變頻器基本結構功能及（jí）變（biàn）頻調速係統PLC控製設計思路
2025-11-28 10:52變頻調速技術的基（jī）本原理是根據電機轉（zhuǎn）速與（yǔ）工作電源輸入（rù）頻率成正（zhèng）比的關係： n =60 f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示（shì）轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）；通過改變電動（dòng）機工（gōng）作電源頻率達（dá）到改變電機轉速的目的。變頻器就是基於上述原理采用交-直-交電源變（biàn）換技術，電力電子、微電腦控製等技術於一（yī）身的綜合性電（diàn）氣產品。
一、變頻器的基本結構：
目前，變頻器（qì）的變換環節大多采用交－直（zhí）－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（qì）變成直流電，然後再把直流電逆變成頻（pín）率、電壓可調的交流電。通用變頻器主要由主電路和控製電路組成，而主電（diàn）路又包括整流電路、直（zhí）流中間電路和逆變電路三（sān）部分，其（qí）基本構成框圖如圖所示。
1.變頻器的主電路：
下圖所示為通用變頻器的（de）主電路，各部分的（de）作用見表
整流電路部分：將頻率固定的三（sān）個交流電變換成直流電
作用：將交流電變（biàn）換成脈動（dòng）直流電。若電源線電壓為UL,則整流後的平均電壓UD=1.35UL濾平橋式整流後的電壓紋波，保持直流電壓平穩接通（tōng）電源時，將電容器CF的充電衝擊電流限（xiàn）製在允許範圍內（nèi），以保（bǎo）護整流橋。而當（dāng）CF充電到一定（dìng）程度時，令開關S接通，將（jiāng）RL短路。在有些變頻器裏，S由晶（jīng）閘管代替HL除了表示電源是否接通（tōng）外（wài），另一個功能是變頻器切斷電源後，指示（shì）電容器CF上的電荷是否已經釋放完畢。
逆變電路部分：將直流電逆（nì）變成頻率（lǜ）、幅（fú）值都可（kě）調的交流電
作用：通過逆變管V1~V6按一定規律輪流（liú）導通和截（jié）止，將直流電逆變成（chéng）頻率、幅值（zhí）都可調的三（sān）相交流電在（zài）換（huàn）相過程中為電（diàn）流提供通路限製過高的電流和（hé）電壓，保護逆變管免遭損（sǔn）壞（huài）當電動機減速（sù）、變頻器輸出（chū）頻率下降過快時，消耗因電動機處於再發生電製（zhì）動狀態而回（huí）饋到（dào）直（zhí）流電路中的（de）能量，以避免變頻器（qì）本身的過電（diàn）壓保護電路動作（zuò）而切斷變（biàn）頻器的正（zhèng）常輸出。
2.變頻器的控製電（diàn）路
變頻器（qì）的控製電路為主（zhǔ）電路提供控（kòng）製信號，其主要任務是完成對（duì）逆變器開關元件的開關控製和提供多種保護功能。控製方式（shì）有模擬控製和數字控製兩種。通用變頻器控製電路的控製框圖如下圖所示，主要由主控板、鍵盤與顯示板、電源板與驅動（dòng）板、外（wài）接控製電路等構成。各部分的功能見表。
1）主控板
主控板是變頻器（qì）運行的控製中心，其核心器件是控製器（單片（piàn）微機）或（huò）數字信號處理器（DSP），其主要功能（néng）有：
(1)接受並處理從鍵盤、外部控（kòng）製電路輸入的各種信號，如修改參數、正反轉指令等
(2)接受並處理（lǐ）內部的各種（zhǒng）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、各逆變（biàn）管工作狀態的采樣信號等
(3)向（xiàng）外電路（lù）發出控製信（xìn）號及顯示信號，如正常運（yùn）行信號、頻率到達信號等，一旦（dàn）發現（xiàn）異常情況，立刻發出保護指令進行保護或停車，並輸出故障信號
(4)完成SPWM調製，將接受的各（gè）種信號進行判斷和綜合運算，產生相應的SPWM調製（zhì）指令，並分配給各逆變管的驅動電路
(5)向顯示板和顯示屏（píng）發出各種顯示信號
2）鍵盤與顯示（shì）板
鍵盤與顯示板總是組合在一起。鍵盤向主控板發（fā）出各（gè）種信號或指令，主（zhǔ）要用於向變頻器發（fā）出運行控製（zhì）指（zhǐ）令（lìng）或修改運行數據等
顯示板將主控板提供的各種數據進行顯示，大部分變頻器配置了液晶或數碼管顯示屏，還（hái）有指示燈，還有RUN（運行）、STOP（停止）、FWD（正轉）、REV（反轉（zhuǎn））、FLT（故障）等狀態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）行監視模式下，顯示各種運行數據，如頻率、電壓、電流等
(2)在參數模式（shì）下，顯示功能碼和數據碼
(3)在故障狀態下，顯示故障原（yuán）因（yīn）代碼
3）電源（yuán）板與驅動板
變頻器的內容電源普遍使用開關穩壓電源，電（diàn）源板主（zhǔ）要（yào）提供以（yǐ）下直流電源：
(1)主控板電源 具有極好穩定（dìng）性和抗幹擾能力的一組直流電源
(2)驅動電源逆變電路中上橋臂的三隻（zhī）逆變管驅（qū）動電路的電源是相（xiàng）互隔離的三組獨立（lì）電源，下橋臂三隻逆變管驅動電源則可共“地”。但（dàn）驅動電源與主（zhǔ）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恒直流電源
中小功率變（biàn）頻器驅動電路往往與電（diàn）源電路在同一塊電路板上（shàng），驅動電路接受（shòu）主控板（bǎn）發來（lái）的SPWM調製信號，在進行光電隔離、放大後驅動逆變管的開關工作
4）外接控製電路（lù）
外接電路可實現（xiàn）由電位器、主令電器、繼電器及其他自控設備對變（biàn）頻器的運行（háng）控製，並輸出其運行狀態、故障報警、運行數據信號等。一般包括：外部給定電路、外接輸入控製電路、外接輸出電路、報（bào）警輸出（chū）電路等大多數（shù）中小（xiǎo）容量（liàng）通用變頻器中，外接控製（zhì）電路往往與主控電路設計在同一（yī）電路板上，以減小其整機的體積，提高電路可靠（kào）性，降低生產成本。
二、變（biàn）頻器的功能（néng）：
1.全範圍轉矩自動增強功（gōng）能 由於電動機繞組中阻抗的作用，采用U/f控製的變頻器在電動機的低速運行區（qū）域會出現轉（zhuǎn）矩（jǔ）不足的情況。為提高係統的性能，具有全範圍轉矩自動增強功能的變頻器在電動機的加速、減（jiǎn）速和（hé）正常運（yùn）行的所有區（qū）域中可以根據負載情況自動調節U/f值，對電動機的輸（shū）出轉矩進（jìn）行補償。
2.防失速功能 變頻器的防失速功能包括加速過程（chéng）的防失速功能、恒速運行過程的防失速功能和減速過程的（de）防（fáng）失速功能三種。
加速過程和恒（héng）速運行過（guò）程中的防失（shī）速功（gōng）能的（de）基本作用是：當電動機由於加速過快或負載（zǎi）過大等原因出（chū）現過電流現（xiàn）象時，變頻器將自動降（jiàng）低輸出頻率，以避免出現變頻器因過電流保護電路動（dòng）作而停止工作（zuò）。
對於電壓型變頻器，在電動機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，可能會出現過電壓保護電路動作而使變（biàn）頻器停止工作的情況。減（jiǎn）速過程的防失速功能的（de）基本作用是：在過電（diàn）壓保護電路動作之前暫停降低變頻（pín）器的輸（shū）出（chū）頻率或減小輸出頻率的降低速率，達到防止失速的目（mù）的。
3.過轉（zhuǎn）矩限定運行功能 這種功能的作用是對機械設備進行保護並保證運行（háng）的連續性。利用該功能可以（yǐ）對電（diàn）動（dòng）機的輸出轉矩極限值進行設定（dìng），當（dāng）電動（dòng）機的輸出轉矩達到（dào）該設定值時，變頻器停止工作並發出報警信號。
4.運行狀態檢測顯示功能 該功（gōng）能主要用於檢測變頻器的工（gōng）作狀態並及時顯示。
5.自動節能（néng）運行功能 該功能的作用是使變（biàn）頻器能自動選擇工作參數，使電（diàn）動機（jī）在滿足負載轉矩要求的情況下以最（zuì）小（xiǎo）電流運行。
6.自動電壓調整功能 當電源電壓下降時（shí），使用自動電（diàn）壓調整功能可以維護電動機（jī）的高啟動轉矩。
7.通過外部信號對（duì）變頻器（qì）進行啟停控（kòng）製的功（gōng）能 變頻（pín）器通常都（dōu）具有通過外部信號控製變頻器啟停的功能。
三、變頻調速（sù）係統PLC控製設計思路
1. 設計目的
通過變頻調速（sù）係統PLC控製的設計，對專業知識（shí）進行（háng）鞏（gǒng）固（gù），並熟悉掌握組態（tài）軟件的使用。在完成課程學習的同（tóng）時實際動手設計，通過理論和實踐相結合，把（bǎ）專業的理論知識應用到實（shí）際設計中，既能對所學知識加深理解，又能對專業知識（shí）的（de）應用有更深刻的熟（shú）悉和（hé）掌握，從而將（jiāng）變（biàn）頻調速係統（tǒng）PLC的相關知識理解的更紮實透徹（chè），完整（zhěng）掌握PLC的相（xiàng）關內容。
2.設計任務
完成一個由組態軟件為上位（wèi）機控製，PLC為下位機控製，變頻（pín）器、異步電動機組成的變頻調速控製係統的設計，並完成組態控（kòng）製界麵（miàn）的設計（jì），控製梯形圖（tú）以及PLC接線圖。利用實驗裝置實現上下位機的聯通，完成PLC端子、變頻（pín）器以及異步電動機的接線（xiàn），然後利用PC機輸入（rù）梯（tī）形圖控製程序，並在（zài）實驗室（shì）內進行調（diào）試。
3.控製係統的（de）要求
PLC、變頻器以及異步電動機共同組成了控（kòng）製係統。其中可（kě）編程控製器（PLC）的作（zuò）用是（shì）處理各種信息的邏輯問題，並向變頻器發出起、停等指令，同時變頻器也（yě）會將工（gōng）作狀態信號反饋回PLC，形成雙向聯通的關係，這是此係統的核心部分。變頻器能對電機進行調速控製。按下啟動鍵，可選擇工頻（pín）或變（biàn）頻控製，能完成自動（dòng）控製和手動控製之間的轉（zhuǎn）換，即自動轉換和手動輸入，同時實現高、低速的（de）轉換。
4.設計過程
調速係統由PLC控製變頻器，同時由變頻器實現電機的（de）調速（sù）。變頻調速（sù）係統主要分（fèn）為兩部（bù）分：手動控製和（hé）自（zì）動控製。手動（dòng）控製可以選擇電機正轉或是反轉，在一到七速之間也（yě）能自由轉換。自（zì）動控製則是先將電機設置（zhì）為正轉或反轉，然後逐漸從低速升為高速，通過複位能自動（dòng）從（cóng）高速降回低速。最後手動（dòng）控製停止可（kě）以直接切換成自動控製。
5.電氣設備詳細（xì）表
電源控製屏：提供三相四線製380V、220V電（diàn）壓；變頻調速（sù）裝置；三菱PLC主機；異步電動機；力控（kòng）監控組（zǔ）態軟件（jiàn）實戰指（zhǐ）南；力控監控組態軟件。
四、變頻調速係統PLC設（shè）計係統思考
1.設計（jì）係統過（guò）程（chéng）中出現問題及解決（jué）方法
第一：根據控製要求直接編（biān）寫控製（zhì）程序，始終不知道如何動（dòng）手。對於該問題的解（jiě）決方法為從（cóng）頭開始了解硬（yìng）件，學習（xí）變頻（pín）器資料，掌握變頻器和電機的使（shǐ）用，在熟練（liàn）掌握（wò）的基礎上才會知（zhī）道怎麽去控製。
第二：在編寫梯形圖完成後，plc始終沒有輸出。該（gāi）問題的出現（xiàn）主要是因為沒有熟練使用plc編程步驟，編寫程序中沒有end。仔（zǎi）細檢查（chá），一步（bù）一步從新學習plc編程，從最簡單的控製開（kāi）始。
第三（sān）：電機在接線時不知道是（shì）星型接線（xiàn）還是三角形接線。筆者為了更好的（de）解決該問題，在回去後仔細研究電機發（fā）現，我們使用的是小型異步電（diàn）動機（jī）不帶負載，可以直接啟動，星（xīng）型和三角形接線影響不大（dà）。
第四：手動程序在plc上可以直接實現控製（zhì），而（ér）把變頻（pín）器和電動機連起來，電動機直接受變頻器控製，我們的手動程序沒有用。該問題的出現主要是變頻器資（zī）料沒有學習深入（rù），我們始終讓變頻（pín）器運行在內部(PU)模式，這款FR-S500沒有通訊功能。在PU模式下可以直（zhí）接在變頻器上（shàng）調節電動機不同速度，而用plc程序（xù）控製必（bì）須使（shǐ）變頻器工作在外部（exit）模（mó）式下。
第五：手（shǒu）動程序和自動程序不能結合起來。導致這種情況的出現與自己沒有太深（shēn）入的了解三菱plc有些（xiē）功能以及內部運行狀態有很大的關係，在老師指導下采用功能語（yǔ）句，一（yī）步一步調試出來。
第六：組態（tài）軟件在使用中出（chū）現的問題（tí）。若想解決該問（wèn）題，就必（bì）須組態軟件需要把（bǎ）底層（céng）控（kòng）製出來，在（zài）來監控，設置I/O點。
2.課程設計（jì）心得（dé）
這（zhè）次（cì）課程設計做變頻調（diào）速係統plc控製，從拿到題目就感覺很難，經過兩個多（duō）星期的設計，調試終於做出來。但是心得感觸頗深：
1）重新學習（xí）了plc編程，把以前忘掉的知識都（dōu）撿回來了。從中也懂得了學過的知（zhī）識很容易忘掉的道理。對於（yú）知識真的是溫（wēn）故而知新，經常複習才能在使用時不盲（máng）目。
2）學習變（biàn）頻器的知識。以前（qián）總在電器商場（chǎng）看（kàn）見變頻（pín）空調，不懂變頻（pín）是（shì）怎麽變的，我們國家一直是工頻50HZ，變頻怎麽做到的！這次課程設（shè）計讓我懂得了變頻調速的原理，變頻（pín）器的工作原理，同時學會使用簡單的變頻器。
3）鍛煉自己動手能力。變（biàn）頻調速（sù）係統涉及到（dào）變頻器，異步電動機（jī），plc，還有上位機，這些都需要接線。記得當時在實驗（yàn）室調試時根本（běn）不敢把電源加上去，很怕自己在接線處出現問題，出現燒毀（huǐ）電機，變頻器等故障。
4）學習組態軟件。對於這個軟件（jiàn）我現在發現隻要有簡單的指點，花上大量時間，就會學好。
