变频器的基本应用.docx

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变频器的基本应用

变频器的基本应用

（一）

1变频plc控制系统的硬件结构

1.1概况

　　在工业自动化控制系统中，比较常见的是变频器和plc的组合应用，并且产生了多种多样的plc控制变频器的方法，构成了不同类型的变频plc控制系统。

　　可编程控制器（plc）是一种数字运算与操作的控制装置，它作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域。

由于plc可以用软件来改变控制过程，并有体积小，组装灵活，编程简单，抗干扰能力强及可靠性高等特点，特别适用于恶劣环境下运行。

由此可见，变频plc控制系统在变频器相关的控制中属于最通用的一种控制系统。

一个变频plc控制系统通常由三部分组成，即变频器本体、可编程控制器plc部分、变频器与plc的接口部分。

1.2接口部分

变频plc控制系统的硬件结构中最重要的就是接口部分，根据不同的信号连接，其接口部分也相应改变。

接口部分主要有以下几种类型：

（1）开关指令信号的输入

变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号。

变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件（如晶体管）与plc相连，从而获取运行状态指令，如图1所示。

图1运行信号的连接方式

在使用继电器接点时，常常因为接触不良而带来误动作；使用晶体管进行连接时，则需考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。

在设计变频器的输入信号电路时还应该注意，当输入信号电路连接不当时有时也会造成变频器的误动作。

例如，当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作，应尽量避免。

图2与图3a）给出了正确与错误的接线例子。

图2变频器输入信号接入方式

a）输入信号的错误接法

b）输入信号防干扰的接法

图3输入信号的错误接法和防干扰接法

当输入开关信号进入变频器时，有时会发生外部电源和变频器控制电源（dc24v）之间的串扰。

正确地连接是利用plc电源，将外部晶体管的集电极经过二极管接到plc。

如图3b）所示。

（2）模拟数值信号的输入

变频器中也存在一些数值型（如频率、电压等）指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。

数字输入多采用变频器面板上的键盘操作和串行接口来给定；模拟输入则通过接线端子由外部给定，通常通过0～10v/5v的电压信号或0/4～20ma的电流信号输入。

由于接口电路因输入信号而异，因此必须根据变频器的输入阻抗选择plc的输出模块。

当变频器和plc的电压信号范围不同时，如变频器的输入信号为0～10v，而plc的输出电压信号范围为0～5v时；或plc的一侧的输出信号电压范围为0～10v而变频器的输入电压信号范围为0～5v时，由于变频器和晶体管的允许电压、电流等因素的限制，需用串联的方式接入限流电阻及分压方式，以保证进行开闭时不超过plc和变频器相应的容量。

此外，在连线时还应注意将布线分开，保证主电路一侧的噪音不传到控制电路。

通常变频器也通过接线端子向外部输出相应的监测模拟信号。

电信号的范围通常为0～10v/5v及0/4～20ma电流信号。

无论哪种情况，都应注意：

plc一侧的输入阻抗的大小要保证电路中电压和电流不超过电路的允许值，以保证系统的可靠性和减少误差。

另外，由于这些监测系统的组成互不相同，有不清楚的地方应向变频器厂家咨询。

（3）rs－485通讯方式

变频器与plc之间通过rs-485通讯方式实施控制的方案得到广泛的应用，因为它抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远且造价低廉，如图4所示。

图4变频plc控制系统的通讯rs－485方式

rs-485的通讯必须解决数据编码、求取校验和、成帧、发送数据、接收数据的奇偶校验、超时处理和出错重发等一系列技术问题，一条简单的变频器操作指令，有时要编写数十条plc梯形图指令才能实现，编程工作量大而且繁琐，令设计者望而生畏。

随着数字技术的发展和计算机日益广泛的应用，现在一个系统往往由多台计算机组成，需要解决多站、远距离通信的问题。

在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用rs-485收发器。

rs-485收发器采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力，加上接收器具有高的灵敏度，能检测低达200mv的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

使用rs-485总线，一对双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统，设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的优点使其得到了广泛应用。

变频plc控制系统必须注意下述问题：

（1）rs-485接地问题

仅仅用一对双绞线将各个接口的a、b端连接起来，而不对rs-485通信链路的信号接地，在某些情况下也可以工作，但给系统埋下了隐患。

rs-485接口采用差分方式传输信号并不需要对于某个参照点来检测信号系统，只需检测两线之间的电位差就可以了。

但应该注意的是收发器只有在共模电压不超出一定范围（-7v至+12v）的条件下才能正常工作。

当共模电压超出此范围，就会影响通信的可靠直至损坏接口。

当发送器a向接收器b发送数据时，发送器a的输出共模电压为vos，由于两个系统具有各自独立的接地系统存在着地电位差vgpd，那么接收器输入端的共模电压就会达到vcm=vos+vgpd。

rs-485标准规定vos≤3v，但vgpd可能会有很大幅度（十几伏甚至数十伏），并可能伴有强干扰信号致使接收器共模输入vcm超出正常范围，在信号线上产生干扰电流轻则影响正常通信，重则损坏设备。

（2）rs-485的总线结构及传输距离

rs-485支持半双工或全双工模式。

网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构，不支持环形或星形网络，最好采用一条总线将各个节点串接起来。

从总线到每个节点的引出线长度应尽量短，以便使引出线中的反射信号对总线信号的影响最低。

在使用rs－485接口时，对于特定的传输路径，从发生器到负载其数据信号传输所允许的最大电缆长度是数据信号速率的函数，这个长度数据主要是受信号失真及噪声等影响所限制。

当数据信号速率降低到90kbit/s以下时，假定最大允许的信号损失为6dbv时，则电缆长度被限制在1200m。

1.3硬件连接时的注意事项

因为变频器在运行中会产生较强的电磁干扰，为保证plc不因为变频器主电路断路器及开关器件等产生的噪音而出现故障，所以将变频器与plc相连接组成变频plc控制系统时应该注意以下几点：

（1）对plc本身应按规定的接线标准和接地条件进行接地，而且应注意避免和变频器使用共同的接地线，且在接地时使二者尽可能分开；

（2）当电源条件不太好时，应在plc的电源模块及输入/输出模块的电源线上接入噪音滤波器和降低噪音用的变压器等，另外，若有必要，在变频器一侧也应采取相应的措施；

（3）当把变频器和plc安装于同一操作柜中时，应尽可能使与变频器有关的电线和与plc有关的电线分开；

（4）通过使用屏蔽线和双绞线达到提高噪音干扰的水平。

plc和变频器连接应用时，由于二者涉及到用弱电控制强电，因此，应该注意连接时出现的干扰，避免由于干扰造成变频器的误动作，或者由于连接不当导致plc或变频器的损坏。

2变频plc控制系统的软件结构

2.1软件设计原则

变频plc控制系统在使用plc进行顺序控制时，由于其cpu进行数据处理需要时间，存在一定的时间延迟，故在较精确的控制时应予以考虑其滞后性，在通讯控制时尤其如此。

一般情况下plc编程简单、使用方便，目前大多数plc采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受，因此变频plc控制系统具有设计容易、维护工作量少的优点。

变频plc控制系统还可根据具体问题设计了如步进梯形指令等，可以进一步简化编程。

在变频plc控制系统设计时，其软件结构应遵循以下的基本原则，才能保证系统工作的稳定：

（1）最大限度地满足被控对象的控制要求；

（2）系统结构力求简单；

（3）系统工作要稳定、可靠；

（4）控制系统能方便的进行功能扩展、升级；

（5）人机界面友好。

2.2软件结构案例

现有如图5所示的一plc变频控制系统要实现液位自动控制，要求：

图5系统结构图

（1）系统要求用户能够的直观了解现场设备的工作状态及水位的变化；

（2）要求用户能够远程控制变频器的启动和停止；

（3）用户可自行设置水位的高低，以控制变频器的起停；

（4）变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程plc上；

（5）具有水位过高、过低报警和提示用户功能。

由于现场有一台电机作为被控对象，可以使用单台plc进行单个对象的控制，只要适当的选用高性能的plc，完全能够胜任此功能。

在本系统中，plc采集传感器、监控电机及变频器等有关的各类对象的信息，其输出的模拟量信号作为变频器的控制端输入信号，从而控制电机转速大小，并且反馈变频器的工作状态信号。

系统设计流程如图6所示，内容包括：

图6plc水位控制流程图

（1）程序设计前准备工作：

了解系统概况，形成整体概念，熟悉被控对象、编制出高质量的程序，充分利用手头的硬件和软件工具。

（2）程序框图设计：

这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体要求，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，然后在根据工艺要求，绘制出各功能单元的详细功能框图。

（3）编写程序：

编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计工作的核心部分。

（4）程序测试和调试：

程序测试和调试不同，软件测试的目的是尽可能多地发现软件中的错误，软件调试的任务是进一步诊断和改正软件中的错误。

（5）编写程序说明书：

程序说明书是对程序的综合说明，是整个程序设计工作的总结。

变频器的基本应用

（二）

1变频工艺控制系统的应用背景

目前，中国的设备控制水平与发达国家相比还比较低，制造工艺和效率都不高。

但随着中国加入wto，产品质量和生产效率都需要面临国际竞争，因此提高设备控制水平至关重要。

由于变频调速具有调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中，变频器正在发挥着提升工艺质量和生产效率的显著作用。

应用变频器可以提高工艺要求、提升产品质量，同时减轻了人工的劳动强度、提高了生产效率，可以说，变频器在纺织、食品、饮料、包装、造纸、机床、电梯等行业的应用前景和发展潜力都不可小觑。

比如下面一个例子是应用在传送带上的变频工艺控制系统，如图1所示，它采用一台变频器驱动生产线上的多台传送带电机，根据所生产的产品，通过调整传送带的速度来提高生产率。

图1传送带的变频器工艺控制

由此可以看出，在传送带上应用变频工艺控制系统具有以下三个优点：

（1）提高生产率

通过设定变频器的频率，可控制传送带生产线的速度，从而达到了提高生产率的目的。

（2）可利用现有设备

可利用现有传送带上的齿轮马达和现有的传送带进行改动。

（3）可用一台变频器来控制多数电动机的驱动

这些电动机均并接到一台变频器上，通过变频器的频率设定可以保证多台电动机的同步运行。

2变频工艺控制系统的表现特征

变频工艺控制系统的优点在于它能大大地提高工艺的高效性，因为其变速不依赖于机械部分，具体表现特征如下：

（1）控制电机的启动电流

当电机通过工频直接启动时，它将会产生7到8倍的电机额定电流。

这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。

而变频调速则可以在零速零电压启动（当然可以适当加转矩提升）。

一旦频率和电压的关系建立，变频器就可以按照v/f或矢量控制方式带动负载进行工作。

使用变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低、电机的寿命则相应增加。

图2所示为某设备传动电机在星－三角和变频起动两种方式下的电流比较值，很显然变频起动造成的电流冲击非常小，通过一段时间的运行发现，变频电动机起动时对配电系统的压降基本没有影响，这对车间的设备扩容提供了良好的背景。

图2变频控制对传动电机起动电流的影响

（2）可控的加速功能

变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行平滑地加速，而且其加速曲线也可以选择（直线加速、s形加速或者自动加速）。

而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。

这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。

另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子倒翻或损坏。

（3）可调的运行速度

运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控plc或其他控制器来实现速度变化。

（4）可调的转矩极限

通过变频调速后，能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏，从而保证工艺过程的连续性和产品的可靠性。

目前的变频技术使得不仅转矩极限可调，甚至转矩的控制精度都能达到3%~5%左右。

在工频状态下，电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制，而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。

（5）受控的停止方式

如同可控的加速一样，在变频调速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择（减速停车、自由停车、减速停车+直流制动），从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。

（6）可逆运行控制

在变频器控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节省安装空间。

（7）减少机械传动部件

由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出，从而节省齿轮箱等机械传动部件，最终构成直接变频传动系统（图3），从而就能降低成本和空间，提高稳定性。

图3减少机械传动部件示意

当然，使用变频器进行工艺控制，其优点还有很多，根据不同的工艺控制选择不同的变频器运行方式，所产生的效果也不一样。

3变频工艺控制系统的负载类型

由于不同的工艺要求对机械设备和变频器也提出了不同的工作状态和控制模式，在变频工艺控制系统中应用比较多的有以下几种负载：

（1）连续恒定负载

连续恒定负载是指负载在足够长的时间里连续运行，并且在运行期间，转矩基本不变。

所谓“足够长的时间”是指这段时间内，电动机的温升将足以达到稳定值。

（2）连续变动负载

连续变动负载是指负载也是在足够长的时间里连续运行的，但在运行期间，转矩是经常变动的。

车床在车削工件时的工况以及塑料挤出机的主传动就是这种负载的典型案例。

（3）断续负载

断续负载是指负载时而运行，时而停止。

在运行期间，温升不足以达到稳定值；在停止期间，温升也不足以降至零。

起重机械如行车、电梯等都属于这类负载。

这类负载常常是允许电动机短时间过载的，因此，在满足温升方面要求的同时，还必须有足够的过载能力。

有时，过载能力可能是更主要的方面。

（4）短时负载

负载每次运行的时间很短，在运行期间，温升达不到稳定值；而每二次运行之间的间隔时间很长，足以使电动机的温升下降至零。

水闸门的拖动系统属于这类负载。

对于这类负载，电动机只要有足够的过载能力即可。

（5）冲击负载

加有冲击的负载叫冲击负载。

例如，在轧钢机的钢锭咬入瞬间产生的冲击负载、冲压机冲压瞬间产生的冲击负载等最具代表性。

这类机械，冲击负载的产生事先可以预测，容易处理。

当然，也有一些不测现象产生的冲击负载，如处理含有粉尘、粉体空气的风机，当管道中长期堆积的粉体硬块落入叶片上时，就是一种冲击负载。

冲击负载会引起两个问题：

一，过流跳闸；二，速度的过度变动。

对于冲击负载，国内通常都使用yh系列高转差率三相异步电动机，它是y系列电机的派生系列，具有堵转转矩大、堵转电流小、转差率高和机械特性软等特点，尤其适用于不均匀冲击负载以及正、反转次数多的工作场合，如锤击机、剪刀机、冲压机和锻冶机等机械设备。

（6）脉动转矩负载

在往复式压缩机中利用曲轴将电机的旋转运动转换成往返运动，转矩随着曲轴的角度而变动。

这类负载是一种周期性的曲轴类负载，它必须考虑到飞轮惯量gd2，因为一旦采用加大飞轮的方法来平滑脉动转矩时，加减速时间就会随之增加，否则减速时的回馈能量就会变大。

（7）负负载

当负载要求电机产生的转矩与电机转动方向相反时，此类负载就是负负载。

负负载的类型通常有两种：

●由于速度控制需要而在四象限运行的机械设备。

如起重机下放重物运转时，电机向着被负载牵引的方向旋转，此时电机产生的转矩是阻碍重物下放的，即与旋转方向相反。

这类负载包括行车、吊机、电梯等升降机械和倾斜下坡的皮带输送机。

●由于转矩控制需要而在四象限运行的机械设备。

在卷取片材状物料进行加工作业时，为了给加工物施加张力而设置的卷送转送装置就是负负载。

这里使用的电机速度决定于其对应的卷取机和原动机的运转速度，而电机只被要求用来产生制动转矩。

这类负载包括造纸用的放卷和收卷设备、钢铁用的夹送辊、纺织用的卷染机等。

4应用案例——变频配饲料系统

在饲料厂的配料工段采用计算机自动控制的系统中，计算机根据配方逐个控制各种物料的喂料电机向配料秤中添加物料。

在每种物料的添加值接近设定值时，为保证配料精度，大部分的控制系统均采用短脉冲驱动（又称:

点动或寸动）喂料电机的方式:

即点动一下喂料电机，添加一点物料，然后停止喂料；计算机采集电子秤数据并与设定值比较，若小于设定值，则再点动一下，再采集数据并比较，如此反复逐次逼近设定值。

一般至少需点动3～5次才能配完一种物料。

频繁的“点动”不仅常常造成喂料电机的热继电器跳闸、主接触器触点烧坏，而且也对计算机系统和控制室内的其他仪器仪表产生很强的电磁干扰，造成误动作。

现根据变频工艺控制的特点，采用一种计算机系统并辅以一台变频器，通过一组接触器的切换来控制16台喂料电机，利用变频器高、中、低三种速度的输出，来取代了喂料电机的“点动”。

变频配饲料系统采用称重传感器、变送器、研华的工控机ipc、plc及变频器、接触器组、继电器组构成，系统结构如图4所示。

图4系统结构图

该系统中，pc机与plc之间用串口连接。

ipc根据配方管理程序及生产控制程序，通过plc采集重量传感器的信号，并比较设定值，使变频器和相应的接触器动作，驱动相应的喂料电机进行不同速度的喂料，以达到配料速度和精度的最佳配合。

变频器的基本应用（三）

1计算机串口rs-232-c概况

1.1计算机串口rs-232-c介绍

计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。

由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。

在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。

rs-232-c接口（又称eiars-232-c）是目前最常用的一种串行通讯接口。

它是在1970年由美国电子工业协会（eia）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。

它的全名是“数据终端设备（dte）和数据通讯设备（dce）之间串行二进制数据交换接口技术标准”，该标准规定采用一个25个脚的db25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。

1.1.1接口的信号内容

实际上rs-232-c的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3～9条引线。

rs-232-c最常用的9条引线的信号内容见附表所示。

1.1.2接口的电气特性

在rs-232-c中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。

即：

逻辑“1”为-5～-15v；逻辑“0”为+5～+15v；噪声容限为2v，即要求接收器能识别低至+3v的信号作为逻辑“0”，高到-3v的信号作为逻辑“1”。

1.1.3接口的物理结构

rs-232-c接口连接器一般使用型号为db-25的25芯插头座,通常插头在dce端,插座在dte端.一些设备与pc机连接的rs-232-c接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。

所以采用db-9的9芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。

1.1.4传输电缆长度

由rs-232c标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为15m，其实这个4%的码元畸变是很保守的，在实际应用中，约有99%的用户是按码元畸变10%～20%的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过15m。

1.2rs232c通讯最常见的接线方式

常见的通讯方式是三线式（如图1所示），这种方式是将两个rs-232设备的发送端（txd）和接收端（rxd）及接地端（gnd）互相连接，也是许多读者所知道的连接方式：

图1连接方式

这种方式分别将两端的rs-232接口的2--3,3---2,5（7）---5（7）针脚连接起来。

其中2是数据接收线（rxd），3是数据发送线（txd），5（7）是接地（rnd）。

如果有一台式pc，和一部笔记本电脑，就可以用这种方式连线了。

用三线式可以将大多数的rs-232设备连接起来。

但如果你认死了2--3,3--2,5（7）--5（7）对接这个理，会发现在连某些rs-232设备时并不奏效。

这是因为有些设备在电路内部已将2和3线调换过来了，你只要2,3,5（7）针一一对应就行了。

1.3rs-232-c串口调试中要注意的几点

在rs-232-c串口调试中要注意以下几点：

（1）不同编码机制不能混接，如rs-232-c不能直接与rs-422或rs-485等接口相连；

（2）线路焊接要牢固，不然通讯程序没问题，却因为接线问题误事；

（3）串口调试时，准备一个好用的调试工具，如串口调试助手、串口精灵等，有事半功倍之效果；

（4）强烈建议不要带电插拨串口，插拨时至少有一端是断电的，否则串口易损坏。

2变频计算机控制系统的组构

2.1变频计算机控制系统的重要性

由于变频器技术的快速发展，变频器的应用领域越来越广泛，变频器的功能也越来越强大，如何快速地对变频器进行调试或者对变频器进行监控成为目前变频器应用领域中的一个重要课题。

变频器的功能码参数越来越多，几百个参数甚至上千个参数都很普遍，如果用传统的手动输入法就会耗费非常多的时间，如果能够通过计算机进行参数传送，那将会变得非常快捷和准确。

现在很多变频器厂商都开发了计算机监控运行软件，修改变频器的功能代码参数、控制变频器的起动停止、监视变频器的运行状态等工作就会易如反掌。

另外，通过计算机上应用组态软件，还可方便实现多台变频器通过计算机联网运行，达到工业控制的效果。

所有这些功能的实现都有赖于变频计算机控制系统的建立。

2.2变频计算机控制系统的几种方式

以艾默生ev2000变频器为例，变频计算机控制系统按照通讯方式的类型划分主要有以下几种方式：

（1）变频器rs-232接口与计算机的连接（如图2所示）

图2变频器与计算机的通讯接线

（一）

（2）变频器rs-485接口与计算机的连接（如图3所示）

图3变频器与计算机的通讯接线

（二）

（3）变频器通过modem与计算机的远程连接（如图4所示）

图4变频器与计算机的通讯接线（三）

3变频计算机控制系统的应用案例：

多类型变频器间的通讯

在现代工业生产中，随着科学技术的进步、大功率晶体管电子技术的迅速发展、大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频调速技术已日趋完善，在浆纸、炼钢、纺织印染、卷烟、化工、高层建筑供水等各行各业得到了广泛应用，并取得了节能、减少维修、提高产量、保证质量等方面明显的经济效益。

但由于变频器品牌的不同，相互间难以建立通讯，给自动化控制带来了一定的困难，对于电控一体化、管控一体化也提出了新的要求。

这里着重讨论的是一种基于工控机的多类型变频器间的通讯，它