地和屏蔽接地三種。（1）在接地面上，電源地和數(shù)字信號(hào)地互相隔離，減少地線間的耦合。 （2）分別建立交流、直流和數(shù)字信號(hào)的接地通路。（3）將幾條接地通路接到電源公共接地點(diǎn)上，以保證電源電路地線寬，有低的阻抗通道。（4）變頻器要與大地相連，以屏蔽外

33、部干擾作用。5. 結(jié)論本文通過恒溫供水系統(tǒng)的研究，我們可以發(fā)現(xiàn)適用變頻器具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、電路簡單諸多優(yōu)點(diǎn)，無論需要多要溫度的水變頻器總是能正常供水。該系統(tǒng)還適用于許多高溫液體的輸送，這樣能大大的降低了成本和提高了安全性，并且能節(jié)約電能。由于本人的公司主要生產(chǎn)膠布。在生產(chǎn)中對(duì)溫度控制非常嚴(yán)格，所以該系統(tǒng)能達(dá)到恒溫的效果，對(duì)生產(chǎn)有重要的作用。本課題設(shè)計(jì)的具有如下特點(diǎn)：（1）本系統(tǒng)可以自動(dòng)運(yùn)行監(jiān)控，正常運(yùn)行狀態(tài)無需人員看管。（2）本系統(tǒng)才用的變頻器是丹佛斯2800VLT，能充分的利用變頻器，大大的挺高了系統(tǒng)的性價(jià)比。（3）本系統(tǒng)設(shè)置簡單，讀數(shù)方便，能很直觀的看出水的溫度。本課題設(shè)計(jì)的采集系

34、統(tǒng)的不足：（1）在系統(tǒng)制圖的時(shí)候，還沒達(dá)到專業(yè)的要求，還有很多繼續(xù)學(xué)習(xí)和改進(jìn)的地方。（2）在系統(tǒng)制作的時(shí)候，還有些地方?jīng)]注意到。（3）對(duì)于變頻器的研究還是處于初步階段，沒有最大的發(fā)揮變頻器的作用。致謝三年的大專生學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，借些答辯的機(jī)會(huì)，我向所有幫助過我的老師和同學(xué)致以誠摯的謝意。主要感謝導(dǎo)師程瑞龍老師，本文是在導(dǎo)師精心指導(dǎo)下完成的，無論在課題的設(shè)計(jì)還是在論文的撰寫中都凝聚了導(dǎo)師的心血。程老師對(duì)我們每個(gè)同學(xué)的課題完成過程都十分關(guān)注，并熱心指導(dǎo)，再加上程老師精深的專業(yè)知識(shí)、高度的敬業(yè)精神是我們學(xué)習(xí)的榜樣。本人在蘇州華蘇塑料有限公司實(shí)習(xí)，本公司主要產(chǎn)品是各類膠布。在生產(chǎn)中對(duì)溫度控制非常嚴(yán)格

35、，所以該系統(tǒng)能達(dá)到恒溫效果，對(duì)生產(chǎn)有重要作用。在此過程中學(xué)習(xí)了丹佛斯2800VLT的使用以及對(duì)水溫的控制。在此過程中也得到了公司費(fèi)師傅的精心指導(dǎo)。再次感謝各位評(píng)審老師和各位同學(xué)來參加我的畢業(yè)論文答辯。參考文獻(xiàn)1李方園.變頻器原理與維修【M】第一版.西安：機(jī)械工業(yè)出版社，20052王兆義.變頻器應(yīng)用【M】第一版.西安：機(jī)械工業(yè)出版社，20073姚志松.吳軍編.電動(dòng)機(jī)節(jié)能方法與變頻器應(yīng)用實(shí)例【M】第一版.北京：中國電力出版社，20104段蘇振.變頻器的選型，配置與維護(hù)技術(shù)【M】第一版.北京：中國電力出版社，20105中國電子學(xué)會(huì)敏感技術(shù)分會(huì)等編.2008/2009傳感器與執(zhí)行器大全(年卷)-傳感器變送器執(zhí)行器【M】第一版.西安：機(jī)械工業(yè)出版社，20106張振國.工廠電氣控制技術(shù)M第一版.大連：機(jī)械工業(yè)出版社，20067齊占慶.王振臣.電氣控制技術(shù)M第一版.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，20028 建設(shè)部人事教育司組織. 工程電氣設(shè)備安裝調(diào)試工M第一版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，20059 譚維瑜. 電機(jī)與電氣控制M第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200610 李振安. 工廠電氣控制技術(shù)M第一版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008附錄A系統(tǒng)原理圖附錄B元器件清單序列名稱數(shù)