触摸屏控制的中央空调系统设计.doc

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1、摘 要中央空调主要用来实现室内的恒温 。在现代工厂企业、办公大楼、商厦、酒店等环境中，中央空调系统得到了广泛的运用，用来给人们提供一个舒适的生产和生活环境。但是，空调的耗电量非常大，在能源短缺的当前形势下，对空调系统进行有效的自动控制，从而使其运行节能，具有重大意义。中央空调系统除主机的耗能外，风机、冷冻、冷却水泵是第二大耗能设备，由于风机、冷冻、冷却泵的配置是按夏季最大流量(在此基础上还要放大余量)来确定的，而实际使用中由于气候情况，客观流量活动内容等各种因素的变化，所需负荷的不断变化(负荷极少达到最大值)。因此为使中央空调系统温度稳定，需要按工况变化对风机、冷冻、冷却泵进行调节，这都需要有

2、较好的自动控制模块。随着电力电子技术、微电子技术的发展，应用变频调速技术与PLC自动控制系统可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度，并使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等优点，因此可用于新建的中央空调中也可用于对大量旧式中央空调的技术改造，具有广泛的应用领域。在本文中，以某小区中央空调系统为例，从中央空调的工作原理、PLC和变频器的工作原理、如何实现基于触摸屏的PLC和变频器在中央空调中的应用等几个主要方面较为详细地阐述如何实现中央空调系统的集中控制。关键字：中央空调、PLC、变频器、触摸屏ABSTRACTCentral air conditioning is mainly used

3、 to achieve room temperature. In modern factories and enterprises, office buildings, commercial buildings, hotels, environment, central air conditioning system has been widely used, to give people a comfortable living or producting environment. However, the power consumption of air-conditioning is v

4、ery large,so in the current situation of energy shortage ,an effective automation control of the air conditioning system,which make it runs energy saving,will be of great significance.In a central air-conditioning system, in addition to the host, the fans refrigeration, cooling water pump is the sec

5、ond largest energy-consuming equipment, As the configuration of fans, refrigeration, cooling pump is determined based on maximum flow in summer (on this basis would also like to enlarge margin), In the actual use ,because of objective factors such as weather conditions, changes of objective flow , i

6、n the content, the required load changes (rarely reachs maximum load ). Therefore, in order to make the temperature of the central air-conditioning system stable，we need to adjust the fans, refrigeration, cooling pump regulator according to the change conditions , which requires a better control mod

7、ule.With the developing of power electronics technology, microelectronic technology, application of frequency conversion technology and PLC control system can dramatically save energy and improve the system automation, and make the system more reliable, simpler structure, and easier to maintenance a

8、nd repair. Therefore, can be used to both the new central air conditioning and the technological transformation of a large number of old central air conditioning, with a wide range of applications.In this article,with the central air conditioning system of a housing estate as an example,by explainin

9、g the principle of the central air-condition ,PLC and inverter works, how to implement the apply of PLC, touch screen and frequency converter in the central air conditioning system, etc,thus described in more detail how to achieve the centralized control of the central air conditioning system.Key wo

10、rds: Central air conditioning. PLC, frequency.changer, touch screen毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集

11、、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：

12、日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目录 第一章 绪 论1第一节课题来源及研究意义1第二节 主要研究内容2第二章 中央空调简述3第一节 中央空调系统的组成和分类3一、中央空调系统的组成3二、中央空调系统的分类3第二节 户式中央空调4一、户式中央空调器

13、的分类与特点4二、水管式中央空调器结构及工作原理5第三章 可编程控制器(PLC)简介7第一节 PLC的定义7第二节 PLC的结构及工作原理7一、 PLC的结构7二、基本工作原理9三、PLC的特点10第四章 变频器控制技术11第一节 变频器的工作原理11一、变频器的基本概念11二、变频器基本结构12第二节 变频器的控制方式13一、U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式13二、电压空间矢量（SVPWM）控制方式13三、矢量控制（VC）方式13四、直接转矩控制（DTC）方式14五、矩阵式交交控制方式14第三节 变频控制节能原理15一、电机频率与电功率的关系15二、变频调速系统的节能原理15第四

14、节 变频器的选型16第五章 PLC在中央空调集中控制中的应用17第一节 工程概述17一、工程概况17二、中央空调集中控制系统的工艺控制要求17第二节 中央空调集中控制系统的可行性18第三节 中央空调系统的集中控制19一、中央空调系统构成19二、控制系统的硬件选择19三、PLC控制系统输入/输出统计20四、集中控制系统的地址分配表21五、PLC控制系统的功能24六、集中控制梯形图26第六章 冷冻泵及冷却泵的变频控制32第一节 变频控制概述32一、变频主电路的控制原理32二、对冷冻泵的变频控制32三、对冷却泵的变频控制33第二节 模拟量部分的控制方案33一、冷冻循环水部分（冷冻泵）的控制33二、冷

15、却循环水部分（冷却泵）的控制34三、冷却塔风机的控制34四、PID控制的实现35第三节 控制系统的性能39一、降低空调能耗39二、改善和保证空调效果39三、延长设备寿命39四、减少人工成本39第七章 触摸屏在中央空调系统中的应用40第一节 触摸屏的选择40第二节 软件设计40一、下载应用程序的实现40二、PT与PLC联机调试41三、触摸屏画面42第八章 小结44致谢45参考文献46附 录47第一章 绪 论第一节 课题来源及研究意义随经济的发展,中央空调系统己广泛应用于工业与民用建筑域，如宾馆、酒店、写字楼、商场、厂房等场所，用于保持整栋大厦温度恒定。如今，人们对中央空调系统提出新的要求就是舒适

16、节能，要求在能耗更低的情况下保持室内合适的温度、湿度，让使用者感觉最舒适。显然，中央空调系统即应按照舒适节能的目标设计。 据统计，中央空调的用电量占各类大厦总用电量的60%以上，其中，仅水泵的耗电量约占到空调系统耗电量的20一40%，存在巨大的能源浪费。采用新技术降低系统能耗非常重要 。传统的设计中，中央空调的制冷机组、冷冻循环水系统、冷却循环水系统、冷却塔风机系统、盘管风机系统等的容量基本是按照建筑物最大制冷、制热负荷或新风交换量需求选定的，且留有充足余量。无论季节、昼夜和用户负荷的怎样变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，虽然可满足最大的用户负荷，但不具备随用户负荷动态调节系统功率的

17、特性，而在大多数时间里，用户负荷是较低的，这样就造成很大的能源浪费。近年来节能降耗被国家摆到空前重要的位置。而国家供电紧张形势依然没有根本缓解，电价不断上调，造成中央空调系统运行费用上升，如何控制空调系统的电能费用己经成为越来越多空调的经营管理者所关注的问题。故采用变频调速技术节约低负荷时主压缩机系统和水泵、风机系统的电能消耗，具有极其重要的经济意义。随着电力电子技术、微电子技术的发展，应用变频调速技术与PLC自动控制系统可以大幅度节约电能和提高系统的自动化程度，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节水泵的输出流量，能有效地达

18、到节能目的。其节能效率通常都在40%以上，并使系统具有运行可靠、结构简化、维护维修方便等优点，因此可用于新建的中央空调中也可用于对大量旧式中央空调的技术改造，具有广泛的应用领域。随着工业自动化控制的发展 ,一种新的工控产品人机界面又称触摸屏出现 ,给予工业设备现场控制一种全新的图形操作界面。它采用能高速通信的32位RISC芯片 ,具有交互性好 ,编程灵活 ,并且与 PLC之间的连接简便 ,在工业设备控制中已经得到广泛应用。综上所述，本课题的研究意义在于：1. 通过对中央空调系统的集中控制的研究，可以提高能量利用率，降低维护费用，减少劳动强度，智能控制，对于当今能源短缺的形势具有重要意义。2.

19、空调能耗的降低相应的对以下方面也有重要作用：解决当前电力供需矛盾、提高电网的负荷率和发电设备及输电设施利用率、保证电力系统安全经济运行、减小国家电力投资。第二节 主要研究内容 经过系统的分析并结合实际情况，本次研究的内容和目标是实现基于触摸屏的PLC和变频器的中央空调系统的集中控制，该系统将利用PLC和变频器实现水泵电机的软启动和调速，使整个系统的运行达到最佳状态。1. 对变频技术用于大型中央空调系统的可行性进行分析，以某小区的中央空调系统为研究对象，确定系统的集中控制方案及如何用PLC实现。2. 确定冷冻、冷却循环水泵采用集中控制的具体方案，实现PLC的功能。3通过对PID控制器基本原理的介

20、绍，初步分析模拟量PID算法的控制。第二章 中央空调简述 本章将概要地讲述一下中央空调系统的一般组成及其分类，以及基本的自动控制原理，然后着重讲解一下户式水冷式中央空调的结构和工作原理。第一节 中央空调系统的组成和分类一、中央空调系统的组成中央空调系统是基于如下三大理论基础的： 质量守恒理论；热力学第一定律； 热力学第二定律。基本上，中央空调系统的科学规律都可以根据以上三大理论，通过纯粹的数学推演和科学实验的修正来予以表达。如再结合室内空气动力学和高等流体力学，那么所有的问题都可以迎刃而解。 中央空调系统一般由如下三部分组成： 冷热源系统； 冷媒输送系统； 空气分布系统。对于一个典型的中央空调

21、系统，这三部分相互作用与传递，如流水作业般实现室内外物质与能量的交换。典型的中央空调系统夏季热量搬运图如图1-1-1所示。 图1-1-1 典型的中央空调系统夏季热量搬运图基于以上论述，中央空调的自动控制，主要由如下三部分组成：冷热源系统的群控; 水系统控制；风系统控制。二、中央空调系统的分类1直流式：这种系统的新风全部来自室外，经处理达到所需的温、湿度和洁净度后，由风机送入空调房间。在室内吸收了余热、余湿后全部经排风口排到室外 。2回风式：这种系统的特点是送风中除一部分室外空气外，还利用部分室内回风。回风系统由于利用了一部分回风，设备投资和运行费用比直流式大为减少。回风式系统还可以分为一次回风

22、系统和二次回风系统。3封闭式：送风全部来自空调房间，而不补给新风。这种系统运行费用低，但卫生条件差。一个完整的室温调节系统是由测定温度的传感器，变送器，调节器，执行器和房间对象等几个环节组成的。第二节 户式中央空调一、户式中央空调器的分类与特点（一）户式中央空调器分类：户式中央空调器由室外主机、室内风机盘管及其连接部分组成。户式中央空调器按照输送冷热量的介质不同，可分为多联式、风管式和水冷式等三种类型。（二）户式中央空调器的特点：1优点（1） 舒适它适合作为别墅、公寓、家庭的暗藏式空调器，可使冷（热）风均匀地分布到各房间，形成“零”温差，而且噪音极低，保证了宁静的家居环境，避免了其他分体机常有

23、的直吹过冷和房间冷热不均的现象。（2）美观空调风道与装修相结合，完全隐蔽，不占用室内空间，为现代家庭空调器（分体机、柜机）的换代产品。（3）个性化设计 户式中央空调系统是小型化的中央空调系统，可以满足用户多居室的需求，以家庭为单元，可适应用户的个性化需求，不受其他用户影响。（4）制冷能量调节范围大它采用区域温度控制，每一个房间可单独进行温度控制。随着季节、时间、环境等变化，系统工作负荷也随之变化。可根据负荷的要求自动控制机组的运行，从而达到最佳的性能。2缺点（1）设计布局与装修必须结合它的设计和安装要与装修结合，才能达到良好的舒适性和装饰效果。（2）电源负荷要求较高它工作时的电负荷较大，老式住

24、宅要考虑电路负荷是否满足。（3）价格较昂贵以一个150平方米的三室两厅计算，普通冷暖分体式空调器共需19000元左右，而户式中央空调系统一般情况下，大约需要3万元。在安装价格上，户式中央空调器比起普通家用空调器并不具有明显优势。（4）维护困难，维护费用高。（5）安装复杂，是一项系统工程。二、水管式中央空调器结构及工作原理水管式中央空调在每个房间的末端设备叫做“风机盘管”，它可以调节风机的转速，因此可以对每个空调房间进行单独调节，较为节能。冷媒系统一般配备一台压缩机冷凝器有风冷和水冷形式。风机直接用轴流风机强制散热，水冷则由冷却水塔、冷冻泵、风机、Y型过滤器、水流开关等组成的冷却水系统完成热交换

25、。蒸发器主要以水作为输送冷量或热量的传递介质，经由冷冻泵、补水阀、水箱、放空阀、平衡阀、循环水管线所组成的冷冻水系统输送到室内末端设备。末端设备采用风机盘管来进行热量交换。但该系统的缺点也显而易见，除了无法直接引入新风之外，造价较高，安装难度大，水管也容易腐蚀，维护难度较大。该中央空调系统的工作过程是一个不断进行能量转换及热交换的过程。其理想运行状态是：在冷冻水循环系统中，在冷冻泵的作用下冷冻水流经冷冻主机，在蒸发器进行热交换，被吸热降温后（7）被送到终端盘管风机或空调风机，经表冷器吸收空调室内空气的热量升温后（12），再由冷冻泵送到主机蒸发器形成闭合循环。在冷却水循环系统中，在冷却泵的作用下

26、冷却水流经冷冻机，在冷凝器吸收升温后（37）被送到冷却塔，经风扇散热后（32）再由冷却泵送到主机，形成循环。在这个过程里，冷冻水、冷却水作为能量传递的载体，在冷冻泵、冷却泵得到动能不停地循环在各自的管道系统里，不断地将室内的热量经冷冻机的作用，由冷却塔排出。该系统的室内末端装置通常为风机盘管。目前风机盘管一般均可以调节其风机转速，从而调节送入室内的冷（热）量。因此，该系统可以对每个空调房间进行单独调节，满足不同房间不同的空调需求，同时其节能性也较好。此外，由于冷（热）水机组的输配系统所占空间较小，因此一般不受住宅层高的限制。但此种系统一般难以引进新风，因此，对于通常密闭的空调房间而言，其舒适性

27、较差。室内的风机盘管有多种形式：明装与暗装、立式与卧式、吊顶式等。小型水管式中央空调器的安装方便，因使用空气冷凝器而省去了冷却塔，可安装于屋顶、阳台或室外，只需连通冷（热）水路、水泵即可进行系统冷（热）水循环。其机组运转噪声低，对环境影响小，与同等能力的其他类型空调器相比，运转更加平稳，从而拓宽了其适应范围。小型冷（热）水管式中央空调系统可满足用户的多居室需求，可适应用户的个性化需求，不受其他用户的影响；采用主机与末端分离安装方式，保证了宁静的居室环境；主机由微电脑控制，在室内可完成全部操作；室内末端安装可采用暗藏方式，极适宜配合室内装修；系统可根据实际负荷自动化运行，节约能源及运行费用；将供

28、冷、供暖费直接转化电费，开机计费，停机则不计费，收费直观、合理。第三章 可编程控制器(PLC)简介可编程控制器(Programmable Logical Controller简称PLC) 是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。纵观来说，可编程控制器其实是在传统继电接触器控制的基础上,采用电子技术和计算机技术发展起来的工业控制装置。由于可编程控制器具有接口简单、维护方便、使用灵活、可靠性高、通用性强且编程简单、易

29、于掌握等特点，其发展非常迅速，已成为当今实现自动控制的主要手段之一。第一节 PLC的定义国际电工委员会（IEC）于1987年颁布了可编程控制器标准草案第三稿。在草案中对可编程控制器定义如下：“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计”近年来，可编程控制器发展很快，几乎每年都推出不少新系列产品，其功能已远远超出了定义的范

30、围第二节 PLC的结构及工作原理一、 PLC的结构PLC专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。下图为一典型PLC结构简图。图2-2-1 可编程序控制器结构框图PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同：（一）中央处理单元(CPU) 中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I

31、/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 为了进一步提高PLC的可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。 （二）存储器 存储器用来存放系统软件，称为系统程序存储器。（三）输入/输出接口输入/输出接口通常也称I / O 单元或I / O 模块，是PLC与工业生产现场之间的连接通道。P

32、LC输入接口 可以检测被控对象的各种数据，用这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据PLC输出接口 将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的I / O 接口的作用其实主要是电平转换功能：由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信号是标准电平信号。 二、基本工作原理PLC采用循环扫描的工作方式，整个工作过程分为内部处理、通信服务、输入处理、用户程序执行、输出处理几个阶段。工作过程如右图所示。PLC执行一次整个过程所需时间称为一个扫描周期。在内部处理阶段，PLC检查CPU模块内部硬件是否正常，复位监视定时器，及其完成其它一些内部处理。在通信服务阶段，PL

33、C与带微处理器的智能装置通信，响应编程器键入的命令，更新编程器的显示内容。在PLC处于停止运行（STOP）状态时，只完成内部处理器和通信服务工作。在PLC处于运行(RUN)状态时,除完成上述操作外,还要完成输入处理、程序执行、输出处理的工作。1. 输入处理阶段PLC在输入处理阶段，以扫描方式顺序读入所有输入端的通/断状态，并将此状态存入输入映像寄存器。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使输入状态发生变化，输入映像寄存器的内容也不会发生变化，只有在一个扫描周期的输入处理阶段才能被读入。2. 程序执行阶段PLC在该阶段，按先左后右、先上后下的步序，逐条执行程序指令，并将运算结果存入有关的输入

34、映像寄存器中。3. 输出处理阶段在所有用户程序执行完毕后，将输入映像寄存器的通/断状态转存到输出寄存器，通过隔离电路、驱动功率放大电路、输出端子，向外输出控制信号，这才是PLC的实际输出。三、PLC的特点可编程控制器具有许多明显的特点，其中最主要的有以下几点。（一）可靠性高，抗干扰能力强PLC是专为工业控制而设计的，在硬件方面采用电磁屏蔽、光电隔离、模拟量与数字量滤波、优化电源电路等措施，并对元件进行严格的筛选；在软件方面则采用了警戒时钟、故障诊断、自动恢复等措施，利用后备电池对程序和动态数据进行保护。因此，PLC具有其他工业控制设备无可比拟的高可靠性，其平均无故障时间达到（35） h。198

35、2年美国对PLC使用情况的数据调查表明，93%的用户认为可靠性高是选用PLC的首要依据。（二）编程方便，使用简单PLC使用简单，一般情况下，不需考虑接口问题，只需用螺丝刀就可以完成全部接线工作。PLC可以采用一种面向控制过程的梯形图语言，它与继电器原理图非常接近，易学易懂，电气工人可以在短时间内学会。因此，世界上许多国家的可编程控制器生产公司都将梯形图语言作为第一用户语言。（三）功能完善，应用灵活PLC的基本功能包括数字和模拟量输入输出、算术和逻辑运算、定时、计数、移位、比较、代码转换等，其扩充功能有批数据传输、排序查表、中断控制、函数运算、通信联网、PID闭环控制、监控报警等，可以组成功能完

36、善的控制系统。PLC标准的积木式硬件结构与模块化的程序设计可以适应大小不同、功能复杂的控制要求，并能适应产品规格或工艺要求的变动，从而可以节省大量的人力和物力。（四）环境要求低，适应性强第四章 变频器控制技术随着科学的发展，变频器的使用也越来越广泛，不管是工业设备上还是家用电器上都会使用到变频器，可以说，只要有三相异步电动机的地方，就有变频器的存在。选择性能好的变频器应用到工业控制中，从而使得工业控制更接近理想化，是每个专业技术人员共同追求的目标。下面将介绍变频器的基本概念及工作原理。第一节 变频器的工作原理一、变频器的基本概念交流电动机的同步转速表达式为： (1)式中 n异步电动机的转速；f

37、异步电动机的频率；s电动机转差率； p电动机极对数。由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速。变频器总体结构框图如3-1-1所示。图3-1-1 变频器总体结构框图二、变频器基本结构（一）主电路主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。1整流器：最近大量使用的是二极管的

38、变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。2平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。3逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。（二）控制电路控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路

39、提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。1运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。2电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。3驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。4速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。5保护电路:检测主电路的电压、电流等

40、，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。第二节 变频器的控制方式 低压通用变频输出电压为380650V，输出功率为0.75400kW，工作频率为0400Hz，它的主电路都采用交直交电路。其控制方式经历了以下四代。 一、U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式 U/f特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静

41、态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 二、电压空间矢量（SVPWM）控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到

42、根本改善。 三、矢量控制（VC）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。

43、矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 四、直接转矩控制（DTC）方式 1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等

44、效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 五、矩阵式交交控制方式 VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而

45、是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是： 控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式； 自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别； 算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制； 实现BandBand控制按磁链和转矩的BandBand控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。 矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（2ms），很高的速度精度（2，无PG反馈），高转矩精度（3）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150200转矩。第三节 变频控制节能原理一、电机频率与电功率的

46、关系根据泵与电机的基本特性，总是存在如下关系：水流量Q与水泵电机功率P成正比，即；电机的轴功率P与水泵电机转速n的三次方成正比，即；电机转速n和电源频率f成正比，nf；水泵扬程h与水流量Q的平方成正比，；管道阻力Z与流速V的三次方成正比，；因此，可以通过改变频率来减小水泵电机功率，以适应水流量的变化。二、变频调速系统的节能原理水泵电机的容量是按照最大热交换的情况设计的，实际热交换量远小于设计值。热交换量的大小取决于冷却水或冷冻水的流量，而水的流量取决于水泵电机的转速。若水泵电机的转速能根据热负荷来调整，那么电机的功耗可大大减少，从而节约了电能。水泵风机的负载转矩，输出功率，则，即电机的输出功率与转速的三次方成正比。所以，电机的转速稍有下降，输出功率就会大幅度减小，节能效果也愈加显著。电机转速，电机转速可通过频率调节实现，则。第四节 变频器的选型通用变频器的选择包括通用变频器的型式选择和容量选择两个方面，选择的原则是：首先其功能特性能保证可靠地事项工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。变频器选型时要确定以下几点： 1. 采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。 2. 变频器的负载类型：对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，