【文章內(nèi)容簡介】 結(jié)構(gòu)圖如圖 ，變頻器由主回路，包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器和控制回路組成，現(xiàn)將各部分的功能分述如下： 圖 交 直 交變頻 器基本結(jié)構(gòu) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 8 (2)直流中間電路。直流中間電路的作用是對整流電路的輸出進行平滑，以保證逆變電路及控制電源得到質(zhì)量較高的直流電源。由于逆變器的負載多為異步電動機，屬于感性負載。無論是電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)其功率因數(shù)總不會為 1。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件 (電容器或電抗器 )來緩沖。所以又常稱直流中間環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。 (3)逆變器。負載側(cè)的變流器為逆變器。逆變器的主要作用是在控制電路的控制下將直流平滑輸出電路的直流電源轉(zhuǎn)換為頻率及電壓 都可以任意調(diào)節(jié)的交流電源。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出。 (4)控制電路。變頻器的控制電路包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路及保護電路等幾個部分。其主要任務(wù)是完成對逆變器的開關(guān)控制，對整流器的電壓控制及完成各種保護功能?？刂齐娐肥亲冾l器的核心部分．性能的優(yōu)劣決定了變頻搏的性能。 一般三相變頻器的整流電路由三相全波整流橋組成．在整流電路是電流源時是大容量的電感。為了電動機制動的需要，中間電路中有時還包括制動電阻及一些輔助電路。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三 相交流輸出?，F(xiàn)代變頻器控制電路的核心器件是微型計算機，全數(shù)字化控制為變頻器的優(yōu)良性能提供了硬件保障。圖 。 圖 電壓型變頻器和電流型變頻器主電路基本結(jié)構(gòu) （ 1）電壓型變頻器主電路； (2)電流型變頻器主電路 電源 M~ 電動機 平 滑 電 容 + M~ 電動機 平滑電感 電源 （ 1） （ 2） 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 9 變頻器的分類及工作原理 變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流、濾波、逆變、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達到改變電 源電壓的目的，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。 變頻器的較詳細的工作原理還與變頻器的工作方式有關(guān)，通用變頻器按工作方式分類如下： （ 1） fU 控制。 fU 控制即電壓與頻率成比例變化控制。 由于通用變頻器的負載主要是電動機，出于電動機磁場恒定的考慮，在變頻的同時都要伴隨著電壓 的調(diào)節(jié)。 fU 控制由于忽略了電動機漏阻抗的作用，在低頻段工作特性不理想。因而實際變頻器中采用 fE 控制。采用 fU 控制方式的變頻器通常被稱為普通功能變頻器。 （ 2）轉(zhuǎn)差頻率控制。轉(zhuǎn)差頻率控制是在 fE 控制基礎(chǔ)上增加轉(zhuǎn)差控制 的一種控制方式。從電動機的轉(zhuǎn)速角度看，這是一種以電動機的實際運行速度加上該速度下電動機的轉(zhuǎn)差頻率確定變頻器的輸出頻率的控 制方式。更重要的是，在 fE =常數(shù)的條件下，通過對轉(zhuǎn)差率的控制，可以實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩的控制。采用轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻器通常屬于多功能型變頻器。 （ 3）矢量控制。矢量控制是受調(diào)速性能優(yōu)良的直流電動機磁場電流及轉(zhuǎn)矩電流可分別控制啟發(fā)而設(shè)計的一種控制方式。矢量控制將交流電動機的定子電流采用矢量分解的方法，計算出定子電流的磁場分量及轉(zhuǎn)矩分量，并分別控制，從而大大提高了變頻器對電動機轉(zhuǎn)速及力矩控制的精度及性能。采用矢量控制的變頻器通常稱為高功能變頻器。 變頻器選擇的 方法 在變頻器的選擇過程中首先要考慮工作環(huán)境，從而選擇合適的箱體結(jié)構(gòu)。要考慮到溫度、濕度、粉塵、酸堿度、腐蝕性氣體等因素。其次要使變頻器的功率適用于電機，可通過計算集電極的效率與變頻效率的乘積來確定應(yīng)選擇的變頻器額定功率。但是大多數(shù)的變頻器的廠商會將變頻器的適用功率可以直接選擇。 變頻器硬件選擇 根據(jù)設(shè)計要求，變頻器選用三菱 FR740 變頻器 FRA74015KCH 產(chǎn)品。該黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 10 產(chǎn)品可以和三菱 PLC 工作協(xié)調(diào)。適配電機 15 kW，該變頻器基本配置中帶有 PID功能。通過變頻器面板設(shè)定一個給定頻率作 為壓力給定值，壓力傳感器反饋來的壓力信號 (0～ 10 V)接至變頻器的輔助輸入端 FI、 FC，作為壓力反饋，變頻器根據(jù)壓力給定和實測壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速，控制管網(wǎng)壓力保持在給定壓力值上。 M M2 為變頻器的極限輸出頻率的檢測輸出信號端，該信號進PLC，作為泵變頻與工頻切換的控制信息之一，變頻器的極限輸出頻率通過面板可以設(shè)定。 MA、 MC 為變頻器發(fā)生故障的輸出信號，該兩端連接信號燈，以顯示變頻器故障，變頻器面板上有故障復(fù)位按鍵，輕故障用復(fù)位按鍵復(fù)位，可重新啟動變頻器。 S1 和 S2 短接，并與 S3 連接到 PLC 的輸出點上，由 PLC 控制變頻器的運行與關(guān)斷； U、 V、 W 輸出端并聯(lián)三個接觸器分別接 M M M3 泵電機，變頻器可分別驅(qū)動三臺泵，另外這三臺泵電機還通過另外三個接觸器并聯(lián)到工頻電源上，這 6 個接觸器線包連接到 PLC 的四個輸出點上，由 PLC 控制其工頻、變頻切換工作。 通過變頻器面板設(shè)定一個給定頻率作為壓力給定值 (14端 )，壓力傳感器反饋來的壓力信號 (0～ 10V)接至變頻器端子的 7端、 8端，作為壓力反饋，變頻器根據(jù)壓力給定和實測壓力，調(diào)節(jié)輸出頻率，改變水泵轉(zhuǎn)速。變頻器端子的 19端和 20端是傳感器壓力設(shè)定的上、下限值 ，該信號進 PLC，作為工頻切換的控制信息，由 PLC控制水泵的工頻或變頻運行。圖 33為變頻器在電路中的接線圖。 圖 三菱 FR740變頻器 FRA74015KCH在電路中的接線圖 壓力傳感器 的選型 壓力傳感器的選型應(yīng)注意以下幾點： R S T S1 U S2 V S3 W VVVF FI FC M1 M2 M3 M4 接 PLC 接 PLC 接指示燈 接 電 機 ~380V 7 8 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 11 確定溫度范圍，通常一個壓力傳感器會標定兩個溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補償?shù)姆秶?。正常操作溫度范圍是指壓力傳感器在工作狀態(tài)下不被破壞的時候的溫度范圍，在超出溫度補償范圍時，可能會達不到其應(yīng)用的性能指標。溫度補償范 圍是一個比操作溫度范圍小的典型范圍； 明白傳感器的輸出信號，壓力傳感器有 mV 、 V、 mA 及頻率輸出和數(shù)字輸出等多種類型，選擇怎樣的輸出取決于多種因素，包括壓力傳感器與系統(tǒng)控制器或顯示器間的距離，是否存在“電氣噪聲”或其他干擾信號。 ； 熟悉測量壓力類型，首先我們必須確定系統(tǒng)中要確認測量壓力的最大值。因為我們需要選擇一個具有比最大值還要大 倍左右的壓力量程的變送器。 壓力傳感器 在智能系統(tǒng)中檢測是非常重要的一部分，它將檢測到控制量反饋給系統(tǒng)，才能實現(xiàn)自動控制，給系統(tǒng)所用的檢測的是水壓，這個系統(tǒng) 中選用壓力傳感器，它的作用是通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成4～ 20mA 變化的電流信號或 0～ 10V 間變化的電壓信號的標準信號送入 PLC 的端口進行 PID 調(diào)節(jié)，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得出一個調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使供水系統(tǒng)管網(wǎng)中的壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過 PLC 控制切換器進行加減泵。根據(jù)用水量的大小由 PLC 控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實現(xiàn)恒壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這樣 就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。 供水系統(tǒng)的壓強是 gh??P ，下面單位都是估計標準單位 310?? ， g=，一般情況下， h60 米，所以本系統(tǒng)供水系統(tǒng)輸出壓力一般小于或等于 ，系統(tǒng)選用 YTZ150 型帶電接點式的壓力傳感器，其水壓檢測范圍為 0～ 1MPa，檢測精度為土 ，該傳感器將 0～ 1MPa 范圍的壓力對應(yīng)轉(zhuǎn)換成 0～ 10V 的電信號。該傳感器還具有體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的特點。 本章主要介紹了變頻器的基本組成以及工作原理。通用變頻器按工作方式分類的主要工程意義在于各類變頻器對負載的適應(yīng)性。普通功能型變頻器適用于泵類負載及要求不高的反抗性負載，而高功能變頻器可適用于位能性負載。所以在恒 壓 供水系統(tǒng)的變頻器選用中使用普通功能型變頻器采用 fU 控制方式。另外壓力傳感器的選擇要 注意壓力傳感器使用的溫度范圍；輸出信號能與 PLC的擴展模塊匹配；壓力傳感器的壓力范圍的最大值要比實際估算的壓力值大 。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 12 第 4章 PLC選型及應(yīng)用 PLC 在恒 壓供水泵站中的作用 (1)代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字式 PID調(diào)節(jié)一只傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器往往只能實現(xiàn)一路 PID設(shè)置，用 PLC作調(diào)節(jié)器可同時實現(xiàn)多路 PID設(shè)置在多功能供水泵站的各類情況中 PID參數(shù)可能不一樣，使用 PLC作數(shù)字式調(diào)節(jié)器就十分方便。 (2)控制水泵的運行與切換。在多泵組恒壓供水泵站中，為了使設(shè)備均勻地磨損，水泵及電機是輪換工作的。在設(shè)單一變頻器的多泵組泵站中，如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵，主泵也是輪流擔(dān)任的。主泵在運行時達到最高頻率時。增加一臺工頻泵投入運行 PLC則 是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備。 (3)變頻器的驅(qū)動控制。恒壓供水泵站中變頻器常常采用模擬量控制方式，這需采 PLC的模擬量控制模塊，該模塊的模擬量輸入端接受傳感器送來的模擬信號。輸出端送出經(jīng)給定值與反饋值比較并經(jīng) PID處理后得出的模擬量控制信號，并依此信號的變化改變變頻器的輸出頻率。 (4)泵站的其他邏輯控制。除了泵組的運行管理工作外，泵站還有許多邏輯控制工作，如手動、自動操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等，這些都可以在 PLC的控制程序中安排。 PLC 選型方法 在 PLC 系統(tǒng) 設(shè)計時，首先應(yīng)確定控制方案，下一步工作就是 PLC 工程設(shè)計選型。工藝流程的特點和應(yīng)用要求是設(shè)計選型的主要依據(jù)。 PLC 及有關(guān)設(shè)備應(yīng)是集成的、標準的，按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴充其功能的原則選型所選用 PLC 應(yīng)是在相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域有投運業(yè)績、成熟可靠的系統(tǒng)， PLC 的系統(tǒng)硬件、軟件配置及功能應(yīng)與裝置規(guī)模和控制要求相適應(yīng)。熟悉可編程序控制器、功能表圖及有關(guān)的編程語言有利于縮短編程時間，因此，工程設(shè)計選型和估算時，應(yīng)詳細分析工藝過程的特點、控制要求，明確控制任務(wù)和范圍確定所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估 算輸入輸出點數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC 的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇有較高性能價格比的 PLC 和設(shè)計相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 輸入輸出（ I/O）點數(shù)的估算 I/O 點數(shù)估算時應(yīng)考慮適當?shù)挠嗔浚ǔ８鶕?jù)統(tǒng)計的輸入輸出點數(shù)，再增加黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計 13 10%～ 20%的可擴展余量后，作為輸入輸出點數(shù)估算數(shù)據(jù)。實際訂貨時，還需根據(jù)制造廠商 PLC 的產(chǎn)品特點，對輸入輸出點數(shù)進行圓整。 存儲器容量的估算 存儲器容量是可編程序控制器本身能提供的硬件存儲單元大小，程序容量是存儲器中用戶應(yīng)用項目使用的存儲單元的大小 ，因此程序容量小于存儲器容量。設(shè)計階段，由于用戶應(yīng)用程序還未編制，因此，程序容量在設(shè)計階段是未知的，需在程序調(diào)試之后才知道。為了設(shè)計選型時能對程序容量有一定估算，通常采用存儲器容量的估算來替代。 存儲器內(nèi)存容量的估算沒有固定的公式，許多文獻資料中給出了不同公式，大體上都是按數(shù)字量 I/O 點數(shù)的 10～ 15 倍，加上模擬 I/O 點數(shù)的 100 倍，以此數(shù)為內(nèi)存的總字數(shù)（ 16 位為一個字），另外再按此數(shù)的 25%考慮余量。 控制功能的選擇 該選擇包括運算功能、控制功能、通信功能、編程功能、診斷功能和處 理速度等特性的選擇。 簡單 PLC 的運算功能包括邏輯運算、計時和計數(shù)功能；普通 PLC 的運算功能還包括數(shù)據(jù)移位、比較等運算功能；較復(fù)雜運算功能有代數(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送等；大型 PLC 中還有模擬量的 PID 運算和其他高級運算功能。隨著開放系統(tǒng)的出現(xiàn)，目前在 PLC 中都已具有通信功能，有些產(chǎn)品具有與下位機的通信，有些產(chǎn)品具有與同位機或上位機的通信，有些產(chǎn)品還具有與工廠或企業(yè)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信的功能。設(shè)計選型時應(yīng)從實際應(yīng)用的要求出發(fā)，合理選用所需的運算功能。大多數(shù)應(yīng)用場合，只需要邏輯運算和計時計數(shù)功能 ，有些應(yīng)用需要數(shù)據(jù)傳送和比較，當用于模擬量檢測和控制時，才使用代數(shù)運算，數(shù)值轉(zhuǎn)換和 PID 運算