整理变频调速应用技术第四讲设计电路控变频.docx
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整理变频调速应用技术第四讲设计电路控变频
变频调速应用技术（七） 第四讲设计电路控变频
4.1正反控制记要领
4.1.1接通电源勿起步
4.1.1.1电动机的正转起动
当变频器选择由外接端子进行控制时，要使变频调速系统进入运行状态，必须首先使变频器控制端子中的“fwd”（正转）和“cm”端子或“rev”（反转）和“cm”端子之间接通。
在停止状态下，如果接通“fwd”和“cm”，则变频器开始运行，其输出频率将按预置的升速时间上升至与给定信号对应的数值，电动机随频率的上升而逐渐起动。
在运行状态下，如果断开“fwd”和“cm”，则变频器停止运行，其输出频率将按预置的降速时间下降为0hz，电动机降速并停止。
变频器一般也可以通过接通电源来直接起动电动机，称为“上电起动”，如图4-1（a）所示。
但大多数变频器不希望采用这种方式来起动电动机，原因是:
图4-1正转的基本控制方式
（1）容易误动作
因为控制电路是与变频器同时接通电源的，由于控制电路对电源电压的要求甚高，其滤波电路的时间常数很大，故控制电源的电压在接通电源后升高较缓慢，在尚未升高至正常电压之前的临界状态，控制电路的工作有可能出现紊乱。
尽管近代的变频器对此已经作了处理，但所作的处理仍须由控制电路来完成。
因此，其准确性和可靠性难以得到充分的保证;
（2）电动机容易自由制动
当通过接触器km切断电源来停机时，变频器已经不工作了，电动机将处于自由制动状态，不能按预置的降速时间来停机。
但也有的变频器经过功能预置，可以选择“上电起动”，如lg-is5系列变频器中，功能码fu2-20（上电起动选择）是“起动方式的选择功能”:
“0”─不允许上电起动;
“1”─允许上电起动。
4.1.1.2继电器控制电路
如图4-2，电动机的起动与停止是由继电器ka来完成的。
在接触器km和继电器ka之间，有两个互锁环节:
图4-2继电器控制的正转电路
（1）km未吸合前，ka是不能接通的，从而防止了先接通ka的误动作，触点km（l-5）的作用就在于此;
（2）当ka处于接通状态时，km不能断电，从而保证了只有在电动机先停机的情况下，才能使变频器切断电源。
触点ka（l-1）的功能就是在ka得电的情况下，使常闭按钮sb1失去作用。
4.1.1.3自锁控制电路
采用继电器控制的电路显然较为复杂。
为了简化电路，变频器设置了自锁功能，使电动机起动后可以“自锁”。
有的变频器配置了专用端子如图4-3（a）中的ef端和图（b）中之hld端所示;也有的变频器并无专用端子，须从可编程输入端子中任选一个输入端子，通过功能预置，使之具有自锁功能。
今以图（a）为例，说明其工作特点如下:
当按下动合（常开）按钮sf时，电动机正转起动，由于ef端子具有自锁功能，故松开sf后，电动机的将保持运行状态;当按下动断按钮st时，ef和com之间的联系被切断，自锁解除，电动机将减速并停止。
这样，只需要两个按钮开关就可以进行电动机的起动和停止的控制了。
图4-3（b）所示，是自锁功能的另一种接线方式，其特点是可以接受脉冲信号进行控制。
图4-3三线控制
由于自锁控制需要将控制线接到三个输入控制端子，故在变频器说明书中，常称为“三线控制”方式。
4.1.2反转不换主电路
众所周知，任意交换电动机的两根电源线，就可以更改电动机输入侧的相序，从而改变电动机的旋转方向，如图4-4（a）所示。
在变频运行的情况下，如何更改呢？
图4-4更改电动机的旋转方向
首先，更改变频器输入侧的相序是毫无意义的。
因为不管输入侧的相序如何，在变频器内经过全波整流后，成为了没有相序概念的直流电路，因而对逆变后输出电压的相序毫无影响。
其次，更改变频器输出侧的相序是可以的，但并不高明。
因为主电路的导线一般较粗，更改时比较费事，如图4-4（b）所示。
图4-4更改电动机的旋转方向
在变频调速的情况下，更改旋转方向的方法如下:
（1）更改输入控制端的接线如图（c）和图（d）所示，当“fwd-com”接通时为正转;如改为“rev-com”接通，便是反转了。
（2）程序更改
以三肯shf系列变频器为例，功能码cd050用于预置旋转方向，其数据码是:
“0”─正转、反转均可;
“1”─只可正转;
“2”─只可反转。
如果在预置为“1”的情况下，需要更改方向时，只需将cd050功能重新预置为“2”就可以了。
4.2升、降功能别看轻
4.2.1调频少用电位器
4.2.1.1升速端子和降速端子
变频器的输入控制端中，有两个端子，经过功能设定，可以作为升速和降速之用。
图4-5 外接升、降速端子
如图4-5所示，通过对频率给定方式的功能进行设定后，可使“x1”和“x2”端子具有如下功能:
“x1－cm”接通→频率上升;
“x1－cm”断开→频率保持或回复至原来的频率;
“x2－cm”接通→频率下降;
“x2－cm”断开→频率保持或回复至原来的频率。
4.2.1.2用升、降速端子代替电位器
如图4-6所示，变频器输出频率的上升或下降，由按钮开关sb1和sb2来控制。
图4-6用升降速端子给定代替电位器给定
与电位器给定方式相比，升、降速端子给定具有如下优点:
（1）寿命长
电位器容易磨损，而按钮开关则不易损坏;
（2）调速精度高
电位器给定属于模拟量给定，而升、降速端子给定是数字量给定，故调节频率的精度高;
（3）抗干扰能力强
因为升、降速端子给定的控制信号是开关量，故抗干扰能力比模拟量给定强得多;
（4）控制灵活
如便于进行两地或多地控制和同步控制等。
4.2.2两对按钮分两地
在实际生产中，常常需要在两个或多个地点都能对同一台电动机进行升、降速控制。
例如，某厂的锅炉风机在实现变频调速时，要求在炉前和楼上控制室都能调速，等。
比较简单的方法是利用变频器输入控制端子中的升速端子和降速端子来实现。
图4-7两地升降速控制
如图4-7，将变频器输入端子中的x1和x2分别预置为升速端子和降速端子。
将两组按钮开关分别装在两个操作盒内:
操作盒ca内装按钮开关sb1、sb2和频率计fa;
操作盒cb内装按钮开关sb3、sb4和频率计fb。
将sb1和sb3并联，用于控制升速端子x1。
则不论按sb1，或按sb3，变频器都能升速;
又将sb2和sb4并联，用于控制降速端子x2。
则不论按sb2，或按sb4，变频器都能降速。
如将变频器的模拟量输出端预置为0～20ma电流输出，则两个频率计fa和fb串联后接至fm和cm2之间。
4.2.3恒压不用pid
有的用户希望使用他们所熟悉的电接点压力表来进行恒压供水控制，这种压力表在压力的上限位和下限位以及指针本身都有电接点。
比较直观，也比较价廉，又不必进行pid控制，用户较易掌握。
因此，为一部分用户所喜欢。
具体电路如图4-8所示，介绍如下:
图4-8利用升、降速端子进行恒压控制
首先，将变频器输入控制端中的x1端子预置为升速（up）端子;x2端子预置为降速（down）端子。
将压力表的上限触点接至降速端子x2，当压力由于用水流量较小而升高，并超过上限值时，上限触点使x2-com接通，变频器的输出频率下降，水泵的转速和流量也下降，从而使压力下降。
当压力低于上限值时，x2-com断开，变频器的输出频率停止下降;
压力表的下限触点接至x1，当压力由于用水流量较大而降低，并低于下限值时，下限触点使x1-com接通，变频器的输出频率上升，水泵的转速和流量也上升，从而使压力升高，当压力高于下限值时，x1-com断开，变频器的输出频率停止上升。
一般说来，供水系统对水压精度的要求较低，只要上、下限触点的位置安排适当，上述控制系统是能够满足要求的。
4.2.4同步控制微调易
4.2.4.1同步控制的概念
多单元同步控制在塑料、印染以及造纸机械中有着广泛的应用，这些机械往往具有许多个传动单元，每个单元都有各自独立的拖动系统。
而同时，又要求各单元间被加工物（布匹、纸张等）的运行线速度相等，即实现同步运行。
例如，在图4-9所示的控制系统中，要求:
图4-9多单元同步运行
v1＝v2＝v3
式中，v1、v2、v3是各单元被加工物的线速度。
4.2.4.2同步运行的控制要求
（1）统调
即:
各单元要能够同时升速和降速。
统调是根据主令单元（通常是１单元）对转速的要求来进行调节的。
（2）微调
当操作人员发现某单元的线速度不同步时，可以进行微调（人工干预）。
4.2.4.3控制电路示
以三个单元的同步控制为例，其控制电路如图4-10所示。
图4-10同步控制电路
（1）统调
统调的升速和降速由继电器ka1和ka2来执行。
ka1的动合触点接至各变频器的升速端子;ka2的动合触点接至各变频器的降速端子。
ka1和ka2又接受按钮开关sb1（升速）和sb2（降速）的控制:
按下sb1，继电器ka1得电，其触点使变频器uf1、uf2、uf3的升速端子x1同时得到信号，各单元电动机同时升速;
按下sb2，继电器ka2得电，其触点使变频器uf1、uf2、uf3的降速端子x2同时得到信号，各电动机同时降速。
（2）微调
各单元的微调分别由按钮开关sb11、sb21、sb31（升速）和sb12、sb22、sb32（降速）来进行。
例如，当发现2单元的线速度偏慢时，只需接一下sb21，使变频器uf2的输出频率和电动机m2的转速升高，以提高2单元的线速度。
4.3多挡转速动脑筋
4.3.1一个按钮三端控
4.3.1.1多挡转速的控制方法
变频器的外接输入控制端子中，通过功能预置，可以将若干个（通常为2～4个）输入端作为多挡（3～16挡）转速控制端。
其转速的切换由外接开关器件的状态组合来实现，转速的挡次是按二进制的顺序排列的，故二个输入端可以组合成3或4挡（“0”状态不计时为3挡，“0”状态计入时为4挡）转速，三个输入端可以组合成7或8挡（“0”状态不计时为7挡，“0”状态计入时为8挡）转速，四个输入端可以组合成15或16挡（“0”状态不计时为15挡，“0”状态计入时为16挡）转速。
今以三个输入端为例，说明如下:
图4-11变频器的多档转速控制
如图4-11所示，假设输入端子x1、x2、x3被预置为多挡转速的信号输入端，则通过继电器ka1、ka2、ka3的不同组合，可输入7挡（或8挡）转速信号。
由于三个端子是任选的，又由于每一个端子代表二进制数字中的一“位”。
因此，在把三个端子预置为多挡转速功能时，必须注意它们的顺序。
通常，说明书中的“多挡转速端子1”为最低位;“多挡转速端子2”为较高位;“多挡转速端子3”为又高位;以此类推。
当x1预置为最低位、x2预置为中间位、x3预置为最高位时，转速挡次与各输入端状态之间的关系如表4-1所示。
表4-1转速档次与各输入端状态之间的关系
4.3.1.2需要预置的功能
在使用多挡转速功能时，须进行两步预置:
第一步:
通过预置，确定哪几个输入端子为多挡转速输入端子;
第二步:
预置与各挡转速对应的工作频率。
举例如下:
康沃cvf-g2系列变频器
第一步:
将功能码l-63预置为“1”、l-64预置为“2”、l-65预置为“3”，l-66预置为“4”，则输入控制端子x1、x2、x3、x4即成为多挡转速输入端子。
第二步:
通过功能码ｌ-18～ｌ-32分别预置各挡（15挡）转速对应的频率。
如表4-2所示。
表4-2 多档转速的功能设定（康沃）
4.3.2控制方法plc用
4.3.2.1多挡转速的控制特点
变频器在实现多挡转速控制时，需要解决如下的问题:
一方面，变频器每个输出频率的挡次需要由三个输入端的状态来决定;
另一方面，操作人员切换转速所用的开关器件通常为按钮开关或触摸开关，每个挡次只有一个触点。
所以，必须解决好转速选择开关的状态和变频器各控制端状态之间的变换问题，如图4-12所示针对这种情况，通过plc来进行控制是比较方便的。
图4-12多档转速控制特点
4.3.2.2控制实例
某生产机械有7档转速，通过7个选择按钮来进行控制。
（1）控制电路
如图4-13所示，说明如下:
图4-13多档速的plc控制电路
plc的输入电路
plc的输入端x1～x7分别与按钮开关sb1～sb7相接，用于接受7挡转速的信号。
plc的输出电路
输出端y1、y2、y3分别接至变频器输入控制端的s1、s2、s3，用于控制s1、s2和s3的状态。
（2）梯形图之一（sb1～sb7为非自动复位型按钮开关），如图4-14所示。
图4-14采用非自动复位按钮的梯形图
观察图4-12中之端子状态表，可得到如下规律:
s1在第1、3、5、7挡转速时都处于接通状态，故:
plc的x1、x3、x5、x7中只要有一个得到信号，则y1“动作”→变频器的s1端得到信号;
s2在第2、3、6、7挡转速时都处于接通状态，故:
plc的x2、x3、x6、x7中只要有一个得到信号，则y2“动作”→变频器的s2端得到信号;
s3在第4、5、6、7挡转速时都处于接通状态，故:
plc的x4、x5、x6、x7中只要有一个得到信号，则y3“动作”→变频器的s3端得到信号。
现以用户选择第3档转速为例，说明其工作情况如下:
按下sb3→x3“动作”→y1和y2“动作”→变频器的s1、s2端子得到信号，变频器将在第3档转速下运行。
（3）梯形图之二（sb1～sb7为自动复位型按钮开关
由于sb1～sb7采用了自动复位型按钮开关，plc输入端子x1～x7得到的信号不能保持，故需借助plc中的中间继电器m1～m7，使各转速档次的信号保持下来，如图4-15所示。
图4-15采用自动复位按钮的梯形图
现说明如下:
按下sb1→x1得到信号→m1“动作”并自锁，m1保持第1转速的信号。
当按下sb2～sb7中任何一个按钮开关（x2～x7中有一个得到信号）时→m1释放。
即:
m1仅在选择第1挡转速时“动作”。
按下sb2→x2得到信号→m2“动作”并自锁，m2保持第2挡转速的信号。
当按下除sb2以外的任何一个按钮开关时→m2释放。
即:
m2仅在选择第2挡转速时“动作”。
以此类推:
m3仅在选择第3挡转速时“动作”;m4仅在选择第4挡转速时“动作”;m5仅在选择第5挡转速时“动作”;m6仅在选择第6挡转速时“动作”;m7仅在选择第7挡转速时“动作”。
与图4-14类似:
m1、m3、m5、m7中只要有一个接通，则y1“动作”→变频器的s1端接通;
m2、m3、m6、m7中只要有一个接通，则y2“动作”→变频器的s2端接通;
m4、m5、m6、m7中只要有一个接通，则y3“动作”→变频器的s3端接通。
现以用户选择第5挡转速为例，说明其工作情况如下:
按下sb5→x5得到信号→m5“动作”，同时，如果在此之前m1、m2、m3、m4、m6、m7中有处于动作状态的话，都将释放→y1、y3“动作”→变频器的s1、s3端子接通，变频器将在第5挡转速下运行。
4.4输出端子勿冷清
4.4.1状态显示常常用
4.4.1.1状态输出端子
大部分变频器的多功能输出信号都是晶体管集电极开路输出的，如图4-16所示。
主要的应用方式如下。
图4－16多功能输出端子
（1）继电器方式
即由低压继电器ka接受信号。
当输出端子y1－gnd导通时，ka线圈得电，其触点用以控制相关的电路。
为了保护变频器内的输出晶体管，ka线圈的两端应反并联一个二极管vd，为线圈在断电时的反电动势提供释放回路。
（2）光耦方式
即由光电耦合管vb的二极管接受信号。
当输出端子y2－gnd或y3－gnd导通时，vb的二极管部分得到电流，其三极管部分用以控制相关的电路。
可供选择的状态输出功能有:
·变频器准备就绪
当变频器的各项准备工作都已经准备就绪，电动机可以起动时，端子为“on”。
·变频器运行中
当变频器正在运行时，端子为“on”。
·零转速运行中
变频器的输出频率为0hz，但输出电压不为0，电动机仍保持足够大的转矩时，端子为“on”。
·程序运行中
变频器在程序控制的运行过程中，端子为“on”。
·程序运行一个周期结束信号
变频器处于程序控制方式，每一个运行周期结束时，端子为“on”。
·程序运行换步信号
变频器在每个程序段结束，转入下一步时，端子为“on”。
·程序运行结束
程序控制全部结束时，端子为“on”。
·定时器到达
变频器内部定时器的指定值到达时，端子为“on”。
·设定计数值到达
变频器内部计数器的指定值到达时，端子为“on”。
·过载预置报警
变频器已经处于过载状态，但尚未跳闸时，端子“on”。
·外部故障停机
变频器因外部故障而停机时，端子为“on”。
4.4.1.2应用实例
某起升机构，希望显示“零速运行”和“停止”，以及“上升”和“下降”，变频器为安川g7a系列。
根据上述用户要求，这里提供一个参考电路，如图4－17所示。
由于g7a系列变频器的多功能输出中，只有“运行中”的信号，没有停止中的信号;只有“反转中”信号，没有正转中信号。
所以，借助中间继电器的动合（常开）触点和动断（常闭）触点来区分。
图中，ka1为“运行中”继电器，ka2为“反转中”继电器。
将功能码h2－02预置为“0”，则输出端子p1－pc间在变频器运行过程中导通;
将功能码h2－03预置为“1a”，则输出端子p2－pc间在反转运行时导通;
将功能码h2－04预置为“1”，则输出端子p3－c3间在变频器零速运行时导通;
变频器在停机状态下，输出端子p1无信号，继电器ka1断电，发光二极管vh2点亮，显示“停机”;
当变频器运行时，p1－pc导通，ka1得电，其动断触点使vh1熄灭，动合触点闭合。
如正在上升（正转），则p2无信号，继电器ka2断电，其动断触点使vh4点亮;如正在下降（反转），则p2－pc导通，ka2得电，动断触点断开，vh4熄灭;动合触点闭合，vh3点亮;
当变频器处于零速运行状态时，p3－c3导通，vh1点亮。
图4－17 多功能输出的应用实例
4.4.2频率检测灵活用
4.4.2.1频率到达与频率检测
两种功能都是说明变频器的输出频率是否到达某一水平的信号。
但在“到达频率”的设定方式上则有所区别，说明如下。
（1）频率到达指变频器的输出频率fx是否已经到达由给定信号给定的频率fg，如图4－18（a）所示。
图中，δf为允许误差范围。
当fx≥fg±δf时，输出端子（如y1）将处于“on”（导通）状态;当fx≤fg±δf时，端子y1处于“off”（截止）状态。
（2）频率检测频率检测与频率到达的区别主要有二。
●频率检测并非以给定频率作为检测的依据，而可以任意设定一个频率值fset作为检测的依据。
当fx到达fset时，输出端子（如y1）将处于“on”（导通）状态，如图4－18（b）所示。
●当fx从fset下降时，可以预置一个滞后频率fh，当fx≤fg－fh时，端子y1处于“off”（截止）状态。
图4－18频率到达与频率检测
4.4.2.2应用示例
搅拌机与传输带之间实现联动时，为了防止物料在传输带上堆积，要求:
（1）传输带工作频率大于30hz时，搅拌机才能起动;
（2）如传输带工作频率小于25hz，搅拌机必须停机。
搅拌机与传输带之间的联动关系如图4－19（b）所示。
图4－19搅拌机与传输带联动控制
m1—拖动搅拌机的电动机;
uf1—控制m1的变频器;
m2—拖动传输带的电动机;
uf2—控制m2的变频器;
ka—控制uf1是否运行的继电器，其动作由uf2的y2输出端控制。
将变频器uf2的y2输出端的功能预置为“频率检测”，并将检测频率fset预置为30hz，滞后频率fh预置为5hz，则y2的输出信号如图4-19（a）所示，系统的工作情况如下:
当uf2的输出频率上升至30hz以上时，y2导通，继电器ka得电，其动合触点闭合，uf1开始起动;如果uf2的输出频率下降到（30－5＝25）hz以下时，y2截止，ka断电，uf1降速并停止。
4.5闭环控制p、i
4.5.1自动调整用闭环
4.5.1.1闭环控制的目的
以空气压缩机的恒压控制系统为例，如图4－20所示。
其基本工作过程是:
电动机拖动空气压缩机旋转，使之产生压缩空气，并储存于储气罐中。
储气罐中空气压力的大小取决于空气压缩机产生压缩空气的能力（在本系统中，就是取决于电动机的转速nm）和用户用气量之间的平衡状况。
为了保证供气质量，要求储气罐的空气压力稳定在某一个数值上。
这个数值，是我们的控制目标，称之为目标压力，用pt表示。
恒压控制对拖动系统的具体要求是:
当用户的用气量增加，储气罐内的实际压力px小于目标压力pt时，要求电动机加速，使储气罐内的压力上升至目标值，如图4－20（a）所示。
图4－20闭环控制的目的
反之，当用户的用气量减少，储气罐内的实际压力px大于目标压力pt时，要求电动机减速，使储气罐内的压力下降至目标值，如图4－20（b）所示。
图4－21目标信号与反馈信号
这就是闭环控制所要达到的目的。
4.5.1.2目标信号和反馈信号
如图4－21，与目标压力对应的电信号，称为目标信号，用xt表示。
在变频器中，xt也称为目标值或给定值。
与储气罐内的实际压力对应的电信号，称为反馈信号，由压力传感器测出，用xf表示。
在变频器中，xf也称反馈量或当前值。
在恒压控制系统中，要求xf永远无限接近于xt:
xf≈xt。
4.5.1.3恒压控制的工作过程
要使拖动系统中的某一个物理量（例如压力）稳定在所希望的数值上，变频器的工作过程具有两个方面。
一方面，系统将根据给定的目标信号来控制电动机的运行;
另一方面，又必须把反馈信号反馈给变频器，使之与目标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整电动机的转速。
仍以空气压缩机的恒压控制系统为例，如图4－22所示。
图4－22闭环控制系统示意图
（1）闭环控制的信号安排
·目标信号
在图中，目标信号由电位器rp根据需要人为地给定，接至变频器的给定输入端vi1。
·反馈信号
通过传感器sp测得，接至变频器的反馈输入端ii。
（2）闭环控制的工作过程
·空气压力px不足→xf＜xt→（xt－xf）＞0
→变频器的输出频率fx↑
→电动机的转速nx↑
→空气压力px↑，直至px与目标压力pt相等为止;
·空气压力px过大→xf＞xt→（xt－xf）＜0
→变频器的输出频率fx↓
→电动机的转速nx↓
→空气压力px↓，直至px与目标压力pt相等为止。
4.5.2又快又稳pid搬
4.5.2.1问题的提出
变频器的输出频率fx既然取决于目标信号xt和反馈信号xf之间的偏差δx＝（xt－xf）。
那么，能否直接把偏差δx直接作为频率给定信号xg呢？
如上述，闭环控制的目的是使xf≈xt，或δx≈0。
如果xg＝δx≈0，则变频器的输出频率必下降为fx≈0，如图4－23所示，空气压缩机将停止运转。
显然，这将不可能使储气罐的压力保持稳定。
于是出现了明显的矛盾。
图4－23出现的问题
图4－24引入比例增益
一方面，要求频率给定信号xg与偏差信号δx成正比;另一方面，偏差信号δx又不能直接作为频率给定信号xg。
4.5.2.2比例增益的引入
根据频率给定信号xg与差值δx成正比的特点，如果将偏差信号δx放大kp倍后再作为频率给定信号xg，如图4
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