基于PLC與變頻器的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的探究

葛文爽

（廣東省嶺南工商第一技師學(xué)院，廣東廣州，510000）

0 引言

隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)也日趨完善，各種復(fù)雜控制技術(shù)在變頻技術(shù)中逐步應(yīng)用，使變頻器性能不斷提高，應(yīng)用也越來越廣泛。變頻調(diào)速已被公認(rèn)為是最理想、最有發(fā)展前景的調(diào)速方式之一，通過變頻器來搭建變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)一是滿足提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動(dòng)化程度及改善生活環(huán)境等要求，二是節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本、提升運(yùn)行效率。為了實(shí)現(xiàn)在惡劣環(huán)境中對交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速遠(yuǎn)程控制，引入PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）控制單元，利用它的高定位精度、能夠適應(yīng)高速的生產(chǎn)環(huán)境及編程相對簡單等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對交流調(diào)速系統(tǒng)的智能控制。

1 變頻器交流電機(jī)調(diào)速原理

n=60f/p（n：電機(jī)速度；f：電源頻率；p：電機(jī)磁極對數(shù)），由于p不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值（是2的倍數(shù)，例如磁極對數(shù)是2、4、6...），所以一般不適合通過更改p的數(shù)值進(jìn)行調(diào)速。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果交流電動(dòng)機(jī)中電壓、電流保持不變，則在特定的轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)的定子電壓的平方成正比。由此，通過合理的調(diào)節(jié)外加電壓，即可改變電動(dòng)機(jī)在特定輸出轉(zhuǎn)矩之下的轉(zhuǎn)速。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、平滑性較好、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，可使我們較為方便的實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，且調(diào)速性能可與直流調(diào)速相媲美。下圖1為其機(jī)械特性曲線。

圖1 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速機(jī)械特性曲線

2 變頻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)

電機(jī)在工頻電源供電時(shí)的起動(dòng)和加速對電網(wǎng)沖擊很大，而當(dāng)使用變頻器供電時(shí)，這些沖擊就要弱一些。工頻直接起動(dòng)會產(chǎn)生一個(gè)很大的啟動(dòng)電流（一般為1.5-2.1倍額定電流），而當(dāng)使用變頻器時(shí)，變頻器的輸出電壓和頻率是逐漸加到電機(jī)上的，所以電機(jī)起動(dòng)電流和沖擊要小一些。通過使用磁通矢量控制的變頻器，將改善電機(jī)低速時(shí)轉(zhuǎn)矩的不足，甚至在低速區(qū)電機(jī)也可以輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。變頻調(diào)速調(diào)速范圍廣，調(diào)速平滑性能好，機(jī)械特性較硬，可以方便的實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，整個(gè)調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速相媲美。

3 PLC與變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速（以七段速為例）

七段速控制就是在變頻器中通過參數(shù)設(shè)置設(shè)定七個(gè)頻率，即七個(gè)速度，利用變頻器的3個(gè)速度端子RH、RM、RL進(jìn)行組合（001 ～111），通過PLC編程、接線，從而得到多段速控制。具體做法是：將變頻器調(diào)至PU并進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模式，把7個(gè)速度參數(shù)分別設(shè)置到P4、P5、P6、P24、P25、P26、P27中，設(shè)定合適的加減速時(shí)間后，調(diào)至EXT模式；利用PLC編程，通過Y0、Y1、Y2進(jìn)行組合（001 ～111）得到7種狀態(tài)，經(jīng)外圍接線與RH、RM、RL三個(gè)端子相連，從而實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器結(jié)合實(shí)現(xiàn)七段速控制。需要注意的是：為避免變頻器先前參數(shù)的設(shè)置對本次使用有影響，可先將變頻器恢復(fù)出廠設(shè)置，再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，若變頻器在恢復(fù)過程中出現(xiàn)Er.4，說明變頻器當(dāng)前的運(yùn)行模式錯(cuò)誤，應(yīng)切換為PU模式；若變頻器在恢復(fù)過程中出現(xiàn)Er.2，說明變頻器禁止運(yùn)行中寫入此參數(shù)，需要將變頻器停止運(yùn)行，再設(shè)置參數(shù)。更多解析可借助變頻器配套的使用手冊。

4 PLC的選擇

在PLC的選擇上，系統(tǒng)工藝流程特點(diǎn)和應(yīng)用要求是選型的主要依據(jù)，同時(shí)綜合I/O點(diǎn)數(shù)、存儲器容量、各項(xiàng)控制功能及性價(jià)比等各方面因素來確定。選用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N-48MT系列高功能整體式小型PLC，在容量、速度、特殊功能、網(wǎng)絡(luò)功能等方面都有一定的加強(qiáng)，它采用模塊組合式結(jié)構(gòu)，各工作單元是相對獨(dú)立的模塊，具有較強(qiáng)的互換性，可用于代替繼電器的簡單控制場合，也可用于復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)。該P(yáng)LC可靠性高，可用梯形圖及SFC進(jìn)行編程，指令豐富，指令功能強(qiáng)，內(nèi)置有高速計(jì)數(shù)器、RS-485通信接口等。

5 變頻器的選擇

首先要確定在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中使用變頻器的目的，根據(jù)目的來選擇最優(yōu)的變頻器。再根據(jù)機(jī)械的類型、調(diào)速范圍、速度響應(yīng)時(shí)間、控制精度及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等要求，選擇適合型號的變頻器。若選擇不當(dāng)，會出現(xiàn)變頻器運(yùn)行不正常，甚至引發(fā)設(shè)備故障，影響運(yùn)行效率。現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交-直-交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），變頻器實(shí)際上就是一個(gè)逆變器，先是將輸入的工頻交流電通過整流電路變?yōu)橹绷麟姡罄媚孀冸娐穼⒅绷髦虚g電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為電壓、頻率均可調(diào)的交流電壓，實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的變頻調(diào)速控制。本文選用日本三菱生產(chǎn)的E700類型變頻器，他的優(yōu)點(diǎn)是：①功率范圍：0.1 ～15KW ②先進(jìn)磁通矢量控制，0.5Hz時(shí)200%轉(zhuǎn)矩輸出③擴(kuò)充PID，柔性PWM④內(nèi)置Modbus-RTU協(xié)議⑤停止精度提高⑥加選件卡FR-A7NC，可以支持CC-Link通訊，能夠滿足實(shí)訓(xùn)室實(shí)訓(xùn)的要求。

6 硬件設(shè)計(jì)

變頻器的主電路端子R、S、T與工頻電源L1、L2、L3連接，輸出端子U、V、W與電動(dòng)機(jī)連接；控制電路端子STF、STR、RH、RM、RL、RES、MRS、SD等端子，利用信號傳輸線及配套任務(wù)模型接出，并與PLC輸出端子Y相連，如下圖2所示，通過PLC編程，實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

圖2 任務(wù)模型及信號傳輸線

7 程序設(shè)計(jì)

在程序設(shè)計(jì)部分，共包括兩方面內(nèi)容，分別是變頻器的參數(shù)設(shè)置及PLC程序的編寫。對于三菱FR-E700系列的變頻器，參數(shù)直接通過操作面板進(jìn)行設(shè)置，操作相對簡單，所需設(shè)置的參數(shù)有：上限頻率Pr.1、1速Pr.4、2速Pr.5、3速Pr.6、4速Pr.24、5速Pr.25、6速Pr.26、7速Pr.27、加速時(shí)間Pr.7、減速時(shí)間Pr.8、電子過流保護(hù)Pr.9等。設(shè)置好參數(shù)后，進(jìn)行PLC的程序編寫、接線及調(diào)試。

8 結(jié)束語

將PLC與變頻器相結(jié)合控制交流電機(jī)的調(diào)速需要硬件軟件相結(jié)合進(jìn)行控制，在此過程中涉及變頻器主控電路端子的基礎(chǔ)知識，變頻器面板基礎(chǔ)操作及參數(shù)設(shè)置操作，變頻器與PLC外圍電路的接線、與工頻電源及電機(jī)的接線，PLC控制程序的編寫（梯形圖、SFC）等，在實(shí)際應(yīng)用中，PLC與變頻器的品牌、型號會有一定的不同，那么在具體的操作上也將有所變化，要能夠舉一反三，才能夠靈活運(yùn)用。