主页 > 新闻动态 > 变频器基本结构功能及变频调速系统PLC控制设计思路 2021-12-16

变频器基本结构功能及变频调速系统PLC控制设计思路

变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术，电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。
一、变频器的基本结构：
目前，变频器的变换环节大多采用交－直－交变频变压方式。交－直－交变频器是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电逆变成频率、电压可调的交流电。通用变频器主要由主电路和控制电路组成，而主电路又包括整流电路、直流中间电路和逆变电路三部分，其基本构成框图如图所示。

1.变频器的主电路：
下图所示为通用变频器的主电路，各部分的作用见表

整流电路部分：将频率固定的三个交流电变换成直流电
作用：将交流电变换成脉动直流电。若电源线电压为UL,则整流后的平均电压UD=1.35UL滤平桥式整流后的电压纹波，保持直流电压平稳接通电源时，将电容器CF的充电冲击电流限制在允许范围内，以保护整流桥。而当CF充电到一定程度时，令开关S接通，将RL短路。在有些变频器里，S由晶闸管代替HL除了表示电源是否接通外，另一个功能是变频器切断电源后，指示电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。
逆变电路部分：将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电
作用：通过逆变管V1~V6按一定规律轮流导通和截止，将直流电逆变成频率、幅值都可调的三相交流电在换相过程中为电流提供通路限制过高的电流和电压，保护逆变管免遭损坏当电动机减速、变频器输出频率下降过快时，消耗因电动机处于再发生电制动状态而回馈到直流电路中的能量，以避免变频器本身的过电压保护电路动作而切断变频器的正常输出。
2.变频器的控制电路
变频器的控制电路为主电路提供控制信号，其主要任务是完成对逆变器开关元件的开关控制和提供多种保护功能。控制方式有模拟控制和数字控制两种。通用变频器控制电路的控制框图如下图所示，主要由主控板、键盘与显示板、电源板与驱动板、外接控制电路等构成。各部分的功能见表。

1）主控板
主控板是变频器运行的控制中心，其核心器件是控制器（单片微机）或数字信号处理器（DSP），其主要功能有：
(1)接受并处理从键盘、外部控制电路输入的各种信号，如修改参数、正反转指令等
(2)接受并处理内部的各种采样信号，如主电路中电压与电流的采样信号、各部分温度的采样信号、各逆变管工作状态的采样信号等
(3)向外电路发出控制信号及显示信号，如正常运行信号、频率到达信号等，一旦发现异常情况，立刻发出保护指令进行保护或停车，并输出故障信号
(4)完成SPWM调制，将接受的各种信号进行判断和综合运算，产生相应的SPWM调制指令，并分配给各逆变管的驱动电路
(5)向显示板和显示屏发出各种显示信号
2）键盘与显示板
键盘与显示板总是组合在一起。键盘向主控板发出各种信号或指令，主要用于向变频器发出运行控制指令或修改运行数据等
显示板将主控板提供的各种数据进行显示，大部分变频器配置了液晶或数码管显示屏，还有指示灯，还有RUN（运行）、STOP（停止）、FWD（正转）、REV（反转）、FLT（故障）等状态指示灯和单位指示灯，如HZ、A、V等。可以完成以下指示功能：
(1)在运行监视模式下，显示各种运行数据，如频率、电压、电流等
(2)在参数模式下，显示功能码和数据码
(3)在故障状态下，显示故障原因代码
3）电源板与驱动板
变频器的内容电源普遍使用开关稳压电源，电源板主要提供以下直流电源：
(1)主控板电源具有极好稳定性和抗干扰能力的一组直流电源
(2)驱动电源逆变电路中上桥臂的三只逆变管驱动电路的电源是相互隔离的三组独立电源，下桥臂三只逆变管驱动电源则可共“地”。但驱动电源与主控板电源必须可靠绝缘
(3)外控电源为变频器外电路提供的稳恒直流电源
中小功率变频器驱动电路往往与电源电路在同一块电路板上，驱动电路接受主控板发来的SPWM调制信号，在进行光电隔离、放大后驱动逆变管的开关工作
4）外接控制电路
外接电路可实现由电位器、主令电器、继电器及其他自控设备对变频器的运行控制，并输出其运行状态、故障报警、运行数据信号等。一般包括：外部给定电路、外接输入控制电路、外接输出电路、报警输出电路等大多数中小容量通用变频器中，外接控制电路往往与主控电路设计在同一电路板上，以减小其整机的体积，提高电路可靠性，降低生产成本。
二、变频器的功能：
1.全范围转矩自动增强功能由于电动机绕组中阻抗的作用，采用U/f控制的变频器在电动机的低速运行区域会出现转矩不足的情况。为提高系统的性能，具有全范围转矩自动增强功能的变频器在电动机的加速、减速和正常运行的所有区域中可以根据负载情况自动调节U/f值，对电动机的输出转矩进行补偿。
2.防失速功能变频器的防失速功能包括加速过程的防失速功能、恒速运行过程的防失速功能和减速过程的防失速功能三种。
加速过程和恒速运行过程中的防失速功能的基本作用是：当电动机由于加速过快或负载过大等原因出现过电流现象时，变频器将自动降低输出频率，以避免出现变频器因过电流保护电路动作而停止工作。
对于电压型变频器，在电动机的减速过程中回馈能量将使变频器的直流中间电路的电压上升，可能会出现过电压保护电路动作而使变频器停止工作的情况。减速过程的防失速功能的基本作用是：在过电压保护电路动作之前暂停降低变频器的输出频率或减小输出频率的降低速率，达到防止失速的目的。
3.过转矩限定运行功能这种功能的作用是对机械设备进行保护并保证运行的连续性。利用该功能可以对电动机的输出转矩极限值进行设定，当电动机的输出转矩达到该设定值时，变频器停止工作并发出报警信号。
4.运行状态检测显示功能该功能主要用于检测变频器的工作状态并及时显示。
5.自动节能运行功能该功能的作用是使变频器能自动选择工作参数，使电动机在满足负载转矩要求的情况下以最小电流运行。
6.自动电压调整功能当电源电压下降时，使用自动电压调整功能可以维护电动机的高启动转矩。
7.通过外部信号对变频器进行启停控制的功能变频器通常都具有通过外部信号控制变频器启停的功能。
三、变频调速系统PLC控制设计思路

1. 设计目的
通过变频调速系统PLC控制的设计，对专业知识进行巩固，并熟悉掌握组态软件的使用。在完成课程学习的同时实际动手设计，通过理论和实践相结合，把专业的理论知识应用到实际设计中，既能对所学知识加深理解，又能对专业知识的应用有更深刻的熟悉和掌握，从而将变频调速系统PLC的相关知识理解的更扎实透彻，完整掌握PLC的相关内容。
2.设计任务
完成一个由组态软件为上位机控制，PLC为下位机控制，变频器、异步电动机组成的变频调速控制系统的设计，并完成组态控制界面的设计，控制梯形图以及PLC接线图。利用实验装置实现上下位机的联通，完成PLC端子、变频器以及异步电动机的接线，然后利用PC机输入梯形图控制程序，并在实验室内进行调试。
3.控制系统的要求
PLC、变频器以及异步电动机共同组成了控制系统。其中可编程控制器（PLC）的作用是处理各种信息的逻辑问题，并向变频器发出起、停等指令，同时变频器也会将工作状态信号反馈回PLC，形成双向联通的关系，这是此系统的核心部分。变频器能对电机进行调速控制。按下启动键，可选择工频或变频控制，能完成自动控制和手动控制之间的转换，即自动转换和手动输入，同时实现高、低速的转换。
4.设计过程
调速系统由PLC控制变频器，同时由变频器实现电机的调速。变频调速系统主要分为两部分：手动控制和自动控制。手动控制可以选择电机正转或是反转，在一到七速之间也能自由转换。自动控制则是先将电机设置为正转或反转，然后逐渐从低速升为高速，通过复位能自动从高速降回低速。最后手动控制停止可以直接切换成自动控制。
5.电气设备详细表
电源控制屏：提供三相四线制380V、220V电压；变频调速装置；三菱PLC主机；异步电动机；力控监控组态软件实战指南；力控监控组态软件。
四、变频调速系统PLC设计系统思考

1.设计系统过程中出现问题及解决方法
第一：根据控制要求直接编写控制程序，始终不知道如何动手。对于该问题的解决方法为从头开始了解硬件，学习变频器资料，掌握变频器和电机的使用，在熟练掌握的基础上才会知道怎么去控制。
第二：在编写梯形图完成后，plc始终没有输出。该问题的出现主要是因为没有熟练使用plc编程步骤，编写程序中没有end。仔细检查，一步一步从新学习plc编程，从最简单的控制开始。
第三：电机在接线时不知道是星型接线还是三角形接线。笔者为了更好的解决该问题，在回去后仔细研究电机发现，我们使用的是小型异步电动机不带负载，可以直接启动，星型和三角形接线影响不大。
第四：手动程序在plc上可以直接实现控制，而把变频器和电动机连起来，电动机直接受变频器控制，我们的手动程序没有用。该问题的出现主要是变频器资料没有学习深入，我们始终让变频器运行在内部(PU)模式，这款FR-S500没有通讯功能。在PU模式下可以直接在变频器上调节电动机不同速度，而用plc程序控制必须使变频器工作在外部（exit）模式下。
第五：手动程序和自动程序不能结合起来。导致这种情况的出现与自己没有太深入的了解三菱plc有些功能以及内部运行状态有很大的关系，在老师指导下采用功能语句，一步一步调试出来。
第六：组态软件在使用中出现的问题。若想解决该问题，就必须组态软件需要把底层控制出来，在来监控，设置I/O点。
2.课程设计心得
这次课程设计做变频调速系统plc控制，从拿到题目就感觉很难，经过两个多星期的设计，调试终于做出来。但是心得感触颇深：
1）重新学习了plc编程，把以前忘掉的知识都捡回来了。从中也懂得了学过的知识很容易忘掉的道理。对于知识真的是温故而知新，经常复习才能在使用时不盲目。
2）学习变频器的知识。以前总在电器商场看见变频空调，不懂变频是怎么变的，我们国家一直是工频50HZ，变频怎么做到的！这次课程设计让我懂得了变频调速的原理，变频器的工作原理，同时学会使用简单的变频器。
3）锻炼自己动手能力。变频调速系统涉及到变频器，异步电动机，plc，还有上位机，这些都需要接线。记得当时在实验室调试时根本不敢把电源加上去，很怕自己在接线处出现问题，出现烧毁电机，变频器等故障。
4）学习组态软件。对于这个软件我现在发现只要有简单的指点，花上大量时间，就会学好。

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