中央空調(diào)系統(tǒng)中的變頻調(diào)速系統(tǒng)設計

本科生課程設計（論文）PAGE21摘要中央空調(diào)現(xiàn)已廣泛的應用在各大商場、辦公大廈等場所中，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中在控制較適宜的溫度的同時，卻消耗了大量的能量。如今，人們越來越重視中央空調(diào)的舒適性和節(jié)能性，本文重點研究了中央空調(diào)冷凍泵機組控制系統(tǒng)，為舒適的生活工作環(huán)境及有效節(jié)能提供了技術(shù)條件。本文首先介紹了中央空調(diào)的結(jié)構(gòu)和工作原理，總結(jié)了傳統(tǒng)中央空調(diào)的缺點，即冷凍泵、冷卻泵不能自我調(diào)節(jié)負載，長期處于滿負荷運行，造成了極大的能源浪費，隨著變頻技術(shù)日趨成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器等器件的有機結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)水泵的輸出流量達到節(jié)能目的。該系統(tǒng)采用西門子的S7—200PLC作為主控制單元，利用傳統(tǒng)PID控制算法，通過西門子MM440變頻器控制水泵運轉(zhuǎn)速度，保證系統(tǒng)根據(jù)實際負荷的情況調(diào)整流量，實現(xiàn)恒溫控制，同時又可以節(jié)約大量能源。通過對中央空調(diào)的理論分析，驗證了以出回水溫差為根據(jù)對其進行變流量控制的可靠性。對變頻控制系統(tǒng)進行了設計，為實現(xiàn)溫度信號遠距離傳送，設計了基于USS協(xié)議的RS-485總線通訊的網(wǎng)絡。通過西門子TD200文本顯示器實現(xiàn)人機界面的設計，最后使用MCGS工控組態(tài)軟件進行了系統(tǒng)的組態(tài)設計研究。關(guān)鍵詞中央空調(diào)；PLC；變頻器；PID；RS-485目錄第1章緒論 AUTONUM\*Arabic第2章中央空調(diào)變頻控制方案 32.1概述 32.2中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 32.2.1中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 32.2.1中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理 42.3中央空調(diào)變頻調(diào)速的總體框圖及控制方案 5第3章硬件設計 63.1PLC的介紹 63.2電動機選擇 73.3溫度檢測模塊DS18B20 73.4變頻器介紹及選型 83.4.1變頻器的簡介 83.4.2變頻器的功能作用 93.4.3變頻器的控制方式 93.4.4變頻器原理 103.4.5變頻器選型 11第4章變頻調(diào)速系統(tǒng) 154.1MM440系統(tǒng)參數(shù)設置 15第5章監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計 185.1MCGS組態(tài)軟件簡介 185.2基于MCGS的中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)界面設計 185.3中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)組態(tài)界面 195.4系統(tǒng)背景的組態(tài)界面的設計 19第6章課程設計總結(jié) 21參考文獻 22 緒論能源的利用情況標志著一個國家科技進步的水平。在我國大力推廣節(jié)能產(chǎn)品，禁止使用耗能過大的設備，提高能源的利用率，以縮短與世界先進國家的差距，為中國的現(xiàn)代建設提供能源的保證。但是，近年來，隨著經(jīng)濟的進一步發(fā)展，大量的公共建筑如賓館、寫字樓、商場、餐飲酒店、運動場館等拔地而起，中央空調(diào)系統(tǒng)也就成為了現(xiàn)代大型建筑物不可缺少的配套設施之一。由于近年來電價的不斷上漲，造成中央空調(diào)系統(tǒng)運行費用急劇上升，加之目前各生產(chǎn)、服務業(yè)競爭激烈，多數(shù)企業(yè)利潤空間不夠理想。因此電能費用的控制顯然已經(jīng)成為經(jīng)營管理者所關(guān)注的問題所在。據(jù)統(tǒng)計，中央空調(diào)的用電量占各類建筑大廈總用電量的70%以上，其中中央空調(diào)水泵的耗電量約占總空調(diào)系統(tǒng)耗電量的20%-40%，故節(jié)約低負荷時壓縮機系統(tǒng)和水系統(tǒng)的消耗的能量，具有很重要的意義。國家“十一五”規(guī)劃綱要中明確提出要把節(jié)約資源和保護環(huán)境基本國策，建設低投入、高產(chǎn)出，低消耗、少排放，能循環(huán)、可持續(xù)的國民經(jīng)濟體系和資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。提出了“十一五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20%左右、主要污染物排放總量減少10%等目標。這是針對資源環(huán)境壓力日益加大的突出問題提出來的，體現(xiàn)了建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的要求，是現(xiàn)實和長遠利益的需要，具有明確的政策導向。中央空調(diào)在各大中型民用、商用建筑中的普及，帶來了嚴重的能耗問題。中央空調(diào)系統(tǒng)的電耗一般占整座建筑電耗的50%～60％，建筑能耗則占全國總能耗的1/3左右，因此提高能源利用率是我國能源可持續(xù)發(fā)展的方向。中央空調(diào)系統(tǒng)的設計通常按建筑物所在地的極端氣候條件來計算其最大冷負荷，并由此確定空調(diào)主機的裝機容量及空調(diào)水系統(tǒng)的供水流量。然而，實際上每年只有極短時間出現(xiàn)最大冷負荷的情況。因此，中央空調(diào)系統(tǒng)在絕大部分時間里，都是在部分負荷（遠小于其額定容量）條件下運行的。據(jù)統(tǒng)計，實際空調(diào)負荷平均只有設備能力的50%左右，這無疑造成了大量的能源白白浪費。而且，空調(diào)水系統(tǒng)的水泵、風機等機電設備，長期處在工頻額定狀態(tài)下高速運行，機械磨損嚴重，導致設備故障增加和使用壽命縮短。另一方面，空調(diào)負荷又具有變動性。由于季節(jié)交替、氣候變幻、晝夜輪回、使用變化（如旅游旺、淡季）及人流量增減（如賓館入住率的變化）等各種因素變化的影響，中央空調(diào)系統(tǒng)的負荷具有起伏變化和不恒定的特點，如果中央空調(diào)的運行方式不能根據(jù)負荷的變化而調(diào)節(jié)，始終在額定容量（即滿負荷狀態(tài)）下運行，也勢必造成巨大的能源浪費。近年來隨著IC產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，變頻器的價格大幅下降，同時，可靠性增強，容量增大，采用變頻器對風機、水泵類機械進行調(diào)速來調(diào)節(jié)風量、流量，已變得越來越現(xiàn)實，其對節(jié)約能源、提高經(jīng)濟效益具有重要意義。所以，隨著負荷變化而自動調(diào)節(jié)變化的變流量變頻空調(diào)水系統(tǒng)和自適應智能負荷調(diào)節(jié)的壓縮機系統(tǒng)應運而生，并逐漸顯示其巨大的優(yōu)越性，而且得到越來越多的被廣泛推廣與應用。采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮更加理想的工作狀態(tài)，更重要的是通常其節(jié)能效果高達30%以上，能帶來良好的經(jīng)濟效益。中央空調(diào)系統(tǒng)設計首先是根據(jù)室外氣象參數(shù)和室內(nèi)空調(diào)設計參數(shù)計算冷負荷，按分區(qū)結(jié)構(gòu)特點，根據(jù)產(chǎn)品樣本選擇相應的設備，組合成一個系統(tǒng)。但空調(diào)系統(tǒng)絕大部分時間是在不滿負荷的情況下工作。在不滿負荷工作的控制方式不合理，系統(tǒng)能效比會大大降低。現(xiàn)在空調(diào)系統(tǒng)在運行調(diào)節(jié)方式上，風水系統(tǒng)主要是閥門（手動、自動閥門調(diào)節(jié)），主機利用卸荷方式，而這些方式是犧牲了阻力能耗來適應末端負荷要求，造成運行成本居高不下。若采用變頻控制，能量的傳遞和運輸環(huán)節(jié)控制為變水量（VWV）和變風量（VAV），使傳遞和運輸耦合并達到最佳溫差置換，其動力僅為其它控制系統(tǒng)的30%～60%，而且節(jié)能是雙效的，因為對制冷主機的需求能耗同時下降。主機采用變頻節(jié)能控制，保持設計工況下的制冷劑運動的物理量（如溫差、壓力等）變化，節(jié)能較其它調(diào)荷方式明顯，如約克（YORK）的YT型離心式冷水機組，配置變頻機組在部分負荷下能效比可降至0.2kw/冷噸，可見變頻控制方式在空調(diào)系統(tǒng)中應用前景十分廣闊。過去由于價格的原因，在中央空調(diào)系統(tǒng)中應用變頻技術(shù)推廣較難。在變頻技術(shù)、計算機自動化控制技術(shù)非常成熟的今天，用此技術(shù)與暖通空調(diào)專業(yè)技術(shù)相結(jié)合，它并不是一門高價的技術(shù)，在小功率空調(diào)中其經(jīng)濟性都可承受，在中央空調(diào)系統(tǒng)中更不應該成問題：（1）中央空調(diào)運行時間更長，節(jié)能問題更突出；（2）變頻控制在整個系統(tǒng)中所占的造價比例不高；（3）變頻控制器的容量越大，每千瓦功率單價越低。中央空調(diào)系統(tǒng)采用變頻器是可行的，其投資回收一般在6～12個月，以變頻控制器使用壽命10年計，其凈收益在10倍投資額以上。

中央空調(diào)變頻控制方案概述工農(nóng)業(yè)行產(chǎn)各人們的日常生活中，經(jīng)常需要對一些物理量進行控制，如空調(diào)系統(tǒng)的溫度、供水系統(tǒng)的水壓、通風系統(tǒng)的風量等，這些系統(tǒng)絕大多數(shù)是用交流電機驅(qū)動的。以前由于電機的轉(zhuǎn)速無法方便調(diào)節(jié)，為了達到對上述物理量的控制，人們只好采用一些簡單的方法，如用檔板調(diào)節(jié)風量，用閥門來調(diào)節(jié)流量壓力等，致使這些系統(tǒng)不僅達不到很好的調(diào)節(jié)效果，而且大量的電能被檔板和閥門白白浪費。根據(jù)交流電機的特性，要實現(xiàn)連續(xù)平滑的速度調(diào)節(jié)，最佳的方法就是采用變頻調(diào)速器，變頻器是將標準的交流電轉(zhuǎn)成頻率、電壓可變的交流電，供給電機并能對電機轉(zhuǎn)速成進行調(diào)節(jié)的裝置。采用變頻器進行風機、水泵的節(jié)能改造，極大提高控制和調(diào)節(jié)的精度，我們可以真正方便地實現(xiàn)恒溫空凋系統(tǒng)和恒壓供水系統(tǒng)。中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理中央空調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一個典型的中央空調(diào)系統(tǒng)一般由冷、熱源機組，冷、熱量輸送系統(tǒng)，空氣處理設備，空氣輸送設備，空氣分配設備，被調(diào)對象組成，如圖2.1所示。圖2.1中央空調(diào)系統(tǒng)的構(gòu)成圖中央空調(diào)系統(tǒng)的工作原理1．四種制冷方法：(1)液體汽化制冷：最常用，如蒸汽壓縮式；(2)氣體膨脹制冷；(3)渦流管制冷；(4)熱電制冷。2．制冷原理中央空調(diào)技術(shù)實際上是人工制冷技術(shù)的一種典型系統(tǒng)性應用，當前，人工制冷技術(shù)按其補償過程的不同可主要分為蒸汽壓縮式、吸收式、蒸汽噴射式、吸附式四種方法，其中，被廣泛應用在中央空調(diào)系統(tǒng)的制冷方法主要有兩種：蒸汽壓縮式制冷循環(huán)和吸收式制冷循環(huán)。(1)蒸汽壓縮式制冷：蒸汽壓縮式制冷過程分為蒸發(fā)過程、壓縮過程、冷凝過程和節(jié)流過程四個過程。1．壓縮過程：蒸發(fā)器中的制冷劑蒸汽被離心壓縮機吸入后，原動機（一般為電動機）通過壓縮機葉輪對其施加能量，使制冷劑蒸汽的壓力提高并進入冷凝器；與此同時，制冷劑蒸汽的溫度在壓縮終了時也相應提高。2．冷凝過程：由壓縮機來的高壓、高溫制冷劑蒸汽，在冷凝器中通過向管內(nèi)的冷卻水放出熱量，溫度有所下降，同時在飽和壓力（冷凝溫度所對應的冷凝壓力）下，冷凝成為液體。這時，冷卻水因從制冷劑蒸汽中攝取了熱量，其溫度要有所升高。冷卻水的溫度與冷凝溫度（冷凝壓力）直接有關(guān)。3．節(jié)流過程：由冷凝器底部來的高溫、高壓制冷劑液體，流經(jīng)節(jié)流孔口時，發(fā)生減壓膨脹，壓力、溫度都降低，變?yōu)榈蛪?、低溫液體進入蒸發(fā)器中。4．蒸發(fā)過程：低壓、低溫制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)從載冷劑（如冷水）中攝取熱量后蒸發(fā)為汽體，同時使載冷劑的溫度降低，從而實現(xiàn)人工制冷，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑蒸汽又被壓縮機吸入進行壓縮，重復上述壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)過程。如此周而復始，達到連續(xù)制冷的目的。（2）吸收式制冷：通過使用兩種沸騰點差距較大的物質(zhì)組成的二元溶液(也稱工質(zhì)對，其低沸騰點組份為制冷劑，高沸騰點組份為吸收劑)，利用溶液在一定條件下能析出低沸點組份的蒸汽，而在另一條件下又能吸收低沸點組份的蒸汽這一特性由制冷機系統(tǒng)采用熱能驅(qū)動，通過發(fā)生、冷凝、蒸發(fā)、吸收4個過程來完成制冷循環(huán)。目前，在中央空調(diào)系統(tǒng)中的制冷壓縮機以速度型的離心式壓縮機和以容積型的螺桿式或活塞式壓縮機的應用最為普遍。中央空調(diào)變頻調(diào)速的總體框圖及控制方案系統(tǒng)組成的總體框圖如圖2.2所示設定顯示PLC設定顯示PLC溫度檢測變頻器溫度檢測變頻器主泵機組主泵機組圖2.2系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，將設定值送入控制器。用溫度檢測裝置反饋給PLC。通過PID算法由變頻器控制主泵機組，從而控制中央空調(diào)的溫度輸出?？刂品桨溉鐖D所2.3示。溫度檢測主泵機組溫度檢測主泵機組輸入給定值輸入給定值PLC變頻器PLC變頻器反饋溫度值反饋溫度值圖2.3PID控制方案硬件設計PLC的介紹如圖3.1所示為PLC可編程邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。圖3.1可編程邏輯控制器PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進行工作的。即在PLC運行CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲器中的程序，按指令步序號（或地址號）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對輸入信號的采樣和對輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC的一個掃描周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段在輸入采樣階段，可編程邏輯控制器以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應的單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。在用戶程序執(zhí)行階段，可編程邏輯控制器總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。在程序執(zhí)行的過程中如果使用立即I/O指令則可以直接存取I/O點。即使用I/O指令的話，輸入過程影像寄存器的值不會被更新，程序直接從I/O模塊取值，輸出過程影像寄存器會被立即更新，這跟立即輸入有些區(qū)別。當掃描用戶程序結(jié)束后，可編程邏輯控制器就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應的外設。這時，才是可編程邏輯控制器的真正輸出。電動機選擇三相異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對運動而產(chǎn)生電動勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量變換。與單相異步電動機相比，三相異步電動機運行性能好，并可節(jié)省各種材料。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動機可分為籠式和繞線式兩種?；\式轉(zhuǎn)子的異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用，其主要缺點是調(diào)速困難。繞線式三相異步電動機的轉(zhuǎn)子和定子一樣也設置了三相繞組并通過滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調(diào)節(jié)變阻器電阻可以改善電動機的起動性能和調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。電動機的額定功率22Kw，額定電壓380V，額定電流7A，額定轉(zhuǎn)速1450rpm。選擇三項異步電動機。溫度檢測模塊DS18B20DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。1:技術(shù)性能描述①、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。②、測溫范圍－55℃～+125℃，固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這里之前是錯誤的）1℃。③、支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。④、工作電源:3.0~5.5V/DC（可以數(shù)據(jù)線寄生電源）⑤、在使用中不需要任何外圍元件⑥、測量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送⑦、不銹鋼保護管直徑Φ6⑧、適用于DN15~25,DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設備測溫⑨、標準安裝螺紋M10X1,M12X1.5,G1/2”任選⑩、PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設備連接。變頻器介紹及選型變頻器的簡介變頻器（Variable-frequency

Drive，VFD）是應用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應用。變頻器的功能作用變頻器節(jié)能主要表現(xiàn)在風機、水泵的應用上。為了保證生產(chǎn)的可靠性，各種生產(chǎn)機械在設計配用動力驅(qū)動時，都留有一定的富余量。當電機不能在滿負荷下運行時，除達到動力驅(qū)動要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成電能的浪費。風機、泵類等設備傳統(tǒng)的調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風量和給水量，其輸入功率大，且大量的能源消耗在擋板、閥門的截流過程中。當使用變頻調(diào)速時，如果流量要求減小，通過降低泵或風機的轉(zhuǎn)速即可滿足要求。

電動機使用變頻器的作用就是為了調(diào)速，并降低啟動電流。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，該設備首先要把電源的交流電變換為直流電（DC），這個過程叫整流。把直流電（DC）變換為交流電（AC）的裝置，其科學術(shù)語為“inverter”(逆變器)。一般逆變器是把直流電源逆變?yōu)橐欢ǖ墓潭l率和一定電壓的逆變電源。對于逆變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)的逆變器我們稱為變頻器。變頻器輸出的波形是模擬正弦波，主要是用在三相異步電動機調(diào)速用，又叫變頻調(diào)速器。對于主要用在儀器儀表的檢測設備中的波形要求較高的可變頻率逆變器，要對波形進行整理，可以輸出標準的正弦波，叫變頻電源。一般變頻電源是變頻器價格的15-20倍。由于變頻器設備中產(chǎn)生變化的電壓或頻率的主要裝置叫“inverter”，故該產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，即：變頻器。變頻器的控制方式在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。

1．V/f控制

V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進行調(diào)速的同時，又要保證電動機的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達到較高的控制性能，而且，在低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

2．

轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動機的實際轉(zhuǎn)速對應的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動機具有對應的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時還加有電流反饋，對頻率和電流進行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對急速的加減速和負載變動有良好的響應特性。

3．

矢量控制

矢量控制是通過矢量坐標電路控制電動機定子電流的大小和相位，以達到對電動機在d、q、0坐標軸系中的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進行控制，進而達到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的。通過控制各矢量的作用順序和時間以及零矢量的作用時間，又可以形成各種PWM波，達到各種不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實際應用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式兩種。

4．

直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過檢測定子電阻來達到觀測定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復雜的變換計算，系統(tǒng)直觀、簡潔，計算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對于多拖動具有負荷平衡功能。

5．

最優(yōu)控制

最優(yōu)控制在實際中的應用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對某一個控制要求進行個別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應用中，就成功的采用了時間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。變頻器原理主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓(電流)。裝置容量小時，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。逆變器：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時間使6個開關(guān)器件導通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。變頻器選型MM440變頻器選型八個原則才能為企業(yè)選購更好的變頻器。

一、以實際電機電流值作為變頻器選擇的根據(jù)。在選擇MM440變頻器應充分考慮變頻器的輸出高次諧波比較高，高次諧波會使電動機的功率因數(shù)和效率變壞。所以在選擇電動機和變頻器時，應考慮到這種情況，適當留有余量，以防止溫升過高，影響電動機的使用壽命。

二、根據(jù)負載特性選擇變頻器。如負載為恒轉(zhuǎn)矩負載需選siemensMM440變頻器，如果是負載為風機、泵類負載需選擇MM430變頻器。

三、需要長電纜變頻器運行的，應采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響，避免變頻器出力不夠。

四、對于一些高環(huán)境溫度、高開關(guān)頻率（尤其是在樓宇自控等對噪音限制較高的應用場所使用時需注意）、高海拔高度等，此時會引起變頻器的降容，變頻器需放大一檔選擇。如果變頻器的供電電源是自備電源，最好加上進線電抗器。

五、運用變頻器驅(qū)動齒輪減速電動機時，運用范圍遭到齒輪轉(zhuǎn)變有些光滑方法的制約。光滑油光滑時，在低速范圍內(nèi)沒有約束；在超越額外轉(zhuǎn)速以上的高速范圍內(nèi)，有可能發(fā)生光滑油用光的風險。因而，不要超越最高轉(zhuǎn)速容許值。

六、變頻器驅(qū)動繞線轉(zhuǎn)子異步電動機時，大多是使用已有的電動機。繞線電動機與通常的鼠籠電動機比較，繞線電動機繞組的阻抗小。因而，容易發(fā)生因為紋波電流而導致的過電流跳閘表象，所以應挑選比通常容量稍大的變頻器。通常繞線電動機多用于飛輪力矩GD2較大的場合，在設定加減速時間時應多注重。

七、變頻器驅(qū)動同步電動機時，與工頻電源比較，會下降輸出容量10%～20%，變頻器的接連輸出電流要大于同步電動機額外電流與同步牽入電流的標幺值的乘積

。

八、關(guān)于壓縮機、振動機等轉(zhuǎn)矩動搖大的負載和油壓泵等有峰值負載狀況下，若是依照電動機的額外電流或功率值挑選變頻器的話，有可能發(fā)生因峰值電流使過電流維護舉措表象。因而，應知道工頻運轉(zhuǎn)狀況，挑選比其最大電流更大的額外輸出電流的變頻器。在變頻器領(lǐng)域，也存在著一些難以控制的東西。直到西門子功能強大的變頻器問世之后，情況才有了改觀。MICROMASTER

440

是專門針對與通常相比需要更加廣泛的功能和更高動態(tài)響應的應用而設計的。這些高級矢量控制系統(tǒng)可確保一致的高驅(qū)動性能，即使發(fā)生突然負載變化時也是如此。由于具有快速響應輸入和定位減速斜坡，因此，甚至在不使用編碼器的情況下也可以移動至目標位置。該變頻器帶有一個集成制動斬波器，即使在制動和短減速斜坡期間，也能以突出的精度工作。所有這些均可在

0.12

kW

(0.16

HP)

直至

250

kW

(350

HP)

的功率范圍內(nèi)實現(xiàn)。如圖3.2所示，為MM440變頻器。圖3.2變頻器西門子MM440變頻器性能介紹：MICROMASTER440全新一代用于控制三相交流電動機速度和轉(zhuǎn)矩的多功能標準變頻器。本變頻器由微處理器控制，并采用具有現(xiàn)代先進技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為功率輸出器件。因此，它們具有很高的運行可靠性和功能的多樣性。采用脈沖頻率可選的專用脈寬調(diào)制技術(shù)，可使電動機低噪聲運行。全面而完善的保護功能為變頻器和電動機提供了良好的保護創(chuàng)新的BiCo(內(nèi)部功能互聯(lián))功能有無可比擬的靈活性[15]。其具有缺省的工廠設置參數(shù)，它是給數(shù)量眾多的可變速控制系統(tǒng)供電的理想變頻傳動裝置。由于MICROMASTER440具有全面而完善的控制功能，在設置相關(guān)參數(shù)以后，它也可用于更高級的電動機控制系統(tǒng)。既可用于單獨傳動系統(tǒng)，也可集成到自動化系統(tǒng)中。變頻器適用于各種變速驅(qū)動裝置。由于它具有高度的靈活性因而可以在廣泛的領(lǐng)域得到應用。它尤其適合用于吊車和起重系統(tǒng)、立體倉儲系統(tǒng)、食品、飲料和煙草工業(yè)以及包裝工業(yè)的定位系統(tǒng)。主要特征：易于安裝；易于調(diào)試；牢固的EMC設計；可由IT電源供電；對控制信號的響應是快速和可重復的；參數(shù)設置的范圍很廣，確保它可對廣泛的應用對象進行配置；電纜連接簡便；具有多個繼電器輸出；具有多個模擬量輸出(0~20mA)；6個帶隔離的數(shù)字輸入，并可切換可NPN/PNP接線；2個模擬輸入：1)ADC1：0~10V，0~20mA和-10至+10V2)ADC2：0~10V，0~20mA；2個模擬輸入可以作為第7和第8個數(shù)字輸入；BICO技術(shù)；模塊化設計，配置非常靈活；開關(guān)頻率高(傳動變頻器可到16kHz)，因而電動機運行的噪音低；內(nèi)部RS485接口(端口)；詳細的變頻器狀態(tài)信息和完整的信息功能。控制性能的特點：最新的IGBT技術(shù)；數(shù)字微處理器控制；高質(zhì)量的矢量控制系統(tǒng)；磁通電流控制(FCC)改善動態(tài)響應，并且優(yōu)化電動機的控制；線性V/F特性；平方V/F特性；多點v/f特性(可編程V/F特性)；力矩控制；捕捉再起動；滑差補償；在電源中斷或故障跳閘以后，自動再起動；可以由用戶定義的自由功能塊，實現(xiàn)邏輯運算和算術(shù)運算的操作；動態(tài)緩沖；用于定位控制的減速斜坡函數(shù)曲線；高品質(zhì)的PID控制器(具有參數(shù)自整定功能)，可用于一般的過程控制；可編程的加速/減速斜坡函數(shù)，0秒至650秒；斜坡起始段和結(jié)束段的平滑功能；快速電流限制(FCL)功能，避免運行中不應有的跳閘；快速、可重復的數(shù)字輸入響應時間；使用兩個高分辨率的10位二進制模擬輸入，實現(xiàn)速度精調(diào)；復合制動，實現(xiàn)快速制動控制；4個跳轉(zhuǎn)頻率。保護功能：壓/欠壓保護；變頻器過溫保護；使用PTC通過數(shù)字輸入實現(xiàn)電動機過熱保護；接地故障保護；短路保護；閉鎖電動機保護；防止電動機失速；參數(shù)聯(lián)鎖。變頻器運行的環(huán)境條件：1.變頻器要求的環(huán)境溫度都是0～40度，這個溫度比較適合變頻器正常運行。2.空氣的相對濕度≤95%，無凝露。3.不允許變頻器掉到地上或遭受突然的撞擊。不允許把變頻器安裝在有可能經(jīng)常受到振動的地方。4.不允許把變頻器安裝在接近電磁輻射源的地方。5.不要把變頻器安裝在存在大氣污染的環(huán)境中，例如，安裝在存在灰塵、腐蝕性氣體等的環(huán)境中。6.變頻器的安裝位置切記要遠離有可能出現(xiàn)淋水的地方。例如，不要把變頻器安裝在水管的下面，因為水管的表面有可能結(jié)露。禁止把變頻器安裝在濕度過大和有可能出現(xiàn)凝露的地方。7.在變頻器附近不要安裝有對冷卻空氣流通造成負面影響的其它設備。確認變頻器的冷卻風口處于正確的位置，不妨礙空氣的流通。使用變頻器設計系統(tǒng)時需注意的問題：1.變頻器柜內(nèi)除本機專用的空氣開關(guān)外，不宜安置其它操作性開關(guān)電器，以免開關(guān)噪聲入侵變頻器，造成誤動作；2.變頻器電源輸入側(cè)可采用容量適宜的空氣開關(guān)作為短路保護，但切記不可頻繁操作。由于變頻器內(nèi)部具有大電容，其放電過程較為緩慢，頻繁操作將造成過電壓而損壞內(nèi)部元件；3.注意防止發(fā)生共振現(xiàn)象。由于定子電流中含有高次諧波成分，電機轉(zhuǎn)矩中含有脈動分量，有可能造成電機的振動與機械振動產(chǎn)生共振，使設備出現(xiàn)故障。應預先找到負載固有的共振頻率后，利用變頻器頻率跳躍功能設置，躲開共振頻率點。為了控制電源，一般在變頻器電源進線上串接一個超過變頻器額定電流兩倍以上的交流接觸器。但應注意，除緊急情況外，接觸器的通斷只能在變頻器停止運行的情況下才能進行。變頻調(diào)速系統(tǒng)MM440系統(tǒng)參數(shù)設置MM440在缺省設置時，用BOP控制電動機的功能是被禁止的。如果要用BOP進行控制，參數(shù)P0700應設置為1，參數(shù)P1000也應設置為1。用基本操作面板(BOP)可以修改任何一個參數(shù)。修改參數(shù)的數(shù)值時，BOP有時會顯示“busy”，表明變頻器正忙于處理優(yōu)先級更高的任務。下面就以設置P1000=1的過程為例，來介紹通過基本操作面板(BOP)修改設置參數(shù)的流程，見表4-1。表4-1基本操作面板(BOP)修改設置參數(shù)流程操作步驟BOP顯示結(jié)果1按鍵，訪問參數(shù)2按鍵，直到顯示P10003按鍵，直到顯示in000，即P1000的第0組值4按鍵，顯示當前值25按鍵，達到所要求的值16按鍵，存儲當前設置7按鍵，顯示r00008按鍵，顯示頻率如圖4-1所示，MM440變頻器的6個數(shù)字輸入端口（DIN1~DIN6），即端口“5”、“6”、“7”、“8”、“16”和“17”，每一個數(shù)字輸入端口功能很多，用戶可根據(jù)需要進行設置。圖4-1MM440變頻器數(shù)字輸入端口如表4-2所示，參數(shù)號P0701~P0706為與端口數(shù)字輸入1功能至數(shù)字輸入6功能，每一個數(shù)字輸入功能設置參數(shù)值范圍均為0~99，出廠默認值均為1。表4-2MM440數(shù)字輸入端口功能設置表參數(shù)值功能說明0禁止數(shù)字輸入1ON/OFF1（接通正轉(zhuǎn)，停止命令1）2ON/OFF1（接通反轉(zhuǎn)，停止命令1）3OFF2（停止命令2）4OFF3（停止命令3）9故障確認10正向點動11反向點動12反轉(zhuǎn)13MOP（電動電位計）升速（增加頻率）14MOP降速（減少頻率）15固定頻率設定值（直接選擇）16固定頻率設定值（直接選擇+ON命令）17固定頻率設定值（二進制編碼選擇+ON命令）25直流注入制動監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計MCGS組態(tài)軟件簡介MCGS是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，可運行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系統(tǒng)。MCGS組態(tài)軟件包括三個版本，分別是網(wǎng)絡版、通用版、嵌入版。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。通過與其他相關(guān)的硬件設備結(jié)合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應用系統(tǒng)，如可以靈活組態(tài)各種智能儀表、數(shù)據(jù)采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現(xiàn)場采集站、人機界面等專用設備。MCGS系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分。組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫完成了MCGS系統(tǒng)從組態(tài)環(huán)境向運行環(huán)境的過渡，它們之間的關(guān)系如下圖所示。組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)運行環(huán)繞解釋執(zhí)行組態(tài)結(jié)果組態(tài)環(huán)繞組態(tài)生成應用系統(tǒng)圖5-1示意圖基于MCGS的中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)界面設計控制面板主要包括了：溫度模塊，變頻器，傳感器，PLC，電動機，高中低速的顯示燈，報警燈，當PLC內(nèi)部，Y0得電，組態(tài)內(nèi)的高速顯示燈亮并且組態(tài)內(nèi)的高速風葉開始轉(zhuǎn)動，同理，Y1得電，中速顯示燈亮并且組態(tài)內(nèi)的中速風葉開始轉(zhuǎn)動Y2得電，低速顯示燈亮且組態(tài)內(nèi)的高速風葉開始轉(zhuǎn)動，當Y3得電時，報警燈顯示。中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)組態(tài)界面圖5-2中央空調(diào)變頻調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)背景的組態(tài)界面的設計在實時數(shù)據(jù)庫中添加數(shù)據(jù),如圖所示：圖5-3實時數(shù)據(jù)1、在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，建立“窗口0”。2、選中“窗口0”，單擊“窗口屬性”，