FX系列PLC与变频器

项目七：FX系列PLC与变频器概述：异步电动机的变频调速主要是利用变频器来实现调速的。利用PLC对变频器的控制即可实现对异步电动机转速的自动控制，认识变频器及如何用PLC控制变频器对异步电动机的速度调节和控制，也是PLC应用的一个具体方面。本节主要介绍变频器的基本结构和工作原理以及用变频器对异步电动机的控制。任务钢琴琴弦绕丝机的电气控制（一）钢琴琴弦绕丝机工作原理某钢琴琴弦绕丝机布局图如图7-1所示：工作基本要求：当机架处于起点位置且钢丝被拉紧时，按下起动按钮，绕丝机开始工作，机架向左行走；当机架行走到减速传感器位置时，主轴转速减速；机架继续向左行走，到终点传感器位置时，主轴电机停止工作；主轴电机停止工作3秒后，主轴电机反转，带动机架向右行走，行走到起点位置时，主轴电机停止，机架停止于起点位置处，准备进入下一个循环。（二）任务分析1．机架向左或者向右行走是如何实现的呢？机架的行走是由三相异步电动机带动主轴实现行走的，机架向左或者向右行走即要求三相异步电动机要能实现正转和反转控制；2．机架向右行走到减速位置时，要求主轴减速，即三相异步电动机要能实现速度控制——即变频器多段速度控制。（三）相关知识1.变频器的基本构成变频器分为交—交和交—直－交两种形式。•交－交变频器是直接将工频交流转换成频率、电压均可控制的交流，常称为变频器；•交－直－交变频器则是先把工频交流通过整流器转换成直流，然后再把直流转换(逆变)成频率、电压均可控制的交流(由直流转换成交流的装置也常称为逆变器）。基本构成如图7－2所示。交－直－交变频器的基本组成：主要由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成。•整流器主要是将电网整流成直流逆变器是通过三相桥式逆变电路将直流转换成任意频率的三相交流；•中间环节又叫储能环节，由于变频器的负载一般为电动机，属于感性负载，运行中中间直流环节和电动机之间总会有无功功率将由中间环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲；•控制电路主要是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护功能。2.变频器的调速原理（1）三相异步电动机的转速公式为式中n0——同步转速；ƒ——电源频率，单位为HZ；p——电动机极对数；s——电动机转差率。从公式可知，改变电源频率即可实现调节电动机的速度。)1(60)1(0spfsnn（2）对异步电动机实现调速时，希望主磁通保持不变，因为磁通太弱，铁芯利用不充分，同样转子电流下转矩减小，电动机的负载能力下降；若磁通太强，铁芯发热，波形变坏。如何实现磁通不变呢？根据三相异步电动机定子每相电动势的有效值为：E1＝4.44ƒ1N1Φm式中ƒ1——电动机定子频率，单位为Hz；N1——定子绕组有效匝数；Φm——每极磁通量，单位为Wb。从公式可知，对E和f进行适当控制即可维持磁通量不变。因此，三相异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频器获得电压和频率均可调节的供电电源。3.变频器的额定值和频率指标（1）输入侧的额定值主要是电压和相数。在我国的中小容量变频器中，输入电压的额定值有以下几种：380V/50Hz，200～230V/50Hz或60Hz。（2）输出侧的额定值①输出电压UN，由于变频器在变频的同时也要变压，所以输出电压的额定值是指输出电压中的最大值。在大多数情况下，它就是输出频率等于电动机额定频率时的输出电压值。通常，输出电压的额定值总是和输入电压相等。②输出电流IN，是指允许长时间输出的最大电流，是用户在选择变频器时的主要依据。③输出容量（kVA）SN，SN与UN、IN关系为SN＝UNIN。④配用电动机容量（Kw）PN，变频器说明书中规定的配用电动机容量，仅适合于长期连续负载。⑤过载能力，变频器的过载能力是指其输出电流超过额定电流的允许范围和时间。大多数变频器都规定150%IN、60s，180%IN、0.5s。（3）频率指标①频率范围，即变频器能够输出的最高频率ƒmax和最低频率ƒmin。各种变频器规定的频率范围不仅一致，通常，最低工作频率为0.1Hz～1Hz，最高工作频率为120Hz～60Hz。②频率精度，指变频器输出频率的准确度。在变频器使用说明书中规定的条件下，由变频器的实际输出频率与设定频率之间的最大误差与最高工作频率之比的百分数来表示。③频率分辨率，指输出频率的最小改变量，即每相邻两档频率之间的最小差值。一般分模拟设定分辨率和数字设定分辨两种。4．三菱FR－A540变频器的基本参数变频器用于单纯可变速运行时，可按出厂设定的参数运行即可，若考虑负荷、运行方式时，必须设定必要的参数。对于三菱FR－A540变频器（有几百个参数），可以根据实际需要来设定，这里仅介绍一些常用的参数，有关其他参数，请参考有关使用手册。（1）输出频率范围（Pr.1、Pr.2、Pr.18、），Pr.1为上限频率，用Pr.1设定输出频率的上限，既使有高于设定值的频率指令输入，输出频率也被钳位在上限频率。Pr.2为下限频率，用Pr.2设定输出频率的下限。Pr.18为高速上限频率，在120Hz以上运行时，用Pr.18设定输出频率的上限。（2）多段速度运行（Pr.4、Pr.5、Pr.6、Pr.24~Pr.27），Pr.4、Pr.5、Pr.6为三速设定（高速、中速和低速）的参数号，分别设定变频器的运行频率，至于变频器实际运行哪个参数设定的频率，则分别由其控制端子RH、RM和RL的闭合来决定。Pr.24~Pr.7为4~7段速度设定，实际运行哪个参数设定的频率由端子RH、RM和RL的组合（闭合）来决定，如图7－3所示。说明：1．多段速度比主速度优先。2．多段速度在PU和外部运行模式下都可以设定。3．Pr.24~Pr.27及Pr.232~Pr.239之间的设定没有优先之分。4．运行期间参数值能被改变。5．当用Pr.180~Pr.186改端子功能时，其运行将发生改变。七段速度对应端子图：注意：上述功能只在外部操作模式或Pr.79=4时，才能生效，否则无效。（3）加减速时间（Pr.7、Pr.8、Pr.20），Pr.20为加减速基准频率。Pr.7为加速时间，即用Pr.7设定从0HZ加速到Pr.20设定的频率的时间；Pr.8为减速时间，即用Pr.8设定从Pr.20设定的频率减速到0HZ的时间。（4）电子过电流保护（Pr.9），Pr.9用来设定电子过电流保护的电流值，以防止电动机过热，故一般设定为电动机的额定电流值。（5）起动频率（Pr.13），Pr.13为变频器的起动频率，即当起动信号为ON时的开始频率，如果设定变频器的运行频率小于Ｐr.13的设定值时，则变频器将不能起动。注意：当Ｐr２的设定值高于Ｐr.13的设定值时，即使设定的运行频率小于Ｐr.2的设定值，只要起动信号为ＯＮ，电动机都以Ｐr.2的设定值运行。当Pr.2设定值小于Ｐr.13的设定值时，若设定的运行频率小于Pr.13的设定值，即使起动信号为ON，电动机也不运行；若设定的运行频率大于Pr.13的设定值，只要起动信号为ON，电动机就开始运行。（6）适用负荷选择（Pr.14），Ｐr.14用于选择与负载特性最适宜的输出特性（V/F特性）。当Pr.14＝０时，适用定转矩负载（如运输机械、台车等）；当Pr.14＝１时，适用变转矩负载（如风机、水泵等）；当Pr.14＝２时，适用提升类负载（反转时转矩提升为0%）；当Pr.14＝３时，适用提升类负载（正转时转矩提升为0%）。（7）点动运行（Pr.15、Pr.16），Ｐr.15为点动运行频率，即在PU和外部模式是的点动运行频率，并且请把Pr.15的设定值设定在Pr.13值之上。Pr.16为点动加减速时间的设定参数。（8）参数写入禁止选择（Pr.77），Ｐr.77用于参数写入与禁止选择，当Pr.77＝０时，仅在PU操作模式下，变频器处于停止时才能写入参数；当Pr.77＝１时，除Pr.75、Pr.77、Pr.79外不可写入参数；当Pr.77＝２时，即使变频器处于运行也能写入参数。注意：有些变频器的部分参数在任何时候都可以设定。（9）操作模式选择（Pr.79），Ｐr.79用于选择变频器的操作模式，•当Pr.79＝０时，电源投入时为外部操作模式（简称EXT，即变频器的频率和起、停均由外部信号控制端子来控制），但可操作面板切换为PU操作模式（简称PU，即变频器的频率和起、停均由操作面板控制）；•当Pr.79＝1时，为PU操作模式；•当Pr.79＝２时，为外部操作模式；•当Pr.79＝３时，为PU和外部组合操作模式（即变频器的频率由操作面板控制，而起、停由外部信号控制端子来控制）；•当Pr.79＝４时，为ＰＵ和外部组合操作模式（即变频器的频率由外部信号控制，而起、停由操作面板控制）；•当Ｐr.79＝５时，为程序控制模式。２．变频器的主接线FR－540型变频器的主接线一般有６个端子，其中：•输入端子Ｒ、Ｓ、Ｔ、接三相电源；•输出端子Ｕ、Ｖ、Ｗ接三相电动机。注意哟：切记不能接反，否则，将损毁变频器，其接线图如图7－4所示。有的变频器能以单相220V作电源，此时：•单相电源接到变频器的Ｒ、Ｎ输入端，•输出端子Ｕ、Ｖ、Ｗ仍输出三相对称的交流电，可接三相电动机。变频器的主接线图：３．变频器的操作面板FR－A540型变频器一般通过FR－DU04操作面板或FR－PU04参数单元来操作（总称为ＰＵ操作），操作面板外形如图7－5所示，操作面板各按键及各显示符的功能见表7－１、表7－２所示。４．变频器的基本操作变频器的基本操作有很多，下面介绍几个最常用的操作方法：（1）PU显示模式，在PU模式下，按MODE键可改变PU显示模式，其操作如图7－6所示。（2）监示模式，在监示模式下，按SET键可改变监示类型，其操作如图7－7所示，监示显示在运行中也可改变。注：1．按下标有＊1的SET键超过1．5s时，能把电流监示模式改为上电监示模式；2．按下标有＊2的SET键超过1．5s时，能显示包括最近4次的错误指示；3．在外部操作模式下转换到参数设定模式。（3）频率设定模式，在频率设定模式下，即可改变频率设定，其操作如图7－8所示，（4）参数设定模式，在参数设定模式下，改变参数号及参数设定值时，可以用或键来设定，其操作如图7－9所示其他的操作，如帮助模式设定、报警记录、参数清除、用户清除的操作与上述操作类似，请参考相应的使用手册。５．变频器外部端子图。变频器外部端子如图７－11所示，有关端子的说明见表７－３所示。表7-3续表7---3续（四）任务实施设计思路三相异步电动机的正反转以及多速运行，采用外部控制端子和变频器的多段运行来控制；变频器的外部控制端子和变频器的多段运行信号通过PLC的输出端子来提供，即通过PLC控制变频器的RL、RM、RH以及STR、STF端子与SD端子的通和断来实现控制三相异步电动机的正转、反转及多速运行。2.变频器的设定参数根据控制要求，除了设定变频器的基本参数以外，还必须设定操作模式选择和多段速度设定等参数，具体参数如下：上限频率Pr1=50Hz；下限频率Pr2=0Hz；基底频率Pr3=50Hz；加速时间Pr7=0.5S；减速时间Pr8=0.5S；电子过电流保护Pr9=电动机的额定电流；操作模式选择（组合）Pr79=3；多段速度设定（1速）Pr4=50Hz；多段速度设定（2速）Pr5=20Hz；多段速度设定（3速）Pr6=30Hz3.PLC的I/O分配根据系统的控制要求、设计思路和变频器的设定参数，PLC的I/O分配如下：X0：停止按钮（SB1），X1：起动按钮（SB2），X2：起点位置传感器（SQ1），X3：拉紧到位传感器（SQ2），X4：减速传感器（SQ3），X5：终点位置传感器，Y0：正转运行信号，Y1：反转运行信号，Y2：1速（RL），Y3：2速（RM），Y4：3速（RH），Y5：复位（RES）。4.系统接线根据控制要求及I/O分配，其系统接线图如图7－12所示。5.控制程序根据系统的控制要求，该控制是一个典型的顺序控制，所以，首选状态转移图来设计系统的程序，其状态转移图如图7－13所示。（