1、变频器应用教程（第二版）张燕宾 编著第3章变频器的外部控制第3章变频器的外部控制3.1变频器的外接主电路3.2电动机起动和停机控制3.3外接数字量加、减速的应用3.4多挡转速控制3.5输出控制端子及其应用3.6多单元拖动系统的同步控制3.7变频和工频切换控制3.8变频调速系统的闭环控制3.9PID功能的调试3.1变频器的外接主电路3.1.1外接主电路的配置1.变频器的输入主电路图3-1变频器输入主电路a)主电路接法b)电路图3.1变频器的外接主电路(1)空气断路器Q1)隔离当变频器需要检查或修理时，断开空气断路器，使变频器与电源隔离。2)保护空气断路器具有过电流保护和欠电压保护等保护功能。(2
2、)输入接触器KM用于接通或切断变频器的电源。(3)快速熔断器FU主要用于短路保护。2.变频器的输出主电路(1)输出接触器1)不接输出接触器的场合在一台变频器驱动一台电动机的情况下，不建议接入输出接触器，如图3-2a所示。3.1变频器的外接主电路图3-2变频器输出主电路a)一控一b)切换主电路c)一控X3.1变频器的外接主电路2)必须接入输出接触器的场合在某些场合，变频器的输出侧又不可避免地需要接入接触器。(2)热继电器1)在一台变频器驱动一台电动机的情况下，因为变频器内部具有十分完善的热保护功能，没有必要接入热继电器。2)在上述需要接输出接触器的场合，热继电器也应该接入。3.1.2主要电器的选
3、择1.空气断路器和快速熔断器(1)需要注意的几个方面1)变频器接通电源时，有较大的充电电流，如图3-3中的曲线所示。3.1变频器的外接主电路图3-3空气断路器的电流承受能力2)变频器的输入电流内，具有大量的高次谐波成分。3.1变频器的外接主电路3)变频器本身具有150%、1min的过载能力，如图中的曲线所示。(2)选择原则2.接触器(1)输入接触器因为接触器本身并无保护功能，故不必考虑误动作的问题。(2)输出接触器图3-4接触器的触点电流3.1变频器的外接主电路图3-5输出电路的电压降3.变频器与电动机之间的连接导线4.输出电抗器3.1变频器的外接主电路(1)电动机和变频器间的距离较远因为变频
4、器的输出电压是高频高压的脉冲波，所以，输出电流中存在着高频谐波电流。图3-6需要装入输出电抗器的场合a)距离较远b)小变频器带轻载大电动机3.1变频器的外接主电路(2)轻载的大电动机配用容量较小的变频器例如，电动机的容量为90kW，实际运行功率只有45 kW。3.2电动机起动和停机控制3.2.1电动机的起动1.上电起动图3-7正转的基本控制方式a)有独立控制电源b)无独立控制电源c)键盘起动3.2电动机起动和停机控制(1)开关电源的起振和稳定过程；(2)CPU电源的充电过程因为CPU对电源的稳定性要求很高，所用滤波电容的电容量较大，故充电的时间常数较长。2.常用起动方式(1)键盘起动如图3-7
5、c，按面板上的RUN键或FWD键，电动机即按预置的加速时间加速到所设定的频率。(2)端子起动当变频器选择由外接端子进行控制时，要起动电动机，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，如图3-7b中之继电器KA所示。3.继电器控制电路3.2电动机起动和停机控制图3-8外接继电器控制a)变频器接线b)继电器控制电路3.2电动机起动和停机控制(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处于通电状态时，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
6、源。4.自锁控制(三线控制)(1)正、反向分别控制在可编程控制端子内任选一个，如X1端子，把它预置成自锁控制端子，说明书上常常叫作三线控制端子，当X1与COM之间处于接通状态时，变频器内部的自锁功能有效，如图3-9a所示。3.2电动机起动和停机控制图3-9自锁控制之一a)自锁控制接法之一b)多开关状态与输出频率3.2电动机起动和停机控制(2)正、反向切换控制接法如图3-10a所示，变频器自锁功能的是否有效，也取决于X1与COM之间的通和断。图3-10自锁控制之二a)自锁控制接法之二b)各开关状态与输出频率3.2电动机起动和停机控制3.2.2电动机的反转控制1.改变相序(1)交换变频器进线的相序
7、是没有意义的。(2)交换变频器输出线的相序是可以的，但却不是最佳方案。图3-11改变旋转方向的方法a)错误或不妥的方法b)正转控制c)反转控制3.2电动机起动和停机控制2.改变控制端子 3.改变功能预置 3.3外接数字量加、减速的应用3.3.1升速、降速端子的功能及使用1.升速端子和降速端子图3-12外接升、降速端子a)外接升、降速端子接法b)功能示意图2.代替电位器3.3外接数字量加、减速的应用(1)代替方法变频器外接端子的升速和降速功能可以代替电位器，如图3-13所示，把端子X1预置为“频率递增”，端子X2预置为“频率递减”，则变频器输出频率的上升或下降，可由按钮开关SB1和SB2来控制。
8、图3-13用升降速端子给定代替电位器给定a)电位器给定b)升降速端子给定3.3外接数字量加、减速的应用(2)主要优点1)寿命长2)调速精度高电位器给定属于模拟量给定，非但本身的调频精度较低，在远距离控制时，容易受线路电压降的影响而进一步降低精度。3)抗干扰能力强因为升、降速端子给定的控制信号是开关信号，故抗干扰能力比模拟量给定强得多。3.3.2两地控制1.控制方法 3.3外接数字量加、减速的应用图3-14两地升降速控制2.频率显示 3.3外接数字量加、减速的应用3.3.3恒压控制图3-15利用升、降速端子进行恒压控制1.控制方案 3.3外接数字量加、减速的应用2.动作要点(1)当压力由于用水流
9、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。(2)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。3.4多挡转速控制3.4.1多挡转速控制功能1.功能要点图3-16多挡转速控制功能3.4多挡转速控制(1)选择哪几个端子作为多挡转速控制端子。(2)预置各挡转速对应的频率。2.多挡转速的控制要点图3-17多挡转速控制要点3.4多挡转速控制3.4.2多挡转速的控制方案1.继电
10、器控制图3-18多挡转速控制的实施3.4多挡转速控制例1：用户选择第2挡转速例2：用户选择第5挡转速2.PLC控制 图3-19多挡速的PLC控制电路3.4多挡转速控制1)PLC的输入电路图3-20PLC的梯形图3.4多挡转速控制2)PLC的输出电路 3)工作过程举例例1：用户选择第3挡转速例2：用户选择第6挡转速3.5输出控制端子及其应用3.5.1输出控制端子的安排1.输出控制端子的功能(1)测量信号输出端主要用于向外接仪表提供与运行参数成正比的测量信号。图3-21输出控制端子的安排a)富士变频器b)艾默生变频器3.5输出控制端子及其应用(2)报警输出端当变频器因故障而跳闸时，报警输出端将动作
11、，发出报警信号。(3)状态信号输出端输出变频器各种运行状态的信号，输出内容如：“运行”信号、“频率到达”信号、“频率检测”信号等。2.开关量输出控制端子的构成(1)晶体管输出型输出信号为集电极开路输出。(2)继电器输出型输出信号由继电器触点构成。3.5.2报警端子的应用1.切断变频器电源3.5输出控制端子及其应用图3-22跳闸报警输出端子的应用示例a)控制电路有独立电源b)控制电路无独立电源3.5输出控制端子及其应用2.进行声光报警(1)控制电路有独立电源当变频器的故障继电器动作时，“A-C”闭合，指示灯HL和电笛HA发出声光报警信号，如图3-22a所示。(2)控制电路无独立电源因为变频器的电
12、源被切断后，控制电路的电源也将逐渐消失，声光报警不能持久。3.5.3模拟量输出端子的应用1.模拟量输出端图3-23模拟量输出端子的应用示例a)模拟量输出的接法b)修改成频率表c)修改成电流表3.5输出控制端子及其应用2.外接测量仪表的改造 3.5.4多功能端子应用举例1.物料传输带的控制 图3-24粉末传输带的控制a)控制示意图b)对频率检测的考虑3.5输出控制端子及其应用(1)传输带电动机M1的工作频率大于30Hz后，搅拌电动机M2才允许起动：(2)当M1的工作频率小于25Hz时，M2必须停止运行：2.控制方案3.6多单元拖动系统的同步控制3.6.1同步控制的概念1.多单元拖动系统的同步运行
13、(1)各单元的转速必须能够统一调整(简称统调)，即一起加速，一直减速。(2)各单元的转速又都能够单独进行微调。图3-25多单元拖动系统3.6多单元拖动系统的同步控制图3-26热溶印染机2.生产机械实例3.6多单元拖动系统的同步控制(1)热溶印染机如图3-26所示，全机分6个单元，分别是轧车、烘箱1、烘箱2、烘箱3、烘箱4和落布单元。(2)塑料挤出机图3-27是塑料挤出机的大致构造。图3-27塑料挤出机3.6多单元拖动系统的同步控制3.6.2同步控制电路1.手动同步控制电路 图3-28手动同步控制电路(继电器)a)1单元b)2单元c)3单元d)升速统调e)降速统调3.6多单元拖动系统的同步控制(
14、1)统调统调的升速和降速分别由继电器KA1和KA2来执行。(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。2.自动同步控制(1)同步信号的取出图3-29a所示的张力架是常用的取出同步信号的方法之一。图3-29自动同步控制电路a)张力架b)控制电路3.6多单元拖动系统的同步控制(2)自动同步控制为简便起见，今以两个单元的同步为例，如图b所示。1)统调变频器UF1和UF2的VI1端是频率的主给定端，VI1和GND分别接至可调稳压电源的“”和0V之间，给定信号的大小，由电位器RP0进行调节。2)微调各从动单元变频器的辅助给定端VI
15、2接至无触点电位器RP1的活动端，RP1的两个固定端分别接至可调稳压电源的正端与负端。3.7变频和工频切换控制(1)有些机械在生产过程中是不允许停机的，一旦变频器发生故障，应立即把电动机切换到工频电源上去。(2)在水泵的恒压供水系统中，如果变频泵的运行频率已经达到了上限频率，而供水系统的压力仍不足时，应将该泵切换为工频运行，而让变频器去起动另一台泵。3.7.1切换控制的要点1.主电路必须可靠互锁 图3-30切换控制的主电路3.7变频和工频切换控制(1)切换前必须首先将所有逆变管封锁，使电源不能进入逆变电路。(2)接触器KM2和KM3绝对不允许同时接通，互相间必须有非常可靠的互锁。2.自由制动的
16、过渡过程 图3-31自由制动的停机过程3.7变频和工频切换控制3.切换延时的要求与估算 3.7.2切换的控制电路举例图3-32东芝变频器的特点3.7变频和工频切换控制1.V7系列变频器的特点(1)控制电路具有独立电源，只要空气断路器一闭合，控制电路就开始供电。(2)端子F用于电动机的正转起动，由继电器KA0控制。(3)电动机的转速由电位器RP给定。(4)端子S3专门用于切换控制。2.电动机的变频起动(1)变频器通电按下SF1KM1“ON”变频器接通电源。(2)电动机起动按下SF0KA0“ON”输入端F“ON”电动机起动，变频运行。(3)转速调节调节电位器RP调节变频器的输出频率调节了电动机的转
17、速，如图3-33所示。3.7变频和工频切换控制图3-33东芝变频器的起动3.从变频运行切换到工频运行3.7变频和工频切换控制图3-34由变频运行切换到工频运行4.故障切换3.7变频和工频切换控制图3-35故障切换3.8变频调速系统的闭环控制3.8.1闭环控制的目的1.闭环控制的目的 图3-36闭环控制的目的a)压力小于目标值b)压力大于目标值3.8变频调速系统的闭环控制2.目标信号和反馈信号 图3-37目标信号与反馈信号3.8变频调速系统的闭环控制3.恒压控制的工作过程 图3-38闭环控制系统示意图(1)信号安排3.8变频调速系统的闭环控制1)目标信号在图中，目标信号由电位器RP根据需要人为地
18、给定，由变频器的给定端AI1输入。2)反馈信号由传感器SP测得，接至变频器的反馈输入端AI2。(2)工作过程1)空气压力pX不足2)空气压力pX过大XFXT(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，XFXT为止。3.8.2调节的概念1.问题的提出 3.8变频调速系统的闭环控制图3-39控制过程中的矛盾2.比例增益的引入 3.8变频调速系统的闭环控制图3-40引入比例增益3.8变频调速系统的闭环控制表3-1比例增益与偏差的关系3.8变频调速系统的闭环控制3.比例环节存在的问题(1)一方面，比例增益KP的大小，决定了操作量的大小，如图3-4a所示
19、，从而决定了进行调整的力度。图3-41P调节及存在问题a)P调节示意图b)太大的后果3.8变频调速系统的闭环控制(2)另一方面，从实际压力发生改变，到空气压缩机作出修正之间，存在着若干个时间上的滞后环节，如：传感器测出压力变化并转换成电信号的环节、变频器得到反馈信号的变化到调整输出频率的环节以及电动机的转速调整环节等。4.积分与微分环节的引入(1)比例积分环节图3-42PI调节及其结果a)PI调节示意图b)PI调节的后果3.8变频调速系统的闭环控制(2)比例微分环节对于某些容易发生振荡的系统，KP只能设定得小一些，于是又会发生当用气量急剧变化时，被控量(压力)难以迅速恢复的情况。图3-43PD
20、调节及其结果a)PD调节示意图b)PD调节的后果3.8变频调速系统的闭环控制(3)PID调节把比例、积分和微分环节结合起来，如图3-44a所示。图3-44PID调节及其后果a)偏差b)PID调节示意图c)PID调节的后果3.8变频调速系统的闭环控制3.8.3变频器的PID功能1.变频器在PID功能有效后的变化(1)模拟量输入端的变化在一般情况下，变频器的闭环控制功能是无效的，其模拟量输入端是频率给定信号的输入通道，如图3-45a所示。图3-45模拟量输入端的功能a)闭环控制无效时b)闭环控制有效时3.8变频调速系统的闭环控制(2)显示屏显示数据的变化图3-46闭环控制的加、减速a)加、减速时间
21、失效b)加、减速取决于(3)加、减速的变化当变频器预置为PID功能有效后，3.8变频调速系统的闭环控制原来预置的加速时间和减速时间均失效，如图3-46a所示。2.PID的控制逻辑(1)负反馈图3-47反馈的逻辑a)负反馈b)正反馈3.8变频调速系统的闭环控制(2)正反馈图b所示，是会议室温度控制的例子。3.8.4闭环控制的实施1.传感器的接线(1)使用远传压力表远传压力表是压力传感器中比较简单的一种。图3-48远传压力表的接法3.8变频调速系统的闭环控制(2)使用压力传感器压力传感器SP是将压力转换成电压信号或电流信号的装置。图3-49压力传感器接法3.8变频调速系统的闭环控制2.目标值的描述
22、与确定(1)目标值的描述因为目标信号和反馈信号可以是不同的物理量，在上例中，目标信号XT是电压信号，而反馈信号XF是电流信号。(2)目标值的确定1)不管传感器的量程多大，其满刻度处总是定为100%；2)当反馈信号等于目标信号时，指针所在位置的读数(百分数)就是目标值。图3-50确定目标信号a)量程为1MPab)量程为5MPa3.8变频调速系统的闭环控制3.8.5闭环控制的起动问题(积分饱和)1.起动存在的问题 图3-51会议室冷风机的起动a)起动前的温差b)起动过程3.8变频调速系统的闭环控制2.变频器的PID起动功能(1)安川CIMR-G7A系列变频器功能码b5-17用于预置“PID指令用加、减速时间”。(2)丹佛士VLT5000系列变频器由功能码439预置“工艺PID起动频率”，则变频器在起动时，将按开环运行方式起动，直至上升到“工艺PID起动频率”后，才自动转为闭环控制。3.9PID功能的调试3.9.1初次调试1.比例增益的预置图3-52PID的初次调试a)比例增益的预置b)积分时间的预置2.积分时间的预置3.9.2运行调试3.9PID功能的调试1.发生振荡图3-53比例积分环节的调试a)发生振荡b)反应迟缓3.9PID功能的调试解决的方法是：或减小KP，或增加积分时间TI。2.反应迟缓解决的方法是：或增大KP，或减小积分时间。
