为不同频率的交流电，或者是把交流电整流成直流电再逆变成不同频率的交流电，在这些变化过程中，有一个共性问题就是供电电源频率都产生了变化。现在人们常说的变频技术主要是指交流变频调速技术，它是将工频交流电通过不同的技术手段变换成不同频率的交流电[6]。 2.2.2 变频器结构分类
从变换频率的过程来看，变频器分为交-直-交和交-交两种形式。交-直-交变频器是先把工频交流电 50Hz 通过整流变成直流电,然后再把直流电变换成电压和频率均可调的交流电，又称之为间接式变频器[7]。而交-交变频器可将工频交流电直接变换成电压、频率均可调的交流电，称为直接式变频器。目前市场上通用变频器多是交-直-交变频器这种形式的，其基本结构图如图 2-3 所示。
整流器AC逆变器MAC控制指令控制指令控制指令运行指令 图2-3 交-直-交变频器的基本结构
交-直-交变频器结构可分为主电路和控制电路。其中主电路由整流器、中间直流电路、逆变器构成，现将各部分的功能分述如下：
1、主电路：整流器由整流二极管构成，它的作用是把三相或单相的工
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频交流电变换成直流电；中间直流电路一般采用电感和电容构成，利用其储能特性来吸收脉动的电压（电流），起到抑制电信号波动的作用，使整流后的直流电更加平滑；逆变器是由晶闸管构成，它的主要作用是将平滑的直流电源转换为频率及电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路有两种分别是有源逆变和无源逆变其中有源逆变是将直流电变换成工频交流电，而无源逆变是将直流电变换成频率可以调节的交流电。
2、控制电路：它是变频器的核心，是给变频器主电路提供各种控制信号的电路。变频器的控制电路具体包括调节运算电压、频率的电路和对其信号进行放大的驱动电路、检测主电路电压、电流和电机速度的电路、I/O 接口电路及保护电路等。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制及完成各种保护功能。 2.2.3 变频器与PLC使用USS通信
使用USS通信协议，用户程序可以通过调用子程序的方式实现S7-200PLC与MM4系列变频器之间通信，程序量不是很大，使用的硬件接线少，是一种比较方便的通信方式。通信网络由PLC和变频器内置的RS485通信接口及双绞线组成，一台S7-200PLC最多可以监控31台变频器，本课题在设计过程中，关于PLC与变频器之间的通信，便是采用此种通信方式[11]。
1、USS 通信协议的功能
S7系列PLC可以采用通用的USS串行接口协议与MM4系列变频器通信。所有的西门子变频器均带有一个RS-485串行通信接口。根据各个变频器的地址或者采用广播方式，可以访问通信的变频器。主站可以发送通信请求报文，而从站不可以发送通信请求报文，只有接收到主站的请求报文才可以向主站发送数据，所有从站之间不能进行数据信息交换。
2、USS协议指令
（1）使用USS协议指令步骤
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首先编写用户程序，然后USS_INIT指令初识化，为USS指令库分配V存储区，接下去用变频器的操作面板设置变频器的通信参数，使之与用户程序中所用的波特率和从站地址相符合，最后用通信电缆将PLC与变频器之间相应端口连接起来便完成USS协议指令的操作。
（2）初始化指令USS_INIT
初始化指令用于允许、初始化或禁止变频器的通信。在执行其他USS协议指令前，必须要先执行USS_INIT。
（3）变频器控制指令USS_CTRL
USS_CTRL指令用于控制激活状态下的变频器，每台变频器只能使用一条这样的指令。
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第3章 系统的总体分析
3.1 供水系统的要求
3.1.1 供水系统电机运行分析
变频恒压供水系统的执行机构是通过变频调速控制的电动机，它是整个供水系统的动力源泉。一般是由三相异步电动机拖动水泵旋转实现供水，并且把电动机和水泵做成一个整体，通过改变变频器供电频率，可以调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量实现恒压供水。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。当然，三相异步电动机的调速还可以通过改变电动机的磁极对数 p 和改变电动机的转差率 s 这两种方式来实现，这里所分析的变频供水系统不是采用前面说的两种，它是通过变频器改变电动机定子供电频率，从而改变同步转速实现调速的[13]。由异步电动机的工作原理可以知道，异步电动机的转速公式如下3-1式所示：
n?n1(1?s)?60f(1?s)P （3-1）
其公式中为n1异步电机的同步转速，它是60倍的工频f与电动机磁极对数p的比值；s为异步电动机转差率,它是异步电动机的同步转速n1跟电动机转子转速n的差值与同步转速n1的比值。从上式可知，当磁极对数p和转差率s固定不变时，电机转子转速 n 与只定子电源频率 f 成正比，因此连续调节异步电机供电电源 f的频率，就可以连续平滑的调节三相异步电动机转速，从而控制水泵循环工作实现恒压供水。
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3.1.2 供水系统的特性分析
图3-1所示为离心式水泵供水的基本特性，其中 H 和 Q 分别表示供水系统扬程和流量。图中两条曲线均是在供水管路中的阀门开度固定的前提下描绘出的扬程特性曲线和管阻特性曲线[10]。
H（m）扬程特性曲线HA管阻特性A曲线0QAQ(m2/s)
图3-1 供水系统的基本特性
从上图曲线可以看出，供水系统的扬程值 H 越小，管路供水流量Q越大。由于管阻特性是以水泵转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，系统扬程H与流量Q之间的关系，管阻特性反映了水泵的能量用来克服水体在管道中的流动阻力、水泵系统的水位及压力差的变化规律。因此，管阻特性所反映的是扬程H与供水流量QG之间的关系。而在水泵的转速和阀门开合程度都固定的情况下，流量的大小主要取决于用户在不同时间段的用水情况，因此，扬程特性所反映的是用水流量 Qu与扬程 H 之间的关系。由于阀门开和程度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称之为供水系统的工作点，如图 3-1 中 A 点。在这一点，用户的用水流量 Qu和供水系统的供水流量 QG处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定
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