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1 變頻器的控制功能 1 1 基礎概念 變頻器運行的控制信號也叫操作指令 如起動 停止 正轉 反轉 點動 復位等 和頻率給定方式類似 變頻器操作指令的輸入方式也有 1 鍵盤操作 即通過面板上的鍵盤輸入操作指令 大多數變頻器的面板都可以取下 安置到 操作方便的地方 面板和變頻器之間用延長線相聯(lián)接 從而實現了距離較遠的 控制 如圖 1 所示 圖 1 面板操作 2 外接輸入控制 操作指令通過外接輸入端子從外部輸入開關信號來進行控制 如圖 2 所示 圖 2 外接輸入端子 由于外部的開關信號可以在遠離變頻器的地方來進行操作 因此 不少變頻器 把這種控制方式稱為 遠控 或 遙控 操作方式 變頻器在出廠時 設定的都是鍵盤操作方式 用戶如需要采用外接輸入控制 在使用前必須通過功能預置進行選擇 1 2 變頻器對外接輸入端子的安排 外接輸入控制端接受的都是開關量信號 所有端子大體上可以分為兩大類 1 基本控制輸入端 如運行 停止 正轉 反轉 點動 復位等 這些端子的功能是變頻器在出廠 時已經標定的 不能再更改 2 可編程控制輸入端 由于變頻器可能接受的控制信號多達數十種 但每個拖動系統(tǒng)同時使用的輸入 控制端子并不多 為了節(jié)省接線端子和減小體積 變頻器只提供一定數量的 可編程控制輸入端 也稱為 多功能輸入端子 其具體功能雖然在出廠 時也進行了設置 但并不固定 用戶可以根據需要進行預置 常見的可編程功 能如多檔轉速控制 多檔加 減速時間控制 升速 降速控制等 例如 艾默生 TD3000 系列變頻器的多功能輸入端子有 8 個 X1 X8 而可以預 置的功能有 33 種 安川 CIMR G7A 變頻器的多功能輸入端子有 10 個 S3 S12 而可以預置的功能多達 78 種 2 常用輸入控制端的應用舉例 2 1 升速 減速功能 1 功能含義 變頻器的外接開關量輸入端子中 通過功能預置 可以使其中兩個輸入端具有 升速和降速功能 稱之為 升 降速 UP DOWN 控制端 如圖 3 所示 假設 將 X1 預置為升速端 X2 預置為降速端 則 圖 3 外接升 降速控制 當 KA1 閉合時 X1 得到信號 變頻器的輸出頻率上升 KA1 斷開時 輸出頻率保 持 如需要 也可以不保持 當 KA2 閉合時 X2 得到信號 變頻器的輸出頻率下降 KA2 斷開時 輸出頻率保 持 如需要 也可以不保持 升速控制端和降速控制端必須同時預置 如果只預置其中一個 則無效 利用外接升 降速控制信號對變頻器進行頻率給定時 屬于數字量給定 控制 精度較高 2 應用舉例 a 代替外接電位器給定 在變頻器的外接給定方式中 人們習慣于使用電位器來進行頻率給定 如圖 4 a 所示 圖 4 電位器給定與升 降速端子給定 但電位器給定有許多缺點 諸如 電位器給定是電壓給定方式之一 屬于模擬量給定 給定精度較差 電位器的滑動觸點容易因磨損而接觸不良 導致給定信號不穩(wěn)定 甚至發(fā)生 頻率跳動等現象 當操作位置與變頻器之間的距離較遠時 線路上的電壓降將影響頻率的給定 精度 同時 也較容易受到其他設備的干擾 利用升 降速端子來進行頻率給定時 只需接入兩個按鈕開關即可 如圖 4 b 所示 其優(yōu)點是十分明顯的 升 降速端子給定屬于數字量給定 精度較高 用按鈕開關來調節(jié)頻率 非但操作簡便 且不易損壞 因為是開關量控制 故不受線路電壓降等的影響 抗干擾性能極好 因此 在變頻器進行外接給定時 應盡量少用電位器 而以利用升 降速端子 進行頻率給定為好 b 兩處升 降速控制 在生產實際中 常常需要在兩個或多個地點都能對同一臺電動機進行升 降速 控制 在大多數情況下 這是通過外接控制來實現的 電路的構成 如圖 5 所示 SB1 和 SB2 是一組升速和降速按鈕 安裝在控制盒 CA 內 由 頻 率表 FA 顯示其運行頻率 SB3 和 SB4 是另一組升速和降速按鈕 安裝在另一個 控制盒 CB 內 由 頻率表 FB 顯示其運行頻率 控制盒 CA 和 CB 分別放置在 兩個不同的地方 圖 5 兩地升 降速控制 SB1 與 SB3 并聯(lián) 接在 X1 和 COM 之間 用于控制升速 SB2 與 SB4 并聯(lián) 接在 X2 和 COM 之間 用于控制降速 l 工作方式 按下控制盒 CA 上的 SB1 或控制盒 CB 上的 SB3 都能使頻率上升 松開后 頻率保持 反之 按下控制盒 CA 上的 SB2 或控制盒 CB 上的 SB4 都能使 頻率下降 松開后頻率保持 從而實現了在不同的地點進行升速或降速控制 依此類推 還可以實現多處控制 基本原則是 所有控制頻率上升的按鈕開關都 并聯(lián) 所有控制頻率下降的按鈕開關也都并聯(lián)就可以了 c 手動同步控制電路 在紡織 印染以及造紙機械中 根據生產工藝的需要 往往劃分成許多個加工 單元 每個單元都有各自獨立的拖動系統(tǒng) 如圖 6 所示 在這種情況下 總是 要求被加工物在各單元的線速度保持一致 v1 v2 v3 圖 6 多單元同步運行 顯然 如果后面單元的線速度低于前面 將導致被加工物的堆積 反之 如果后 面單元的線速度高于前面 將導致被加工物的撕裂 因此 要求各單元的運行 速度能夠步調一致 即實現同步運行 對手動同步控制的要求如下 首先 各單元要能夠同時升速和降速 進行統(tǒng)調 其次 在必要時 每個單元又能夠單獨地進行微調 今以三個單元的同步為例 控制電路如圖 7 所示 工作過程如下 統(tǒng)調 統(tǒng)調的控制電路如圖 7 d 和圖 7 e 所示 圖 7 手動多單元同步控制 按下 SB1 繼電器 KA1 得電 其觸點分別將各變頻器的 X1 COM 接通 各單元電 動機同時升速 按下 SB2 繼電器 KA2 得電 其觸點分別將各變頻器的 X2 COM 接通 各單元電 動機同時降速 微調 各臺變頻器分別由按鈕開關 SB11 SB12 1 號機 SB21 SB22 2 號機 SB31 SB32 3 號機 進行單臺微調 2 2 多檔轉速控制 1 輸入控制端的 多檔速 功能 a 功能含義 變頻器可以設定若干檔工作頻率 其頻率檔次的切換是由外接的開關器件改變 輸入端子的狀態(tài)和組合來實現的 例如 當端子 S1 S2 S3 被預置為為多檔轉速的信號輸入端時 通過繼電器 KA1 KA2 KA3 的不同組合 可輸入 7 檔轉速的信號 如圖 8 a 所示 轉速檔次與各輸入端子狀態(tài)之間的關系如圖 8 b 所示 圖 8 變頻器的多檔速控制端 各檔的工作頻率 轉速 究竟為多大 則根據需要進行預置 b 變頻器的功能預置 以東芝 VF A7 系列變頻器為例 如附表所示 由附表知 功能預置分兩個步驟 第一步 在輸入控制端子中選擇若干個端子 附表中為 3 個 作為多檔轉速輸入控 制端 第二步 預置各檔轉速的運行頻率 2 多檔轉速的控制特點 變頻器在實現多檔轉速控制時 需要解決如下的問題 一方面 變頻器每個輸出頻率的檔次需要由三個輸入端的狀態(tài)來決定 另一方面 操作人員切換轉速所用的開關器件通常為按鈕開關或觸摸開關 每 個檔次只有一個觸點 所以 必須解決好轉速選擇開關的狀態(tài)和變頻器各控制端狀態(tài)之間的變換問題 如圖 9 所示 圖 9 多檔速控制特點 針對這種情況 通過 C 來進行控制是比較方便的 3 控制實例 某生產機械有 檔轉速 通過 個選擇按鈕來進行控制 a 控制電路 如圖 10 所示 說明如下 圖 10 多檔速的 PLC 控制電路 l PLC 的輸入電路 如圖 PLC 的輸入端 X1 X7 分別與按鈕開關 SB1 SB7 相接 用于接受 7 檔轉 速的信號 l PLC 的輸出電路 如圖 10 輸出端 Y1 Y2 Y3 分別接至變頻器的輸入控制端的 S1 S2 S3 用 于控制 S1 S2 和 S3 的狀態(tài) b 梯形圖之一 SB1 SB7 為非自動復位型按鈕開關 如圖 11 所示 圖 11 采用非自動復位按鈕的梯形圖 觀察圖 10 中之端子狀態(tài)表 可得到如下規(guī)律 S1 在第 1 3 5 7 檔轉速時都處于接通狀態(tài) 故 PLC 的 X1 X3 X5 X7 中只要有一個得到信號 則 Y1 動作 變頻器的 S1 端得到信號 S2 在第 2 3 6 7 檔轉速時都處于接通狀態(tài) 故 PLC 的 X2 X3 X6 X7 中只要有一個得到信號 則 Y2 動作 變頻器的 S2 端得到信號 S3 在第 4 5 6 7 檔轉速時都處于接通狀態(tài) 故 PLC 的 X4 X5 X6 X7 中只要有一個得到信號 則 Y3 動作 變頻器的 S3 端得到信號 今以用戶選擇第 3 檔轉速為例 說明其工作情況如下 按下 SB3 X3 動作 Y1 和 Y2 動作 變頻器的 S1 S2 端子得到信號 變頻器將在第 3 檔轉速下運行 c 梯形圖之二 SB1 SB7 為自動復位型按鈕開關 如圖 12 所示 圖 12 采用自動復位按鈕的梯形圖 由于 SB1 SB7 采用了自動復位型按鈕開關 PLC 輸入端子 X1 X7 得到的信號 不能保持 故借助 PLC 中的中間繼電器 M1 M7 使各轉速檔次的信號保持下來 今說明如下 按下 SB1 X1 得到信號 M1 動作 并自鎖 M1 保持第 1 轉速的信號 當按下 SB2 SB7 中任何一個按鈕開關 X2 X7 中有一個得到信號 時 M1 釋放 即 M1 僅在選擇第 1 檔轉速時 動作 按下 SB2 X2 得到信號 M2 動作 并自鎖 M2 保持第 2 轉速的信號 當按下除 SB2 以外的任何一個按鈕開關時 M2 釋放 即 M2 僅在選擇第 2 檔轉速時 動作 以此類推 M3 僅在選擇第 3 檔轉速時 動作 M4 僅在選擇第 4 檔轉速時 動 作 M5 僅在選擇第 5 檔轉速時 動作 M6 僅在選擇第 6 檔轉速時 動作 M7 僅在選擇第 7 檔轉速時 動作 與圖 9 類似 M1 M3 M5 M7 中只要有一個接通 則 Y1 動作 變頻器的 S1 端接通 M2 M3 M6 M7 中只要有一個接通 則 Y2 動作 變頻器的 S2 端接通 M4 M5 M6 M7 中只要有一個接通 則 Y3 動作 變頻器的 S3 端接通 今以用戶選擇第 5 檔轉速為例 說明其工作情況如下 按下 SB5 X5 得到信號 M5 動作 同時 如果在此之前 M1 M2 M3 M4 M6 M7 中有處于動作狀態(tài)的話 都將釋放 Y1 Y3 動作 變頻器的 S1 S3 端子接通 變頻器將在第 5 檔轉速下運行 3 輸出端子及其應用舉例 變頻器除了用輸入控制端接受各種輸入控制信號外 還可以用輸出控制端輸出 與自己的工作狀態(tài)相關的信號 輸出控制端子有跳閘報警輸出端 開關量 測 量信號輸出端 模擬量或脈沖 以及可編程輸出端等幾種類型 3 1 跳閘報警輸出 1 功能與特點 當變頻器因發(fā)生故障而跳閘時 發(fā)出跳閘報警信號 主要特點如下 a 功能單一 報警輸出的控制端子是專用的 不能再作其他用途 所以 跳閘報警輸出端子 不需要進行功能預置 b 繼電器輸出 所有變頻器的報警輸出都是繼電器輸出 可直接接至交流 250V 電路中 觸點容 量大多為 1A 也有大至 A 的 大多數變頻器的報警輸出端都配置一對觸點 一常開 一常閉 如圖 13 中的 A C B C 所示 圖 13 跳閘報警電路示例 2 應用示例 如圖 13 所示 動斷 常閉 觸點 C B 串聯(lián)在接觸器 KM 的線圈電路內 動合 常開 觸 點 C A 則串聯(lián)在聲光報警電路內 變頻器的通電由接觸器 KM 控制 當變頻器跳閘時 一方面 動斷 常閉 觸點 C B 斷開 KM 線圈失電 其觸點斷開 使變頻器切斷 電源 另一方面 動合 常開 觸點 C A 閉合 電笛 HA 和指示燈 HL 同時得電 進行聲 光報警 在配置聲光報警的情況下 須注意將變頻器控制電源的接線端 R1 和 S1 接至接 觸器 KM 主觸點的前面 3 2 測量信號輸出端 變頻器的運行參數 頻率 電流等 可以通過外接儀表來進行測量 為此 專門 配置了為外接儀表提供測量信號的外接輸出端子 如圖 14 所示 需要預置的相 關功能主要有以下幾個方面 圖 14 測量信號輸出端子 1 測量內容的選擇功能 變頻器的外接測量輸出端子通常有兩個 用于測量頻率和電流 但除此以外 還可以通過功能預置測量其他運行數據 如 電壓 轉矩 負荷率 功率 以及 PID 控制時的目標值和反饋值等 2 輸出信號的類別 a 電壓信號 輸出信號范圍有 0 1V 0 5V 0 10V 等幾種 多數變頻器直接由模擬量給出 信號電壓的大小 但也有的變頻器輸出的是占空比與信號電壓成正比的脈沖序 列 b 電流信號 其量程主要是 0 20mA 20mA 兩種 但也有量程為 0 1mA 的 c 脈沖信號 輸出信號為與被測量成比例的脈沖信號 脈沖高度 電壓 通常為 8 24V 這種 輸出方式主要用于測量變頻器的輸出頻率 3 量程的校準功能 因為外接儀表實際上是電壓表或毫安表 而被測量是頻率 電流或其他物理量 因此 有必要對量程進行校準 校準的方法主要有兩種 a 通過功能預置來校準 b 通過外接電位器來校準 如圖 14 b 所示 4 應用示例 某機械 最高運行頻率為 80Hz 所選變頻器是三菱 FR A540 型 a 輸出信號特點 三菱 FR A540 系列變頻器的模擬量輸出端子只有一個 符號是 AM 負端為 5 如圖 15 a 所示 輸出信號為 0 10V 直流電壓信號 圖 15 模擬量輸出示例 b 功能預置 需要預置的功能如下 l 選擇 AM 端的測量內容 將功能碼 Pr 158 預置為 1 則 AM 端將顯示變頻器的輸出頻率 l 預置測量范圍 將功能碼 Pr 55 預置為 80 則頻率顯示范圍為 0 80Hz AM 端的輸出電壓 與顯示頻率之間的對應關系如圖 15 b 所示 c 儀表的改造 因為 AM 端的輸出電壓范圍是 0 10V 所以 只需購買量程為 10V 的直流電壓 表即可 但須將面板修改為 0 80Hz 如圖 15 c 和 15 d 所示 3 3 可編程輸出端 可編程輸出端也叫狀態(tài)輸出端 用于輸出表明變頻器各種工作狀態(tài)的信號 都是開關量輸出 各輸出端子的具體功能須通過功能預置來決定 主要有 變頻 器運行中 頻率到達 輸出頻率到達上限 輸出頻率到達下限 程序運行換步 信號 程序運行一次循環(huán)結束信號 程序運行步數指示等 1 電路結構 主要有兩種類型 a 繼電器輸出型 變頻器內部具有若干個輸出繼電器 通過其觸點輸出相關信號 如圖 16 a 所 示 多數情況下 只能用于直流低壓電路中 也有的繼電器觸點可以用在交流 220V 的電路中的 須注意閱讀說明書 b 晶體管輸出型 變頻器內部是晶體管集電極輸出 如圖 16 b 所示 這種輸出方式只能用在直 流低壓電路中 由于晶體管只能單方向導通 使用時須注意外接電源的極性 圖 16 可編程輸出電路 2 應用實例 有一臺攪拌機 需要和傳輸帶進行聯(lián)動控制 攪拌機由電動機 M1 拖動 轉 速由變頻器 UF1 控制 傳輸帶由電動機 M2 拖動 轉速由變頻器 UF2 控制 如圖 17 所示 圖 17 攪拌 傳輸聯(lián)動控制 控制要求如下 為了防止物料在傳輸帶上堆積 傳輸帶應首先起動 并且其運行頻率到達 30Hz 以上時 攪拌機才開始起動和運行 當變頻器 UF2 的輸出頻率低于 25Hz 時 攪 拌機應停止工作 今以選用富士 G11S 變頻器為例 選擇輸出端子 Y2 作為頻率檢測信號端 如圖 17 所示 則變頻器 UF2 須預置如下功能 功能碼 E21 Y2 輸出端子的功能 預置為 2 則 Y2 為 頻率檢測 信號輸出 端 功能碼 E31 頻率檢測值 預置為 30 則當輸出頻率高于 30Hz 時 Y2 晶體管 導通 功能碼 E32 頻率檢測滯后值 預置為 5 則當輸出頻率降至 30Hz 時 Y2 端 并不恢復 等再滯后 5Hz 即 25Hz 時 Y2 晶體管才截止 如圖 18 所示 圖 18 中 fS 為頻率檢測的設定值 為解除時的滯后值 fR 為解除頻率值 圖 18 頻率檢測含義 參考文獻 略 作者簡介 張燕賓 1937 男 高級工程師 退休前在宜昌市自動化研究所工作 曾 任自動化研究所副所長 宜昌市科委駐深圳聯(lián)絡處主任 宜昌市自動化學會理 事長 湖北省自動化學會常務理事 著作 SPWM 變頻調速應用技術 編著 機械 工業(yè)出版社 1997 年 12 月初版 2002 年 月第二版 變頻調速應用實踐 主編 機械工業(yè)出版社 2001 年 1 月出版 變頻器應用基礎 副主編 機械工業(yè)出版社 2003 年 1 月出版