变频器调速技术与应用（中篇共上中下3篇）

1.知识目标（1）掌握传动设备的力学特性（2）掌握惯性负载起动、运行、停机的特点和采取的措施（3）掌握离心力负载的工作特点和应用（4）掌握变频器在离心铸造设备上的应用。2.技能目标（1）掌握变频器在惯性系统上的正确应用与调试。（2）会根据需要进行变频器参数设置。（3）会正确选择低压控制电器。3.内容导读本项目主要分析传动设备负载分析、离心力生产设备和变频器在离心铸造机上的应用。项目导航知识准备5.1传动设备负载分析5.1.1负载的力学特性1.传动设备做功方式（1）直线运行做功直线运行做功就是以直线运行进行生产或做功的设备。如输送带、电梯、提升机、起重机、龙门刨床等。该类设备的特点是负载受力方向是直线，机械能以直线运行方式做功。（2）旋转运行做功旋转运行做功就是以旋转运行进行生产或作功的设备。如风机、水泵、粉碎机、离心甩干机、离心浇注机、离心成型机、车床等。旋转运行做功方式分为：离心力做功和切向力做功。风机、水泵、离心成型机等是离心力做功；车床是切向力做功。

（3）往复运动做功

往复运动做功是以往复直线运行做功。往复运行设备有机床、液压油缸、活塞式空气压缩机、起重机、电梯等。往复设备有的往复都在做功，有的只在单方向做功。2.牛顿力学定律牛顿力学定律包括惯性定律、物体受力定律和作用力和反作用力定律，这3大定律是机械传动设备的理论基础。（1）惯性定律惯性定义：物体都具有保持运动状态不变的属性，称为惯性。惯性的大小和物体的质量成正比，质量大的物体惯性大，质量小的物体惯性小。在地球表面质量的单位和重量的单位相同均为kg（公斤）。要想改变物体的运行状态，必须要有外力的作用。物体加速时要施加作用力，物体减速时要施加制动力。（2）物体受力定律物体要想改变原来的运行状态，就要有力的作用，力和加速度成正比，表达式为：F=ma

（5-1）式中，F——物体受到的力，单位：N（牛顿），1N=kg·m/s2.m——物体的质量（重量），单位kg（公斤）a——加速度，单位m/s2上式表明，一定质量的物体只要发生速度的变化，就要有力的作用。物体加速时要受正向力、物体降速时要受反向力（制动力）。图5-1是物体直线运行图，在力的作用下物体直线运动。图中质量块m要想改变运动状态，就要有力F的作用，F的大小和质量m有关，和加速度a有关。一定质量的物体，受力大，提速快，受力小，提速慢。图5-1物体运动（3）离心力和切向力图5-2是质量点绕着质量中心作旋转运动，运行轨迹是一条弧线，质量点受到的力F可分解为F切向和F向心，F向心是质量中心对质量点产生的约束力（拉力），F向心和F离心是一对作用力和反作用力，如果高速旋转的质量点没有F向心力约束，就会沿着切向方向飞走；

如果有F向心力的约束，质量点就会在法向方向受到挤压，使结构变的致密。离心力F的表达式为：图5-2物体旋转运动（5-2）（5-2）式中，F——离心力，单位，N（牛）；m——物体质量，单位kg（公斤）；r——半径，单位为m；n——转速，单位为m/s（米/秒）由式中可见，离心力F和转速v2成正比，当转速较高时，物体受到的离心力很大。离心力是弧形轨迹运行产生的指向四周的放射力，这个力在工程上得到广泛应用。例如离心甩干机、离心水泵、离心风机、离心制管机、离心浇铸机等。根据力的平移原理，将离心力平移到同心圆的切向，就为切向力。在工程上旋转体多用转矩来表示，即切向力和质点半径的乘积称为转矩。

式中，Ek——惯性物体动能，单位为J（焦耳）；m——惯性物体质量，单位为kg（公斤）；v2——加速度，单位为m/s2（米/秒2）；（5-3）

由式中可见，惯性物体储存的动能和惯性物体的质量m、加速度v2成正比。质量m变化，Ek变化；速度v变化，惯性能Ek变化；m、v都不变，Ek不变。惯性物体在加速时是储能过程，在降速时是放能过程，自身并不产生能量和消耗能量。变频器是驱动负载运行做功的设备，如果负载属于惯性负载，在停机降速时，惯性能释放，引起变频器直流母线电压升高，变频器就要加装制动电阻。3.旋转运行惯性体的储能旋转体具有储能功能，旋转惯性负载改变旋转速度时要有力的作用，加速时要有作用力，降速时要有制动力，作用力消失，惯性负载恒速运行，即旋转负载将动能储存在运动中。动能表达式为（5-4）式中，Ek——惯性负载的动能，单位为J（焦耳）；J——旋转负载转动惯量，单位为kg·m2（公斤·米2）。J是和旋转体形状、质量有关的物理量，实心圆柱体的J值最大

；ω2——旋转角加速度，电位为rad/s2（弧度/秒2）旋转惯性负载在停机降速时，同样出现惯性能释放，引起变频器直流母线电压升高，变频器就要加装制动电阻。（5-4）3.电动机转矩M（1）电动机输出转矩M传动设备都由电动机驱动，电动机是旋转性设备，负载也是旋转性设备，在旋转性设备中是用转矩来表示受力的大小。转矩的定义为力到点的距（见图5-3所示）。在转轴的半径r处受到切向力F，则定义M=r×F为该点的力矩。力矩的单位为N·m（牛·米）。力矩就是电动机输出的转矩，用符号M表示。有时用符号T表示反作用转矩，M和T是作用力和反作用力的关系，在数值上大小相等方向相反。图5-3转矩示意图（2）负载的转矩T负载的反作用转矩由2部分组成，负载的惯性转矩TA和负载的做功转矩TL。表达式为TM=TA+TL

（5-5）式中，TM——负载总转矩，单位为N·m；TA——负载惯性转矩，单位为N·m。是由负载的总惯性体产生的转矩。负载加减速时起作用，变频器在工作中，开机起动是加速过程，要有正的TA起动转矩，该转矩和加速度的大小成正比；在停机时，要有-TA转矩，该转矩拉着电动机倒发电。TL——负载恒速工作转矩。单位为N·m。当负载恒速运行时，TL通过负载做功。5.1.2旋转运行大惯性负载起动与停机1.

离心甩干机图5-4是工业离心甩干机外形图。离心甩干机是洗涤物品的脱水设备，多用于宾馆、医院等用于洗涤物的脱水。图中电动机是动力源，通过皮带轮驱动甩干桶高速旋转。工作时将洗涤过的物品装到甩干桶内，通过离心力将洗涤物品中的水分甩出。甩干桶的转速越高，离心力越大，甩干效果越好。图5-4工业甩干机因为甩干机装载量很大，具有很大的转动惯量，起动时需要的转矩很大，为了降低起动转矩，变频器要设置较长的加速时间。停机时因为旋转体储存了很大的机械能，变频器要通过减速制动。2.大惯性负载加减速时间设置为了减小起动转矩，可减小加速度a，减小a的方法就是加大加速时间。图5-5是加速时间设置图。图中“加速时间1”

的加速时间较短，起动转矩较大；“加速时间2”

加速时间较长，起动转矩较小。如果大惯性负载起动时变频器报过载，通过增加加速时间可以解决。当皮带运输机需要停机时，在降速停机时，可以加长停机减速时间，来减小储存的机械能的释放强度。图5-5加速时间图5-6是加速时间和减速制动线设置图，根据停机要求和制动电阻的功率大小，选择减速时间的长短。图5-6减速制动线设置图5.2离心力生产设备离心力生产设备是设备中的一个大类，有着广泛应用。离心力可以做功，离心力又是在旋转中产生的离心力，人们根据这一特点，应用在了很多回转类的桶、管、盘等成型加工。通过离心力加工的产品具有结构密实，没有气泡和砂眼，厚薄均用，节省材料、成品率高等优点，是很多产品首选的生产工艺。5.2.1水泥管离心成形机1.水泥管的用途水泥是建筑的基础材料，因为水泥具有强度高、耐腐蚀、寿命长等特点，除了基建用材之外，配合钢筋龙骨，制成水泥管，广泛用于城市下水道、输水管道、桥体支撑、电线杆、排水涵洞等，用量大用途广。图5-7（a）是由离心成型机制造的水泥管；图（b）是“钢筋笼骨”图片。a）水泥管

b）水泥管“钢筋笼骨”2.离心式水泥管成形机该成形机原理是通过离心力使水泥材料在模具中成形。（1）工作原理水泥管离心成形机如图5-8所示，是用于制造水泥管的成形设备水泥管是“中空形”结构，在制造时先用钢筋按照管的长度和直径做一个筒状笼骨，放到两开的圆形模具中，然后用天车将模具吊装到离心机上，图中的“主动摩擦轮”既是动力驱动，又起支撑作用。主动摩擦轮是2个，还有2个支撑摩擦轮，由这4个摩擦轮支撑模具平衡转动。

电动机通过皮带传动，将动力传递到主动摩擦轮，通过摩擦力驱动模具转动。当水泥管基本成型后，离心机高速旋转，目的是提高离心力，使水泥管在强大的离心力作用下，比重大的石子、水泥在最外层，水的比重轻，在最里层，即多余的水份被挤出。水泥管密实无空洞，坚固防水。当水泥管成形硬化不脱落，离心机停机，然后通过吊车将模具吊装到“高温蒸汽室”加速固化，当固化到90%开模。（2）制管过程图5-9是水泥管离心机下料示意图，下料机构是一条可伸缩的“传送皮带”，将混合好的混凝土水泥砂浆传送到模具内。“传送皮带”下料时是从右到左移动，均匀下料。在下料时模具开始转动，随即将“水泥砂浆”甩向四周，紧紧贴在模具的内表面上。由于“水泥砂浆”含水量较大，流动性强，在离心力的作用下具有趋平趋势，使水泥管的内表面趋于平整。下完料之后，模具高速转动，最后达到密实成型。图5-9水泥管离心机下料示意图5.2.2离心铸造离心铸造是在模具旋转的状态下进行浇铸，浇铸出来的工件壁厚均用，又没有气泡砂眼，成品率高，再加工量小，是金属管制造的首选工艺。1.离心铸造原理图5-10是离心铸造原理图。离心铸造是金属液体在离心力作用下，进行成型冷却的生产设备。旋转模具在电动机驱动下高速旋转，浇注包中熔化的金属液沿着浇铸槽流入模具中，金属液随着模具高速旋转。因为金属比重大，产生的离心力也大，强大的离心力将金属液体甩向四周，紧紧的贴在模具的内表面上，并把金属液中的气泡挤出，使金属管致密无砂眼。图5-10离心铸造机图5-11是几种不同的离心铸件，因为离心铸造质量好，精度高，在管材的生产上均采用离心铸造。

（a）铜套

（b）气缸套

（c）球墨铸铁管2.现场离心制造图5-12是现场离心铸造机外形图。由图中可见，该离心铸造机是“钢包”从后端将融化的“铁液”浇铸到“旋转模具”中；当“铸管”成型后，从前端由“机械手”将“成型的铸管”拉出。

工作中“旋转模具”由“机体”上面的“电动机”通过“皮带”拉动旋转，完成金属管的成型。

因为熔化的铁液储存大量的热能，必须通过冷却系统将热量带走，模具中的金属管才能成型。本离心铸造机是采用风冷和水冷同时进行，加速铸管的冷却。冷媒是冷却的“旋转磨具”，当模具的温度下降，铸管的温度下降，当铸管冷却凝固，体积收缩，便可由机械手将铸管从模具中拉出。任务实施

任务1变频器在离心铸造机上的应用5.3离心铸管机选型与控制

5.3.1离心铸管机和变频器选型1.离心铸管机选型1.离心铸管机选型选择DN350-1000离心铸管机，该机铸管直径为350~1000mm。图5-13是离心铸管机实体图，图（a）是水冷风冷离心铸管机外形图，图中“冷却水管”和“冷却风管”是为铸管机冷却装置，作用是将热量带走。“冒口机械手”是由液压油缸控制的回转机械手，在铸造之前先将“冒口”堵在“旋转模具”上，并随“旋转模具”同步转动，其目的是堵住“铁液”由“旋转模具”内甩出。当铸管冷却后，“冒口机械手”移走，冒口留在铸管上，再由后道工序清掉。（a）离心铸造机

（b）控制室操作台“拉管机械手”是由液压油缸控制，主要任务就是将冷却成型后的铸管从模具中拉出。现在离心铸管机都已经智能化，该机配备智能控制系统，电动机由变频器控制，段速切换由PLC控制，指令信号和显示由上位机控制。图（b）是控制室操作台。2.电动机功率选择电动机是根据负载的转矩和功率进行选择。负载工作时转矩和功率是一个动态值，有的冲击性还比较大，考虑到这一因素，电动机功率按下式选择Pe=（1.1~1.6）Pzd

（5-7）式中，Pe——电动机的计算功率，单位kW；

Pzd——电动机平均功率，单位kW。该离心铸管机电动机的计算功率为90kW。因为离心铸管机惯性很大，起动时有很大的附加转矩TA（见式5-5），TA的大小和加速度成正比，和加速时间成反比。为了提高工作效率，加速时间要短一些，据此系数选为1.5，Pzd=90×1.5=135kW。查表5-1，选择132kW、电压380V电动机。3.变频器选择变频器选择西门子G120-CU240E-2控制单元，PM250功率模块。功率模块的功率就是变频器的功率，按照电动机的功率进行选择。惯性负载因为因为工作中有冲击，选择高于电动机一个功率档次，即选160kW，电压380V的功率单元。因为停机有能量回馈，变频器要加装制动电阻（选择电动机和变压器，要查功率系列表，选错了买不到）。表5-1电动机（变频器）功率系列/kW5.3.2离心铸造机工艺要求与变频器参数设置1.离心铸造机速度要求具有3种速度要求：（1）开机后先慢速运转2～3min，使金属液均匀分布到模具内壁四周。（2）中速运行0.5～1min，这是从低速到高速的一个短时过渡阶段。（3）高速运行6～15min，高速运行中，金属液在离心力的作用下，挤向内模壁四周，达到均匀密实成型，并挤出金属液中的气体，使铸管无空洞砂眼、内表面成型光滑。与此同时，在模具的四周加上冷却水降温冷却，在停机时金属管已经固化。离心机运行速度如图5-14所示。

图5-14离心铸造机速度图2.离心铸造机的控制要求离心铸造机在成形过程中，离心铸造机需要起动、停机、速度切换、故障报警等控制功能，3种速度要按照时序逻辑进行控制。由变频器和PLC组态来完成离心机的控制，只有起动信号手动，其它的控制由变频器和PLC自动完成。变频器的输入控制端子和输出指示端子的配置见表5-2；PLC的指令端子地址分配见表5-3。表5-2变频器端子功能分配表5-3PLC指令端子地址分配表3.离心铸造机控制电路控制电路如图5-15所示。图中控制设备分为2部分，变频器部分完成电动机调速、电动机驱动等工作；PLC部分完成开关信号的逻辑控制等工作。图5-15离心铸造机电路原理4.变频器控制原理以及参数选择由表5-2可见，变频器有3个速度切换端子，1个速度微调端子和1个故障报警端子。变频器还需要停机制动，这些端子的功能都需要用参数进行设置；变频器属于带载起动，要采用矢量控制。表5-4是变频器参数表，表中参数功能都加以说明。表5-4变频器参数设置5.PLC指令程序根据表5-3指令分配和控制逻辑关系，指令程序如图5-16所示。5.3.3低压电器与电缆选择

变频器的强电低压控制电路如图5-17所示，下面介绍低压器件的选择方法。选择低压电器和连接电缆，是以电动机的额定电流为依据，再根据具体情况留出一定的余量。图5-17变频器低压控制电路1.隔离开关QF选择隔离开关可选择空气断路器。隔离开关因为不做有载断电操作，其额定电流按变频器的输入额定电流选择即可。本例变频器为160kW，额定电流321A。空气开关额定电流规格为（单位为A）：6、10、16、20、25、32、40、63、80、100、125、160、200、250、400、630、800、1000A。选择400A额定值的空气断路器即可。外形见图5-18所示。（a）外形

（b）电气图形符号2.熔断器选择熔断器是短路保护，当电路出现短路时，熔断器熔断，对电路加以保护。熔断器的电流容量不能选的太小和太大，选小了会经常熔断，影响正常工作；选大了会出现短路不能熔断，造成故障扩大。溶体电流按照公式I=（1.2~1.30）IN进行选择，不要超出公式范围。变频器额定电流321A，熔断器熔断电流额定值系列为：2、4、5、6、10、16、20、25、30、35、40、50、60、80、100、125、150、200A，315A，400A，630A，选择溶体额定电流为315A~400A即可。3.接触器选择选择型号为CJ20系列，触点电流按阻性负载选择，即I=IN。变频器额定电流321A，选择触点电流为400A（标准值）的接触器。线圈电压选择为220V（电源带有N线）。外形见图5-19。（a）接触器外形图

（b）接触器符号4.输入输出交流电抗器选择输入和输出交流电抗器是选件，变频器厂家均可配套供应。尽量采用厂家原配产品，可以保证参数配套，达到满意的滤波效果。5.动力电缆选择（1）屏蔽电缆动力电缆理想的就是铠甲屏蔽电缆，这种电缆的优点是具有全方位的屏蔽作用。在电磁干扰比较弱的场合，可以选择非铠甲电缆。（2）电缆功率容量选择不考虑电缆的屏蔽，只考虑电缆的载流量，变频器的输入端电缆选择：如果选择铜芯电缆，芯线型号为VV22，变频器额定电流321A，查电工手册，查得电缆芯线截面积为3×185mm2，通过电流为328A。如果选择铝芯电缆，芯线型号为VLV22，查电工手册，电缆截面积选择，查得电缆芯线截面积为3×300mm2，通过电流为344A。变频器的输出端电缆选择：变频器的输出端电缆除了考虑载流量，还要考虑电缆的电压降落。如果输出电缆较长，电压降落较大，影响变频器的出功。因此要适当增加电缆的截面积。6.二次导线的选择电路中的控制导线又称为二次导线。二次导线包括信号电缆、控制电线、接地线等。表5-5给出了二次导线的要求。表5-5二次导线参数与要求5.3.4制动电阻的选择1.制动电阻RB阻值选择

图5-15中RB为制动电阻。制动电阻的阻值通过查表获得（查项目2表2-1）。变频器为160kW/380V，由表中查的变频器制动电阻的阻值为4Ω。当电阻值确定之后，不可任意变动，当阻值变小，会损坏变频器。2.制动电阻RB耗散功率选择

因为离心机是惯性负载，停机时惯性能基本被制动电阻所消耗。由离心机速度图中可见，离心机工作一个周期的时间为：3min+1min+15min=1200s，按“工作/停止时间比”为5%计算，停机制动时间为60s，制动电阻的功率选为8.0kW（查项目2表2-2）。5.3.5变频器控制柜安装与调试1.变频器控制柜安装变频器相关的器材准备就绪，就可以进行变频器控制柜的组装。变频器控制柜组装要按照规范进行，线路不能接错，每个端子必须压接牢固。强电端子和弱电端子分线槽安装。具体安装不再赘述。变频器控制柜见图5-20所示。2.变频器调试控制柜安装完毕，下一步就可以进行变频器调试。接通三相交流电，起动变频器进行参数预置，将表5-4变频器参数通过操作面板预置到变频器。将图5-16PLC程序通过PLC编程软件重新编制，然后下载到PLC，就可以进行功能调试。点动SB3，变频器起动，点动SB4变频器停机，工作中由PLC进行段速切换。5.3.6总结1.离心铸造已经产业化我国是世界上最大的产钢大国，2023年产量达到了10.13亿吨，全世界总产量为18.78亿吨，占世界钢总产量的54%。“离心铸管”除了国内应用之外，还大量出口。即“离心铸造业”已经产业化，铸造设备也已经智能化。2.变频器知识点应用

“离心铸造机”工作中需要频繁启停和调速，采用变频器控制启停平稳、调速均匀可控，使铸管没有瑕疵，成品率100%。3.电动机倒发电制动停机时变频器制动电阻制动，是一种可设置的制动方法，制动过程中也非常平稳，是机械制动的“替代”制动。现在只要有变频器应用的场合，“摩擦制动”就不再采用。

5.4项目总结1.传动设备负载分析传动负载分为直线运动和旋转运动，直线运动负载受直线力作用；旋转运动负载受离心力作用。这两种运动都分别对应着特定的产业群，如拉丝机、龙门刨床就是直线运动做功；离心水泵、离心甩干机就是旋转运动做功；还有一种惯性能做功，就是通过直线或旋转运动产生的惯性能做功，如冲床、打桩机、空气锤、饲料粉碎机等。2.项目知识点及代表性（1）变频器应用知识点①离心“浇铸机”属于大惯性负载，变频器选择留出1~2个功率档次的功率余量，电动机132kW，变频器选择160kW；②

变频器选择矢量控制功能（p1300=20），具有良好的调速特性。③由制动电阻消除回馈电能。④本项目给出了低压电器的选择方法（实用技术）。（2）项目的代表性离心力做功有其特殊性，由式5-2可见，离心力和转速的平方成正比，也就是改变转速就可以控制离心力的大小，为了把离心力控制在最佳值，用变频器控制是最好的方法。离心设备是大家族，如离心分离机（医学用于细菌分离）、离心压缩机、离心泵、离心式干燥机、离心粉碎机、离心“浇铸机”等。这些离心设备配用变频器控制，可以精确的控制旋转速度，即控制离心力的大小，达到离心机的精度要求。1.知识目标（1）掌握空压机的原理和用途（2）掌握变频器在空压机上的应用（3）掌握变频器控制参数的选择与调试2.技能目标（1）掌握变频器在空压机上的正确应用与调试。（2）会调试变频器PID控制系统。（3）掌握变频器空压机传动系统的选型安装与调试3.内容导读本项目主要分析压缩气体与空压机、空压机原理分析、变频器在螺杆式空压机上的应用项目导航知识准备6.1压缩气体与空压机6.1.1气体的压缩特性1.话题引入地球上的物质分固态、液态和气态。空气是由多种物质组成的无色无味透明的混合气体，是人类的“生命气体”，空气又是生产中的重要资源。空气主要成分是氧气和氮气，氧气占21%；氮气占78%。还有氦、氖、氩、氪、氙等气体，占到0.94%。少量的二氧化碳，占到0.03%。2.空气的物理特性①空气的流动性。空气可以从气压高的地方向气压低的地方流动。②空气具有可压缩性。被压缩的气体具有弹性，被压缩时气体体积变小，气体膨胀时可以做功（气体压力源用）。③气体被压缩时放出热量，气体膨胀时吸收热量。气体本身并不消耗能量（空调用）。④气体具有温度临界值/oC和压力临界值/MPa，不同的气体具有不同的临界值。表7-1是气体的温度压力临界值，当温度或压力达到了临界值，气体液化。表6-1气体温度压力临界值3.热力学定律

热力学第一定律为

△U=W+Q（6-1）式中，△U——内能的变化量，单位J（焦耳）。如果△U为负数，研究对象内能减小。Q——研究对象吸收的热量，单位J（焦耳）。如果Q为负数，则说明研究对象向外释放热量。在自然态下，Q传导具有方向性，即只能从高温物体向低温物体传递热量。W——外界对研究对象做的功，单位J（焦耳），如果为负数，则说明研究对象对外界做功。热力学第一定律是热能守恒定律，当气体受压时放出热量，当气体膨胀时吸收热量，气体自身不产生或消耗能量，气体只是能量转换的载体。这为空压机的应用奠定了理论基础。6.1.2.空压机的分类1.空压机分类空压机是空气压缩机的简称，工业上都用简称，该书也用简称。空压机是一个大家族，种类繁多，品种齐全。根据工作需要，压力分为低、中、高3个级别，排气量也分为小、中、大3个级别。表6-2是常用的几种空压机表6-2空压机分类表2.

空压机的用途（1）空压机作为动力源应用运行设备需要动力源驱动，动力源有三种：电能动力源、气压动力源和液压动力源。电能动力源是通用动力源，用途最广，但也不是任何场合都适用。气压动力源和液压动力源有自己的独到优势，在某些场合具有不可替代性。空压机作为气压动力源的产生设备，被广泛应用于机械，治金，电力电子，医药，包装，化工，食品，采矿，纺织，交通等众多工业生产领域。根据统计资料显示，空压机的耗电量，占到风机和泵类总耗电量的15%，可见空压机设备占有率是很高的。下面是气压动力源在气动工具上的应用。气压动力源驱动各种气动机械做功，常见的有气动往复气缸、气动马达、气钻、气锤、风镐、扭力扳手，棘轮扳手；喷涂设备、喷枪系列、吹尘枪；

机器人、气动机械手、气动卡具等。压缩气体因为具有“弹性”，工作中无需过载保护。图6-1是常用气动工具。

（c）气钻

（d）气动马达（a）气锯（b）气动扳手（2）空压机用于制冷/制热空压机用于制冷/制热，用途广泛，只要是对温度有要求的行业，都能用到。图6-2是电冰箱制冷原理图，图中管路中的工质是不含水份的氨气或氟利昂气体，空压机为柱塞式压缩机，工质在密封的回路管路中流动。图6-2电冰箱制冷原理图图中空压机的进气端是管路的低压端，管路中是低压气体；出气端是管路的高压端，是通过空压机压缩后的高压气体。高压气体因为被压缩放出大量的热，通过冷凝器将热量散掉。为了增加冷凝器的散热面积，把管路做成管排，垂直安装，通过上升的气流将热量带走；高压液化的气体通过毛细管节流，喷发到管路的低压制冷端，气体喷发膨胀吸热，使管路温度降低制冷。

蒸发器为了加大冷量的传导，也是做成管排，将冷量传导到用冷物的降温。图中的干燥过滤器是为了滤除冷冻工质中的水汽，防止结冰堵塞毛细管。为了制冷量可控，现在制冷设备均由变频器控制（变频空调、变频冰柜）。（3）根据气体的液化压力点进行气体提纯

不同的气体具有不同的液化压力点，在混合气体中，可以通过施加不同的压力，把需要的气体分离出来。如制氧机、稀有气体氙、氪、氩、氦的提纯等，都是应用气体的液化点不同将其分离、提取。例如制氧机，氧气在5.043MPa压力下液化，将氧气从大气中分离出来。（4）气体输送加压

天然气、煤制气等气体在远距离输送时，需要加压才能远距离输送。图6-3是用于气体加压用的罗茨空压机。低压气体被进气口吸入，被加压后在出气口排出，达到气体增压目的。。图6-3罗茨空压机6.2空压机原理分析

6.2.1离心空压机原理

离心空压机和离心风机原理相同，也是根据离心力工作的气体设备。但是因为空压机输出的风压远大于风机，因此在结构上和风机区别较大。图6-4是离心空压机

外形图。由图中可见，电动机的输出轴，通过“齿轮加速箱”传到空压机的叶轮，即叶轮的转速远高于电动机的转轴的转速。而一般风机都是采用减速箱，空压机采用加速箱。采用“氢气”为机体散热。图6-4离心空压机外形图

离心空压机和离心风机原理相同，也是根据离心力工作的气体设备。但是因为空压机输出的风压远大于风机，因此在结构上和风机区别较大。图6-4是离心空压机外形图。由图中可见，电动机的输出轴，通过“齿轮加速箱”传到空压机的叶轮，即叶轮的转速远高于电动机的转轴的转速。而一般风机都是采用减速箱，空压机采用加速箱。采用“氢气”为机体散热。1.离心空压机升压原理图7-5是离心空压机的原理图，图（a）是正视图，图中电动机通过增速齿轮，将动力传到叶轮轴，叶轮轴上安装有叶轮，叶轮中心是吸气口。叶轮是一个伞状形锥形体，在叶轮上分布着伞状形叶片。伞状形叶片的最大直径端称为“升压片”，因为直径越大，离心力越大。防漏环是离心空压机的关键部件，制造精度非常高，和叶片之间的间隙很小，保证气体在“升压过程”中不泄漏。

（a）正视图

（b）侧视图气体进入叶轮后，在防漏环的密封下，进入到伞状叶片的最大直径端，受到最大离心力作用，形成高压气体，由蜗壳收集在排气口排出（见图（b））。

图7-5（b）侧视图2.叶轮轴组件

图6-6是实体叶轮轴组件，由图中可见，叶轮轴上装有增速齿轮，目的是提高叶轮转速以提高离心力。在轴的中心是导流区，叶片的弯曲度不同，便于将气体导入叶轮。随着叶轮直径的增加，叶片变窄，强度增加，离心力增加。

图6-6叶轮轴组件3.离心空压机系统分析（1）主机散热图6-7是离心空压机系统图。气体受压时要放出大量的热，空压机必须要有良好的散热才能正常工作。小功率空压机采用风冷，大功率空压机必须用水冷。水冷原理就是在主机的机体铸造时留出水冷腔，水冷腔外接冷却水管。工作时在冷却水管中通入循环水，循环水的另一端接散热器，将机体的热量散掉。图中的“冷却水管”连接到外接散热器上。图6-7离心空压机系统图（2）离心空压机的优缺点离心空压机是靠离心力完成气体压缩，运行平稳无噪声。在运行中叶轮是处于悬空状态，没有摩擦，不用润滑。因为蜗壳中的气压很高，轴承的润换油也进不到蜗壳中，所以离心空压机输出的是不含油的气体，可以直接应用。离心空压机的优点为：

①

排出的气体不含油，不用二次处理。②

排出的气体没有脉动，稳定性高。③叶轮高速旋转，和同等功率的空压机比较，比其它的空压机节能。离心空压机的缺点为：①转子直径大转速高，一般离心式空压机都是大中型，没有小型。②离心空压机工作时不能有大的变动，适用的工作范围比较窄，多为特定场合应用。

（3）离心空压机的应用离心式空压机广泛应用于汽车、化工、制药、采矿和空气分离等行业。现在离心空压机解决了向高压力，宽流量范围发展的一系列问题，使离心空压机的应用范围大为扩展，在很多场合可取代往复空压机，大大扩大了应用范围。6.2.2双螺杆式空压机1.双螺杆式空压机工作原理

双螺杆式空压机属于旋转容积式空压机。工作中通过两个“对滚”的螺杆将气体挤压出去，形成高压气体。图6-16是双螺杆实体图，由图中可见，螺杆转子具有5条螺纹线，每条螺纹线都有“螺齿”和“螺槽”，转动中螺槽储气，螺齿压气。当两轴按图中转向转动时，右边的两面为吸气，左边的两轴中间为出气。螺纹的长度为1个螺距，旋转一周，完成1次吸气和压气。图6-16双螺杆转子实体图6-17是螺杆空压机实体解剖图。在图中，“主动轴”螺杆为“阳螺杆”，“被动轴”螺杆为“阴螺杆”。动力由阳螺杆输入，在阳螺杆和阴螺杆的轴头上分别安装着一对同步齿轮，阳螺杆通过同步齿轮，将动力传递到阴螺杆。两个螺杆在制造时，“螺槽”的形状和“螺齿”的形状一样，二者是无间隙配合。二者在转动中“螺槽”中的气体无泄漏的被螺齿压向排气口。当阴阳螺杆按图中转向转动，螺纹槽从右向左移动，当螺纹槽的进气口转过箱体的进气腔，螺纹槽中的气体被困住。此时“螺齿”在此螺槽中滚动，将困住的气体压缩，同时螺槽的左端已经和排气口接通，由“螺齿”将气体压出。阴阳螺杆在“对转”的同时，“困气”和排气是连续进行的，没有间断。2.含油式双螺杆空压机图6-18是含油螺杆空压机结构图。阴阳螺杆在“对转”滚动中，螺齿和螺槽之间具有滑动摩擦，要产生很大的摩擦阻力，降低了空压机效率，造成螺杆发热严重，必须通过润滑油润滑才能工作。因此，该空压机为有油空压机。润滑油一方面是起润滑作用，另一方面还具有防漏功能。螺杆空压机自从引进了油润滑之后，才成为空压机中的主力机型。由图中可见，通过专门的油泵为螺杆和整机润滑。图中的“螺杆油泵”也是一个螺杆结构油泵，专门为螺杆空压机做润滑用。整台螺杆空压机的转动轴承润滑、转动螺杆润滑；螺杆在转动中，要承受很大的轴向力，是通过“轴向压力平衡油管”将两端的压力进行平衡，这些用油都是通过“螺杆油泵”提供。因为有油螺杆空压机输出的是油气混合气体，不能直接用于生产，必须要油气分离。这就增加了设备的复杂性。3.螺杆空压机“总成”与油气分离图6-19是含油螺杆空压机“总成”。螺杆空压机由于结构非常精密，对气体清洁程度要求很高，不允许粉尘颗粒进入空压机，在空气进口设置“空气滤清器”和“进气控制阀”，进气控制阀在空压机工作时才打开，不工作时关闭。图6-19含油螺杆空压机总成气体被压缩后由“油气混合出气管”进到“油气罐”。“油气罐”又是“油气分离器”，因油的比重大往下“沉”，气体的比重轻往上“浮”，油气被分离。油气分离后的高压气体由“气管”进入“冷却器”冷却，冷却后由“输出阀门”输出；“油气罐”中分离出来的油由“油管”进到“冷却器”冷却，冷却后再流回空压机。4.螺杆空压机气源配置与控制系统图6-20是螺杆空压机标准气路配置图。高压气体由空压机“总成”机柜输出后，先进入储气罐，因为储气罐容积大，立式安装，气体在储气罐中的停留时间长，油的沉淀时间长，能够进一步进行油气分离。经储气罐二次油气分离，输出的气体可满足动力设备的应用要求和非接触用气要求。图6-20螺杆空压机标准气路配置图。5.含油螺杆空压机的优缺点（1）螺杆式空气压缩机的优点①可靠性高。螺杆压缩机零部件少，没有易损件,运转可靠，寿命长，大修间隔期可达4-8万小时。即连续工作9年内不用大修。②操作维护方便。操作人员不必长时间专业培训,可实现无人值守运转。③动力平衡性好。没有不平衡惯性力,机器可平稳地高速工作。体积小、重量轻、占地面积少。（2）螺杆空压机的缺点①造价高。因为其转子齿面是一空间曲面，需要高精度的设备进行加工。②不能用于高压场合。由于受到转子刚度和轴承寿命等方面的限制,所以只能适用于中、低压范围，排气压力一般不能超过4.5MPa。③不能反向运行。螺杆压缩机绝对不能反向运行(除点动判别转向正确以外),否则会造成烧机故障。5.含油螺杆空压机应用范围螺杆空压机是现代企业生产过程中必不可少的气源设备，其应用范围广，主要应用行业为：①设备制造业。喷漆、喷洗机、机械退模、驱动装配工具、钻床、锤子、升降驱动、组合工具、铰刀、运行运行、铆钉螺丝刀旋转驱动、锻造、金属成型压力机运行操作、抛丸、喷涂、传动、驱动等工艺流程。②汽车制造业。喷洗零部件、驱动装配刀具、夹具工具、起吊葫芦行车、气动控制、锻造车间气锤压制、铸造车间鼓风、钣金车间喷漆。③化工行业。通气和搅拌、分离塔用气、清洗设备、气动控制、工艺用气。④钢铁行业。除氧用气、高平转炉用气、料车定位、沉渣室钻孔、卸料包、平炉烟道清洁、驱动风动工具、风镐、砂轮机、起吊葫芦和升降机、喷砂、高炉出炉、真空除气。⑤螺杆空压机是现在的主力设备，市场占有率达到80%以上。任务实施任务

变频器在螺杆式空压机上的应用一、

设备选型1.1空压机与变频器选择1.螺杆空压机选型（1）选型参数

有一企业，车间气动设备需要低压气动动力源驱动，对动力源要求为：工作压力0.8MPa，空压机流量16m3/min，选择螺杆空压机，和电动机捆绑应用，空压机和电动机参数见表6-3。表6-3螺杆空压机铭牌参数（2）选择电动机根据表中要求，选择电动机：功率110kW；工作电压380V；4极交流笼形电动机。电动机总成见下图所示。图6-21是电动机和螺杆空压机总成，电动机通过联轴器和空压机连接。空气通过“滤清器”过滤，由“进气管”进到空压机。空压机压缩后的高压气体压入“油气罐”，通过油气分离，气体由“高压气管”流进“冷却器”由“冷却风扇”冷却后输出。图6-21螺杆空压机总成2.选择变频器根据螺杆空压机配备的电动机选择变频器的容量。空压机属于特种设备，有专为空压机控制的专用变频器。选择“英威腾”空压机专用变频器，型号GD300-01A-075G-4，功率按电动机功率选择即可，也为110kW。变频器和“螺杆空压机总成”安装在同一个控制柜中，如图6-22所示。由图中可见，变频器安装在控制柜的前面，空压机和电动机安装在后面。人机界面安装在柜门上。图6-22气体压力源控制柜3.选配储气罐储气罐是储存气体压力能的容器。工作中起缓冲作用。应用时进气口连接空压机的出气口。出气口连接负载。储气罐容量越大压力稳定性越好，气油分离越好。但储气罐越大占地面积大，成本高。经过计算，选择参数如下的储气罐。图6-23储气罐1.2选择传感器1.压力传感器选择

变频器为恒压PID控制，根据气源的稳定压力值选择压力传感器。本系统工作压力为0.8MPa，选择量程为1.2MPa的压力传感器。传感器为2线输出，输出电流4~20mA。图6-24是压力传感器连接图。图6-24传感器连接图2.电动机过热保护电动机驱动空压机工作，空压机工作中会产生大量的热，造成环境温度过高；电动机工作中本身也会发热，两个热量叠加，会造成电动机工作中热量超标。当外壳温度达到80°C，轴承就不能工作，必须进行过热保护。采用PT100铂金属传感器进行温度检测，检测信号连接在变频器的PTA1端口（见图6-24）。3.空压机过热保护空压机工作时压缩空气放出大量的热，正常运行温度一般在35°C至45°C之间。极限温度为80℃~120℃之间。空压机温度过高，会降低润滑油的润滑效果，加速设备磨损，降低设备使用寿命。温度过高还会造成抱轴事故，因此，对空压机和油气要进行热保护。采用PT100铂金传感器进行采样，检测信号加在变频器的PTA2端口上（见图6-24）。1.3双变频器空压机电路分析变频器选用“英威腾”空压机专用变频器，该变频器专为“螺杆空压机”进行设计，并且控制系统主变频器和冷却风机变频器同步应用，变频器的参数都已经选好，节省了变频器的调试时间。图6-25变频器电气控制图1.主从控制原理图6-25是空压机双变频器控制电路。该电路主机是驱动空压机的变频器，从机变频器是驱动冷却风扇的。主机变频器和风扇变频器采用主从控制模式，主机的RO2端子设置为“风机启停控制”，主机一运行，该端子输出闭合信号，风机变频器起动；主机的AO1端子设置为指示输出频率，用于风机的调速信号。2.HMI人机界面图中HMI为控制界面，用于变频器的控制，安装在控制柜的面板上（见图6-22）。HMI是采用通信的方法和变频器进行数据交换。HMI因为是和变频器配套使用，工作中的各种界面已经做好，用户只要按照导航进行应用即可。图6-26是英威腾“TC070A”触摸屏外形图。

图6-26TC070A触摸屏二、

双变频空压机调试步骤2.1系统配置调试“GD300-01A”空压机变频器推荐使用“TC070A”触摸屏进行显示和调试，因为厂家已经做好了“指令”连接，调试时只需按照导航的指引，填写相应的数据即可。下面分析具体调试步骤。1.调试准备按照图6-25进行接线；仔细检查接线是否正确，确保空压机变频器接地和空压机外壳接地连接良好，变频器通电。2.进入HMI调试界面触摸屏显示登录界面（见图6-27）。点击“请点击进入”按键后进入工作环境界面，显示如图6-28工作环境界面。图6-27登录界面

图6-28工作环境界面3.进入“菜单”选项点击界面中的“菜单”选项，进入图6-29菜单界面。点击菜单中“系统配置”，进入系统配置页面，界面显示如图6-30系统配置界面。点击风机变频“启用”，然后按照“出厂调试引导”的步骤进行调试。图6-29菜单界面

图6-30系统配置界面（1）第1步在系统配置界面，点击“电机参数设置”，出现“同步电机”界面，点“下一页”出现“异步电机”界面，如图6-31所示。在此界面中按要求填写电动机参数值。需要填写的电动机参数值见表6-4。参数填写完成之后，点击“参数辨识”，辨识结束后，点击“下一页”，设置风机电机参数。需要填写的电动机参数值见表6-4。图6-31主机参数设置界面表6-4电动机额定参数表（2）第2步回到系统配置界面，点击“一键设定参数”按钮，系统自动完成相关参数配置。参数配置详情参考表6-5。S端子与RO输出端子功能可根据系统接线情况进行修改。由表中生成参数可见，控制参数、保护参数，只要另行输入具体值就可以了。表6-5自动生成的参数表6-5自动生成的参数（3）第3步点击“下一页”进入“系统参数配置”，在系统配置界面，点击“系统参数设置”。见图6-32所示。图中所示参数均为默认值，如果和实际不同的要进行修改。如压力上限、频率上、下限、S数字端子端子的“状态”都可以根据实际情况进行修改。S1作为急停开关，根据急停开关的极性选择常闭常开；当S2选电机过温时，极性选择常闭。图6-32系统参数设置

图6-33调试模式界面（4）第4步返回“系统配置”界面，点击“调试模式”，进入“调试界面”，见图6-33所示。点击“点动运行”，确定电机转向；点击“加载”或“卸载”，测试电磁阀动作；点击“返回”进入系统配置。之后，点击“菜单”，返回菜单界面。2.2用户配置调试1.用户参数配置

点击菜单中“用户参数”，出现用户参数界面，见图6-34所示。填写温度、压力的额定值和加减速时间。图6-34用户参数设置2.维护参数配置点击菜单中“维护参数”，界面显示如图6-35所示。填写空滤、油滤、油气分离器的更换时间。图6-35维护参数设置3.保护参数点击菜单中“保护参数”，界面显示如图6-36所示，填写该设备的压力、温度的预警值和报警值。图6-36保护参数设置4.运行信息

点击菜单中“运行信息”，界面显示如图6-37所示。填写主机和风机的相关参数。图6-37保护参数设置5.结束调试按照手册，调整用户参数、厂家参数、维护参数后，返回“工作环境”界面，点击“启动”即可运行。2.3总结1.专用变频器的特点专用变频器就是为某种控制专门制造的变频器，具有很大的专用性，其专用功能齐全，不需要的功能弱化。如果将专用变频器改做它用不能正常工作。空压机专用变频器将空压机的很多功能作为默认设置，方便了变频器调试。如闭环PID控制，只需要将现场反馈信号连接到输入端子，在HMI上输入目标压力“恒定压力”就可以了。2.HMI配合专用变频器优点突出HMI在应用之前，首先根据负载的工作特点制作动画、表格、功能开关等界面，并且和变频器进行了矢量连接，通电后HMI界面上的动画、图表就都随着变频器的工作动起来。变频器参数选择不再需要指令“码”，只把参数“值”写进HMI就可以了。大大方便了用户。3.PID控制简化为压力选择PID控制参数选择比较麻烦，但在HMI上调试时只填写了一个压力值“0.8MPa”，其它的都不用管。“图6-25变频器电气控制图”就是厂家提供的，只要是按照该图进行连接，变频器系统基本上就是免调试。这就是智能电器的发展方向。3.1项目总结1.气体压缩特性气体的压缩特性是空压机的产生根源。人们通过空压机将气体压缩，通过压缩气体完成人们需要的工作。现在空压机应用最多的是空气动力源、空气能量交换和气体提纯。2.空压机的类型空压机就是将空气进行挤压压缩，从技术角度分析，活塞式空压机最容易制造，具有一百多年的历史，现在还在服役。活塞式空压机体积大、往复运动振动力大、寿命低。螺杆空压机是旋转工作，通过相对滚动的一对螺杆完成气体的挤压工作。工作平稳效率高。由于螺杆是曲面接触，加工极为困难，世界上只有顶级的生产厂家才能生产。

数控机床出现之后，是按照曲面编写程序，根据程序进行工作，不用人来控制，螺杆空压机的制造难度被破解，螺杆空压机很快就占领了空压机市场（80%为螺杆空压机）

现在市场上出现了离心空压机，离心空压机最大优点是气体没有污染，为洁净的空气，在食品、制药等行业受欢迎。在制冷、空调领域过去都是应用活塞空压机，现在被“涡旋式”空压机所取代，“涡旋式”空压机体积小、效率高、寿命长，是新技术产品。3.变频器在螺杆式空压机上的应用（1）变频器知识点①压力罐为恒压供气，变频器采用PID恒压控制，选择压力传感器，传感器的检测端连接在压力罐的“连接孔”上，信号端连接在变频器端子。。②变频器主从控制，即主机的数字输出指示端子设置为“运行中”，连接到从机的运行端口；主机的模拟输出指示端子设置为“指示输出频率”，连接到从机的调速端口。主机和从机同时运行和停机、同时升速和降速。③变频器采用远程控制。远程控制就是指令源和变频器距离较远，变频器在车间，指令源在控制室。远程控制是采用“通信”控制，通过RS485通信电缆传递通信信号。单独采用通信控制是很麻烦的，需要编写通信程序。本系统采用的是螺杆式空压机专用变频器，针对螺杆式空压机进行设计，电路连接图、变频器的指令参数以及HMI的“矢量”连接、显示动画都已经做好，节省了现场工程师的参数选择调试时间。（2）项目的代表性①空压机是一个很大的产业群，该项目在变频器空压机应用上具有很好的参考价值；在变频器液压控制上也有很大的参考价值。②专用变频器选用。该项目选用的是专用变频器，既省时又省钱。1.知识目标

（1）掌握纯电动汽车结构原理

（2）掌握纯电动汽车的安全设计

（3）掌握变频器在纯电动汽车上的应用特点

（4）掌握变频器在纯电动汽车上的应用调试2.技能目标（1）能读懂电动汽车电路图（2）能排除电动汽车的简单故障（3.内容导读本项目主要分析纯电动汽车电路结构、纯电动汽车的电压安全设计、车用永磁同步交流电动机原理及变频器在纯电动汽车上的应用项目导航知识准备7.1纯电动汽车电路结构7.1.1燃油汽车和电动汽车比较1.燃油汽车的历史

世界上第1辆燃油汽车诞生于1886年，是由奔驰汽车公司创始人卡尔·本茨发明的。距今已有130多年的历史。燃油汽车经过1百多年的发展，技术已经非常成熟。乘坐舒适，故障率低，续航能力长，加油时间短，经久耐用。但是燃油汽车排出的尾气形成空气污染，由于汽车的主体结构是机械系统，可控性能差。燃油汽车随着在城市的普及，其燃油产生的尾气造成了严重的城市环境污染，不再适合作为城市的交通工具。在城市中淘汰燃油汽车已经是世界共识。2.电动汽车兴起燃油汽车产生的年代正处于第二次工业革命的初期，是第二次工业革命的成果。第二次工业革命是电气化革命，当时电力技术日趋成熟，1888年在美国出现了有轨电车。因为有轨电车是由电网供电，不能脱离轨道运行，限制了电车的发展。后来出现了电动列车以及现在的动车组列车和高铁列车，都是轨道电车的延续。值得说明的是现在的动车、高铁以及地铁列车驱动电源都是变频器。3.锂离子可充电电池为电动汽车提供了动力源电动汽车是随着可充电电源的进步而异军突起。电动汽车因为是离线运行，必须要有可移动电源，所以可充电电源解决了电动汽车的根本问题。有了充电移动电源，电动汽车的优点就体现出来，首先没有空气污染，在人口稠密的市区是最好的交通工具。电动汽车的动力是电能，电能的可控性是最好的。电能的整流逆变、升压降压以及汽车的升速降速，都可以控制在最佳状态。特别是现在进入智能时代，汽车引进智能控制，要比燃油汽车的机械控制更加方便。电动汽车是新生事物，除了燃油汽车的外壳和车轮可供参考，其它的动力部分都是自成体系。电动汽车有电动汽车的优点，但也出现了新的问题，需要逐步完善。如高压供电的安全问题、电池充电时间长的问题、充电电池在低温下工作效率低以及充电电池寿命短成本高等问题，这些问题都属于发展中的问题，随着技术的成熟，都可以逐渐得到解决。就像当年的汽车取代蒸汽汽车一样。7.1.2纯电动汽车控制分析1.纯电动汽车控制框图图7-1是纯电动汽车控制框图，其控制核心是计算机。纯电动汽车是智能控制，这就占据了汽车控制的制高点。现在进入到第4次工业革命，革命的核心就是深化智能制造，我国的纯电动汽车制造业弯道超车，进入世界纯电动汽车制造强国行列。

图7-1纯电动汽车电气框图（1）计算机主控制板由图中可见，“计算机主控制板”是控制核心（MCU芯片），所有功能部件都由主控板控制。图中的控制线分两类，一类是电源线，标注“××V”即为电源线，电源线的箭头一般为单向，由电源指向被供电功能块。另一类是标注“逻辑控制”、“××通信”的双向箭头线。双向箭头线是由主控板向被控部件发出指令信号、或被控部件向主板汇报工作，是双向通信控制线。通信控制是智能部件具有的功能，即具有双向箭头线的功能块也是智能功能块，内含CPU。（2）操作系统功能块油门、刹车、转向，这是汽车运行核心操作；仪表板和各类灯具是汽车行驶中的重要指示部件和照明。现在都和主控板连在一起。这有两个用途，一是自驾，二是对驾驶进行监控。当出现疲劳驾驶，各个功能部件出现问题，主控板要发出报警信号。因为操作控制系统功能块内含有CPU，控制线为双向箭头。（4）变频器图中的变频器是变频功率模块，又称逆变器，其控制部分合并在主控板中（类似G120分体机），“油门”（调速）、“刹车”（制动）等控制信号加在计算机主控板上，主控板通过通讯控制变频功率模块，调速工作或停机抱闸。（5）BMS电池控制板BMS控制板也是智能管理模块，主要任务是监控“电池包”的电压、电流、温度等物理量。锂离子电池虽然有很多优点，但是也有缺点，温度低电量不足，温度高衰老快。合理控制电池的温度，延长电池使用寿命。（6）空调控制器空调控制器主要是对空调进行逻辑控制。空调在工作中制冷、制热，温度控制都是由空调控制器给出控制信号。空调控制器受主板控制，当感受到车内温度不合适由主板进行设置。空调的压缩机由变频器控制，分档控制空调的温度。7.2纯电动汽车的电压安全设计7.2.1电动汽车的安全要求1.

纯电动汽车电阈安全级別人体能承受的安全电压的高低取决于人体允许通过的电流和人体的电阻。人体电阻主要由体内电阻、体表电阻、体表电容组成。人体电阻随着条件的不同在很大范围内变化，一般在lkΩ左右。我国民用电网中的安全电压多采用36V，大体相当于人体电流3.6mA。人体允许通过的电流为10mA，因此是安全的。但当身体潮湿，人体电阻降为120Ω，36V电压也不安全。依据国家标准GB/T18384.3—2015《电动汽车安全要求第3部分：人员触电防护》要求，考虑到空气的湿度和人体在不同工作环境下的电阻，根据不同电压等级可能对人体产生的伤害和危险程度不同，在纯电动汽车中将车辆电压按照类型和数值分为两个安全级别，见表7-1。A级是较为安全的电压等级，在直流电中，最大工作电压应小于或等于60V；在交流电中，最大工作电压应低于30V，该电压下的维护人员不需要采取特殊的防电保护。B级对人体会产生伤害，被认为是高压。在该电压下必须采取必要的防护设备对维护人员进行保护。表7-1电压安全级别2.纯电动汽车高压类型纯电动汽车和混合动力汽车的高压系统均同时具有直流高压和交流高压，属于B类。高压部位如图7-2所示，直流高压主要分布在动力电池到各个驱动部件的位置。如动力电池到驱动逆变器之间连接的是直流高电压；动力电池到高压压缩机之间连接的是直流高电压。交流高压主要分布在变频器与电动机之间，以及充电接口与车载充电器之间。变频器与电动机动之间的交流电压通常在300V左右，而充电接口与车载充电器之间的交流电压即为外部电网的220V的电压。图7-2高电压车辆的高压部位3.高压警示标识为防止意外触及高压系统，纯电动汽车对高压部件均采用特殊的标识或颜色，对维修人员或车主给予警示。新能源汽车通常采用两种形式进行高压的标识警示。一种是警示图标（见图7-3a），一种是警示颜色，将高压导线做成橙色，用于区别其他导线（见图7-3b）。（a）警示图标

（b）橙色警示线7.2.3纯电动汽车高压安全设计纯电动汽车相比于传统内燃机汽车，由于驱动系统存在高电压，其安全系统设计更为复杂。如果车辆在充电及行驶过程中发生碰撞、翻车等事故，可能造成电力驱动系统的短路、漏电、燃烧、爆炸等，由此可能对乘员造成电伤害、化学伤害、燃烧伤害等。1.

纯电动汽车高压存在时间纯电动汽车的高压系统集中在车辆的驱动系统、空调与暖风系统、12V电源系统及带有插电功能的充电系统。根据高压存在的时间进行分类，纯电动汽车高压系统的高压主要有以下3种存在形式，即持续存在、运行期间存在和充电期间存在（见图7-4）。图7-4高压系统存在形式（1）持续存在纯电动汽车的动力电池（图7-5）持续存在高电压，即使当车辆停止运行期间，由于动力电池始终存储有电能，因此当满足动力电池的放电条件后，该部件将继续对外放电。图7-5纯电动汽车动力电池（2）运行期间存在在运行期间存在高压的部件，是指当点火开关处于ON、RUN或其他运行状态时，部件存在高电压。变频器、高压压缩机、PTC加热器及DC-DC变换器部件只有在系统运行时，来自动力电池的高电压才会加载到这些部件上。（3）充电期间存在充电系统部件仅在车辆充电期间存在高电压，这包括来自外部电网的220V交流高压，以及车载充电器与动力电池之间的直流高压，如图7-6所示。图7-6充电期间具有高电压的部件2.高压电路完全绝缘安全设计高压电缆是在运行中存在高压的部件，高压电流在传输中要通过电缆、接头和触点，金属部分不能裸露，要完全密封。（1）电缆为了保证电路安全，电缆与接头是薄弱环节。纯电动汽车电缆属于特种电缆，普通的高压电缆不能胜任。汽车电缆具有高电压、大线径、弯折多、生热量大的特点，故需要具备耐高低温、耐油耐水、阻燃、抗撕裂、绝缘、抗UV（一种抗老化测试方法）老化等性能。常用材料有TPE、TPU、XLPO、NBR+PVC、氯丁橡胶、硅橡胶等。图7-7是电缆结构图。图7-7汽车电缆结构图（2）电缆接头电缆接头是电缆和电动机、变频器的连接端，因为汽车是在室外工作，接头的金属部分不能裸露，要防水防漏电，故采用密封插接式，然后用螺栓固定。图7-8是不同形式的插头插座。图7-9是电缆接头连接图，插头和插座连接后导体被密封。图7-8不同形式的插头插座。图7-9接头插接后导体被密封（3）接触器接触器是运行中存在的高压部件，接触器是触点导电，触点要在密封的环境中工作，要防水防漏电。图7-10是电动汽车电缆接触器的实体安装图，接触器是在整体密封下工作。图7-10汽车电路实体安装图7.2.4纯电动汽车的安全隐患防备1.高压触电安全对于系统中的高压元件，假如由于内部破损或者潮湿，有可能会传递给外壳一个电动势。如果形成两个这样外壳具有不同电势的部件，在两个外壳之间会形成具有危险性的电压。此时，如果手触及到这两个部件，会发生触电的危险。人体没有任何感觉的阈值电流是2mA。这就要求人体触摸到汽车的任何高压部位到“搭铁”之间形成的泄漏电流，最坏情况下不能超过2mA；即在下雨涉水等环境下、或在干燥的环境下人体触摸到汽车的任何部位不应有漏电、静电放电等触电感觉，才认为车辆绝缘合格。2.动力电池安全纯电动汽车的关键部分是动力电池（图7-11），对于动力电池安全性的研究是分析高压电类型纯电动汽车安全性的前提。近年来，锂离子电池在纯电动汽车和混合动力汽车上得到了广泛的应用。所以以锂离子电池为例，来介绍动力电池的安全性。图7-11纯电动汽车电池锂离子电池在正常使用过程中不会出现安全问题，但电池的滥用会导致电池的热效应加剧，这是锂离子电池出现安全问题的导火索，最终表现为电池的“热失控”，从而引起安全事故。导致热失控有以下几种情况。①过充电与过放电；②过电流；③电池过温。现在对电池的控制采用专门的智能“BMS电池控制板”控制，并有专门的风冷系统，能够绝对保证电池的安全工作。3.危险运行工况下的安全纯电动汽车由于存在高电压，因此在行驶中发生事故时，如果没有很好的安全设计，很容易发生安全隐患事故。安全隐患包括有：①高压系统短路；②发生碰撞或翻车；③涉水或遭遇暴雨；④充电时车辆的意外移动这些安全隐患在整车的设计中都做了防护设计。高压线采用防水和防漏电设计，在电缆的外部套上专用防护软管（见图7-10）；电池采用整体防水防振和耐冲击以及防振设计；关于电池充电，具有掉电保护。7.2.5纯电动汽车的安全设计从以上的叙述可以看出，纯电动汽车存在的安全隐患包括高压系统短路、高压系统绝缘故障、高压系统脱落、高压充电风险等。根据这些安全隐患以及实际的工作状况，对纯电动汽车主要从以下几个方面进行设计，如图7-12所示。图7-12纯电动汽车安全设计1.维修安全维修安全主要包含两方面：传统内燃机汽车的维修安全和针对纯电动汽车的特殊维修安全。纯电动汽车的维修安全主要是防止高压触电。因此，维修人员在对高电压类型汽车进行操作之前应当保证不会有触电风险，为此大多数汽车在系统上设计有维修开关（图7-13），当断开维修开关时，动力电池的动力输出立即中断。在操作上应当遵从以下流程：在断开电池的动力输出后，需等待5min才能接触高压部件。图7-13纯电动汽车上的维修开关2.碰撞安全当车辆发生碰撞时，车辆的安全系统应当满足以下要求：碰撞过程中以及碰撞后都要保证相关人员的人身安全。对于纯电动汽车来说，除了传统汽车的相关保护要求之外，还应当满足以下要求：①碰撞过程中避免乘员和行人遭受触电风险，在保证人员安全的情况下尽量保护关键零部件不受损害。②碰撞后保证维护和救援人员没有触电风险。为此，有些车辆设计有如图7-14所示的电路，将“惯性开关”串联到高压接触器的供电回路中，当发生碰撞时惯性开关断开，从而切断高压接触器的供电电源，此时动力电池的高压输出便会被断开，保证了乘员、行人、维护和救援人员的高压安全。“惯性开关”的惯性体可以接受来自任何方向的冲撞力而动作，是一种特殊结构的保护开关。图7-14惯性开关在电路图中的位置3.电气安全（1）防止汽车误起动动力电池与外部高压回路之间设计有高压接触器（图7-15），以保证在驾驶人无行驶意图或充电意图时，车辆除电池内部之外的高压系统是不带高压电的。只有当驾驶人将车辆钥匙打到“Start”档或对动力电池进行充电时，接触器才可能会闭合。图7-15高压接触器设计方式（2）高压系统预充电在高压系统中含有补偿电容，电容在充电前阻抗为0，相当于短路，如果不对充电电流进行限制，会损害电容和电池。预充电回路见图7-16所示，当电路通电前先由“预充电”电阻限流，当电容电压上升到设定值，KM2闭合，预充电电阻短路。图7-16高压预充电回路（3）绝缘电阻检测系统为保证人员免遭触电风险，高压系统应当进行绝缘电阻检测电路的设计。若绝缘电阻值过小，整车控制器应当发送接触器断开指令。（4）短路保护器当高压系统出现短路等危险情况时，为保护乘员和关键零部件，需设计如图7-15所示的短路保护器。如果流过短路保护器的电流大于设定值，则该保护器便熔断保护。图7-15高压接触器设计方式（5）高压互锁回路设计当高压互锁回路断开时（指某一高压部件的低压或高压连接断开），电池管理单元在检测到断开信号之后立即断开相应的高压接触器以切断高压输出。防止乘员或维修人员有可能会接触到高压电从而造成触电伤害。图7-17是高压互锁开关的外形图（开关封装在外壳内），当低压互锁开关断开时，系统将切断高电压。图7-17互锁开关外形图总之，汽车是人们的交通工具，任务是载人出行，安全是第一位的。汽车在设计时任何不安全因素和隐患都必须消除，人们才能放心出行。7.3车用永磁同步交流电动机分析7.3.1电动机选型1.

纯电动汽车对电动机的要求

纯电动汽车的驱动电动机，在功能上要比普通工业电动机具有更高的要求。在满足汽车运行功能的同时，还要体积小、重量轻、坚固耐用等多方面的要求。纯电动汽车的电动机功率在110~160kW之间，表7-2是普通电动机重量与容量对应表。由表中可见，110kW的直流电动机和160kW的交流电动机对应