第六章-变频技术应用课件.ppt

1、第六章第六章 变频技术的综合应用变频技术的综合应用l61变频技术在空调设备上的应用变频技术在空调设备上的应用1变频空调的基本组成l变频空调器主要由室内控制模块，室外控制模块两大部分组成。室外控制模块又由PFC、IPM、室外主控模块组成。图6-1是数字变频空调控制系统的整体框图。室外机控制板PIC18F45J10室内机控制板OC314温度检测室外风机LED显示步 进 电机温度采集过流等保护四通阀存储器室内风机遥控接收/数码管显示变频压缩机智能功率模块整流器2变频器的控制方式l目前变频器对电动机的控制方式大体可分为U/f恒定控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制，非线性控制。PIC18F45J

2、10 特性特性单片机的特殊性能： 工作电压范围：2.0V 至 3.6V 可接受 5.5V输入（仅数字引脚） 片上 2.5V稳压器 低功耗的高速CMOS闪存技术 优化的 C 编译器架构： 为优化重入代码而设计的可选的扩展指令集 中断优先级 8 x 8 单周期硬件乘法器 扩展的看门狗定时器（Watchdog Timer，WDT）： 可编程周期从 4ms到 131s 通过两个引脚进行单电源供电的在线串行编程（In-Circuit Serial Programming(TM)，ICSP(TM)） 通过两个引脚采用三个断点进行在线调试（In-Circuit Debug，ICD） 功耗管理模式： 运行：C

3、PU 打开，外设打开 空闲：CPU 关闭，外设打开 休眠：CPU 关闭，外设关闭 灵活的振荡器结构： 两种晶振模式，频率最高为 40 MHz 两种外部时钟模式，频率最高为 40MHz 内部 31 kHz振荡器 辅助振荡器使用 Timer1（工作频率为32kHz） 双速振荡器起振 故障保护时钟监视器： l 当外设时钟停止时可使器件安全关闭 l 外设特点： 高灌/拉电流25mA/25mA （PORTB和PORTC） 3个可编程外部中断 4个输入电平变化中断 一个捕捉/比较 /PWM（CCP）模块 一个增强型捕捉/比较 /PWM（ECCP）模块： l 1路、 2 路或4 路PWM 输出 l 可选择的

4、极性 l 可编程的死区时间 l 自动关闭和自动重启 2个主控同步串行端口（Master Synchronous Serial Port，MSSP）模块，支持3 线 SPI（共4种模式）和I2C 主/从模式 一个增强型可寻址USART 模块： l 支持RS-485、RS-232 和LIN 1.2 l 起始位自动唤醒 l 自动波特率检测 10位最多13路通道的数/模转换器模块（A/D）： l 自动采集功能 l 可在休眠模式下进行转换 l 自动校准功能 输入复用的双模拟比较器 3变频空调器的工作原理（1） 交流变频空调器的基本原理l 整流滤波原理l 整流器是将交流电源转换为直流电的装置，采用硅整流器

5、件桥式连接，整流器结构分为单相和三相输入。一般变频空调器电功率在2KW以多采用单相电源输入，当电功率在2KW以时，多采用三相电源输入。单相和三相整流电路的不同之处只是在电流中多增加了2个整流二极管。滤波电路的作用是输出直流电压平滑且得到提高，常采用大容量电容器，电容量一般在1500-3000F之间 a功率三极管原理l 功率晶体管并不是我们常说的大功率晶体管，它本质上不是一只管，而是多晶体管的组合，其功率可达上千瓦，内部结构如图6-2 (a)所示。图6-2(a)中晶体管V1和V2组成达林顿结构，这样具有较高的电流放大系数。VD1为加速二极管，当输入端B控制信号从高电平变为低电平的瞬间VD1开始导

6、通，这样可使V1的一部发射极电流经过VDl流到输入端B，从而加快功率晶体管集电极电流的下降速度，即加速了功率晶体管的关断。VD2流二极管可对晶体管V2起保护作用，当功率晶体管关断时，感性负载所存储的能量可通过VD2续流泄放，以保护功率晶体管不被反向击穿。功率晶体管主要用于变频器逆变电路，它具有耐压高、工作电大、开关时间短、饱和压降低等特点。逆变器驱动输入信号l它和普通驱动电路结构相同，即单片机输出控制信号经过反相驱动送逆变功率晶体管基极进行控制。l该电路特点是:单片机输出的是脉冲信号，各驱动脚不能同时导通，驱动集成块的开关速度较快，用一般检测驱动电路的方法很难判断驱动电路的好坏。其具体导通过程

7、参见逆变器原理与检修。功率逆变器原理l 功率逆变器原理。功率逆变器(又称变频模块)是将直流电转换为频率与电压可调的三相交流变流装置，电路如图6-3所示，其由六个功率晶体管组成以开关元件的交一直一交电路电控制线路使每只功率晶体管导通180，且同一桥臂上两只功率晶体管一只导通时，另一只必须关断。相邻两相的元件导通相位差为120度，在任意60内都有三只功率管导通以接通三相负载。VV6为移相功率三极管，VD1VD6为续流二极管。当控制器输出信号时，VlV6使功率逆变器中各功率管分别导通，从而输出频率变化的三相交流电使压缩机运转。 变频空调的核心部分是变频压缩机,变频压缩机按内部结构不同,可分为双转子旋

8、转式压缩机与涡旋式压缩机。按电气结构不不同,可分为交流变频压缩机与直流变频压缩机。l变频压缩机交流压缩机的核心是变频电动机。变频电动机为三相电动机,它克服了单相异步电动机的一些不足,单相异步电动机的旋转磁场是椭圆的,对称性不如三相电动机,且启动性能差、电磁噪声大、体积也比三相电动机大。交流变频压缩机电动机定子与转子同普通三相交流电动机内部结构相同,但输入的为三相脉冲电压。l直流变频压缩机(应称为直流调速压缩机),由于空调制冷系统不允许产生火花,所以直流变频压缩机电动机采用了三相四极无刷电动机(其原理同前面讲的无刷直流电动机相同),该电动机定子结构与普通三相感应电动机相同,但转子结构截然不同,其

9、转子采用四极永久磁铁。二中央空调二中央空调 为保证产品质量，纺织厂要求有一定温湿度，纺线才不断；集成电路生产厂、医药、食品厂要有一定洁净度，才能生产出合格的产品；公寓、写字楼、宾馆、大型商厦等为了人员和工作环境的舒适，都采用了中央空调，集中供暖、供冷。中央空调系统的构成 l中央空调系统主要由以下几个部分组成：l (1)冷冻机组。是中央空调的“致冷源”，通往各个房间的循环水由冷冻机组进行“内部热交换”，降温为“冷冻水”。l (2)冷却水塔。用于为冷冻机组提供“冷却水”。l(3)“外部热交换”系统。由两个循环水系统组成。l 冷冻水循环系统：由冷冻泵及冷冻水管道组成。从冷冻机组流出的冷冻水由冷冻泵加

10、压送人冷冻水管道，在各房间内进行热交换，带走房间内的热量，使房间内的温度下降。从冷冻机组流出、进入房间的冷冻水简称为“出水”；流经所有的房间后回到冷冻机组的冷冻水简称为“回水”。l冷却水循环系统：由冷却泵、冷却水管遣及冷却塔组成。冷冻机组进行热交换，使水温冷却的同时，必将释放大量的热量。该热量被冷却水吸收，使冷却水l温度升高。冷却泵将升了温的冷却水压入冷却塔，使之在冷却塔中与大气进行热交换，然后再将降了温的冷却水，送回到冷冻机组。如此不断循环，带走了冷冻机组释放的热量。流进冷冻机组的冷却水简称为“进水”；从冷冻机组流回冷却塔的冷却水简称为“回水”。(4)冷却风机l室内风机：安装于所有需要降温的

11、房间内，用于将由冷冻水冷却了的冷空气吹人房间，加速房间内的热交换。冷却塔风机：用于降低冷却塔中的水温，加速将“回水”带回的热量散发到大气中去。(5)温度检测。通常使用热电阻。l由此看出，中央空调系统的工作过程是一个不断地进行热交换的能量转换过程。在这里，冷冻水和冷却水循环系统是能量的主要传递者。因此，对冷冻水和冷却水循环系统的控制是中央空调控制系统的重要组成部分。2中央空调的拖动系统l中央空调的拖动系统通常由以下几个部分组成：l 冷冻机组拖动系统；l 冷冻泵拖动系统；l 冷却泵拖动系统；l 风机(包括室内风机和冷却塔风机)拖动系统。3.中央空调的变频调速l (1)变频调速的功能l 变频节能功能

12、l 冷冻泵电机容量是按照天气最热，即热交换量最大时设计的，由于季节和昼夜温差的变化、环境气候的差异、以及人员的流动，实际上，很多时间热交换值远小于设计值。热交换的大小由冷冻水的流量控制，而冷冻水的流量由冷冻泵电机的转速决定。电机耗电量决定于其输出功率，输出功率P与电机转速n的立方成正比，Pn3，而电机转速n与供电频率f成正比，nf，所以电机转速稍有下降，即稍为降低供电频率，输出功率将大幅度下降。若电机转速能根据实际所需的热交换量来调整，电机的功率将大大减少，从而显著节约电能。 软启动与停止功能l 电机为直接启动或Y/启动时，启动电流等于37倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，

13、而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动对设备的使用寿命极为不利，而启、停时，水锤效应极易造成管道破裂。而采用变频调速技术，可通过频率调节来实现电机在很宽的范围内利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，实现了真正意义上的软启动。不但减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，而且能延长设备使用寿命，减少设备维修费用。(2) 变频技术在中央空调中的应用l 中央空调末端送风的变频控制l 在中央空调系统中，冷、暖的输送介质通常是水，在末端将与热交换器充分接触的清洁空气由风机直接送入室内，从而达到调节室温的目的。在输送介质(水)温度恒定的情况下，改变送风量可以改变带入

14、室内的制冷(热)量，从而较方便地调节室内温度。这样，便可以根据自己的要求来设定需要的室温。调整风机的转速可以控制送风量。使用变频器对风机实现无级变速，在变频的同时，输入端的电压亦随之改变，从而节约了能源，降低了系统噪音，其经济性和舒适性是不言而喻的。变风量控制的优点有：节电效果明显；降低空调机组噪声；减轻操作人员的劳动强度；变频器软启动和调速平稳，减少对电网冲击。缺点是一次投入费用较大。中央空调循环水泵变频控制l 对冷冻水系统，其出水温度取决于蒸发器的设定值，回水温度取决于大厦的热负荷，中央空调冷冻水出水温度与冷冻水的回水温度设计最大温差5。如图6-5所示，现采用蒸发器的出水管和回水管路上装有

15、检测其温度的变送器、PID温差调节器和变频器组成闭环控制系统，通过冷冻水的温差(例如T=5)控制，即可使冷冻水泵的转速相应于热负载的变化而变化。对于冷却水系统，由于低温冷却水(冷凝器进水)温度取决于环境温度与冷却塔的工况，只需控制高温冷却水(冷凝器出水)的温度，即可控制温差。采用温度变送器、PID调节器和变频器组成闭环控制系统，冷凝器出水温度控制在T2(例如：37)，使冷却水泵的转速相应于热负载的变化而变化。62变频技术在机变频技术在机 床设备上的应用床设备上的应用l一数控机床一数控机床l 数控机床是由数字控制技术操纵的一切工作母机的总称，是集现代机械制造技术、微电子技术、功率电子技术、通讯技

16、术、控制技术、传感技术、光电技术、液压气动技术等为一体的机电一体化产品，是兼有高精度、高效率、高柔性的高度自动化生产制造设备。l 数控机床一般由机、电两大部分构成。其中电气电子部分主要是由数控系统(CNC)、进给伺服驱动和主轴驱动系统组成。根据数控系统发出的命令要求伺服系统准确快速地完成各坐标轴的进给运动，且与主轴驱动相配合，实现对工件快速的高精度加工。因此，伺服驱动和主轴驱动是数控机床的一个重要组成部分，它的性能好坏对零件的加工精度、加工效率与成本都有重要的影响。而且在整个数控机床成本的构成中也是不可忽视的。由于机床的加工特点，运动系统经常处于四象限运行状态。因此，如何将机械能及时回馈到电网

17、，提高运行效率也是一个极其重要的问题。伺服驱动功率一般在10kW以下，主轴驱动功率在60kW以下。1数控机床的电力驱动及其节能数控机床的电力驱动主要分为3种类型：(1)进给伺服驱动系统。以数控车床为例，伺服系统驱动滚珠丝杠带动刀架运动，实现刀具对工件的加工。当前交流伺服系统已基本上取代了直流伺服装置，这主要是考虑其维护简单和使用性能优良，而很少考虑到效率问题。因为进给伺服系统的功率一般不大，大都采用能耗制动，实现交流化之后，节电效果并不明显。对于高速大功率的进给伺服系统，采用交流变频矢量控制技术，并能实现再生制动，对于经常处于启制动的工况伺服系统来说，采用再生制动方案对节电是有价值的。这对同步

18、型和异步型AC伺服系统来说都是可行的，因为功率电子器件的价格在总成本中的比例不断下降。l(2)主轴驱动系统。高速度高精度主轴驱动技术是数控机床的关键技术之一，主驱动的功率一般在570kW之间，速度高达1500020000rmin。采用感应电动机变频矢量控制或直接力矩自调技术和再生制动方案，可节约大量的电能。现在基本上采用IGBT功率器件，组成双边对等的整流逆变桥，在任何工况下，都可实现四象限运行，这是保证性能和节电的最好方案。l(3)电动机内装式高速交流主轴驱动系统。此系统是主轴驱动的发展方向，应用较广泛。其特点是将机床主轴与交流电动机的转子合二为一，中间没有其他传动部件，从而降低了噪声，减小

19、了体积，简化了结构，节省了材料，降低了成本，消除了传动链的连接误差和磨损，提高了主轴的转速和精度。但对交流电动机及其驱动装置的设计要求很高，既要有很宽的恒功率范围(1：16以上)，还要保持足够的输出转矩，并要求有多条转矩一速度曲线，以适应不同的加工要求。 l总而言之，数控机床的主轴驱动已实现了交流变频调速矢量控制。在保证工艺要求的前提下，从节材、节能的观点看，数控机床主轴交流电动机要实现内装式(即电主轴)，电动机的基本转速尽量降低，恒转矩调速范围下移，尽量扩大恒功率范围，提高最高速度，使调速策略尽可能与负载特性相一致，减小电动机驱动系统的体积与成本，提高效率，改善散热条件。 2主轴变频交流调速

20、l以前齿轮变速式的主轴速度最多只有30段可供选择，无法进行精细的恒线速度控制。而且还必须定期维修离合器；另一方面，直流型主轴虽然可以无级调速，但存在必须维护电刷和最高转速受限制等问题。而主轴采用变频器驱动就可以消除这些缺点。另外，使用通用型变频器可以对标准电动机直接变速传动，所以除去离合器很容易实现主轴的无级调速。l所示为通用型变频器应用于数控车床主轴的设备组成。以往的数控车床一般是用时间控制器确认电动机达到指令速度后才进刀，而变频器由于备有速度一致信号(SU)，所以可以按指令信号进刀，从而提高效率。 l所示为运行模式的一个例子。当工件的直径按锥形变化时(图中的部分)，主轴速度也要连续平滑地变

21、化，从而实现线速度恒定的高效率、高精度切削。对于通常采用主轴直流调速的高级机种，引入主轴专用变频器进行交流调速后，可以得到以下的效果： l (1)由于有更高的主轴速度，可以实现对铝等软工件的高效率切削以及更高精度的最终切削。l (2)由于不需要维护电刷，主轴电动机的安装位置可更自由地选择。l (3)由于采用全封闭式电动机，适应环境性更好。l (4)由于不需要励磁线圈，更节省电能。l 另外，对于通常采用离合器变速的车床，引入通用变频器后，也可取得如下的效果： 二二 车床车床1立式车床l 立式车床对于卧式车床不能加工的铁路车辆的车轮，汽车的轮箍等口径和重量大的工件非常有效。由于要求提高生产率，维护

22、简便等，采用变频器传动方式的立式车床正在增加。l 立式车床的加工工件一般重量很大，所以主轴电动机容量也大，一般是22l00kW。这种等级的电动机，其传动调速部件的离合器、齿轮等机械部分的尺寸也很大，所以使用变频器的效益也就很明显。另外，大外径的工件，从外向内连续切削时，用变频器可实现恒线速切削，从而提高效率。立式车床由于多数不需要突然加减速，所以一般不用专用变频器，而用通用变频器。 图68所示为主轴传动用变频调速的框图。刀架进给采用小容量变频器。工件的惯性从电动机轴上看是电动机惯性的十倍以上，所以必须设置制动装置。刀 l 架进给虽然要横向移动，但并不要求大的转矩，所以一般使用数kW左右的变频器

23、即可。 对于特别要求高精度切削的数控立式车床，使用伺服机构组成系统的设备除了变频器和制动装置外，还有制动放电电阻，底座上升用的油压设备，限幅开关，顺序电路及操作盘等。由于工件的直径很大，所以根据刀具的位置使主轴速度连续变化，以实现恒线速切削。l使用变频器后，取消了离合器、齿轮等机械变速部分，使维护更方便。特别是立式车床的工件(包括底座)惯性很大，所以将机械制动改为电制动具有很大的优越性。此外，由于很容易实现高速运转，所以可以高效率地加工铝等软工件；且无级变速可以做到恒线速加工，所以能提高生产率。2自动车床 自动车床是高速加工滚珠丝杠等精密部件的机床。由通常的凸轮式改变为复合数控车床后，使生产效

24、率大大提高，成为具有稳定加工精度和良好性能指标的机械，从而得到了广泛的应用。对于这种自动车床的主轴采用变频器传动也越来越多。其中切削 切螺纹 切削 螺纹底孔功丝 切削 端面切削对于自动车床，采用具有下列功能的变频器可以缩短加工周期：三磨床三磨床1旋转平面磨床l 旋转平面磨床的台面传动虽然一直采用油压电动机，但工作时油温上升，其结果是机械部分产生热畸变，这对于被称为镜面抛光的加工精度会产生恶劣影响。且油压系统的维护处理也极不方便。采用变频调速可消除这样的问题。图612为床变频调速工作示意图，图中的台面采用变频器传动时，砂轮接近旋转台面中心增加台面转速，反之砂轮接近外围就减小台面转速。重复这样的操

25、作就可以使台上工件的研磨速度与其位置无关而保持恒定，从而提高精度和效率。l 图中RP1RP5的可变电阻用来设定变频器的输出频率，按图613b所示特性设定，其中RP3装在机械部分，其阻值随砂轮位置而变化，应选用可靠性高的产品。图613a中RP1RP5构成的电路给出的变频器频率指令是根据与砂轮往复运动联动的RP3的值来确定的，砂轮靠近中心时大，靠近外围时小。从而台面转速很好地跟踪了变频器频率指令。l 调整时，由RP1设定最大速度，不需要维护。RP3最大时调整RP5，设定中心速度。由于采用数控变频器，使速度再现性好，产品质量稳定。 l使用效果有：l (1)与以往方式(油压电动机方式)相比，对机械部件

26、的热影响降低，因而提高了工件的研磨精度。l (2)与以往方式相比，速度跟踪性能提高使线速度变化减小，降低了工件的表面粗糙度。l (3)速度设定较以往方式更容易，操作简便。l (4)不需要油压保养，机器运转率提高。需要注意的是：l由于反复加减速，选择电动机和变频器时都应确保在其等效额定负载以内。应特别注意制动器的负载。l为确保研磨面的精度和粗糙度，应选择振动小的电动机。l为了减小负载变化对转速的影响，机械设计应考虑在最高电动机转速时也能使用。 2高速磨床l l(1)高速磨床拖动系统的结构和工作特点l高速磨床的主拖动电动机高速磨床主拖动系统使用的电动机不同于普通的异步电动机而称为电主轴。电主轴的外

27、型结构较普通电动机细长，其内部一般均有冷却水腔，目的是消散电主轴高速运转产生的热量。同时采用油雾润滑轴承。正常使用时使油雾压力保持在01012MPa范围内。 电主轴对电源的要求l由于电主轴输入电压及频率的稳定性直接影响着加工件的粗糙度及成品合格率，故对变频电源也提出了一些特殊要求：l a如工频输入电压在(牛10一15)范围内变化时，要求输出电压的变化在土5以内，频率精度及稳定度允许误差为土1。为了保证输出电压的稳定度，必须引入电压反馈环节。l b另外，由于磨床电主轴的工作环境较差，受潮后容易造成对地绝缘电阻减小，甚至短路，加上主电路自关断器件过电流能力差，故为提高整机的安全性能，必须引入完善的

28、高可靠性的过电流及对地保护电路。l c国内的电主轴产品的电压规格较多，一般在220350V之间。而进口设备中的电主轴的电压标准等级多为350V。l电主轴不同于标准电动机，其转动惯量小，低频时阻抗小，工作电流大，不适合长期低频运行，加速时间不应过长，起、制动不能太频繁，应注意选择合适的起动频率。(2)高速磨床的变频调速拖动系统l高速磨床变频调速系统原理：高速磨床变频调速系统的主电路所用变频器为一电压型变频器，二相半控整流桥将三相工频交流电进行可控整流，经过LG滤波器变成比较平直的直流，然后由六组晶体管组成的逆变桥，逆变成频率可调的中频交流电，去拖动电主轴。变频器的输出频率、电压及电流由一些无源元

29、件(电阻)和连线组成的编码板(PR板)决定。l电压给定：编码板所接电阻的大小，决定了送到直流放大器电压的大小，从而控制了三相半控整流桥的移相触发电路，使输出电压受到控制。l频率给定：所接电阻的大小，也决定了送到Uf变频器的电压大小，通过电压一频率转换，得到一个所需的频率。变频器采用软起动方式，通过积分电路，起动时电压和频率同时上升，保持Uf值不变，以得到在起动过程中的恒转矩运行。编码板上的补偿电阻(通常为2.7M)，使电动机在频率很低时，也能得到较大的起动转矩。速度调节电位器可控制电动机的升速和降速。电位器在最大位置时，电动机速度等于其额定转速。电动机制动时，送到电动机的频率及电压按同样积分规

30、律下降，同时变频器接入制动电阻，变频调速系统进入能耗制动状态，制动时间通常为10s左右。 当变频器及输出电流超出额定值时，整流板上的直流电流互感器的电流信号使得晶闸管导通角变小，直流侧电压下降，从而使变频器输出电压下降，限制了负载电流的增长。l 变频器的交流输出端接有中频电流互感器，分别监测过电流及对地短路故障。另外，电路还设有工频电压瞬间过电压吸收保护，电流缺相保护，变频器过热、缺少润滑、电动机过热及超速保护等电路。只要任一种故障动作，立即切断中频输出及整流触发脉冲，面板上将显示出相应的故障类别，有效地保护了负载及变频器。l高速磨床变频器的使用及注意事项：变频器必须根据所用的电主轴配上相应的

31、编码板才能正常工作，根据电主轴的额定频率、电压和电流等，编码板可以配接合适的电阻及连线。l高速磨床变频器使用时应注意以下几点：la电主轴与中频变频器的电气指标应相符。由于一般中频变频器有多种Uf曲线供用户选择，电主轴电压等级较多，在调试中应使电主轴额定电压与选择的额定频率交汇点落在变频器Uf恒转矩特性线段上。若考虑电网的影响，可允许适当偏移。lb根据电主轴结构和特性对变频器进行预置。例如，与标准电动机相比，电主轴具有转动惯量小、低频阻抗小、工作电流大等特点，故不适合长期低频运行，加速时间不应过长，起动不能太频繁，注意选择合适的起动频率。lc不同的使用环境，选择不同的安装方式：一般，中频变频器可

32、安装在保护等级为IP23的金属机箱内，箱内应通风，且应加过滤装置。防尘防潮的场合，应选用IP54的专用金属机箱，满足具有多尘、腐蚀气体和高湿度的引起冷凝环境下变频器正常运行的要求。由于电主轴配有水冷设备、油雾润滑及磨头冷却系统，所以设备长时间断电时会引起凝结，在机箱内应自动起动箱体加热系统，使箱内温度略高于箱外温度。设备停运时，使变频器仍处于通电状态，以达到防冷凝目的。63 变频技术在电梯设备上的应用变频技术在电梯设备上的应用 l 一一 电梯概述电梯概述l 电梯是一种垂直运输工具，它在运行中不但具有动能，而且具有势能。它经常处在正反转、反复起制动过程中。对于载重大、速度高的电梯来说，提高运行效

33、率、节约电能是重点要解决的问题。l 1949年出现群控电梯；1962年美国出现了半导体逻辑控制电梯；1967年晶闸管应用于电梯，使电梯拖动系统大为简化，性能得到提高；1971年集成电路用于电梯，1975年出现了电子计算机控制的电梯；电梯控制技术真正使用了微电子技术与软件技术，进入了现代电梯群控系统的发展时期。l 1983年第一台变压变频电梯诞生，性能完全达到直流电梯的水平。它具有体积小、重量轻、效率高、节省电能等一系列优点，是现代化电梯理想的电力驱动系统。由于电梯轿厢是沿垂直方向做上下直线运动，更理想的驱动方案是交流直线电动机驱动系统，从而省去了由旋转运动变为直线运动的变换机构。 l 由于晶闸

34、管调压调速装置的一些固有缺点，使其调速范围不够宽，调节不够十分平滑，特别是在低速段时不平稳，舒适感与平层精度不够理想，难以实现再生制动等。如果均匀地改变定子供电电源的频率，则可平滑地改变交流电动机的同步转速。在调速时，为了保持电动机的最大转矩不变，需要维持气隙磁通恒定，这就要求定子电压也随之作相应调节，通常是保持Uf=常数。因此，要求向电动机供电的同时要兼有调压与调频两种功能，通常简称VVVF型变频器，用于电梯时常称为VVVF型电梯，简称变频电梯。二电梯构成二电梯构成l 动力来自电动机，一般选11kW或15kW的异步电动机。曳引机的作用有三点：一是调速，二是驱动曳引钢丝绳，三是在电梯停车时实施

35、制动。为了加大载重能力，钢丝绳的一端是轿厢，另一端加装了配重装置，配重的重量随电梯载重量的大小而变化。计算公式如下：配重的重量(载重量2轿厢自重)45。公式中的45是平衡系数，一般要求平衡系数在4550之间。这种驱动机构可使电梯的载重能力大为提高，在电梯空载上行或重载下行时，电动机的负载最小，甚至是处在发电状态；而电梯在重载上行和空载下行时，电动机的负载最大，是处在驱动状态，这就要求电动机在四象限内运行。为满足乘客的舒适感和平层精度，要求电动机在各种负载下都有良好的调速性能和准确停车性能。为满足这些要求，采用变频器控制电动机是最合适的。变频器不但可以提供良好的调速性能，并能节约大量电能，这是目

36、前电梯大量采用变频控制的主要原因。以目前最典型的正弦输入和正弦输出电压源变频驱动系统为例，来说明VVVF变频电梯电力传动系统的工作原理 1系统构成主要有以下几部分：l (1)整流与再生部分。这部分的功能有两个，一是将电网三相正弦交流电压整流成直流，向逆变部分提供直流电源；二是在减速制动时，有效地控制传动系统能量回馈给电网。主电路器件是IGBT模块或IPM模块。根据系统的运行状态，既可作整流器使用，也可作为有源逆变器使用。在传动系统采用能耗制动方案时，这部分可单独采用二极管整流模块，而无需PWM控制电路等相关部分。l (2)逆变器部分。逆变器部分同样是由IGBT或IPM模块组成，其作为无源逆变器

37、，向交流电动机供电。l(3)平波部分。在电压源系统中，由电解电容器构成平波器。(如果是电流源，将由电感器组成)l(4)检测部分。PG作为交流电动机速度与位置传感器，CT作为主电路交流电流检测器，TP作为与三相交流电网同步的信号检测，R为直流母线电压检测器。l(5)控制电路。控制电路一般由微机、DSP、PLC等构成，可选16位或32位微机。控制电路主要完成电力传动系统的指令形成，电流、速度和位置控制，产生PWM控制信号，故障诊断、检测和显示，电梯的控制逻辑管理、通信和群控等任务。2工作原理l 电压反馈信号UF与交流电源同步信号Us送人PWM1电路产生符合电动机作为电动状态运行的PWM1信号，控制

38、正弦与再生部分中的开关器件，使之只作为二极管整流桥工作。当电动机减速或制动时便产生再生作用，功率开关器件在PWM1信号作用下进入再生状态，电能回馈给交流电网。交流电抗器ACL主要是限制回馈到电网的再生电流，减少对电网的干扰，又能起到保护功率开关器件的作用。l 逆变器将直流电转换成幅值与频率可调的交流电，输入交流电动机驱动电梯运行。实行电流环与速度环的PID控制并产生正弦PWM2信号，输出正弦电流。3系统特点l(1)使用交流感应电动机结构简单，制造容易，维护少，适于高速运行。l(2)电力传动效率高，节省电能。电梯属于一种位势负载，在运行时具有动能；因此在制动时，将其回馈电网具有很大意义。l(3)

39、结构紧凑，体积小，重量轻，占地面积大为减少。 三电梯的控制方式三电梯的控制方式l中、低速电梯所采用的速度控制方式主要是笼型电动机的晶闸管定子电压控制，这种方式很难实现转矩控制，且低速时由于使用在低效率区，能量损耗大，此外功率因数也很大。图617所示为高速、超高速电梯系统。由于其电动机输出功率大，会产生电动机噪声，因此整流器采用了晶闸管，同时采用PAM控制方式。另外，高速、超高速电梯所采用的晶闸管直流供电方式由于使用直流电动机，增加了维护换向器和电刷等麻烦，而且晶闸管相位控制在低速运行时功率因数较低。采用变频器可大幅度改善这些缺点。l整流器采用晶闸管可逆方式，起到了将负载端产生的再生功率送回电源

40、的作用。对于中、低速电梯，其系统是整流器使用二极管，变频器使用晶体管。从电梯的电动机侧看，包括绳索在内的机械系统具有510Hz的固有振荡频率。如果电动机产生的转矩波动与该固有频率一致，就会产生谐振，影响乘坐的舒适性，因此尽量使电动机电流接近正弦波非常重要。变频器控制超高速电梯的运行特性如图618所示。从舒适性考虑，加减速的最大值通常限制在09ms2以下。l由于必须使电梯从零速到最高速平滑地变化，变频器的输出频率也应从几乎是零频率开始到额定频率为止平滑地变化。l对于中、低速电梯，变频方式与通常的定子电压控制相比较，耗电量减少12以上，且平均功率因数显著改善，电源设备容量也下降了l2以上。l对于高

41、速、超高速电梯，就节能而言，由于电动机效率提高，功率因数改善，因此输入电流减少，整流器损耗相应减少。与通常的晶闸管直流供电方式相比，可预期有510的改善。另外，由于平均功率因数的提高，电梯的电源设备容量可能减少2030。64 变频技术在电线生产线上的应用变频技术在电线生产线上的应用l 电线电缆挤出生产线用于将特定的塑胶材料加热后，通过特定的模具包覆到裸铜线上，从而形成特定形状的电缆。五类/超五类电缆电气性能除了对于直径，耐压等级有要求以外，还对高频信号通过电缆的衰减,回波等有严格的要求（至少不低于100MHZ） ；PROFIBUS 电缆就是一种超五类缆对于高频特性的在线检测的是水中电容仪，只要

42、水中电容值在规定的范围内，该段电缆的大部分高频特性就可以得到保证。通常采用英国 BETA 公司出品的电容仪；除了自带的显示器之外还具有 RS232 接口的数据端口. 对于直径的在线检测则采用激光外径测试仪。该仪表的显示器可选，PID 控制器可选，RS232 数据端口为标准配置。 实现了PLC+HMI+西门子 MM440 矢量变频器来实现该生产线的控制。 一设备的简单工艺说明和硬件系统一设备的简单工艺说明和硬件系统l如图619所示，成卷的裸铜线从主动式放线架上引出，经摆杆张力架进入校直机，铜线预热机，进入置于挤出机终端的眼模，这时，来自挤出机的胶料就包覆在铜线上。经过包覆后的导线进入电容水槽冷却

43、，经过外径检测仪，再进入冷却水槽（冷却水槽末端安装有电容仪），由牵引机引出。2动力部分 lMM440 5.5KW(放卷) 1PCS lMM440 11KW(主螺杆) 1PCS lMM440 2.2KW(附机和收卷) 2PCS lMM440 3.7KW(牵引机) 1PCS收卷机牵引机电容检测仪冷 却 水 槽电容水槽外径检测仪主挤出机附挤出机主动式放线架张力摆臂角位移检测二控制系统的功能和编程实现二控制系统的功能和编程实现l 1放线（卷）装置的张力控制 l 整条线需要均衡的张力才不至于电缆被拉伸导致物理性能和电气性能发生变化。牵引装置将电线向前拉，速度由用户决定，那么，放线装置需要跟随牵引机的速度

44、变化，这样才能保证电线的张力一致。很明显，这是典型的张力 PID 控制。张力控制的解决方案：采用 SIEMENS MM440自带的 PID 控制。张力摆杆的角度变化信号用一个舞蹈轮电位器检测回来，输入到 MM440的 AI1作为 PID 控制器的反馈，PID 给定值有内部参数 P2889 或 P2990 按百分比给出，根据 MM440 使用大全 PID 控制的功能图，采用一个外部点控制 PID 的投入和退出，以满足手动和自动的切换。 相关参数如下：l P0701=99（DI1 使能 BICO，作为启动信号） l P0703=99（DI3 使能 BICO，作为 PID 切换信号） l P2200

45、=722.2（使用 DI3 来切换手动和 PID 自动）l P0757=0（AI1 的 X1） P0758=-100%（AI1 的 Y1） l P0759=10（AI1 的 X2） P0760=100%（AI1 的 Y2） l P2253=2889（PID 给定值来源于 P2889） l P2889=0%（张力摆杆平衡点的位置） l P2264=755.0（PID 反馈值来源于 AI1） l P2267=100%（反馈值的上限） P2268=-100%（反馈值的下限） l P2291=100%（PID 上限幅） P2292=-100%（PID 下限幅） l P2280=0.325（已经调试的最

46、佳经验值） l P2285=0.85 （已经调试的最佳经验值） l P0840=722.0（使用 DI1 作为启动信号） l其中的 AI 输入的标定，PID 反馈/PID 输出的限幅，PID 参数是 PID 成败的关键。 PID 放卷经过用户严格和反复的测试，完全超越了硬件 PID控制板的性能，用于放 0.4mm 的铜线，张力恒定在 250 克（专用张力表测量） ；线速度达到 400M/MIN，牵引马达在 15S 内速度降到零，仍可以保证摆臂的自动平衡。 2挤出螺杆的温度控制l螺杆本身包括模具在内有 7 段温区，注条机 3 个温区，电容水槽 1 个温区，因为该胶料是发泡材料，发泡程度对温度极其

47、敏感而影响外径和电容值，客户要求控制在正负 1 度。 温度控制方法本来可以采用脉宽调制法而无需 PID，但精度要求恐怕达不到需求（实践证明一般可到正负 3度） ，因此，拟采用 PID提高控制精度；温度控制的解决方法：采用 2台 CPU，分担温度 PID 控制。 3双 CPU 之间的数据交换和 HMIl（TP270-10）的通讯处理 l因为采用两台 CPU，不可避免的需要在两台 CPU 之间交换数据，采用方法：在两台 CPU 之间直接使用 MPI 的全局数据通讯，这种方法不增加任何的硬件开支和软件编写，工作量最小，组态调试最方便。 4外径测试仪和电容仪的 RS232 通讯 l这两台外设均自带 R

48、S232 接口，支持简单的数据通讯，系统需要根据取回的外径数据做不同的处理，这在下节中讨论。所以，采用 2 块 CP340（RS232）模块来实现和两台外设的自由口通讯 。三外径的自适应控制三外径的自适应控制l 对于外径仪而言，需要将读回的外径数据（实际值）来控制牵引机（或挤出螺杆）的速度，一旦发现实际外径大于给定外径，PLC 系统需要加快牵引机的速度，这样包覆在铜线上的胶料减少而减小外径使二者平衡。反之降低牵引机速度，是实际直径增大而使二者平衡。 本来外径仪的硬件 PID控制器是可选件，但是由于其价格昂贵，因此，设备制造商希望取消该控制器来降低相关的硬件成本，所以，用 PLC 来实现对线径的

49、误差控制就成了很重要的需求。 解决方案：将牵引机的速度分为主给定和辅助给定，其中主给定和挤出螺杆联动（由同一个电位器分压给出） ，辅助给定标定为正负 10V 对应正负20%，而辅助给定由外径实际值和外径给定值之差决定大小和方向，这样，和 PID 控制器一样具有跟随特性，相当于一个P控制器。l该系统的放线装置采用了 MM440 的 PID 控制（速度模式下的内置 PID） ，可以保证用户使用 0.4MM裸线在 400M/MIN 的情况下，牵引机突然停机（10S的减速时间）不断线。相比原有使用硬件 PID控制板性能有大幅度提高，而且省去了 PID板，降低了设计成本和维修成本，提高了生产效率。65

50、变频技术在风机上的应用变频技术在风机上的应用l通常工业锅炉上的鼓风、引风机、给水泵通常工业锅炉上的鼓风、引风机、给水泵都是电机以定速运转，再通过改变风机人都是电机以定速运转，再通过改变风机人口的挡板开度来调节风量，以及通过改变口的挡板开度来调节风量，以及通过改变水泵出口管路上的调节阀开度来调节给水水泵出口管路上的调节阀开度来调节给水量。而风机和水泵的最大特点是负载转矩量。而风机和水泵的最大特点是负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。因此，如将电机的定速运转，方成正比。因此，如将电机的定速运转，改为根据需要的流量来调节电机的转速就改为根据需要的