主頁 > 新聞動態(tài) > 變頻器基本結(jié)構(gòu)功能及變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC控制設(shè)計思路 2021-12-16

變頻器基本結(jié)構(gòu)功能及變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC控制設(shè)計思路

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： n =60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對數(shù)）；通過改變電動機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)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(shù)，電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。
一、變頻器的基本結(jié)構(gòu)：
目前，變頻器的變換環(huán)節(jié)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(diào)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(gòu)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(wěn)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(nèi)，以保護(hù)整流橋。而當(dāng)CF充電到一定程度時，令開關(guān)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(jīng)釋放完畢。
逆變電路部分：將直流電逆變成頻率、幅值都可調(diào)的交流電
作用：通過逆變管V1~V6按一定規(guī)律輪流導(dǎo)通和截止，將直流電逆變成頻率、幅值都可調(diào)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(hù)逆變管免遭損壞當(dāng)電動機(jī)減速、變頻器輸出頻率下降過快時，消耗因電動機(jī)處于再發(fā)生電制動狀態(tài)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(hù)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(wù)是完成對逆變器開關(guān)元件的開關(guān)控制和提供多種保護(hù)功能�？刂品绞接心M控制和數(shù)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(qū)動板、外接控制電路等構(gòu)成。各部分的功能見表。

1）主控板
主控板是變頻器運(yùn)行的控制中心，其核心器件是控制器（單片微機(jī)）或數(shù)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(shù)、正反轉(zhuǎn)指令等
(2)接受并處理內(nèi)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(tài)的采樣信號等
(3)向外電路發(fā)出控制信號及顯示信號，如正常運(yùn)行信號、頻率到達(dá)信號等，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，立刻發(fā)出保護(hù)指令進(jìn)行保護(hù)或停車，并輸出故障信號
(4)完成SPWM調(diào)制，將接受的各種信號進(jìn)行判斷和綜合運(yùn)算，產(chǎn)生相應(yīng)的SPWM調(diào)制指令，并分配給各逆變管的驅(qū)動電路
(5)向顯示板和顯示屏發(fā)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(fā)出各種信號或指令，主要用于向變頻器發(fā)出運(yùn)行控制指令或修改運(yùn)行數(shù)據(jù)等
顯示板將主控板提供的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，大部分變頻器配置了液晶或數(shù)碼管顯示屏，還有指示燈，還有RUN（運(yùn)行）、STOP（停止）、FWD（正轉(zhuǎn)）、REV（反轉(zhuǎn)）、FLT（故障）等狀態(tài)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(yùn)行監(jiān)視模式下，顯示各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，如頻率、電壓、電流等
(2)在參數(shù)模式下，顯示功能碼和數(shù)據(jù)碼
(3)在故障狀態(tài)下，顯示故障原因代碼
3）電源板與驅(qū)動板
變頻器的內(nèi)容電源普遍使用開關(guān)穩(wěn)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(wěn)定性和抗干擾能力的一組直流電源
(2)驅(qū)動電源逆變電路中上橋臂的三只逆變管驅(qū)動電路的電源是相互隔離的三組獨(dú)立電源，下橋臂三只逆變管驅(qū)動電源則可共“地”。但驅(qū)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(wěn)恒直流電源
中小功率變頻器驅(qū)動電路往往與電源電路在同一塊電路板上，驅(qū)動電路接受主控板發(fā)來的SPWM調(diào)制信號，在進(jìn)行光電隔離、放大后驅(qū)動逆變管的開關(guān)工作
4）外接控制電路
外接電路可實(shí)現(xiàn)由電位器、主令電器、繼電器及其他自控設(shè)備對變頻器的運(yùn)行控制，并輸出其運(yùn)行狀態(tài)、故障報警、運(yùn)行數(shù)據(jù)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(shù)中小容量通用變頻器中，外接控制電路往往與主控電路設(shè)計在同一電路板上，以減小其整機(jī)的體積，提高電路可靠性，降低生產(chǎn)成本。
二、變頻器的功能：
1.全范圍轉(zhuǎn)矩自動增強(qiáng)功能由于電動機(jī)繞組中阻抗的作用，采用U/f控制的變頻器在電動機(jī)的低速運(yùn)行區(qū)域會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩不足的情況。為提高系統(tǒng)的性能，具有全范圍轉(zhuǎn)矩自動增強(qiáng)功能的變頻器在電動機(jī)的加速、減速和正常運(yùn)行的所有區(qū)域中可以根據(jù)負(fù)載情況自動調(diào)節(jié)U/f值，對電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行補(bǔ)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(yùn)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(yùn)行過程中的防失速功能的基本作用是：當(dāng)電動機(jī)由于加速過快或負(fù)載過大等原因出現(xiàn)過電流現(xiàn)象時，變頻器將自動降低輸出頻率，以避免出現(xiàn)變頻器因過電流保護(hù)電路動作而停止工作。
對于電壓型變頻器，在電動機(jī)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(xiàn)過電壓保護(hù)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(hù)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(dá)到防止失速的目的。
3.過轉(zhuǎn)矩限定運(yùn)行功能這種功能的作用是對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行保護(hù)并保證運(yùn)行的連續(xù)性。利用該功能可以對電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩極限值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到該設(shè)定值時，變頻器停止工作并發(fā)出報警信號。
4.運(yùn)行狀態(tài)檢測顯示功能該功能主要用于檢測變頻器的工作狀態(tài)并及時顯示。
5.自動節(jié)能運(yùn)行功能該功能的作用是使變頻器能自動選擇工作參數(shù)，使電動機(jī)在滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求的情況下以最小電流運(yùn)行。
6.自動電壓調(diào)整功能當(dāng)電源電壓下降時，使用自動電壓調(diào)整功能可以維護(hù)電動機(jī)的高啟動轉(zhuǎn)矩。
7.通過外部信號對變頻器進(jìn)行啟�？刂频墓δ� 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(diào)速系統(tǒng)PLC控制設(shè)計思路

1. 設(shè)計目的
通過變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC控制的設(shè)計，對專業(yè)知識進(jìn)行鞏固，并熟悉掌握組態(tài)軟件的使用。在完成課程學(xué)習(xí)的同時實(shí)際動手設(shè)計，通過理論和實(shí)踐相結(jié)合，把專業(yè)的理論知識應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計中，既能對所學(xué)知識加深理解，又能對專業(yè)知識的應(yīng)用有更深刻的熟悉和掌握，從而將變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC的相關(guān)知識理解的更扎實(shí)透徹，完整掌握PLC的相關(guān)內(nèi)容。
2.設(shè)計任務(wù)
完成一個由組態(tài)軟件為上位機(jī)控制，PLC為下位機(jī)控制，變頻器、異步電動機(jī)組成的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計，并完成組態(tài)控制界面的設(shè)計，控制梯形圖以及PLC接線圖。利用實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的聯(lián)通，完成PLC端子、變頻器以及異步電動機(jī)的接線，然后利用PC機(jī)輸入梯形圖控制程序，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行調(diào)試。
3.控制系統(tǒng)的要求
PLC、變頻器以及異步電動機(jī)共同組成了控制系統(tǒng)。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(fā)出起、停等指令，同時變頻器也會將工作狀態(tài)信號反饋回PLC，形成雙向聯(lián)通的關(guān)系，這是此系統(tǒng)的核心部分。變頻器能對電機(jī)進(jìn)行調(diào)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(zhuǎn)換，即自動轉(zhuǎn)換和手動輸入，同時實(shí)現(xiàn)高、低速的轉(zhuǎn)換。
4.設(shè)計過程
調(diào)速系統(tǒng)由PLC控制變頻器，同時由變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。變頻調(diào)速系統(tǒng)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(jī)正轉(zhuǎn)或是反轉(zhuǎn)，在一到七速之間也能自由轉(zhuǎn)換。自動控制則是先將電機(jī)設(shè)置為正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，然后逐漸從低速升為高速，通過復(fù)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(shè)備詳細(xì)表
電源控制屏：提供三相四線制380V、220V電壓；變頻調(diào)速裝置；三菱PLC主機(jī)；異步電動機(jī)；力控監(jiān)控組態(tài)軟件實(shí)戰(zhàn)指南；力控監(jiān)控組態(tài)軟件。
四、變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC設(shè)計系統(tǒng)思考

1.設(shè)計系統(tǒng)過程中出現(xiàn)問題及解決方法
第一：根據(jù)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(xué)習(xí)變頻器資料，掌握變頻器和電機(jī)的使用，在熟練掌握的基礎(chǔ)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(xiàn)主要是因?yàn)闆]有熟練使用plc編程步驟，編寫程序中沒有end。仔細(xì)檢查，一步一步從新學(xué)習(xí)plc編程，從最簡單的控制開始。
第三：電機(jī)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(xì)研究電機(jī)發(fā)現(xiàn)，我們使用的是小型異步電動機(jī)不帶負(fù)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(shí)現(xiàn)控制，而把變頻器和電動機(jī)連起來，電動機(jī)直接受變頻器控制，我們的手動程序沒有用。該問題的出現(xiàn)主要是變頻器資料沒有學(xué)習(xí)深入，我們始終讓變頻器運(yùn)行在內(nèi)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(diào)節(jié)電動機(jī)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(jié)合起來。導(dǎo)致這種情況的出現(xiàn)與自己沒有太深入的了解三菱plc有些功能以及內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)有很大的關(guān)系，在老師指導(dǎo)下采用功能語句，一步一步調(diào)試出來。
第六：組態(tài)軟件在使用中出現(xiàn)的問題。若想解決該問題，就必須組態(tài)軟件需要把底層控制出來，在來監(jiān)控，設(shè)置I/O點(diǎn)。
2.課程設(shè)計心得
這次課程設(shè)計做變頻調(diào)速系統(tǒng)plc控制，從拿到題目就感覺很難，經(jīng)過兩個多星期的設(shè)計，調(diào)試終于做出來。但是心得感觸頗深：
1）重新學(xué)習(xí)了plc編程，把以前忘掉的知識都撿回來了。從中也懂得了學(xué)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(jīng)常復(fù)習(xí)才能在使用時不盲目。
2）學(xué)習(xí)變頻器的知識。以前總在電器商場看見變頻空調(diào)，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(shè)計讓我懂得了變頻調(diào)速的原理，變頻器的工作原理，同時學(xué)會使用簡單的變頻器。
3）鍛煉自己動手能力。變頻調(diào)速系統(tǒng)涉及到變頻器，異步電動機(jī)，plc，還有上位機(jī)，這些都需要接線。記得當(dāng)時在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試時根本不敢把電源加上去，很怕自己在接線處出現(xiàn)問題，出現(xiàn)燒毀電機(jī)，變頻器等故障。
4）學(xué)習(xí)組態(tài)軟件。對于這個軟件我現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)只要有簡單的指點(diǎn)，花上大量時間，就會學(xué)好。

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