基于永磁同步电机(PMSM)的农用水泵恒扬程系统设计

摘要

近年来国家为农村住宅条件的改善投入了大量的人力物力，收到的效果也非常喜人。现如今很多农民已经从原来低矮的平房搬进了高大的商品房或者自己新建了多层的乡村别墅。但是由于各种原因的限制，中国广大农村地区的供水系统建设远远滞后于住房条件的改善;在很多偏远地区供水设备常年无维修保养，供水管道老化严重，管道漏水率较高，水压不稳定现在已经成为农村自来水供水管理的一个主要问题。
　　现阶段农民普遍采用的方法是在家庭的入水口位置安装一个增压泵，该增压泵可对自来水进行二次加压，然后输送到楼上的各个用水区域，极大地方便了居民生活。市场上的增压泵多采用感应电机(Induction Machine)来直接驱动水泵，但感应电机在使用中存在三个显著的缺点:第一速度不可调，一旦水泵进水口流量发生变化时电机不能及时调整转速，这会造成出水口压力波动;第二噪音大，影响用户的休息和生活;第三效率低，造成能源的浪费。随着电机控制理论和半导体技术的发展，后来出现了变频控制器，它不仅实现电机速度连续可调，还可以将接受到的压力电信号转化为电机的速度输出直接拖动水泵工作。但是随之而来的问题是压力传感器容易受到各种外界因素比如环境温度、管路杂质等影响，过一段时间就需要更换新的配件。这不仅会造成维护成本增加也影响农民正常使用，严重制约了产品的大面积推广。
　　针对现在市场上增压泵系统普遍存在的问题，本文设计了一套基于永磁同步电机(PMSM)的无传感器恒扬程水泵系统。由于采用了永磁同步电机，系统效率更高、电机外形尺寸更小、噪音水平更低，最主要的是无需压力传感器即可实现恒扬程输出。产品成本将更有优势，产品的可靠性也得到提高，长期使用将产生很好的经济回报。除此以外新设计的变频控制器工作电压范围可以从100伏延伸到250伏，为产品将来出口到全球不同的国家做好了准备。
　　本文开发的无传感器恒扬程算法已经在水泵测试系统上进行了测试验证，数据显示当入口流量从0立方米/小、时变化到2.5立方米/小、时时新的水泵系统可以将扬程维持在14.7～15.3米范围内，这基本满足农民使用要求。整机能效对比测试显示采用永磁同步电机后系统能耗比使用感应电机时降低了接近30％，节能效果十分明显。并且为了验证永磁同步电机对噪音的改善我们还进行了噪音测试，测试数据显示永磁同步电机要比感应电机噪音水平低大约5db。新设计的产品填补国内变频增压泵行业空白，在改善农村供水条件的同时大大降低农村用电量，是一款绿色节能的产品，值得广泛推广。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 家用增压泵现状

1．3 本文研究目标及方法

1．4 论文各部分的主要内容

第2章 无传感器恒扬程水泵方案实现

2．1 现有自动增压泵主要问题

2．2 自动增压泵解决方案

2．3 本章小结

第3章 永磁同步电机及其调速控制

3．1 永磁同步电机的特点及应用

3．2 永磁同步电机处于静止坐标系下的数学模型

3．2．1 定子电压方程

3．2．2 定子的磁链方程

3．2．3 定子电磁转矩方程

3．3 坐标变换

3．4 永磁同步电机矢量控制系统

3．5 永磁同步电机弱磁控制

3．6 本章小结

第4章 系统硬件及软件设计

4．1 系统的硬件系统

4．1．1 交流输入电路设计

4．1．2 逆变模块电路设计

4．1．3 主控(DSP)部分电路设计

4．1．4 开关电源电路设计

4．1．5 通讯电路设计

4．2 系统的软件系统

4．2．1 系统软件的总体设计

4．2．2 PMSM矢量控制系统流程图

4．2．3 无传感器恒扬程离心水泵控制算法

第5章 系统测试验证

5．1 恒扬程功能系统测试验证

5．2 整机能效对比测试

5．3 噪音对比测试

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 不足与展望

参考文献

致谢