变频器.docx

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变频器

一、主要参数：

l．电梯桥厢尺寸：

600X550X500宽＼深X高），外尺寸。

2．门口尺寸：

400＼500（宽＼高）。

3．并道框架外围尺寸：

1000X1000X3500（宽X深X高）。

4．设备自重：

约600Kg。

5．曳引机功率：

0．75KW。

6．额定电流：

25A。

7．供电电源：

三相五线，380V，50HZ。

8．变频器：

日本三菱A540。

9．可编程控制器（PLC）：

R本三菱阿。

10，电梯控制方式：

集选（JX）。

11．电梯层站：

3／3。

二、结构简介：

该模型电梯主要出以下部分构成：

1．并追框架：

相当于电梯附着的建筑物，为电梯提供支承，固定导轨，是钢架

结构。

2．曳引机：

位于框架顶部，是电梯的动力装置，安装在两条承重梁匕，它主要

出以下部分组成：

门）电动机：

鼠笼式三相感应电动机，采用变频变压（VVVF）驱动方式电梯起动

时，变频器使定子电流频率从极低频率开始，接控制要求上升到额定频率，

使转速相应从零开始平滑地上升到额定值，电梯停站前电源频率从额定值

接控制要求下降，便转速平滑地下降到零，实现电梯停层，保证了电梯运

行平稳，模拟真实电梯良好的舒适感。

（2）制动器：

只在电梯通电运转时松闸，当电梯停驶时制动并保持轿厢位置不变，工作电压是DCllOV。

以减速器：

采用蜗轮杆减速器，具有高精度、高效率、低噪音的特点。

（4）曳引轮：

绳槽为半圆槽，提供钢丝绳与绳槽之间的磨擦力。

3．控制屏：

（1）变频器：

根据PLC给出的指令，对电机的电源频率、电压进行调制，使电

机运行平稳。

m可编程序控制器（PLC）：

控制电梯的运行状态，根据内外呼梯信号，对电

梯的位置进行逻辑判断，然后给出运行指令，使电梯实现应答呼梯信号

顺向截停；反向保留信号，自动开关门等功能。

川安全回路：

出继电器回路组成，门锁，急停l关的通断状态决定安全

的正常与否，以便PLC判断电梯是否处于安全状态。

4．导轨：

分别有轿厢导轨和对重导轨，保证轿厢及对重作垂直运动。

5．轿厢：

出曳引钢丝绳悬挂，通过曳引轮，另一端连接对重，在导轨上运行，

轿厢装备自动门，门上装有联锁开关，当门关闭后电梯才能起动，门上还有

安全触板，当关门过程中碰到障碍物时，轿门马上介启。

6．对重：

与骄厢连接，作用是平衡轿厢的重量。

7．层门：

r］上有门锁开关，当层门关闭后，电梯才能起动。

8．操纵箱：

设在框架正面左侧，模拟乘客在轿厢内选层的信号输入设备，包含：

山数字显层器：

七划数码管显示轿厢所在楼层。

（2）“l”，“2”，“3”，选层接或。

o）开关门按钮。

（4）方向指示灯：

电梯运行方向指示。

（5）电源锁；l关电梯电源，即首层外呼合。

9．减速信号系统：

由永磁感应器构成，提供轿厢，停层位置信号。

10．终端保护个关：

感应器提供电梯运行终端信号，电梯超过它时，安全回路及

电源被切断，保证电梯不超出终端。

三、模型电梯的功能及有关操作：

1．正常使用操作程序；

（1）接通三相电源。

（2）打开呼梯盒上的电源锁，这时应有楼层显示。

电梯能自动关门，应答外呼

信号，在操纵箱上选择楼层后，必须关好门后，A‘能运行。

这时外呼信号

顺向的能停车，反向的保留。

（3）厅外呼梯：

电梯能自动响应信号，顺向停车，反向的在完成上一个指令后，

自动应答。

（4）泊梯：

电梯停靠在底层，关好门后，把呼梯盒的电源锁匙拨至“关”，则

可切断电梯电源，电梯停止工作。

2．维修点动运行

把控制屏中的“正常”一“维修”开关拨至“维修”状态，这时电梯仅作点

动运行，·但安全回路及门锁仍然有效，按“上行”或“下行”按钮，电梯作

点动上或下，此操作可用于电梯维修，或试验终端限位功能。

用点动操作将

中梯平见后，将选择订关于“平常”，电梯将回复正常运转。

四、护保养说明；在进行模型电梯的维护保养作业时，必须关断三相电

源：

1．润滑说明：

（1）曳引机减速箱：

使用220ti齿轮油，每年更换一次。

（2）轿厢导轨：

涂抹少量机油。

对重导轨：

涂抹少量钙基润滑脂。

（3）厅门及轿门导轨；涂抹少量机油。

特别说明，钢丝绳不能加油润滑。

2．R常保养要点：

（1）电梯运行时注意观察整体结构是否要异常振动，曳引机是否有异常噪音，

漏油，轿厢或对重运行时是否有振动。

（2）经常检查曳引机抱闸能否？

常打开，闸瓦与刹车鼓之间的间隙应是0．7mm，

且上下一致。

①）检查各厅门门锁动作是否正常，有无卡阻，必要时可在销轴处加注少量机

油润滑。

（4）检查门机开关门动作是否正常，能否开门到位，必要时可调整摆杆位置，

并在销轴处加注机油。

（5）电气检查：

应检查各保险管是否烧断，检查各行程l关，感应器是否动作正常，检查

各I河镇触点是否接合正确。

五、简单故障排除：

1．缺相，错相保护：

当外电源错相或缺相时，控制屏中的相序保护继电器动作，

指示灯为红色，这时可变换相序或检查是否缺相即可。

2．曳引机抱闸不能打介，应检查：

（1）抱闸弹簧是否太紧。

（2）11OV抱闸回路保险丝是否烧断。

（3）11OV整流桥谁是否烧断。

3．门锁回路不通：

应检查：

l河锁触点是否接合良好，可用万用表量度其触点电阻。

4．安全回路不通：

应检查：

全梯的安全开关是否合上，开关是否正常。

5．门机过漫或过快：

可调整：

门机调速电阻，或检查I’〕电机碳刷是否磨损。

6．平层不准：

可调整：

各层减速感应器的位置。

六、电梯故障演示说明：

故障1：

三相380V电源熔断丝烧断

现象：

电梯不能进行操作，相序不亮灯，PLC无电。

原因：

三相380V电源熔断丝烧断引起缺相，因相序工作电缺少导致相序不工作，

因而不亮灯，同时变压器无电，因而PLC无电而不工作。

排除方法：

因相序不工作，PLC无电则可肯定为缺相，检查熔断丝，发现其中一

个烧断，更换后正常，否则检查线路。

故障2：

DC24直流电熔断丝烧断

现象：

在基站，钥匙开关闭合后，变频器、PLC得电，相序正常，按开关门按

钮后电梯不能开关门，但开门接触器可吸合。

原因：

开关门回路DC24直流熔断丝烧断或线路接触不良。

排除方法：

因介门接触器吸合，即有开门信号输出，但门不开；说明门电机没有

电，检查DC24V电源及其线路，发现熔断丝断开，更换后正常，否则检查线路。

故障3：

二楼内选按钮灯线断开

现象：

二楼内选按钮按下，电梯正常运行，但按钮灯不亮。

原因：

电梯正常，灯不亮则有两种情况：

①按钮坏；②线路断升或接触器不良；

经检查发现为随行电缆中的二楼内选按钮灯线断l，更换一根线后于常。

故障4：

触极开关失灵

现象：

关门时碰触板但不起作用，因而失人。

原因：

安全触板开关失灵，或线路断路，接触不良。

排除方法：

先检查微动开关是否已坏，坏则更换，否则检查线路，连接好断路部分。

故障5：

触板开关短路

现象：

电梯不能关门，并且巩C保持输出l门信号。

原因：

安全触板开关损坏，导致长期导通不断开从而引起PLC保持输出工门信

号，因而无法关门。

故障6：

门锁回路断开

现象：

电梯门关好后，给出指令但不动梯，发现门联锁继电器（MS对不吸合。

原因：

门关好后，门联锁继电器加叮）不吸合，一般为门锁l关没有导通，而引

起门联锁继电器（M对不吸合。

排除方法：

检查每层门锁开关，观察其是否导通好，若正常则检查线路是否有断

点。

故障7：

门锁回路短路

现象：

电梯门未关闭，电梯可起动运行。

原因：

门联销回路短路，对地或门锁开关卡住，因未复原而导通。

排除方法：

检查门未关层的门锁开关是否复原，若复原则检查线路是否

短路。

故障8：

上强迫减速感应器损坏

现象：

①在顶层电梯没有正常减速（顶层减速感应器坏），电梯高速冲顶。

原因：

因电梯在顶层不减速，则保护开关（上强迫减速感应器）肯定已坏。

排除方法：

更换上强迫减速感应器（GV）后正常。

现象：

②电梯不能不常上行，但可正常下行，把检修开关置于检修状态后则可

检修上行。

原因：

上强迫减速感应器损坏后使电梯处于上强减速状态因而无法平常上行。

但不影响正常下行和检修上行。

排除方法：

更换上强迫减速感应器（GV）后正常。

故障9：

上限位感应器损坏

现象：

电梯不能正常上行，也不能检修上行。

原因：

上限位感应器损坏后使电梯处于上限位状态，因而使PLC不能给出上行信号c

排除方法：

更换上限位感应器（SW）后正常故障10：

二楼减速感应器位置变动

现象：

平层误差大，电梯不开门。

原因：

因本电梯现采用最新的直接停靠技术，平层感应器只是提供一个门区信

号。

平层的精确度只与减速距离有关，所以电梯平层误差大是减速距离发生了变化，

即减速感应器与隔磁板位置发生了变化。

故障11：

二楼减速感应器损坏

现象：

给出二楼指令后电梯经过二楼不减速，同时楼层显示不变化，在二楼不

停。

原因：

电梯在二楼不停同时楼层显示不变，则说明二楼减速感应器损坏或线路

接触不良。

故障12：

错相

现象：

相序亮红灯，PLC有电，熔断丝正常，不缺相。

原因：

收梯停电期间，因外部供电进行电路维修，或更换网电而造成

的三相电错相。

排除方法：

把三相进线中任意两条交换位置。

六、安全注意事项：

1、系统必须有可靠的接地，接地电阻值符合国家有关规定，不大

于4。

2．线路绝缘电阻应大于0．5M．

3、不得短接门锁运行。

4．除非透彻理解PLC及变频器的各参数的作用，否则不得变动程序

及初始设置参数。

5．电梯供电系统应该独立设置，不得与电焊机，高频炉等设备共用，

其它易受电磁干扰的仪器设备也应远离电梯控制屏。

6、当出现曳引机特别发热，冒烟，异常噪音时，应立即关闭电源，

排除故障后才能继续使用。

概述

一、概述

1．与其他专业课程的关系：

“变频器应用”是“数学”、“物理”、“电工基础”、“电子技术”、“电力电子技术”、“电力拖动”等课程的后续课程，同时又与“交直流调速系统”、“ＰＬＣ控制技术”等专业课程有着横向联系。

2．概述：

变频器是由计算机控制电力电子器件、将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电的电气设备，用以驱动交流电动机进行变频调速。

二、变频器的发展历程

1．直流调速系统的优缺点：

2．交流调速系统的优缺点：

3．变频器的诞生和发展：

微电子技术和电力电子技术的发展、计算机技术的发展

三、我国变频器的应用现状

1．起步较晚

2．目前，进入“黄金时期”

3．变频调速的效果

4．变频器的应用，目前不足十分之一，原因；奠定学生学习的动力。

四、变频器的发展趋势

1．向专用型方向发展

2．向人性化方向发展

3．易用性不断提高

4．功率结构模块化

5．智能化

6．减小谐波影响

变频器的组成

变频器的组成：

主电路

控制电路

一、主电路功能：

将工频交流电变为频率和电压可调的三相交流电

输入R输出U

SV

TW

1．整流及滤波电路

功能：

将工频交流电整为直流，并滤波。

限流电阻的作用；

2．逆变电路

功能：

将直流逆变为频率和电压可调的三相交流电。

SPWM原理；

3．制动电阻和制动单元

原理

二、控制电路

1．主控制板单片机，变频器的控制中心。

其主要功能：

（1）-（7）

2．操作面板

包括键盘及显示屏等。

（1）键盘：

进行运行操作或程序预置；

①运行键；②模式转换键；③读出、写入键；④数据增减键；

⑤位移键；⑥复位键；⑦数字键。

（2）显示屏：

显示控制面板提供的各种显示数据。

分为两种：

其一，LED数码显示屏：

显示无单位的数字量和简单的英文代码；其二，液晶显示屏：

显示数字和文字。

显示屏显示的数据类型：

①运行数据

②功能参数码

③指示数据

3．电源

控制电路的电源由内部电源板提供。

其内部电源具有电压稳定性好，抗干扰能力强等优点，并与主电路有很好的电气隔离。

4．外部端子输入端子

主电路的端子输出端子

控制电路的端子模拟端子

接点端子

变频器的分类

一、按变换环节分交-直-交型

交-交型

二、按改变变频器的输出电压的方法分PAM型

PWM型

三、按电压的等级分低压变频器

高压大容量变频器

四、按滤波方式分电流型

电压型

五、按用途分专用型变频器

通用型变频

五、课程的性质和任务

“变频器应用”是一门应用性较强的专业课程，课程的主要任务是使学生深入掌握变频器应用的基础知识和基本技能。

六、课程特点及学习的要求

1．涉及面广变频器是高科技的产品，技术含量高。

2．实践性强侧重变频器的应用。

3．无重点─又都是重点与应用有关的任何知识都是重点，细小的疏忽也会导致严重问题

4．学习中要处理好以下几个关系：

（1）理论分析的基础性、连贯性与实用性

（2）与其他专业课程知识的关系：

一方面他为我用，另一方面我为他用。

（3）具体的应用方法与一般的应用能力──前者是学习的形式，后者是学习的目的。

5．要求与考核标准

（1）课堂要求

（2）作业要求

（3）成绩评定

a、作业、测验成绩

b、纪律成绩

c、印象成绩

d、期末试卷成绩

第2章电力电子器件简介

在定性分析变频电路时，可将电力电子器件作为理想开关来对待，其理想伏安特性曲线如图所示

一、晶闸管（SCR）

1．结构：

晶闸管内部是四层（PNPN）半导体器件，有三个引出极分别为阳极A、阴极K、门极G，其电气图形符号和内部等效电路如图所示。

（a）电气图形符号（b）内部等效电路（c）伏安特性曲线

2．特性：

SCR的阳极伏安特性曲线表示其阳极电压和阳极电流关系。

晶闸管的触发导通条件是在阳极和阴极间加正向电压，同时在门极和阴极间也加正向电压。

当两者同时具备时，则有电流IG从门极流入V2管的基极，经V2管放大产生集电极电流IC2，IC2又是V1管的基极电流，再经V1管放大，其集电极电流IC1又流入V2管的基极，如此循环产生强烈的正反馈，使两个晶体管快速饱和导通。

晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。

若要使晶闸管关断，只要阳极电流IA小于维持电流IH，上述正反馈无法维持，管子自然关断。

维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电流。

3．优缺点：

SCR属于电流控制型元件，其控制电路复杂、庞大，工作频率低，效率低等缺点限制了它们的应用和发展。

SCR的优势在于电压、电流容量较大，目前仍广泛应用在可控整流和交-交变频等变流电路中。

二、门极可关断晶闸管（GTO）

1．结构

门极可关断晶闸管的三个引出极分别为阳极A、阴极K、门极G，其电气图形符号如图a所示。

GTO是一种多元功率集成器件，它是由十几个甚至数百个共阳极的小GTO元组成。

这种结构是为了便于实现门极控制其关断而设计的。

小GTO元内部是PNPN四层半导体结构，其等效电路如图b。

2．特性

GTO的阳极伏安特性曲线表示GTO阳极电压和阳极电流关系。

GTO的工作原理为：

当阳极加正向电压，门极加一合适的正向电流时，GTO的内部有一强烈的电流正反馈过程，使GTO浅饱和导通；当门极加一合适的反向电流，使GTO内部的电流正反馈无法维持，GTO退出浅饱和而关断。

3．优缺点：

GTO属于电流控制型元件，其驱动功率大，驱动电路复杂；GTO的关断控制易失败，工作频率不够高，一般在10KHz以下。

它的优势在于电压、电流容量较大，目前其电压可达到6000V、电流可达到6000A，因此GTO多应用于大功率高压变频器。

三、电力晶体管（GTR）

1．结构

单管GTR结构与普通的双极结型晶体管类似，由三层半导体（分别引出集电极c、基极b、发射极e）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，有NPN和PNP两种结构，多采用NPN结构，其电气图形符号如图所示。

变频器用的GTR一般是GTR模块，它是将两只或四只、六只甚至七只单管GTR或达林顿式GTR的管芯封装在一个管壳内，这样的结构是为了耐高压、大电流，开关特性好。

2．特性

GTR的伏安特性曲线表示GTR的基极电压和集电极电流的关系。

3．优缺点：

和普通晶体管一样，GTR也是一种电流放大器件，具有三种基本工作状态，即截止、放大、饱和。

在变频电路中，GTR作为开关器件，应在截止（关）和饱和（开）两种状态之间交替，不允许工作在放大状态，否则管子的功耗将增大数百倍，使管子过热损坏。

由于GTR的工作频率较低，一般在5～10KHz。

它又属于电流驱动型器件，其驱动功率大，驱动电路复杂，而且GTR耐冲击能力差，易受二次击穿损坏。

所以目前GTR的应用一般被绝缘栅双极晶体管（IGBT）所替代。

四、电力场效应晶体管（MOSFET）

1．结构

电力场效应晶体管（MOSFET）的三个引出极为：

源极S、漏极D、栅极G。

变频器使用的电力场效应晶体管一般是N沟道增强型，其电气图形符号如图所示，

2．特性

其伏安特性曲线反映了输出电压uDS和输出电流iD的关系，也称之为输出特性曲线。

MOSFET的工作特点是用栅极电压uGS控制漏极电流iD：

当0﹤uGS≤UGS（th）（开启电压）时，管子截止，无iD；当uGS﹥UGS（th），uDS加正压，管子导通，uDS越大则iD越大，在相同的uDS下，uGS越大，iD越大。

uGS与iD的关系称为PowerMOSFET的转移特性，其曲线如图所示.

3．优缺点：

MOSFET属于电压驱动型器件，输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单；开关速度快，开关频率可达500KHz以上。

MOSFET的缺点是电流容量小，耐压低。

五、绝缘栅双极晶体管（IGBT）

1．结构

IGBT是MOSFET和GTR取长补短相结合的产物，是具有栅极G、集电极C、和发射极E的三端元器件。

其等效电路和电气图形符号如图所示。

IGBT的控制部分与MOSFET相同：

电压控制型，控制信号为uGE，输入阻抗高，栅极电流iG约为零，驱动功率小；IGBT的主电路和GTR相同：

工作电流为iC。

2．特性

IGBT的输出特性曲线反映了输出电压uCE和输出电流iC的关系。

IGBT工作在开关状态时和GTR一样，在阻断状态和饱和导通状态之间转换，不允许在放大状态停留。

IGBT的工作特点是用栅极电压uGE控制集电极电流iC：

当uGE≤UGE（th）（开启电压）时，IGBT截止，无iC；当uGE﹥UGE（th）时，uCE加正压，IGBT导通，其输出电流iC与驱动电压uGE基本呈线形关系。

如图1-12b所示为IGBT的驱动电压uGE与输出电流iC的关系，此曲线称为IGBT的转移特性曲线。

3．优缺点：

IGBT的输出特性好，开关速度快，工作频率高，一般可达到20KHz以上，通态压降比MOSFET低，输入阻抗高，耐压、耐流能力比MOSFET和GTR提高，最大电流可达1800A，最高电压可达4500V。

目前，在中小容量变频器电路中，IGBT的应用处于绝对的优势。

六、集成门极换流晶闸管（IGCT）

IGCT是GTO的派生器件，其基本结构在GTO的基础上采取了一系列的改进措施，比如特殊的环状门极、与管芯集成在一起的门极驱动电路等等。

这使得IGCT不仅具有与GTO相当的容量，而且具有优良的开通和关断能力。

目前，4000A、4500V及5500V的IGCT已研制成功。

在大容量变频电路中，IGCT被广泛应用。

七、智能功率模块（IPM）

IPM是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路的一种。

这种功率集成电路特别适应逆变器高频化发展方向的需要，而且由于高度集成化，结构紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟所带来的一系列技术难题。

目前，IPM一般以IGBT为基本功率开关元件，构成一相或三相逆变器的专用功能模块，在中小容量变频器中广泛应用。

第三章脉冲宽度调制（PWM）原理

一、脉冲宽度调制技术的概念

1．脉冲宽度调制（缩写为PWM）：

是通过按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行调制，来得到所需要的等效波形。

2．以变频调速常用的电路结构为例来说明PWM含义：

一般异步电动机需要的是正弦交流电，而逆变电路输出的往往是脉冲。

PWM控制的目的就是通过对逆变电路输出脉冲的宽度进行调制，使之与正弦波等效。

这样，虽然电动机的输入信号仍为脉冲，但它是与正弦波等效的调制波，那么电动机的输入信号也就等效为正弦交流电了。

二、PWM技术的基本原理

1．PWM技术的理论基础：

采样控制理论中的一个重要结论——面积等效控制原理

2．SPWM原理：

将一个正弦半波电压分为N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到脉冲列，这就是PWM波。

正弦波的另外半波也用同样的办法来等效，就可以得到与正弦波等效的脉宽调制波，又称其为SPWM。

SPWM波在变频电路中被广泛采用。

根据采样控制理论，N值越高（即脉冲频率越高），SPWM越接近正弦波，但脉冲频率一方面受变频器中开关器件工作频率的限制，另一方面频率太高，电磁干扰增大，要带来一些新的问题。

3．实际应用中SPWM波的形成：

调制方法调制波ur所希望生成的正弦波

载波uT等腰三角波或锯齿波

利用载波和调制波相的比较方式来确定脉宽和间隔。

4．按照调制脉冲的极性关系，PWM逆变电路的控制方式分单极性控制

双极性控制

三、单相桥式SPWM逆变电路分析。

1．单极性SPWM控制

设定载波uT、调制波ur，如图所示。

⑴在ur正半周，让VT1一直保持通态，VT4保持断态。

当ur﹥uT时，控制VT3为通态，负载输出电压uo=Ud；当ur﹤uT时，控制VT3为断态，负载输出电压uo=0，此时负载电流可以经过VT1与VD2续流。

⑵在ur负半周，让VT4一直保持通态，VT1保持断态。

当ur﹤uT时，控制VT2为通态，负载输出电压uo=-Ud；当ur﹥uT时，控制VT2为断态，负载输出电压uo=0，此时负载电流可以经过VT4与VD3续流。

这样，就得到了SPWM波uo，uof为uo的基波分量。

可见，在任一半个周期中，SPWM波只能在一个方向变化，故称为单极性SPWM控制方式。

由于改变ur的幅值时，调制波的脉宽将随之改变，从而改变输出电压的大小；而改变ur的频率时，则输出电压的基波频率也随之改变，所以这就实现了既可调压又可调频的目的。

2．双极性SPWM控制

设定调制波ur、载波uT，载波uT改为正负两个方向变化的等腰三角波，如图1-17a所示。

当ur﹥uT时，给VT1和VT3导通信号，而给VT2和VT4关断信号，负载输出电压uo=Ud；当ur﹤uT时，给VT2和VT4导通信号，而给VT1和VT3关断信号，负载输出电压uo=-Ud。

这样，就得到了SPWM波uo。

可见，在任一半个周期中，SPWM波在正、负两个方向交替，故称为双性SPWM控制方式。

改变ur的幅值和频率，即可达到调压、调频的目的。

四、变频器的三相桥式SPWM逆变电路

由电路结构可见，其控制方式为用双极性控制。

电路的开关器件采用IGBT，负载为感性。

其工作原理如下：

1．调频原理

U、V、W三相载波信号公用一个三角载波uT，三相调制信号urU、urV、urW为相位依次相差1200的正弦波。

改变三相调制信号urU、urV、urW的