主頁 > 新聞動態 > 變頻器基本結構功能及變頻調速系統PLC控制設計思路 2021-12-16

變頻器基本結構功能及變頻調速系統PLC控制設計思路

變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系： n =60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術，電力電子、微電腦控制等技術于一身的綜合性電氣產品。
一、變頻器的基本結構：
目前，變頻器的變換環節大多采用交－直－交變頻變壓方式。交－直－交變頻器是先把工頻交流電通過整流器變成直流電，然后再把直流電逆變成頻率、電壓可調的交流電。通用變頻器主要由主電路和控制電路組成，而主電路又包括整流電路、直流中間電路和逆變電路三部分，其基本構成框圖如圖所示。

1.變頻器的主電路：
下圖所示為通用變頻器的主電路，各部分的作用見表

整流電路部分：將頻率固定的三個交流電變換成直流電
作用：將交流電變換成脈動直流電。若電源線電壓為UL,則整流后的平均電壓UD=1.35UL濾平橋式整流后的電壓紋波，保持直流電壓平穩接通電源時，將電容器CF的充電沖擊電流限制在允許范圍內，以保護整流橋。而當CF充電到一定程度時，令開關S接通，將RL短路。在有些變頻器里，S由晶閘管代替HL除了表示電源是否接通外，另一個功能是變頻器切斷電源后，指示電容器CF上的電荷是否已經釋放完畢。
逆變電路部分：將直流電逆變成頻率、幅值都可調的交流電
作用：通過逆變管V1~V6按一定規律輪流導通和截止，將直流電逆變成頻率、幅值都可調的三相交流電在換相過程中為電流提供通路限制過高的電流和電壓，保護逆變管免遭損壞當電動機減速、變頻器輸出頻率下降過快時，消耗因電動機處于再發生電制動狀態而回饋到直流電路中的能量，以避免變頻器本身的過電壓保護電路動作而切斷變頻器的正常輸出。
2.變頻器的控制電路
變頻器的控制電路為主電路提供控制信號，其主要任務是完成對逆變器開關元件的開關控制和提供多種保護功能。控制方式有模擬控制和數字控制兩種。通用變頻器控制電路的控制框圖如下圖所示，主要由主控板、鍵盤與顯示板、電源板與驅動板、外接控制電路等構成。各部分的功能見表。

1）主控板
主控板是變頻器運行的控制中心，其核心器件是控制器（單片微機）或數字信號處理器（DSP），其主要功能有：
(1)接受并處理從鍵盤、外部控制電路輸入的各種信號，如修改參數、正反轉指令等
(2)接受并處理內部的各種采樣信號，如主電路中電壓與電流的采樣信號、各部分溫度的采樣信號、各逆變管工作狀態的采樣信號等
(3)向外電路發出控制信號及顯示信號，如正常運行信號、頻率到達信號等，一旦發現異常情況，立刻發出保護指令進行保護或停車，并輸出故障信號
(4)完成SPWM調制，將接受的各種信號進行判斷和綜合運算，產生相應的SPWM調制指令，并分配給各逆變管的驅動電路
(5)向顯示板和顯示屏發出各種顯示信號
2）鍵盤與顯示板
鍵盤與顯示板總是組合在一起。鍵盤向主控板發出各種信號或指令，主要用于向變頻器發出運行控制指令或修改運行數據等
顯示板將主控板提供的各種數據進行顯示，大部分變頻器配置了液晶或數碼管顯示屏，還有指示燈，還有RUN（運行）、STOP（停止）、FWD（正轉）、REV（反轉）、FLT（故障）等狀態指示燈和單位指示燈，如HZ、A、V等。可以完成以下指示功能：
(1)在運行監視模式下，顯示各種運行數據，如頻率、電壓、電流等
(2)在參數模式下，顯示功能碼和數據碼
(3)在故障狀態下，顯示故障原因代碼
3）電源板與驅動板
變頻器的內容電源普遍使用開關穩壓電源，電源板主要提供以下直流電源：
(1)主控板電源具有極好穩定性和抗干擾能力的一組直流電源
(2)驅動電源逆變電路中上橋臂的三只逆變管驅動電路的電源是相互隔離的三組獨立電源，下橋臂三只逆變管驅動電源則可共“地”。但驅動電源與主控板電源必須可靠絕緣
(3)外控電源為變頻器外電路提供的穩恒直流電源
中小功率變頻器驅動電路往往與電源電路在同一塊電路板上，驅動電路接受主控板發來的SPWM調制信號，在進行光電隔離、放大后驅動逆變管的開關工作
4）外接控制電路
外接電路可實現由電位器、主令電器、繼電器及其他自控設備對變頻器的運行控制，并輸出其運行狀態、故障報警、運行數據信號等。一般包括：外部給定電路、外接輸入控制電路、外接輸出電路、報警輸出電路等大多數中小容量通用變頻器中，外接控制電路往往與主控電路設計在同一電路板上，以減小其整機的體積，提高電路可靠性，降低生產成本。
二、變頻器的功能：
1.全范圍轉矩自動增強功能由于電動機繞組中阻抗的作用，采用U/f控制的變頻器在電動機的低速運行區域會出現轉矩不足的情況。為提高系統的性能，具有全范圍轉矩自動增強功能的變頻器在電動機的加速、減速和正常運行的所有區域中可以根據負載情況自動調節U/f值，對電動機的輸出轉矩進行補償。
2.防失速功能變頻器的防失速功能包括加速過程的防失速功能、恒速運行過程的防失速功能和減速過程的防失速功能三種。
加速過程和恒速運行過程中的防失速功能的基本作用是：當電動機由于加速過快或負載過大等原因出現過電流現象時，變頻器將自動降低輸出頻率，以避免出現變頻器因過電流保護電路動作而停止工作。
對于電壓型變頻器，在電動機的減速過程中回饋能量將使變頻器的直流中間電路的電壓上升，可能會出現過電壓保護電路動作而使變頻器停止工作的情況。減速過程的防失速功能的基本作用是：在過電壓保護電路動作之前暫停降低變頻器的輸出頻率或減小輸出頻率的降低速率，達到防止失速的目的。
3.過轉矩限定運行功能這種功能的作用是對機械設備進行保護并保證運行的連續性。利用該功能可以對電動機的輸出轉矩極限值進行設定，當電動機的輸出轉矩達到該設定值時，變頻器停止工作并發出報警信號。
4.運行狀態檢測顯示功能該功能主要用于檢測變頻器的工作狀態并及時顯示。
5.自動節能運行功能該功能的作用是使變頻器能自動選擇工作參數，使電動機在滿足負載轉矩要求的情況下以最小電流運行。
6.自動電壓調整功能當電源電壓下降時，使用自動電壓調整功能可以維護電動機的高啟動轉矩。
7.通過外部信號對變頻器進行啟停控制的功能變頻器通常都具有通過外部信號控制變頻器啟停的功能。
三、變頻調速系統PLC控制設計思路

1. 設計目的
通過變頻調速系統PLC控制的設計，對專業知識進行鞏固，并熟悉掌握組態軟件的使用。在完成課程學習的同時實際動手設計，通過理論和實踐相結合，把專業的理論知識應用到實際設計中，既能對所學知識加深理解，又能對專業知識的應用有更深刻的熟悉和掌握，從而將變頻調速系統PLC的相關知識理解的更扎實透徹，完整掌握PLC的相關內容。
2.設計任務
完成一個由組態軟件為上位機控制，PLC為下位機控制，變頻器、異步電動機組成的變頻調速控制系統的設計，并完成組態控制界面的設計，控制梯形圖以及PLC接線圖。利用實驗裝置實現上下位機的聯通，完成PLC端子、變頻器以及異步電動機的接線，然后利用PC機輸入梯形圖控制程序，并在實驗室內進行調試。
3.控制系統的要求
PLC、變頻器以及異步電動機共同組成了控制系統。其中可編程控制器（PLC）的作用是處理各種信息的邏輯問題，并向變頻器發出起、停等指令，同時變頻器也會將工作狀態信號反饋回PLC，形成雙向聯通的關系，這是此系統的核心部分。變頻器能對電機進行調速控制。按下啟動鍵，可選擇工頻或變頻控制，能完成自動控制和手動控制之間的轉換，即自動轉換和手動輸入，同時實現高、低速的轉換。
4.設計過程
調速系統由PLC控制變頻器，同時由變頻器實現電機的調速。變頻調速系統主要分為兩部分：手動控制和自動控制。手動控制可以選擇電機正轉或是反轉，在一到七速之間也能自由轉換。自動控制則是先將電機設置為正轉或反轉，然后逐漸從低速升為高速，通過復位能自動從高速降回低速。最后手動控制停止可以直接切換成自動控制。
5.電氣設備詳細表
電源控制屏：提供三相四線制380V、220V電壓；變頻調速裝置；三菱PLC主機；異步電動機；力控監控組態軟件實戰指南；力控監控組態軟件。
四、變頻調速系統PLC設計系統思考

1.設計系統過程中出現問題及解決方法
第一：根據控制要求直接編寫控制程序，始終不知道如何動手。對于該問題的解決方法為從頭開始了解硬件，學習變頻器資料，掌握變頻器和電機的使用，在熟練掌握的基礎上才會知道怎么去控制。
第二：在編寫梯形圖完成后，plc始終沒有輸出。該問題的出現主要是因為沒有熟練使用plc編程步驟，編寫程序中沒有end。仔細檢查，一步一步從新學習plc編程，從最簡單的控制開始。
第三：電機在接線時不知道是星型接線還是三角形接線。筆者為了更好的解決該問題，在回去后仔細研究電機發現，我們使用的是小型異步電動機不帶負載，可以直接啟動，星型和三角形接線影響不大。
第四：手動程序在plc上可以直接實現控制，而把變頻器和電動機連起來，電動機直接受變頻器控制，我們的手動程序沒有用。該問題的出現主要是變頻器資料沒有學習深入，我們始終讓變頻器運行在內部(PU)模式，這款FR-S500沒有通訊功能。在PU模式下可以直接在變頻器上調節電動機不同速度，而用plc程序控制必須使變頻器工作在外部（exit）模式下。
第五：手動程序和自動程序不能結合起來。導致這種情況的出現與自己沒有太深入的了解三菱plc有些功能以及內部運行狀態有很大的關系，在老師指導下采用功能語句，一步一步調試出來。
第六：組態軟件在使用中出現的問題。若想解決該問題，就必須組態軟件需要把底層控制出來，在來監控，設置I/O點。
2.課程設計心得
這次課程設計做變頻調速系統plc控制，從拿到題目就感覺很難，經過兩個多星期的設計，調試終于做出來。但是心得感觸頗深：
1）重新學習了plc編程，把以前忘掉的知識都撿回來了。從中也懂得了學過的知識很容易忘掉的道理。對于知識真的是溫故而知新，經常復習才能在使用時不盲目。
2）學習變頻器的知識。以前總在電器商場看見變頻空調，不懂變頻是怎么變的，我們國家一直是工頻50HZ，變頻怎么做到的！這次課程設計讓我懂得了變頻調速的原理，變頻器的工作原理，同時學會使用簡單的變頻器。
3）鍛煉自己動手能力。變頻調速系統涉及到變頻器，異步電動機，plc，還有上位機，這些都需要接線。記得當時在實驗室調試時根本不敢把電源加上去，很怕自己在接線處出現問題，出現燒毀電機，變頻器等故障。
4）學習組態軟件。對于這個軟件我現在發現只要有簡單的指點，花上大量時間，就會學好。

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