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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(jì)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(duì)數(shù)）；通過(guò)改變電動(dòng)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(guò)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(jiàn)表

整流電路部分：將頻率固定的三個(gè)交流電變換成直流電
作用：將交流電變換成脈動(dòng)直流電。若電源線(xiàn)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(shí)，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(shí)，令開(kāi)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(gè)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(guò)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(guò)程中為電流提供通路限制過(guò)高的電流和電壓，保護(hù)逆變管免遭損壞當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速、變頻器輸出頻率下降過(guò)快時(shí)，消耗因電動(dòng)機(jī)處于再發(fā)生電制動(dòng)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(guò)電壓保護(hù)電路動(dòng)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(hào)，其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)控制和提供多種保護(hù)功能。控制方式有模擬控制和數(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(pán)與顯示板、電源板與驅(qū)動(dòng)板、外接控制電路等構(gòu)成。各部分的功能見(jiàn)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(hào)處理器（DSP），其主要功能有：
(1)接受并處理從鍵盤(pán)、外部控制電路輸入的各種信號(hào)，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(hào)，如主電路中電壓與電流的采樣信號(hào)、各部分溫度的采樣信號(hào)、各逆變管工作狀態(tài)的采樣信號(hào)等
(3)向外電路發(fā)出控制信號(hào)及顯示信號(hào)，如正常運(yùn)行信號(hào)、頻率到達(dá)信號(hào)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(chē)，并輸出故障信號(hào)
(4)完成SPWM調(diào)制，將接受的各種信號(hào)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(dòng)電路
(5)向顯示板和顯示屏發(fā)出各種顯示信號(hào)
2）鍵盤(pán)與顯示板
鍵盤(pán)與顯示板總是組合在一起。鍵盤(pán)向主控板發(fā)出各種信號(hào)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�？梢酝瓿梢韵轮甘竟δ埽�
(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(dòng)板
變頻器的內(nèi)容電源普遍使用開(kāi)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(dòng)電源逆變電路中上橋臂的三只逆變管驅(qū)動(dòng)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(dòng)電源則可共“地”。但驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路往往與電源電路在同一塊電路板上，驅(qū)動(dòng)電路接受主控板發(fā)來(lái)的SPWM調(diào)制信號(hào)，在進(jìn)行光電隔離、放大后驅(qū)動(dòng)逆變管的開(kāi)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(duì)變頻器的運(yùn)行控制，并輸出其運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)警、運(yùn)行數(shù)據(jù)信號(hào)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(bào)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(jì)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(dòng)增強(qiáng)功能由于電動(dòng)機(jī)繞組中阻抗的作用，采用U/f控制的變頻器在電動(dòng)機(jī)的低速運(yùn)行區(qū)域會(huì)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(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器在電動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)U/f值，對(duì)電動(dòng)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(guò)程的防失速功能、恒速運(yùn)行過(guò)程的防失速功能和減速過(guò)程的防失速功能三種。
加速過(guò)程和恒速運(yùn)行過(guò)程中的防失速功能的基本作用是：當(dāng)電動(dòng)機(jī)由于加速過(guò)快或負(fù)載過(guò)大等原因出現(xiàn)過(guò)電流現(xiàn)象時(shí)，變頻器將自動(dòng)降低輸出頻率，以避免出現(xiàn)變頻器因過(guò)電流保護(hù)電路動(dòng)作而停止工作。
對(duì)于電壓型變頻器，在電動(dòng)機(jī)的減速過(guò)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(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)電路動(dòng)作而使變頻器停止工作的情況。減速過(guò)程的防失速功能的基本作用是：在過(guò)電壓保護(hù)電路動(dòng)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(guò)轉(zhuǎn)矩限定運(yùn)行功能這種功能的作用是對(duì)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(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩極限值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到該設(shè)定值時(shí)，變頻器停止工作并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
4.運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)顯示功能該功能主要用于檢測(cè)變頻器的工作狀態(tài)并及時(shí)顯示。
5.自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行功能該功能的作用是使變頻器能自動(dòng)選擇工作參數(shù)，使電動(dòng)機(jī)在滿(mǎn)足負(fù)載轉(zhuǎn)矩要求的情況下以最小電流運(yùn)行。
6.自動(dòng)電壓調(diào)整功能當(dāng)電源電壓下降時(shí)，使用自動(dòng)電壓調(diào)整功能可以維護(hù)電動(dòng)機(jī)的高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
7.通過(guò)外部信號(hào)對(duì)變頻器進(jìn)行啟�？刂频墓δ� 變頻器通常都具有通過(guò)外部信號(hào)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(jì)思路

1. 設(shè)計(jì)目的
通過(guò)變頻調(diào)速系統(tǒng)PLC控制的設(shè)計(jì)，對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)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(shí)實(shí)際動(dòng)手設(shè)計(jì)，通過(guò)理論和實(shí)踐相結(jié)合，把專(zhuān)業(yè)的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中，既能對(duì)所學(xué)知識(shí)加深理解，又能對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)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(shí)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(jì)任務(wù)
完成一個(gè)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(dòng)機(jī)組成的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并完成組態(tài)控制界面的設(shè)計(jì)，控制梯形圖以及PLC接線(xiàn)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(dòng)機(jī)的接線(xiàn)，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(dòng)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(wèn)題，并向變頻器發(fā)出起、停等指令，同時(shí)變頻器也會(huì)將工作狀態(tài)信號(hào)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(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。按下啟動(dòng)鍵，可選擇工頻或變頻控制，能完成自動(dòng)控制和手動(dòng)控制之間的轉(zhuǎn)換，即自動(dòng)轉(zhuǎn)換和手動(dòng)輸入，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高、低速的轉(zhuǎn)換。
4.設(shè)計(jì)過(guò)程
調(diào)速系統(tǒng)由PLC控制變頻器，同時(shí)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(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)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(dòng)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(guò)復(fù)位能自動(dòng)從高速降回低速。最后手動(dòng)控制停止可以直接切換成自動(dòng)控制。
5.電氣設(shè)備詳細(xì)表
電源控制屏：提供三相四線(xiàn)制380V、220V電壓；變頻調(diào)速裝置；三菱PLC主機(jī)；異步電動(dòng)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(jì)系統(tǒng)思考

1.設(shè)計(jì)系統(tǒng)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題及解決方法
第一：根據(jù)控制要求直接編寫(xiě)控制程序，始終不知道如何動(dòng)手。對(duì)于該問(wèn)題的解決方法為從頭開(kāi)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(huì)知道怎么去控制。
第二：在編寫(xiě)梯形圖完成后，plc始終沒(méi)有輸出。該問(wèn)題的出現(xiàn)主要是因?yàn)闆](méi)有熟練使用plc編程步驟，編寫(xiě)程序中沒(méi)有end。仔細(xì)檢查，一步一步從新學(xué)習(xí)plc編程，從最簡(jiǎn)單的控制開(kāi)始。
第三：電機(jī)在接線(xiàn)時(shí)不知道是星型接線(xiàn)還是三角形接線(xiàn)。筆者為了更好的解決該問(wèn)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(dòng)機(jī)不帶負(fù)載，可以直接啟動(dòng)，星型和三角形接線(xiàn)影響不大。
第四：手動(dòng)程序在plc上可以直接實(shí)現(xiàn)控制，而把變頻器和電動(dòng)機(jī)連起來(lái)，電動(dòng)機(jī)直接受變頻器控制，我們的手動(dòng)程序沒(méi)有用。該問(wèn)題的出現(xiàn)主要是變頻器資料沒(méi)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(méi)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(dòng)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(dòng)程序和自動(dòng)程序不能結(jié)合起來(lái)。導(dǎo)致這種情況的出現(xiàn)與自己沒(méi)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(yǔ)句，一步一步調(diào)試出來(lái)。
第六：組態(tài)軟件在使用中出現(xiàn)的問(wèn)題。若想解決該問(wèn)題，就必須組態(tài)軟件需要把底層控制出來(lái)，在來(lái)監(jiān)控，設(shè)置I/O點(diǎn)。
2.課程設(shè)計(jì)心得
這次課程設(shè)計(jì)做變頻調(diào)速系統(tǒng)plc控制，從拿到題目就感覺(jué)很難，經(jīng)過(guò)兩個(gè)多星期的設(shè)計(jì)，調(diào)試終于做出來(lái)。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(shí)都撿回來(lái)了。從中也懂得了學(xué)過(guò)的知識(shí)很容易忘掉的道理。對(duì)于知識(shí)真的是溫故而知新，經(jīng)常復(fù)習(xí)才能在使用時(shí)不盲目。
2）學(xué)習(xí)變頻器的知識(shí)。以前總在電器商場(chǎng)看見(jiàn)變頻空調(diào)，不懂變頻是怎么變的，我們國(guó)家一直是工頻50HZ，變頻怎么做到的！這次課程設(shè)計(jì)讓我懂得了變頻調(diào)速的原理，變頻器的工作原理，同時(shí)學(xué)會(huì)使用簡(jiǎn)單的變頻器。
3）鍛煉自己動(dòng)手能力。變頻調(diào)速系統(tǒng)涉及到變頻器，異步電動(dòng)機(jī)，plc，還有上位機(jī)，這些都需要接線(xiàn)。記得當(dāng)時(shí)在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試時(shí)根本不敢把電源加上去，很怕自己在接線(xiàn)處出現(xiàn)問(wèn)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(duì)于這個(gè)軟件我現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)只要有簡(jiǎn)單的指點(diǎn)，花上大量時(shí)間，就會(huì)學(xué)好。

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