專利名稱：可控硅調壓調速給水系統(tǒng)通用控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種對普通三相異步交流電動機采取可控硅調壓調速，具有完善數字，模擬接口及安全保護系統(tǒng)的給水系統(tǒng)通用控制器。它不僅可控制生活用水系統(tǒng)，而且具有消防水源系統(tǒng)控制功能。用它組成給水系統(tǒng)不僅成本低，功能強，安全可靠，而且非常簡單易學沒有任何軟件工作，只要在現場用小鍵盤簡單地設定一下就可以了。
目前國內城市的自來水水壓過低，幾乎所有的高層建筑都備有自來水增壓系統(tǒng)，一般稱自來水給水系統(tǒng)。這些給水系統(tǒng)大至分成三大類。一類是二次水源加水泵及高位水箱組成的系統(tǒng)，其缺點是需要一個高位水箱，占地面積大，能耗大。第二類給水系統(tǒng)是氣壓罐式給水設備，它雖省去了高位水箱，但是又增加了一個氣壓罐，機械設備還是很龐大且復雜，維護很麻煩，投資也大。第三類給水設備是基于變頻器的給水系統(tǒng)，其缺點是一次投資較大，變頻器的成本高，大功率管較易損壞，維修技術難度大，維修費用高，控制系統(tǒng)復雜，需自行開發(fā)微機系統(tǒng)，對系統(tǒng)設計人人員的素質要求高。
本實用新型的目的是克服含變頻器的給水系統(tǒng)控制裝置存在的缺點，提供一種去掉變頻器，結構簡單，性能穩(wěn)定，易于維修的給水系統(tǒng)控制器。
本實用新型包括交流電動機調速部分、主控部分、鍵盤/顯示部分等，其特征是交流電動機調速部分中連有復位電路和晶振電路的單片計算機u4，其三個輸入端與構成同步電路的光電耦合器O1～O3輸出端相連；構成通訊接口電路的接口組件u6兩輸入端腳A、B分別連插件端子，其輸出端送至單片機u4的串行數據輸入端腳；單片機u4的P1口輸出端腳經構成驅動電路的驅動器u5至可控硅觸發(fā)模塊SD1～SD6控制端，可控硅觸發(fā)模塊SD1～SD6輸出端接可控硅主電路的三路反并聯可控硅SCR1～SCR6的可控制極，三路反并聯可控硅SCR1～SCR6兩端分別接A、B、C相和連至電動機的接線端子，配置于A、B、C三相電路的電流檢測電路中電流互感器I1～I3同名端經整流、分壓接單片計算機u4的比較輸入端，同步電路中的光電耦合器O1～O3輸入端經串聯的電阻R15～R17和二極管D10～D12直接與A、B、C三相電相接，光電隔合器O1的輸出端是經反相器T4連單片計算機u4輸入端，可控硅觸發(fā)模塊中隔離電源的時基組件u1輸出端經晶體三極管T1連隔離變壓器SB初級，隔離變壓器SB次極經整流橋B1及濾波電容E1連電子開關電路的晶體三級管T2發(fā)射極，T2集電極經二級管D6至由電阻R6、電容C3構成的抗干擾電路其開關控制電路的光電耦合器U3輸入端和輸出端分別為控制端和構成泄放電路的晶體三極管T3和電阻R9、R10，觸發(fā)控制電路的光電耦合器u2輸入端和輸出端分別為觸發(fā)端和電子開關電路的T2基極。
本實用新型可實現按時段對給水系統(tǒng)進行變壓或恒壓給水控制，并具有電動機驅動時的過流保護。不但結構簡單，性能穩(wěn)定，易于維修，而且其控制器的成本較變頻器方案降低三分之二，安裝時操作者不用懂微機就能按裝配圖就象裝一個配電盤一樣地組裝一個給水系統(tǒng)，甚至在現場就能完成組裝調試工作。


圖1為本實用新型中的交流電動機調速部分電原理圖；圖2為本實用新型中的主控部分電原理圖；圖3為本實用新型中的鍵盤/顯示部分電原理圖；圖4為本實用新型中的與給水系統(tǒng)的應用實例電原理圖；圖5為本實用新型交流電動機調速部分中可控硅觸發(fā)模塊框圖；圖6為本實用新型交流電動機調速部分中可控硅觸發(fā)模塊電原理圖；圖7為本實用新型中的交流電動機調速部分框圖；圖8為本實用新型中的主控部分框圖；圖9為本實用新型中的鍵盤/顯示部分框圖；圖10為健盤/顯示部分程序框圖；
圖11為電動機調整部分程序框圖；圖12為主控器程序框圖。
本實用新型的交流電動機調速部分(見圖7)，1.是由單片計算機電路、2.同步電路、3.通訊接口電路、4.驅動接口電路、5.可控硅觸發(fā)模塊電路、6.可控硅主電路、7.電流檢測電路等組成。從圖1可見，單片計算機電路是由單片計算機u4、復位電容E3、晶體振子CRY及電容C4、C5等組成。E3的正極接+5V電源，負極接u4的1腳及接插件J1-3腳，CRY的一端接C4的一端及u4的5腳，接插件的J1-5腳，C4的另一端接地，晶振CRY的另一端接C5的一端及u4的4腳，C5的另一端接地，同步電路是由二極管D10～D12，光電耦合器O1～O3、三極管T4，電阻R13～R19等組成。二極管D10的負極、D11、D12的正極分別依次同端子T8-1，T8-2，T8-3相接，D10的正極，D11、D12的負極分別依次同電阻R15～R17的一端相接，R15～R17的另一端分別依次接O1的2腳、O2、O3的第1腳，O1的1腳、O2、O3的第2腳都接端子T8-4，O1-O3的第3腳都接地，R14的一端接電源+5V，另一端接O1的4腳，R13的一端接+5V，另一端接T4的集電極及u4的6腳，T4的基極接O1的4腳，發(fā)射極接地，R18的一端接+5V，另一端接O2的4腳及u4的7腳，R19的一端接+5V，另一端接O3的4腳及u4的8腳，當A相電壓由負向正方向變化過″O″時，O1的發(fā)光二極管將由導通變?yōu)榻刂?，O1的4腳將由低電平變成高電平，T4也就將由截止變成飽合導通，于是就在T4的集電極輸出一個負跳變到u4的6腳，對u4產生一個中斷，這個中斷時刻就是A相過″O″的時刻，于是就得到了這個同步信號；同理當B相和C相由負向正方向變化時，將分別在O2、O3的第4腳得到一個負跳變，這兩個負跳變分別送到u4的7腳和8腳，u4就可根據它們跳變的時刻計算出三相交流電的相序是否正確，如果不正確則報警停機。通訊接口電路是由485專用接口電路U6及電阻R12組成，這是一個標準的485接口，u6的8腳接+5V，7腳接R12的一端及J1-1，6腳接R12另一端及J1-2，5腳接地，u6的1腳是接收數據輸出端，它接到u4的數據接收端2腳，u6的2、3腳接u4的9腳，當u4的9腳為低電平時，u6是接收狀態(tài)，高電平時u6是發(fā)送狀態(tài)，u6的4腳是數據發(fā)送端，它接到u4的數據發(fā)送腳3。驅動電路是由總線驅動器u5及三極管T5、電阻R20等組成u5是為了提高u4的驅動能力面設置的，u4的14～19腳分別依次接u5的14、12、10、6、4、2腳，u4的11腳接u5的1、15腳及T5的基極，電阻R20的一端接+5V，另一端接T5的基極，u5的3、13、7、5、11、9腳分別依次接可控硅驅動模塊SD1～SD6的3腳，當u4x的11腳輸出為高電平時，u5變高阻輸出，T5飽合導通，SD1～SD6關閉，不會產生觸發(fā)信號，當u4的11腳變成低電平時，u5為開放，SD1～SD6也被開放，u4可以通過P12～P17口去分別驅動SD1～SD6?？煽毓栌|發(fā)模塊SD1～SD6是完全相同的模塊，模塊的結構(見圖5)，是由DC/DC隔離電源(1)，電子開關(2)，抗干擾電路(3)，開/關控制電路(4)，觸發(fā)控制電路(5)等組成。
下面詳細介紹一下可控硅觸發(fā)模塊結構及其原理(見圖6)，DC/DC隔離電源(1)是由時基組件U1，電阻R1～R3，電容C1、C2、E1、E2，三極管T1，二極管D1，整流橋B1及隔離變壓器SB等組成，B1的一端接+5V輸入端子，另一端接R2及U1的第7腳，R2的另一端與U1的第2腳，第6腳及C1的一端相連，C1的另一端接電源地輸入端子GND，U1的第5腳經C2接電源地，U1的第8腳接+5V，這樣就組成了一個多諧振蕩器，振蕩器的輸出端是U1的第3腳，U1的第3腳經電阻R3接到三極管T1的基極，T1的發(fā)射極接電源地，集電極接SB的第3腳，SB的第2腳接+5V電源，第1腳接二極管D1的負極，D1的正極接電源地，當U1輸出方波經R3作用到T1的基極時，在T1的集電極上產生了一個同頻率的放大了的交流電流經SB的L1耦合到線圈L3，L3的4端接整流橋B1的AC輸入端1，L3的5端接B1的AC輸入端2，B1的直流輸出端3、4分別接到電容E1的正端和負端，耦合到L3上的交流信號經B1的整流和E1的濾波就得到了與輸入+5V電源相隔離的直流電源。L1和D1的作用是當T1關斷時將SB中儲存的磁能轉換成電能反饋到電源中去，從而降低功耗又可保護T1不受高壓的沖擊。電子開關是由三極管T2，二極管D6，電阻R4、R5等組成。T2的發(fā)射極接E1的正極，基極接R4，集電極接D6的正極，D6的負極接R5的一端，當U2的4腳變成低電平時，T2的發(fā)射投基極將有電流流過，T2的發(fā)射極與集電極將飽和導通，E1儲存的電荷將經T2、R5輸出到模塊的5腳去觸發(fā)可控硅。當U2的第4腳恢復成高電平時，T2將關斷，也就沒有觸發(fā)電流輸出了?？垢蓴_電路是由R6、C8、D7等組成，B6、C3的一端及D7的負極接輸出腳5及R5的一端，R6，C3的另一端及D7的正極都接輸出腳6，R6、C3是用來吸收高頻干擾信號防止高頻信號對可控硅的誤觸發(fā)，D7的作用是為使可控硅的觸發(fā)極不受過高負電壓沖擊而改置的。開/關控制電路是控制模塊開/關的電路，它是由二極管D8，光電耦合器件U3，三極管T3，電阻R8、R9、R10等組成，D8的正極接U1的第4腳，負極接開/關控制輸入腳2及U3的第2腳，U3的第1腳經電阻R8接+5V電源，U3的3腳接觸發(fā)輸出腳6，4腳經電阻R10接T3的基極，T3的集電極經電阻R9接輸出腳6，當開/關控制輸入腳2為低電平時，此信號一方面經D8將U1關閉，DC/DC變換器停止工作，另一方面U3的3、4腳之間將導通，T3的基極將有電流流過，T3飽合導通，E1中的電荷將經T3、R9放掉，這時再有觸發(fā)信號輸入也不會有觸發(fā)電流輸出，當2腳恢復高電平時，U1將重新起動，T3關閉，E1很快就會建立起電壓，又可以輸出觸發(fā)電流了。觸發(fā)控制電路是由二極管D9，光電耦合器U2，電阻R7等組成D9的正極接U1的4腳，負極接觸發(fā)輸入腳3及U2的第2腳，U2的第1腳經R7接+5V，U2的4腳接電阻R4，3腳接觸發(fā)輸出6腳，當模塊3腳輸入為低電平時，一方面經D9將U1暫時關閉，防止輸入低電平時間過長時可能造成對可控硅的誤觸發(fā)，另一方面U2的4腳與3腳間飽和導通，T2的基極將有電流流過，T2也將飽合導通，E1中的電荷將輸出到輸出腳5去觸發(fā)可控硅，3腳恢復成高電平時T2將關斷，U1又恢復工作，向E1充電準備下一次觸發(fā)用的電能。從圖1可見SD1～SD6的第1腳都接+5V，第4腳都接地，第2腳都接T5的集電極，第3腳分別依次接u5的第3、13、7、5、11、9腳，SD1～SD2的第5腳分別依次接SCR1～SCR6的觸發(fā)極，第6腳分別儀次接SCR1～SCR6的陰極，當模塊的第3腳得到一個負脈沖時，在模塊的第5腳上就得到一個正的觸發(fā)脈沖。可控硅主電路實際上就是由六只可控硅SCR1～SCR6組成，SCR1與SCR4反并聯控制A相，SCB3與SCR6反并聯控制B相，SCR5與SCR2反并聯控制C相，SCR1的陽極和SCR4的陰極接端子T5-1，SCR1的陰極和SCR4的陽極接端子T5-4，SCR3的陽極和SCR6的陰極接端子T5-2，SCB3的陰極和SCR6的陽極接端子T5-5，SCR5的陽極和SCR2的陰極接端子T5-3，SCR5的陰極和SCR2的陽極接端子T5-6，三相380V交流電通過端子T5-1～T5-3輸入，經過可控硅再由T5-4～T5-6輸出到電動機，通過改變可控硅的觸發(fā)角，就改變了輸出到電動機上的電壓，也就改變了電動機的轉速。電流檢測電路是由電流互感器I1、I2、I3，二極管D1～D6，穩(wěn)壓管Z1，電阻R11，電位器P1，P2等組成，I1～I3的同名端分別依次接二極管D1～D3的正極，另一端接到一起，二極管D4～D5的負極分別接D1～D3的正極，而正極都接地，I1～I3的2腳接在一起，二極管D1～D3的負極都接到R11和P2的一端及Z1的負極，R11和P1的另一端接地，Z1的正端也接地，P2的中間頭接u4的13腳，P1的一端接+5V另一端接地，中間端接u4的12腳，當主回路有一交變電流流過時，將在I1～I3上得到一個正比與主回路電流的交變電流，此電流經D1～D6組成的全橋整流，就在R11上得到一個正比與主回路電流的直流電壓，此電壓經P2分壓后送u4的內部比較器正輸入端，P1的分壓值送u4內部比較的負輸入端，兩個電壓相比較就測出主回路是否過流，通過改變P1和P2的分壓值就能改變主回路的限流值。
主控部分(見圖8)是由單片計算機(1)、輸入接口電路(2)、輸出接口電路(3)、復位電路(4)、通訊接口(5)、日歷時鐘電路(6)、信號放大電路(7)、A/D轉換電路(8)等組成，詳見圖(2)。單片計算機電路是由標準的51系列、單片機u7，E2ROM存儲器u18，電阻R25，晶體振子CRY2，電容C3，C4，E6等組成輸入接口電路是由總線驅動電路u10，DC/DC變換器u19，電阻R28～R51，LED1～8，三極管T7-T14，光電耦合器G1～G8等組成，這是一個標準的8路光電隔離式輸入電路，8路的結構完全一樣，現只對一路說明，當輸入端子T2-1相對T2-9的電阻小到一定程度時，T7的基極將有一足夠大的電流流過，T7的發(fā)射極與集電極間將飽合導通，電阻R28和G1的發(fā)光二極管將有電流流過，于是G1的4腳變成低電平，此信號經u10送到u7，就被單片計算機收到了，同時LED1發(fā)光指示T2-1有信號輸入，u19是標準的DC/DC變換器，由它可以得到一個與計算機系統(tǒng)地相隔離的12V電源+12V′，E7是濾波電容，u10是用作總線隔離器，當u10的19，1兩腳變成低電平時，G1～G8的輸出信號才能送到計算機總線上，反之u10將變成高阻態(tài)。輸出接口電路是由繼電器JZC1～JZC8續(xù)流二極管D14～D21，同相驅動器u11A～u11F及u12A，U12B組成，這是8路完全相同的標準的繼電器輸出接口電路，u7的P10～P17分別驅動JZC1～JZC8，當u7的P10～P17變成低電平時，相應同相驅動器也變成低電平，JZC1～JZC8的線圈將有電流流過，常開觸點吸合，則在端子T1-1～T1-8上就有220V電壓輸出，這些輸出可以用來驅動交流接觸器等設備。復位電路是由專用器件u15，按鈕RESET等組成，當按鈕按下或上電時，u15的7腳將產生一個復位脈沖，另外當u15的第6腳在1.6秒內沒有得到一個變化的電平，7腳也將產生一個復位脈沖。通訊接口u16也是一個標準的485接口電路與前面談到的完全一樣，主控器的控制命令和數據就是經過此接口分別送到交流電動機驅動電路及鍵盤/顯示電路的，日歷時鐘電路是由地址及命令鎖存電路u8，時鐘電路u17，電容C8、C9、E8，電阻R27，RP1～RP4，二極管D13，三極管T6，電池BT1及晶體振子CRY1等組成，這也是一個標準的電路，當系統(tǒng)有電時+5V通過T6，R27向BT1充電，當系統(tǒng)停電時，BT1的電能經D13向u17提供，維持u17的工作，所以系統(tǒng)停電后時鐘仍然走時正常，這就避免了停電后要重新設置時鐘，u7將要讀數據的地址和命令鎖存在u8中，再從P20～P23口將數據讀入u7，也可以先將數據通過P20～P23送到u17的D0～D8，再在u8中鎖存相應的地址和命令，這樣就可以通過系統(tǒng)對時鐘進行設置了。信號放大電路是由通用運算放大器u9，電容E4，E5，電阻R21～R24，電位器P4、P3等組成，其結構是兩個標準的同向放大器，P4，P3是用來調整放大倍數，E4，E5是濾干擾電容，由遠傳壓力表送來的水壓信號經端子T3-1，T3-4分別接兩個放大器的正輸入端，放大器的輸出接A/D轉換器的輸入端。A/D轉換電路是由A/D轉換器u14或非門u13A、u13B、u13D等組成的，是一個常用的總線結構，u13A，U13B是讀寫信號的反向器，u13D是u14中斷信號的反向器，它們是為匹配接口電平而設置的，由于這已是一種標準的電路，所以這里就不詳述了，要說明的是此A/D轉換電路設置的目的是將生活用水系統(tǒng)和消防用水系統(tǒng)的水壓信號進行模數轉換，送計算機運算對系統(tǒng)進行壓力閉環(huán)控制及監(jiān)視系統(tǒng)的工作情況。鍵盤/顯示電路(見圖9)是由單片計算機(1)、電子開關電路(2)、LED驅動電路(3)、鍵盤電路(4)、報警指示電路(5)、通訊接口(6)等組成，從圖3可見。單片機電路是由51系列單片機u20，復位電容E9，晶體振子CRY3，電容C10，C11等組成，這是一個標準線路，電子開關電路是由譯碼電路u24，限流電阻R64～R71，三極管T15～T20等組成，當u24的某一輸出端變成低電平時，相應的三極管的基極就有電流流過，發(fā)射極與集電極之間就飽合導通，與之相連的一組LED或數碼管就得到了電壓。LED驅動電路是由總線驅動器u21，電阻R56～B63等組成，電阻R56～R63分別接到所有數碼管的a、b、c、d、e、f、g段及小數點P上，當u21的輸出端為低電平，同時相應的電子開關也打開數碼管的相應段才能亮，一次只能點亮一個數碼管或一組LED，當高速地輪流點亮這些數碼管和LED時，就好象同時都亮一樣，這是一種通用的、經濟的方案。鍵盤電路是由總線驅動器u22，按鈕A1～A8組成，當某一按鈕按下時，u22的相應輸入端就變成低電平，u20就可通過u22將信號讀到，再經通訊接口送到主控器作相應的處理。報警及顯示電路是由與非門u23B，電阻R53～R55，三極管T23，LED9、LED10，訊響器BB1等組成，R55與LED10組成電源指示電路，T23，u23；B，R53，R54，LED9，BB1組成報警電路，當u20的6腳輸出一個低電平時，u23B將輸出一個高電平，T23飽合導通，LED9發(fā)光，BB1發(fā)出聲響進行聲光報警，LED11～LED22是作工作狀態(tài)指示，數碼管S1～S6是作時間、日期及數據的顯示之用。通訊接口是由u25，R52及u23A組成，這也和電動機驅動電路中談到的接口電路完全相同這里不再詳述。
本可控硅調壓調速給水系統(tǒng)通用控制器的使用方法，見圖4給出的一種典型使用實例，這個實例是一個具有消防功能的自來水給水系統(tǒng)，DD1、DD2是生活用水系統(tǒng)水泵的電動機，DD3、DD4是消防系統(tǒng)水泵電動機，RJ1～RJ3是熱繼電器，ZC2、ZC3、ZC4是生活用水系統(tǒng)電動機主回路的交流接觸器，ZC1是主接觸器，ZC5、ZC6是消防系統(tǒng)電動機控制接觸器，K1、K2是空氣開關，用來控制主回路的電源和控制電路的電源。K3是生活系統(tǒng)自動/手動控制開關，用來控制生活系統(tǒng)的工作方式，K5是消防系統(tǒng)的自動/手動控制開關，是用來控制消防系統(tǒng)的工作方式，K4是生活系統(tǒng)手動起動開關，K6、K7是消防系統(tǒng)的手動起動開關，YKH是遙控設備，PP1、PP2是生活系統(tǒng)及消防系統(tǒng)的遠傳壓力表，它們分別接到控制器的模數轉換器轉入端子T3-1～T3-3，T4-1～T4-3，SF是消防系統(tǒng)起動開關，水位傳感器分別接到輸入端子T2-4、T2-5、T2-6、T2-9及T2-1、T2-2、T2-3、T2-9。鍵盤/顯示單元通過J2與控制器相連。
系統(tǒng)接圖4組成后，首先通過鍵盤將控制數據輸入控制器，當面板指示正常后將K3置自動狀態(tài)后，系統(tǒng)就自動起動了，系統(tǒng)的工作狀態(tài)時實顯示在控制面板上，當水源有問題是系統(tǒng)自動報警，停機。
權利要求1.一種可控硅調壓調速給水系統(tǒng)通用控制器，包括交流電動機調速部分、主控部分、鍵盤/顯示部分等，其特征是交流電動機調速部分中連有復位電路和晶振電路的單片計算機u4，其三個輸入端與構成同步電路的光電耦合器O1～O3輸出端相連；構成通訊接口電路的接口組件u6兩輸入端腳A、B分別連插件端子，其輸出端送至單片機u4的串行數據輸入端腳；單片機u4的P1口輸出端腳經構成驅動電路的驅動器u5至可控硅觸發(fā)模塊SD1～SD6控制端，可控硅觸發(fā)模塊SD2～SD6輸出端接可控硅主電路的三路反并聯可控硅SCR1～SCR6的控制極，三路反并聯可控硅SCR1～SCR6兩端分別接A、B、C相和連至電動機的接線端子，配置于A、B、C三相電路的電流檢測電路中電流互感器I1～I3同名端經整流、分壓接單片計算機u4的比較輸入端。
2.按照權利要求1所述的控制器，其特征是同步電路中的光電耦合器O1～O3輸入端經串聯的電阻R15～R17和二極管D10～D12直接與A、B、C三相電相接，光電隔合器O1的輸出端是經反相器T4連單片計算機u4輸入端。
3.按照權利要求1所述的控制器，其特征是可控硅觸發(fā)模塊中隔離電源的時基組件u1輸出端經晶體三極管T1連隔離變壓器SB初級，隔離變壓器SB次極經整流橋B1及濾波電容E1連電子開關電路的晶體三級管T2發(fā)射極，T2集電極經二級管D6至由電阻R6、電容C3構成的抗干擾電路，其開關控制電路的光電耦合器U3輸入端和輸出端分別為控制端和構成泄放電路的晶體三極管T3和電阻R9、R10，觸發(fā)控制電路的光電耦合器U2輸入端和輸出端分別為觸發(fā)端和電子開關電路的T2基極。
專利摘要本實用新型涉及一種對普通三相異步交流電動機采取可控硅調壓調速，具有完善數字，模擬接口及安全保護系統(tǒng)的給水系統(tǒng)通用控制器，包括交流電動機調速部分、主控部分、鍵盤/顯示部分等，交流電動機調速部分，由單片計算機電路、同步電路、通訊接口電路、驅動接口電路、可控硅觸發(fā)模塊電路、可控硅主電路、電流檢測電路等組成，可實現按時段對給水系統(tǒng)進行變壓或恒壓給水控制，具有過流保護，結構簡單，性能穩(wěn)定，易于維修。
文檔編號G05D16/20GK2232599SQ9523127
公開日1996年8月7日 申請日期1995年5月30日 優(yōu)先權日1995年5月30日
發(fā)明者關玉林, 張繼弘 申請人:張繼弘