CN2232599Y

CN2232599Y - 可控硅调压调速给水系统通用控制器

Info

Publication number: CN2232599Y
Application number: CN 95231274
Authority: CN
Inventors: 关玉林; 张继弘
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-30
Filing date: 1995-05-30
Publication date: 1996-08-07
Anticipated expiration: 2005-05-30

Abstract

本实用新型涉及一种对普通三相异步交流电动机采取可控硅调压调速，具有完善数字，模拟接口及安全保护系统的给水系统通用控制器，包括交流电动机调速部分、主控部分、键盘/显示部分等，交流电动机调速部分，由单片计算机电路、同步电路、通讯接口电路、驱动接口电路、可控硅触发模块电路、可控硅主电路、电流检测电路等组成，可实现按时段对给水系统进行变压或恒压给水控制，具有过流保护，结构简单，性能稳定，易于维修。

Description

可控硅调压调速给水系统通用控制器

本实用新型涉及一种对普通三相异步交流电动机采取可控硅调压调速，具有完善数字，模拟接口及安全保护系统的给水系统通用控制器。它不仅可控制生活用水系统，而且具有消防水源系统控制功能。用它组成给水系统不仅成本低，功能强，安全可靠，而且非常简单易学没有任何软件工作，只要在现场用小键盘简单地设定一下就可以了。

目前国内城市的自来水水压过低，几乎所有的高层建筑都备有自来水增压系统，一般称自来水给水系统。这些给水系统大至分成三大类。一类是二次水源加水泵及高位水箱组成的系统，其缺点是需要一个高位水箱，占地面积大，能耗大。第二类给水系统是气压罐式给水设备，它虽省去了高位水箱，但是又增加了一个气压罐，机械设备还是很庞大且复杂，维护很麻烦，投资也大。第三类给水设备是基于变频器的给水系统，其缺点是一次投资较大，变频器的成本高，大功率管较易损坏，维修技术难度大，维修费用高，控制系统复杂，需自行开发微机系统，对系统设计人人员的素质要求高。

本实用新型的目的是克服含变频器的给水系统控制装置存在的缺点，提供一种去掉变频器，结构简单，性能稳定，易于维修的给水系统控制器。

本实用新型包括交流电动机调速部分、主控部分、键盘/显示部分等，其特征是交流电动机调速部分中连有复位电路和晶振电路的单片计算机u₄，其三个输入端与构成同步电路的光电耦合器O₁～O₃输出端相连；构成通讯接口电路的接口组件u₆两输入端脚A、B分别连插件端子，其输出端送至单片机u₄的串行数据输入端脚；单片机u₄的P₁口输出端脚经构成驱动电路的驱动器u₅至可控硅触发模块SD₁～SD₆控制端，可控硅触发模块SD₁～SD₆输出端接可控硅主电路的三路反并联可控硅SCR₁～SCR₆的可控制极，三路反并联可控硅SCR₁～SCR₆两端分别接A、B、C相和连至电动机的接线端子，配置于A、B、C三相电路的电流检测电路中电流互感器I₁～I₃同名端经整流、分压接单片计算机u₄的比较输入端，同步电路中的光电耦合器O₁～O₃输入端经串联的电阻R₁₅～R17和二极管D₁₀～D₁₂直接与A、B、C三相电相接，光电隔合器O₁的输出端是经反相器T₄连单片计算机u₄输入端，可控硅触发模块中隔离电源的时基组件u₁输出端经晶体三极管T1连隔离变压器SB初级，隔离变压器SB次极经整流桥B1及滤波电容E1连电子开关电路的晶体三级管T2发射极，T2集电极经二级管D6至由电阻R6、电容C3构成的抗干扰电路其开关控制电路的光电耦合器U3输入端和输出端分别为控制端和构成泄放电路的晶体三极管T3和电阻R9、R10，触发控制电路的光电耦合器u2输入端和输出端分别为触发端和电子开关电路的T₂基极。

本实用新型可实现按时段对给水系统进行变压或恒压给水控制，并具有电动机驱动时的过流保护。不但结构简单，性能稳定，易于维修，而且其控制器的成本较变频器方案降低三分之二，安装时操作者不用懂微机就能按装配图就象装一个配电盘一样地组装一个给水系统，甚至在现场就能完成组装调试工作。

附图说明：

图1为本实用新型中的交流电动机调速部分电原理图；

图2为本实用新型中的主控部分电原理图；

图3为本实用新型中的键盘/显示部分电原理图；

图4为本实用新型中的与给水系统的应用实例电原理图；

图5为本实用新型交流电动机调速部分中可控硅触发模块框图；

图6为本实用新型交流电动机调速部分中可控硅触发模块电原理图；

图7为本实用新型中的交流电动机调速部分框图；

图8为本实用新型中的主控部分框图；

图9为本实用新型中的键盘/显示部分框图；

图10为健盘/显示部分程序框图；

图11为电动机调整部分程序框图；

图12为主控器程序框图。

本实用新型的交流电动机调速部分(见图7)，1.是由单片计算机电路、2.同步电路、3.通讯接口电路、4.驱动接口电路、5.可控硅触发模块电路、6.可控硅主电路、7.电流检测电路等组成。从图1可见，单片计算机电路是由单片计算机u₄、复位电容E₃、晶体振子CRY及电容C₄、C₅等组成。E₃的正极接+5V电源，负极接u₄的1脚及接插件J₁-3脚，CRY的一端接C₄的一端及u₄的5脚，接插件的J₁-5脚，C₄的另一端接地，晶振CRY的另一端接C5的一端及u₄的4脚，C₅的另一端接地，同步电路是由二极管D₁₀～D₁₂，光电耦合器O₁～O₃、三极管T₄，电阻R₁₃～R₁₉等组成。二极管D₁₀的负极、D₁₁、D₁₂的正极分别依次同端子T₈-1，T₈-2，T₈-3相接，D₁₀的正极，D₁₁、D₁₂的负极分别依次同电阻R₁₅～R₁₇的一端相接，R₁₅～R₁₇的另一端分别依次接O₁的2脚、O₂、O₃的第1脚，O₁的1脚、O₂、O₃的第2脚都接端子T₈-4，O₁-O₃的第3脚都接地，R₁₄的一端接电源+5V，另一端接O₁的4脚，R₁₃的一端接+5V，另一端接T₄的集电极及u₄的6脚，T₄的基极接O₁的4脚，发射极接地，R₁₈的一端接+5V，另一端接O₂的4脚及u₄的7脚，R₁₉的一端接+5V，另一端接O₃的4脚及u₄的8脚，当A相电压由负向正方向变化过″O″时，O₁的发光二极管将由导通变为截止，O₁的4脚将由低电平变成高电平，T₄也就将由截止变成饱合导通，于是就在T₄的集电极输出一个负跳变到u₄的6脚，对u₄产生一个中断，这个中断时刻就是A相过″O″的时刻，于是就得到了这个同步信号；同理当B相和C相由负向正方向变化时，将分别在O₂、O₃的第4脚得到一个负跳变，这两个负跳变分别送到u₄的7脚和8脚，u₄就可根据它们跳变的时刻计算出三相交流电的相序是否正确，如果不正确则报警停机。通讯接口电路是由485专用接口电路U₆及电阻R₁₂组成，这是一个标准的485接口，u₆的8脚接+5V，7脚接R₁₂的一端及J_1-1，6脚接R₁₂另一端及J1-2，5脚接地，u₆的1脚是接收数据输出端，它接到u₄的数据接收端2脚，u₆的2、3脚接u₄的9脚，当u₄的9脚为低电平时，u₆是接收状态，高电平时u₆是发送状态，u₆的4脚是数据发送端，它接到u₄的数据发送脚3。驱动电路是由总线驱动器u₅及三极管T₅、电阻R₂₀等组成u₅是为了提高u₄的驱动能力面设置的，u₄的14～19脚分别依次接u₅的14、12、10、6、4、2脚，u₄的11脚接u₅的1、15脚及T₅的基极，电阻R₂₀的一端接+5V，另一端接T₅的基极，u₅的3、13、7、5、11、9脚分别依次接可控硅驱动模块SD₁～SD₆的3脚，当u₄x的11脚输出为高电平时，u₅变高阻输出，T₅饱合导通，SD₁～SD₆关闭，不会产生触发信号，当u₄的11脚变成低电平时，u₅为开放，SD₁～SD₆也被开放，u₄可以通过P12～P17口去分别驱动SD₁～SD₆。可控硅触发模块SD₁～SD₆是完全相同的模块，模块的结构(见图5)，是由DC/DC隔离电源(1)，电子开关(2)，抗干扰电路(3)，开/关控制电路(4)，触发控制电路(5)等组成。

下面详细介绍一下可控硅触发模块结构及其原理(见图6)，DC/DC隔离电源(1)是由时基组件U₁，电阻R₁～R₃，电容C₁、C₂、E₁、E₂，三极管T₁，二极管D₁，整流桥B₁及隔离变压器SB等组成，B₁的一端接+5V输入端子，另一端接R₂及U₁的第7脚，R₂的另一端与U₁的第2脚，第6脚及C₁的一端相连，C₁的另一端接电源地输入端子GND，U₁的第5脚经C₂接电源地，U₁的第8脚接+5V，这样就组成了一个多谐振荡器，振荡器的输出端是U₁的第3脚，U₁的第3脚经电阻R₃接到三极管T₁的基极，T₁的发射极接电源地，集电极接SB的第3脚，SB的第2脚接+5V电源，第1脚接二极管D₁的负极，D₁的正极接电源地，当U₁输出方波经R₃作用到T₁的基极时，在T₁的集电极上产生了一个同频率的放大了的交流电流经SB的L₁耦合到线圈L₃，L₃的4端接整流桥B₁的AC输入端1，L₃的5端接B₁的AC输入端2，B₁的直流输出端3、4分别接到电容E₁的正端和负端，耦合到L₃上的交流信号经B₁的整流和E₁的滤波就得到了与输入+5V电源相隔离的直流电源。L₁和D₁的作用是当T₁关断时将SB中储存的磁能转换成电能反馈到电源中去，从而降低功耗又可保护T₁不受高压的冲击。电子开关是由三极管T₂，二极管D₆，电阻R₄、R₅等组成。T₂的发射极接E₁的正极，基极接R₄，集电极接D₆的正极，D₆的负极接R₅的一端，当U₂的4脚变成低电平时，T₂的发射投基极将有电流流过，T₂的发射极与集电极将饱和导通，E₁储存的电荷将经T₂、R₅输出到模块的5脚去触发可控硅。当U₂的第4脚恢复成高电平时，T₂将关断，也就没有触发电流输出了。抗干扰电路是由R₆、C₈、D₇等组成，B₆、C₃的一端及D₇的负极接输出脚5及R₅的一端，R₆，C₃的另一端及D₇的正极都接输出脚6，R₆、C₃是用来吸收高频干扰信号防止高频信号对可控硅的误触发，D₇的作用是为使可控硅的触发极不受过高负电压冲击而改置的。开/关控制电路是控制模块开/关的电路，它是由二极管D₈，光电耦合器件U₃，三极管T₃，电阻R₈、R₉、R10等组成，D₈的正极接U₁的第4脚，负极接开/关控制输入脚2及U₃的第2脚，U₃的第1脚经电阻R₈接+5V电源，U₃的3脚接触发输出脚6，4脚经电阻R₁₀接T₃的基极，T₃的集电极经电阻R₉接输出脚6，当开/关控制输入脚2为低电平时，此信号一方面经D₈将U₁关闭，DC/DC变换器停止工作，另一方面U₃的3、4脚之间将导通，T₃的基极将有电流流过，T₃饱合导通，E₁中的电荷将经T₃、R₉放掉，这时再有触发信号输入也不会有触发电流输出，当2脚恢复高电平时，U₁将重新起动，T₃关闭，E₁很快就会建立起电压，又可以输出触发电流了。触发控制电路是由二极管D₉，光电耦合器U₂，电阻R₇等组成D₉的正极接U₁的4脚，负极接触发输入脚3及U2的第2脚，U₂的第1脚经R₇接+5V，U₂的4脚接电阻R₄，3脚接触发输出6脚，当模块3脚输入为低电平时，一方面经D₉将U₁暂时关闭，防止输入低电平时间过长时可能造成对可控硅的误触发，另一方面U₂的4脚与3脚间饱和导通，T₂的基极将有电流流过，T₂也将饱合导通，E₁中的电荷将输出到输出脚5去触发可控硅，3脚恢复成高电平时T₂将关断，U₁又恢复工作，向E₁充电准备下一次触发用的电能。从图1可见SD₁～SD₆的第1脚都接+5V，第4脚都接地，第2脚都接T₅的集电极，第3脚分别依次接u₅的第3、13、7、5、11、9脚，SD₁～SD₂的第5脚分别依次接SCR₁～SCR₆的触发极，第6脚分别仪次接SCR₁～SCR₆的阴极，当模块的第3脚得到一个负脉冲时，在模块的第5脚上就得到一个正的触发脉冲。可控硅主电路实际上就是由六只可控硅SCR₁～SCR₆组成，SCR₁与SCR₄反并联控制A相，SCB₃与SCR₆反并联控制B相，SCR₅与SCR₂反并联控制C相，SCR₁的阳极和SCR₄的阴极接端子T₅-1，SCR₁的阴极和SCR₄的阳极接端子T5-4，SCR₃的阳极和SCR₆的阴极接端子T₅-2，SCB₃的阴极和SCR₆的阳极接端子T₅-5，SCR₅的阳极和SCR₂的阴极接端子T₅-3，SCR₅的阴极和SCR₂的阳极接端子T_5-6，三相380V交流电通过端子T₅-1～T₅-3输入，经过可控硅再由T₅-4～T₅-6输出到电动机，通过改变可控硅的触发角，就改变了输出到电动机上的电压，也就改变了电动机的转速。电流检测电路是由电流互感器I₁、I₂、I₃，二极管D₁～D₆，稳压管Z₁，电阻R₁₁，电位器P₁，P₂等组成，I₁～I₃的同名端分别依次接二极管D₁～D₃的正极，另一端接到一起，二极管D₄～D₅的负极分别接D₁～D₃的正极，而正极都接地，I₁～I₃的2脚接在一起，二极管D₁～D₃的负极都接到R₁₁和P₂的一端及Z₁的负极，R₁₁和P₁的另一端接地，Z₁的正端也接地，P₂的中间头接u₄的13脚，P1的一端接+5V另一端接地，中间端接u₄的12脚，当主回路有一交变电流流过时，将在I₁～I₃上得到一个正比与主回路电流的交变电流，此电流经D₁～D₆组成的全桥整流，就在R₁₁上得到一个正比与主回路电流的直流电压，此电压经P₂分压后送u₄的内部比较器正输入端，P₁的分压值送u₄内部比较的负输入端，两个电压相比较就测出主回路是否过流，通过改变P₁和P₂的分压值就能改变主回路的限流值。

主控部分(见图8)是由单片计算机(1)、输入接口电路(2)、输出接口电路(3)、复位电路(4)、通讯接口(5)、日历时钟电路(6)、信号放大电路(7)、A/D转换电路(8)等组成，详见图(2)。单片计算机电路是由标准的51系列、单片机u₇，E²ROM存储器u₁₈，电阻R₂₅，晶体振子CRY₂，电容C₃，C₄，E₆等组成输入接口电路是由总线驱动电路u₁₀，DC/DC变换器u₁₉，电阻R₂₈～R₅₁，LED1～8，三极管T₇-T₁₄，光电耦合器G₁～G₈等组成，这是一个标准的8路光电隔离式输入电路，8路的结构完全一样，现只对一路说明，当输入端子T₂-1相对T₂-9的电阻小到一定程度时，T₇的基极将有一足够大的电流流过，T₇的发射极与集电极间将饱合导通，电阻R₂₈和G₁的发光二极管将有电流流过，于是G₁的4脚变成低电平，此信号经u₁₀送到u₇，就被单片计算机收到了，同时LED₁发光指示T₂-1有信号输入，u₁₉是标准的DC/DC变换器，由它可以得到一个与计算机系统地相隔离的12V电源+12V′，E₇是滤波电容，u₁₀是用作总线隔离器，当u₁₀的19，1两脚变成低电平时，G₁～G₈的输出信号才能送到计算机总线上，反之u₁₀将变成高阻态。输出接口电路是由继电器JZC₁～JZC₈续流二极管D₁₄～D₂₁，同相驱动器u₁₁：A～u₁₁：F及u₁₂：A，U₁₂：B组成，这是8路完全相同的标准的继电器输出接口电路，u₇的P₁₀～P₁₇分别驱动JZC₁～JZC₈，当u₇的P₁₀～P₁₇变成低电平时，相应同相驱动器也变成低电平，JZC₁～JZC₈的线圈将有电流流过，常开触点吸合，则在端子T₁-1～T₁-8上就有220V电压输出，这些输出可以用来驱动交流接触器等设备。复位电路是由专用器件u₁₅，按钮RESET等组成，当按钮按下或上电时，u₁₅的7脚将产生一个复位脉冲，另外当u₁₅的第6脚在1.6秒内没有得到一个变化的电平，7脚也将产生一个复位脉冲。通讯接口u₁₆也是一个标准的485接口电路与前面谈到的完全一样，主控器的控制命令和数据就是经过此接口分别送到交流电动机驱动电路及键盘/显示电路的，日历时钟电路是由地址及命令锁存电路u₈，时钟电路u₁₇，电容C₈、C₉、E₈，电阻R₂₇，RP₁～RP₄，二极管D₁₃，三极管T₆，电池BT₁及晶体振子CRY₁等组成，这也是一个标准的电路，当系统有电时+5V通过T₆，R₂₇向BT₁充电，当系统停电时，BT₁的电能经D₁₃向u₁₇提供，维持u₁₇的工作，所以系统停电后时钟仍然走时正常，这就避免了停电后要重新设置时钟，u₇将要读数据的地址和命令锁存在u₈中，再从P₂₀～P₂₃口将数据读入u₇，也可以先将数据通过P₂₀～P₂₃送到u₁₇的D₀～D₈，再在u₈中锁存相应的地址和命令，这样就可以通过系统对时钟进行设置了。信号放大电路是由通用运算放大器u₉，电容E₄，E₅，电阻R₂₁～R₂₄，电位器P₄、P₃等组成，其结构是两个标准的同向放大器，P₄，P₃是用来调整放大倍数，E₄，E₅是滤干扰电容，由远传压力表送来的水压信号经端子T₃-1，T₃-4分别接两个放大器的正输入端，放大器的输出接A/D转换器的输入端。A/D转换电路是由A/D转换器u₁₄或非门u₁₃：A、u₁₃：B、u₁₃：D等组成的，是一个常用的总线结构，u₁₃：A，U₁₃：B是读写信号的反向器，u₁₃：D是u₁₄中断信号的反向器，它们是为匹配接口电平而设置的，由于这已是一种标准的电路，所以这里就不详述了，要说明的是此A/D转换电路设置的目的是将生活用水系统和消防用水系统的水压信号进行模数转换，送计算机运算对系统进行压力闭环控制及监视系统的工作情况。键盘/显示电路(见图9)是由单片计算机(1)、电子开关电路(2)、LED驱动电路(3)、键盘电路(4)、报警指示电路(5)、通讯接口(6)等组成，从图3可见。单片机电路是由51系列单片机u₂₀，复位电容E₉，晶体振子CRY₃，电容C₁₀，C₁₁等组成，这是一个标准线路，电子开关电路是由译码电路u₂₄，限流电阻R₆₄～R₇₁，三极管T₁₅～T₂₀等组成，当u₂₄的某一输出端变成低电平时，相应的三极管的基极就有电流流过，发射极与集电极之间就饱合导通，与之相连的一组LED或数码管就得到了电压。LED驱动电路是由总线驱动器u₂₁，电阻R₅₆～B₆₃等组成，电阻R₅₆～R₆₃分别接到所有数码管的a、b、c、d、e、f、g段及小数点P上，当u₂₁的输出端为低电平，同时相应的电子开关也打开数码管的相应段才能亮，一次只能点亮一个数码管或一组LED，当高速地轮流点亮这些数码管和LED时，就好象同时都亮一样，这是一种通用的、经济的方案。键盘电路是由总线驱动器u₂₂，按钮A₁～A₈组成，当某一按钮按下时，u₂₂的相应输入端就变成低电平，u₂₀就可通过u₂₂将信号读到，再经通讯接口送到主控器作相应的处理。报警及显示电路是由与非门u₂₃：B，电阻R53～R₅₅，三极管T₂₃，LED₉、LED₁₀，讯响器BB₁等组成，R₅₅与LED₁₀组成电源指示电路，T₂₃，u₂₃；B，R₅₃，R₅₄，LED₉，BB₁组成报警电路，当u₂₀的6脚输出一个低电平时，u₂₃：B将输出一个高电平，T₂₃饱合导通，LED₉发光，BB₁发出声响进行声光报警，LED₁₁～LED₂₂是作工作状态指示，数码管S₁～S₆是作时间、日期及数据的显示之用。通讯接口是由u₂₅，R₅₂及u₂₃：A组成，这也和电动机驱动电路中谈到的接口电路完全相同这里不再详述。

本可控硅调压调速给水系统通用控制器的使用方法，见图4给出的一种典型使用实例，这个实例是一个具有消防功能的自来水给水系统，DD₁、DD₂是生活用水系统水泵的电动机，DD₃、DD₄是消防系统水泵电动机，RJ₁～RJ₃是热继电器，ZC₂、ZC₃、ZC₄是生活用水系统电动机主回路的交流接触器，ZC₁是主接触器，ZC₅、ZC₆是消防系统电动机控制接触器，K₁、K₂是空气开关，用来控制主回路的电源和控制电路的电源。K₃是生活系统自动/手动控制开关，用来控制生活系统的工作方式，K₅是消防系统的自动/手动控制开关，是用来控制消防系统的工作方式，K₄是生活系统手动起动开关，K₆、K₇是消防系统的手动起动开关，YKH是遥控设备，PP₁、PP₂是生活系统及消防系统的远传压力表，它们分别接到控制器的模数转换器转入端子T₃-1～T₃-3，T₄-1～T₄-3，SF是消防系统起动开关，水位传感器分别接到输入端子T₂-4、T₂-5、T₂-6、T₂-9及T₂-1、T₂-2、T₂-3、T₂-9。键盘/显示单元通过J₂与控制器相连。

系统接图4组成后，首先通过键盘将控制数据输入控制器，当面板指示正常后将K₃置自动状态后，系统就自动起动了，系统的工作状态时实显示在控制面板上，当水源有问题是系统自动报警，停机。

Claims

1.一种可控硅调压调速给水系统通用控制器，包括交流电动机调速部分、主控部分、键盘/显示部分等，其特征是交流电动机调速部分中连有复位电路和晶振电路的单片计算机u₄，其三个输入端与构成同步电路的光电耦合器O1～O₃输出端相连；构成通讯接口电路的接口组件u₆两输入端脚A、B分别连插件端子，其输出端送至单片机u₄的串行数据输入端脚；单片机u₄的P₁口输出端脚经构成驱动电路的驱动器u₅至可控硅触发模块SD₁～SD₆控制端，可控硅触发模块SD₂～SD₆输出端接可控硅主电路的三路反并联可控硅SCR₁～SCR₆的控制极，三路反并联可控硅SCR₁～SCR₆两端分别接A、B、C相和连至电动机的接线端子，配置于A、B、C三相电路的电流检测电路中电流互感器I₁～I₃同名端经整流、分压接单片计算机u₄的比较输入端。

2.按照权利要求1所述的控制器，其特征是同步电路中的光电耦合器O₁～O₃输入端经串联的电阻R₁₅～R₁₇和二极管D₁₀～D₁₂直接与A、B、C三相电相接，光电隔合器O₁的输出端是经反相器T₄连单片计算机u₄输入端。

3.按照权利要求1所述的控制器，其特征是可控硅触发模块中隔离电源的时基组件u₁输出端经晶体三极管T1连隔离变压器SB初级，隔离变压器SB次极经整流桥B1及滤波电容E1连电子开关电路的晶体三级管T2发射极，T2集电极经二级管D6至由电阻R6、电容C3构成的抗干扰电路，其开关控制电路的光电耦合器U3输入端和输出端分别为控制端和构成泄放电路的晶体三极管T3和电阻R9、R10，触发控制电路的光电耦合器U2输入端和输出端分别为触发端和电子开关电路的T₂基极。