第3章高压变频器控制电路

1主讲王兆义主办单位：新疆博识通咨询有限公司中国工业自动化培训网第3章变频器控制电路•3.1控制概述1.控制系统由主控制器（CPU）、人机界面（嵌入式工控机）、PLC三大部分组成。三大部分各有分工，又互相通讯、协同工作。人机界面和主控制器及PLC之间均采用RS485进行数据通讯，通讯协议为公司内部的自定义协议。主控制器和PLC之间采用I/O接口及模拟信号线建立简单通讯。2.主控制器从人机界面或PLC接收控制指令，对所有功率单元实施控制，同时监控各功率单元的状态，送给人机界面进行状态显示，通知PLC实施系统保护。3.人机界面为变频器提供的人机接口界面，变频器参数设定、功能设定、故障查询、运行记录都通过人机界面来实现。4.PLC负责对变频器内部故障状态进行监控，同时和工业现场进行接口（外部），使变频器满足各种现场的不同控制要求。第3章变频器控制电路控制柜5.上下位机分工。上位机一般是集中管理，是监控机。下位机是现场直接控制，是控制机。上位机面向管理级用户，下位机面向底层设备控制。高压变频器中，PC机（人机界面）为上位机，PLC、变频器CPU为下位机。远程控制时，DCS为上位机。2.由于采用了通讯方式，可以通过PC机来方便地进行组态和系统维护，包括上传、下载、复制、监控、参数读写等。通讯信号流程图第3章变频器控制电路3.2控制器变频器的控制电路就是对变频器进行控制的电路。控制电路的原理和低压变频器基本相同。都包括控制核心（CPU）、过压、过流、过载、过热等保护电路；IGBT驱动电路；外接端子的接口电路；和PLC、DCS通讯接口；低压电源等。和低压变频器不同的是：高压变频器因为体积大，信号的连接是个突出的问题，一般都用光纤。而光纤又有一个接口问题，所以高压变频器控制电路复杂，故障率较高。第3章变频器控制电路•3.2控制器控制柜控制器第3章变频器控制电路控制器硬件信号流程图框图CPU第3章变频器控制电路•3.2.1主控板（CPU）•①主控板主要由处理器、程序存储器、参数存储器、CPLD（逻辑数字集成电路）、FPGA（现场可编程门阵列）、及RS485等接口芯片组成。•②主控板通过串行口或接口板，接收和处理来自工控机及PLC的控制命令，同时向外发送自身的状态信息。•③主控板同时产生每相各级功率单元的触发脉冲。•④采集和处理所有功率单元反馈回来的故障信息，通知人机界面进行故障记录，通知PLC实施系统的报警和保护。第3章变频器控制电路•3.2.2光纤板•①光纤板的作用是将主控板对功率单元的控制信号（触发脉冲、旁路控制信号、脉冲封锁信号等）进行转换，变成串行的光信号通过光纤输出给功率单元。②将功率单元传送过来的光信号转换为电信号（主要是功率单元的故障信息），并进行串行到并行的转换，传递给主控板处理。•③光纤板同时对通讯进行检测，无法建立通讯时报告通讯故障。•④光纤板上包含多个单元电路，各单元电路功能相同，相互独立，每个单元电路负责和一个功率单元通讯。接口接头第3章变频器控制电路功率单元的光纤接口第3章变频器控制电路•3.2.3信号调整板•1.作用•信号调整板负责控制器和外部接口信号的处理。•①输入电压、输入电流、输出电压、输出电流、PLC的4~20mA信号等的模拟信号传输处理。•②控制器输出给PLC的接点信号、由PLC来的接点信号等数字信号的传输处理。•2.结构•有的信号调整板自含CPU，对模拟量进行采集，采集结果通过数据通讯方式传递给主控板，再由主控板通过通讯方式传递给人机界面进行记录和显示。接收来自控制器的对外部的控制信号，处理后输出给各受控电路第3章变频器控制电路•3.2.4电源板•电源板主要给主控制箱提供控制电源。•由于控制箱采用了多路不共地的5V电源，电源板上有3个5V电源模块，一个正负15V模块。•24V为备用电源，一般不连接。第3章变频器控制电路•3.2.5通讯板•变频器人机界面需要和主控板、PLC、上位机、温度采集模块（7033）等进行数据通讯，通讯协议又有RS422、RS485等多种，人机界面又有操作面板、工控机、UNO（通用网络对象）、嵌入式等不同种类。•通讯接口板的主要功能是对这些不同的接口进行配置，变频器内外的各种接口都连接到通讯接口板，再通过通讯接口板统一连接到人机界面，从而简化人机界面对外的通讯连线（总接口板）。通讯接口输入口第3章变频器控制电路•3.3人机界面（上位机）•人机界面老式变频器为操作面板，功能和低压变频器相同。可以进行变频器的操作、调频、参数预置等。•新式变频器人机操作界面为嵌入式工控机，内设CPU，可进行变频器参数设定、功能设定、故障查询、故障显示、运行记录等都可通过嵌入式工控机来实现。•在控制状态下，变频器可以通过嵌入式工控机提供的界面直接进行启动、停机、调频等操作。•正常情况下，控制器、嵌入式工控机和PLC之间建立有实时通讯。上位机第3章变频器控制电路•人机界面参数设置：第3章变频器控制电路•人机界面故障显示：第3章变频器控制电路•3.4PLC•3.4.1PLC功能•1.PLC是高压变频器的一个内置组件，是重要的组成部分。进行工频—变频切换（旁路柜），远程控制、PID控制、通讯控制等。这些工作非常适合PLC来做，所以把PLC内置到变频器的控制柜中，作为变频器的一部分。•2.PLC根据系统要求，通过编制程序来完成相关功能的实现。主要功能如下：①系统逻辑控制：系统通过PLC的逻辑判断来给出系统相关状态的标志位，如系统就绪，高压合闸允许、高压已合、请求运行以及系统运行中等。•②故障保护：通过读取主控器DSP（CPU）中的故障信息来将系统中的信息在HMI（人机界面）上作出显示，遇到重故障信息，迅速断开高压变频器前端的断路器来切断设备的电源，对系统进行保护。第3章变频器控制电路③系统数据读取：利用PLC上的RS485通讯来和DSP进行通讯，通过查询的方式来读取系统运行时的电流、电压、频率等数值以及对整个系统进行参数设定。•④其他功能：该功能中包括事件记录显示、PID功能调节、系统温度显示等。第3章变频器控制电路•4.PLC控制常见故障•因为变频器安装调试完毕，已经是一台完备的控制系统，PLC作为其中的一个工作部件，其故障多为硬件和外围电路有问题。•PLC的输出触点当频繁的接通电感性负载，可造成触电损坏失效；连接导线接触不良、松动；通讯接口接触不良，通讯时通时断；变频器出现了干扰，使PLC出现误动作等。第3章变频器控制电路•3.4.2PLC应用举例•案例1工频—变频切换•下图为变频器的两种切换方式：•1）手动切换K1~K4手动隔离开关，6KV断电后手动切换。•2）自动切换由PLC控制J1、J2、J3切换。J1、J2、J3为真空接触器，当变频器出现问题时，在几秒钟内将电动机切换到工频。•本例采用三菱FXN—48MR型PLC，功能端子见下图。第3章变频器控制电路第3章变频器控制电路第3章变频器控制电路•2.通讯控制（PLC与变频器上位机通信）•1）PLC配用通讯模块，可使变频器上位机对PLC进行显示、报警、记录等通讯控制。本例配用FX2N-232BD通讯模块，实现与变频器上位机的串口通信。•2）PLC的RS232串口通信可使用RS指令（RS指令是自定的通讯规约）或专用协议与上位机进行通信，本例中使用无协议与上位机进行通信（如下图），D8120用于设定PLC通信格式，D50表示发送起始地址，K60表示发送字节数量，D150表示接收起始地址，K20表示接收字节数量。第3章变频器控制电路•案例2东方日立高压变频器PLC通讯控制风机应用•1.东方日立高压变频器在高炉煤气发电机组送、引风机系统上的应用及节能计算。•该系统采用上、下位机主从式结构，PLC作为下位机通过Modbus通信方式，完成工业现场数据的实时采集；上位机采用工业控制计算机，与PLC之间通过工业以态网通讯方式，实现高压变频器在运行过程中的实时数据显示、故障报警等各项功能。•同时，上位机又作为数据服务器，通过dde方式（动态数据交换）为节能软件提供实时数据，以助节能软件完成数据计算、动态曲线显示。第3章变频器控制电路•2系统硬件配置•送、引风机高压变频通讯系统的硬件配置：•1）数据采集。为深圳亚特尔公司的MDM3000数据采集器，实现变频器输入电压、输入电流等电力数据采集。•2）PLC。为单元控制柜内的西门子S7-200系列CPU226PLC，配西门子CP243-1工业以太网通讯模块。•3）工控机。为研华IPC-610H原装工控机，主要配置：CPU2.8G/256M（内存）；80G硬盘；集成显卡；另置网卡；50倍光驱；1.44M（软驱）等。第3章变频器控制电路送、引风机高压变频装置通讯系统框图第3章变频器控制电路•3系统软件基本原理及组态系统软件•①工控软件：组态王kingview5.1；•②用于S7-200编程软件的step7-microwin4.0；•③用于实现节能计算的自主研发的软件。•④送、引风机高压变频装置系统以PLC为通讯管理中心的通讯系统的地址分配见附表。第3章变频器控制电路第3章变频器控制电路•4.组态王kingview5.11）组态王•组态王是运行于windows98/2000/nt/xp中文平台界面的人机界面软件。采用了多线程、com组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定可靠。软件包从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中。其功能为：•①把采集到的数据的变化以动画的方式形象地表示出来。•②完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需要生成历史数据文件。•该例中组态王的主画面如下图所示。第3章变频器控制电路第3章变频器控制电路•2）组态王特点•为实现组态王和外部设备的通讯，组态王内置大量设备的驱动程序作为组态王和外部设备的通讯接口，扩充了组态王的功能，为用户提供更为灵活的应用空间。在数据交换时，我们定义组态王作为dde服务器端，与采用java软件开发的节能计算软件相互通讯。通过dde方式用户自编的应用程序可以与组态王无缝连接，进行数据交换。节能计算软件的主画面如图所示。引风机高压变频装置节能计算软件的主画面第3章变频器控制电路5.PLC基于step7-microwin4.0编程软件的变频器启、停流程图s7-200中plc程序用step7-microwin4.0软件进行编写，plc程序将modbus协议、tcp/ip工业以太网协议两种协议集于一身，实现变频器现场数据采集设备、上位监控设备的无缝连接第3章变频器控制电路•6.自主研发的实现节能计算软件节能计算软件为日立北京公司自主研发，该软件实现两方面的功能：①获取组态王数据；②对获取的数据进行计算并以趋势曲线的方式加以显示。根据机组送、引风机工频运行工况数据，得到通过调节出口挡板改变风量的工频运行曲线；③再根据实时监控得到机组送、引风机在变频运行工况下的运行曲线，然后将两条曲线制作到同一坐标平面下，这样非常直观地得到节能数据，并对采集到的原始及节能数据进行记录保存于工控机的硬盘上。第3章变频器控制电路•7.应用情况送、引风机高压变频装置系统自2008年4月投运以来，启、停及智能监控性能优良。操作员从炉控室组态王监视画面可以实时监控送、引风机高压变频装置的输入电压、输入电流、输入功率等数据，大大减少了运行人员现场抄录设备运行数据的工作量；另外非常直观地得到送、引风机高压变频装置系统的节能情况。送、引风机高压变频装置系统微机化、数字化更是提高了系统的安全可靠性，有效地避免了机组送、引风机电动机以及电网所承受的冲击，延缓了电动机及拖动设备的使用寿命，深受用户好评。第3章变频器控制电路