第2章 熟知典型三菱FR-A500系列通用变频器的操作应用
2.1 通用变频器的基本操作应用
2.1.1 通用变频器的认知
近年来,异步电动机的调速技术有了很大的提高,使得三相交流异步电动机在工农业生产中得到了迅速的推广应用。一般机械设备中的电动机调速框图如图2-1所示,常用的调速方法有:变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等。随着工农业生产对调速性能要求的不断提高和电力电子技术和微电子技术的迅速发展,变频调速技术日趋成熟,变频器调速框图如图2-2所示。
图2-1 一般机械设备中的电动机调速框图
图2-2 变频器调速框图
在交流异步电动机的诸多调速方法中,变频器调速的性能最好,调速范围宽,静态特性好,运行效率高。采用通用变频器对笼式异步电动机进行速度控制,其使用方便、可靠性高、经济效益显著,现已逐步得到推广应用,那么,变频器是由哪些部分组成的?它是如何实现变频器调速的?如何进行拆卸和安装?要操作应用变频器需要掌握它的一些相关知识。
(1)通用变频器
①变频器的组成部件 变频器从外部结构来看,有开启式和封闭式两种。开启式的散热性能好,但接线端子外露,适用于电气柜内部的安装;封闭式的接线端子全部在内部,不打开盖子是看不见的。下面以封闭式变频器为例来进行说明。
a.变频器的外部特征 如图2-3所示,中间有按键和显示窗的部件是参数单元,也叫操作单元,左上角有两个指示灯,上面是电源指示灯,下面是报警指示灯,电源进线和电动机的出线孔在变频器的下部,图中看不见。
图2-3 变频器的外观
b.变频器前盖板及操作面板 拆卸前盖板和操作面板后看到的结构,如图2-4所示。
图2-4 拆去前盖板后的变频器
②通用变频器的铭牌 通用变频器的铭牌位置和有关内容如图2-5所示。
图2-5 通用变频器的铭牌
③外观和结构 变频器的外观和结构如图2-6所示。
图2-6 变频器的外观和结构
1—电源灯;2—报警灯;3—操作面板(FR-DU04);4—制动电阻(安装在背面,7.5kW以下变频器装有内置制动电阻);5—辅助盖扳;6—选件接线口;7—前盖板;8—定额铭牌;9—容量铭牌;10—PU接口(具体有标准插座型转换接口,用于FR-485电缆);11—标准插座型转换接口隔间;12—内置选件安装位置;13—控制回路端子排;14—主回路端子排;15—接线盖
④前盖板的拆卸与安装
a.拆卸 前盖板的拆装如图2-7所示,步骤如下。
图2-7 前盖板的拆装
·手握着前盖板上部两侧向下推。
·握着向下的前盖板向身前拉,就可将其拆下[带着PU(FR-DU04/FR-PU04)时也可以连参数单元一起拆下]。
b.安装 步骤如下。
·将前盖板的插销插入变频器底部的插孔中。
·以安装插销部分为支点将盖板完全推入机身。
注意:安装前盖板前应拆去操作面板;为确保安全,请断开电源再拆卸和安装。
⑤操作面板的拆卸与安装
a.拆卸 操作面板的拆装如图2-8所示。一边按着操作面板上部的按钮,一边拉向身前,即可拆下。
图2-8 操作面板的拆装
b.安装 安装时,垂直插入并牢固装上。使用连接电缆的安装如图2-9所示,步骤如下。
图2-9 连接电缆的安装
·拆去操作面板。
·拆下连接标准插座转换接口(将拆下的标准插座转换接口放置在标准插座转换接口隔间处)。
·将电缆的一端牢固插入机身的插座上,将另一端插到凹槽内。
注意:请不要在拆下前盖板的状态下安装操作面板。
(2)变频器的内部结构
变频器内部结构框图如图2-10所示。
图2-10 变频器内部结构框图
1)主控电路
①主控电路的基本任务
a.接收各种信号
·在功能预置阶段,接收各功能的预置信号。
·接收从键盘或外接输入端子输入的给定信号。
·接收从外接输入端子输入的控制信号。
·接收从电压、电流采样电路以及其他传感器输入的状态信号。
b.进行基本运算
最主要的运算包括:
·进行矢量控制运算或其他必要的运算。
·实时地计算出SPWM波形各切换点的时刻。
c.输出计算结果
·输出至逆变器件模块的驱动电路,使逆变器件按给定信号及预置要求输出SPWM电压波。
·输出至显示器,显示当前的各种状态。
·输出至外接输出控制端子。
②主控电路的其他任务
a.实现各项控制功能,接收从键盘和外接输入端子输入的各种控制信号、SPWM信号,对负载进行启动、停止、升速、降速、点动等控制。
b.实现各项保护功能,接收从电压、电流采样电路以及其他传感器(如温度传感器)输入的信号,结合功能中预置的限值,进行比较和判断,如认为已经出现故障,则:
·停止发出SPWM信号,使变频器中止输出;
·向输出控制端输出报警信号;
·向显示器输出故障原因信号。
2)控制电源、采样及驱动电路
①控制电源 控制电源为以下各模块提供稳压电源。
a.主控电路 主控电路以微型计算机电路为主体,要求控制电源为其提供稳定性非常高的0~+5V电源。
b.外控电路
·为给定电位器提供电源,通常为0~5V或0~10V;
·为外接传感器提供电源,通常为0~24V。
②采样电路 采样电路的主要作用是提供控制用数据和保护采样。
a.提供控制用数据。尤其是进行矢量控制时,必须测定足够的数据,提供给微型计算机进行矢量控制运算。
b.提供保护采样。将采样值提供给各保护电路(在主控电路内)并与其极限值进行比较,必要时采取跳闸等保护措施。
③驱动电路 驱动电路主要用于驱动各逆变管。如逆变管为GTR,则驱动电路还包括以隔离变压器为主体的专用驱动电源。但现在大多数中、小容量变频器的逆变管都采用IGBT管,逆变管的控制极和集电极、发射极之间是隔离的,不再需要隔离变压器,故驱动电路常和主控电路在一起。
3)整流电路和逆变电路
①整流电路 整流电路的功能是将交流电转换为直流电,变频器中应用最多的是三相桥式整流电路。按使用的器件不同,整流电路可分为不可控整流电路和可控整流电路,如图2-11所示。不可控整流电路使用的器件为电力二极管(PD),可控整流电路使用的器件通常为普通晶闸管(SCR)。下面来认识这两种电力电子器件,在使用时要查有关使用手册。
图2-11 三相桥式整流电路
a.电力二极管(PD),指可以承受高电压大电流且具有较大耗散功率的二极管。电力二极管的内部结构是一个PN结,加正向电压导通,加反向电压截止,是不可控的单向导通器件。电力二极管与普通二极管的结构、工作原理和伏安特性相似,但它们的主要参数和选择原则不尽相同。电力二极管的图形符号和外形如图2-12所示,其中A为阳极、K为阴极,其伏安特性如图2-12(d)所示。其主要参数有正向平均电流IF、反向重复峰值电压URRM、反向不重复峰值电压URSM和正向平均电压UF等。
图2-12 电力二极管的图形符号和外形
b.普通晶闸管(SCR)是双极型电流控制器件,其图形符号和外形如图2-13所示,其中,A为阳极、K为阴极、G为门极,其伏安特性如图2-13(d)所示。当对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压,同时在它的门极和阴极两端也适当加正向电压时,晶闸管开通。但导通后门极失去控制作用,不能用门极控制晶闸管关断,所以它是半控器件。其主要参数有断态重复峰值电压UDRM、反向重复峰值电压URRM、通态平均电压UT(AV)、通态平均电流IT(AV)、维持电流IR、擎住电流IL、通态浪涌电流ITSM等。
图2-13 普通晶闸管的图形符号和外形
②逆变电路 逆变电路的功能是将直流电转换为交流电,变频器中应用最多的是三相桥式逆变电路,如图2-14所示。它是由电力晶体管(CTR)组成的三相桥式逆变电路,该电路关键是对开关器件电力晶体管进行控制。目前,常用的开关器件有门极可关断晶闸管(CTO)、电力晶体管(CTR或BJT)、功率场效应晶体管(P-MOSFET)以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。下面逐一简要介绍,在使用时再详查有关使用手册。
图2-14 三相桥式逆变电路
a.门极可关断晶闸管(GTO)的开通控制与晶闸管一样,但门极加负电压可使其关断,具有自关断能力,属于全控器件。GTO晶闸管的结构和图形符号如图2-15所示,其中,A为阳极、K为阴极、G为门极,它的外形与普通晶闸管一样,其开关特性示意图如图2-16所示,图td为延迟时间、tr为上升时间、ts为储存时间、tf为下降时间、tt为尾部时间。其多数参数与普通晶闸管相同,另外还有最大可关断阳极电流和关断增益Goff等参数。
图2-15 GTO晶闸管的结构和图形符号
图2-16 GTO的开关特性示意图
b.电力晶体管(GTR)通常又称为双极型晶体管(BJT),是一种大功率高反压晶体管,属于全控型器件。其工作原理与普通中、小功率晶体管相似,但主要工作在开关状态,不用于信号放大,它所承受的电压和电流数值大。GTR作为大功率开关应用最多的是GTR模块,其结构和外形如图2-17所示,其中,B为基极、C为集电极、E为发射极。主要参数有反向击穿电压UCEO、最大工作电流ICM、集电极最大耗散功率PCM、开通时间ton、关断时间Ioff等。
图2-17 GTR模块的结构和外形
c.电力MOS场效应晶体管(P-MOSFET)是单极型全控器件,属于电压控制,具有驱动功率小、控制线路简单、工作频率高的特点,其结构和图形符号如图2-18所示,其中,G为栅极、D为漏极、S为源极。P-MOSFET的转移特性如图2-19所示,当uGS<UT时,iD近似为零;当uGS>UT时,随着uGS的增大iD也增大,当iD较大时,iD与uGS的关系近似为线性。P-MOSFET的输出特性如图2-20所示,输出特性分为可调电阻区Ⅰ、饱和区Ⅱ和雪崩区Ⅲ三个区域。在可调电阻区Ⅰ中,器件的阻值是变化的。在饱和区Ⅱ,当uGS不变时,iD几乎不随uDS的增加而增加,近似为一常数。P-MOSFET用作线性放大时,就工作在该区。在雪崩区Ⅲ,当uDS增加到某一数值时,漏极PN结反偏,电压过高,发生雪崩击穿,漏极电流iD突然增加,造成器件损坏,使用时应避免出现这种情况。P-MOSFET的主要参数有漏极击穿电压βUDS、漏极连续电流ID、漏极峰值电流IDM、栅源击穿电压βUGS,开启电压UT、极间电容和通态电阻Ron等。
图2-18 P-MOSFET的结构和图形符导
图2-19 P-MOSFET的转移特性
图2-20 P-MOSFET的输出特性
d.绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是复合型全控器件,具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等优点,是功率开关电源和逆变器的理想电力半导体器件,其结构和图形符号如图2-21所示,其中,G为栅极、C为集电极、E为发射极。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时,P-MOSFET内形成沟道,IGBT导通;当栅极加负电压时,P-MOSFET内的沟道消失,IGBT关断。其传输特性如图2-22(a)所示,当uGE小于开启电压UGE(th)时,IGBT处于关断状态;当uGE大于开启电压UGE(th)时,IGBT开始导通,iC与uCE基本呈线性关系。其输出特性如图2-22(b)所示,该特性描述以栅射电压uGE为控制变量时,集电极电流iC与集射极间电压uCE之间的相互关系。IGBT输出特性可分为三个区域:正向阻断区、有源区、饱和区。IGBT的主要参数有集电极-发射极击穿电压UCES、栅极-发射极击穿电压UGES、集电极额定最大直流电流IC、集电极-发射极间的饱和压降UCE(Sat)和开关频率等。
图2-21 IGBT模块的外形、结构示意图、图形符号
图2-22 IGBT的静态特性
4)变频器的内部布置 以三菱通用变频器为例,其内部的大致布置如图2-23所示。图中左侧是电容器和接触器;右侧分若干层,上层是主控板,主控板的下面安装主电路的一些部件,如逆变桥、整流桥等;底部有较厚的散热层,此外还有冷却风扇(图中未画出)和端子板等。
图2-23 变频器的内部布置
(3)变频器的工作原理
1)变频调速的基本控制方式 异步电动机的同步转速,即旋转磁场的转速为:
(2-1)
式中,n1为同步转速,r/min;f1为定子电源频率,Hz;p为磁极对数。
异步电动机的轴转速为:
(2-2)
式中,S为异步电动机的转差率,S=(n1-n)/n1。
改变异步电动机的供电频率,可以改变其同步转速,实现调速运行。
对异步电动机进行调速控制时,希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱,则铁芯利用不充分,同样的转子电流下,电磁转矩小,电动机的负载能力下降;磁通太强,则处于过励磁状态,励磁电流过大,这就限制了定子电流的负载分量,为使电动机不过热,负载能力也要下降。异步电动机的气隙磁通(主磁通)是由定、转子合成磁动势产生的,下面说明如何才能使气隙磁通保持恒定。
由电动机理论可知,三相异步电动机定子每相电动势的有效值为:
E1=4.44f1N1Φm (2-3)
式中,E1为旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势,V;f1为定子电流频率,Hz;N1为定子相绕组有效匝数;Φm为每极磁通量,Wb。
由式(2-3)可见,Φm的值是由E1和f1共同决定的,对E1和f1进行适当的控制,就可以使气隙磁通Φm保持额定值不变。下面分两种情况说明。
①基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑从基频(电动机额定频率f1N)向下调速的情况。为了保持电动机的负载能力,应保持气隙主磁通Φm不变,这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势,保持E1/f1=常数,即保持电动势与频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速,属于恒转矩调速方式。
但是,E1难于直接检测和直接控制。当E1和f1的值较高时,定子的漏阻抗压降相对比较小,如忽略不计,则可以近似地保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数,即认为U1=E1,保持U1/f1=常数即可,这就是恒压频比控制方式,是近似的恒磁通控制。
当频率较低时,E1和U1都较小,定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能再忽略。这种情况下,可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电压降的影响,使气隙磁通基本保持不变。如图2-24所示,其中,1为U1/f1=C时的电压/频率关系;2为有电压补偿时(近似的E1/f1=C)的电压/频率关系。实际装置中U1与f1的函数关系并不简单地如曲线2所示。通用变频器中U1与f1之间的函数关系有很多种,可以根据负载性质和运行状况加以选择。
图2-24 U/f控制关系
②基频以上的弱磁变频调速 这是考虑由基频开始向上调速的情况。频率由额定值f1N向上增大,但电压U1受额定电压U1N的限制不能再升高,只能保持U1=U1N不变,这样必然会使主磁通随着f1的上升而减小,相当于直流电动机弱磁调速的情况,属于近似的恒功率调速方式。
综合上述两种情况,异步电动机变频调速的基本控制方式如图2-25所示。
图2-25 基本控制方式
由上面的讨论可知,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,即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源,实现所谓的VVVF(Variabie Voltage Variable Freqency)调速控制。通用变频器可适应这种异步电动机变频调速的基本要求。
2)变频器的基本构成 变频器可分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电,交-交变频器又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电,再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电,交-直-交变频器又称为间接式变频器。下面以交-直-交变频器为例来进行说明。
交-直-交变频器的基本构成如图2-26所示,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。
图2-26 交-直-交变频器的基本构成
①整流器 电网侧的变流器Ⅰ是整流器,它的作用是将三相(也可以是单相)交流电转换成直流电。
②逆变器 负载侧的变流器Ⅱ为逆变器。最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断,可以得到任意频率的三相交流电输出。
③中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机,属于感性负载,无论电动机处于电动或发电制动状态,其功率因数总不会为1,因此,在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲,所以又称中间直流环节为中间直流储能环节。
④控制电路 控制电路通常由运算电路、检测电路、控制信号输入/输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及各种保护功能等,其控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制,采用尽可能简单的硬件电路,靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性,数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。
3)变频器的分类 这里仍主要介绍交-直-交变频器按不同角度进行的分类。
①按直流电源的性质分类 当逆变器输出侧的负载为交流电动机时,在负载和电源之间将有无功功率交换。用于缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感,据此,将变频器分为电流型变频器和电压型变频器两大类。
a.电流型变频器 电流型变频器主电路的典型结构如图2-27所示。其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节,无功功率将由该电感来缓冲。由于电感的作用,直流电流Id趋于平稳,电动机的电流波形为方波或阶梯波,电压波形接近于正弦波。直流电源的内阻较大,近似于电流源,故称为电流源型变频器或电流型变频器。这种电流型变频器,其逆变器中晶闸管每周期工作120°,属于120°导电型。
图2-27 电流型变频器主电路
电流型变频器的一个较突出的优点是,当电动机处于再生发电状态时,回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网,不需在主电路内附加任何设备,只要利用电网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性(控制角α>90°)即可。
这种电流型变频器可用于频繁加、减速的大容量电动机的传动,在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。
b.电压型变频器 电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图2-28所示,其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。图中逆变器的每个导电臂,均由一个可控开关器件和一个不可控器件(二极管)反并联组成。晶闸管VT1~VT6称为主开关器件,VD1~VD6称为回馈二极管。
图2-28 电压型变频器的主电路
这种变频器在大多数情况下采用6脉波运行方式,晶闸管在一个周期内导通180°。该电路的特点是:中间直流环节的储能元件采用大电容,负载的无功功率将由它来缓冲。由于大电容的作用,主电路直流电压Ed比较平稳,电动机端的电压为方波或阶梯波。由于直流电源内阻比较小,相当于电压源,故称为电压源型变频器或电压型变频器。
对负载电动机而言,变频器是一个交流电压源,在不超过容量限度的情况下,可以驱动多台电动机并联运行,具有不选择负载的通用性。其缺点是电动机处于再生发电状态时,回馈到直流侧的无功能量难以回馈给交流电网。要实现这部分能量向电网的回馈,必须采用可逆变流器。如图2-29所示,电网侧变流器采用两套全控整流器反并联。电动时由电桥Ⅰ供电,回馈时电桥Ⅱ作有源逆变运行(α>90°),将再生能量回馈给电网。
图2-29 再生能量回馈型电压型变频器
②按输出电压调节方式分类 变频调速时,需要同时调节逆变器的输出电压和频率,以保证电动机主磁通的恒定。对输出电压的调节主要有两种方式:PAW方式和PWM方式。
a.脉冲幅值调制变频器 脉冲幅值调制方式(Puise Amplitude Modulation)简称PAM方式,是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。在此类变频器中,逆变器只负责调节输出频率,而输出电压的调节则由相控整流器(见图2-29)或直流斩波器(见图2-30)通过调节直流电压Ed去实现。采用相控整流器调压时,电网侧的功率因数随调节深度的增加而降低,而采用直流斩波器调压时,电网侧功率因数在不考虑谐波影响时,可以达到cosφ1=1。
图2-30 采用直流斩波器的PAM方式
PAM方式下,高压和低压时6脉冲方波逆变器的输出线电压波形如图2-31所示。
图2-31 输出电压波形
b.脉冲宽度调制变频器 脉冲宽度调制方式(Pulse Width Modulation)简称PWM方式。最常见的主电路如图2-32(a)所示。变频器中的整流部分采用不可控的二极管整流电路。变频器的输出频率和输出电压的调节均由逆变器按PWM方式来完成。
图2-32 PWM变频器
调压原理的示意图如图2-32(b)所示。利用参考电压波ur与载频三角波uc互相比较来决定主开关器件的导通时间而实现调压,即利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。这种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的SPWM方式,称为正弦PWM调制,简称SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)方式。通用变频器采用SP-WM方式调压,是一种最常采用的方案。
③按控制方式分类
a.U/f控制变频器 按照如图2-24所示的电压、频率关系对变频器的频率和电压进行控制,称为U/f控制方式。基频以下可以实现恒转矩调速。
U/f方式又称为VVVF控制方式,其简化的原理框图如图2-33所示。主电路中逆变器采用电力晶体管(BJT),用PWM方式进行控制。逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令f*和电压指令U,而U与f*之间的关系是由U/f曲线发生器(U/f模式形成)决定的。这样经PWM控制之后,变频器的输出频率f、输出电压U之间的关系,就是U/f曲线发生器所确定的关系。由图可见,转速的改变是靠改变频率的设定值f*来实现的。电动机的实际转速要根据负载的大小,即转差率的大小来决定。负载变化时,在f*不变的条件下,转子转速将随负载转矩变化而变化,故常用于调速精度要求不十分严格或负载变化较小的场合。
图2-33 U/f控制方式
U/f控制是转速开环控制,无须速度传感器,控制电路简单,负载可以是通用标准异步电动机。U/f控制方式通用性强,经济性好,是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式。
b.转差频率控制变频器 在没有任何附加措施的情况下,变频器为U/f控制方式,如果负载变化,转速也会随之变化,转速的变化量与转差率成正比。这时U/f控制的静态调速精度显然较差,为提高调速精度,常采用转差频率控制方式。
根据速度传感器的检测值,可以求出转差频率Δf,将其与速度设定值f*相叠加,以该叠加值作为逆变器的频率设定值,就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。与U/f控制方式相比,其调速精度大为提高。但是,使用速度传感器求取转差频率,要针对具体电动机的机械特性调整控制参数,因而这种控制方式的通用性较差。
c.矢量控制变频器 上述的U/f控制方式和转差频率控制方式的控制思想都是建立在异步电动机的静态数学模型上的,因此,动态性能指标不高。对于轧钢、造纸设备等对动态性能要求较高的场合,可以采用矢量控制变频器。
采用矢量控制方式的目的主要是提高变频调速的动态性能。根据交流电动机的动态数学模型,利用坐标变换的手段,将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流,并分别加以控制,即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式,对电动机的磁场和转矩分别进行控制,以获得类似于直流调速系统的动态性能。
4)脉宽调制技术 脉宽调制控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不等的脉冲,其脉冲宽度随正弦规律变化,用这些脉冲来代替正弦波所需要的波形。也就是在输出波形的一个周期中产生若干个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波状,所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可以改变输出频率的大小。
如图2-34所示的是电压型相控交-直-交型变频电路。为了使输出电压和输出频率都得到控制,变频器通常由一个可控整流电路和一个逆变电路组成,控制整流电路以改变输出电压,控制逆变电路以改变输出频率。图2-35所示为电压型PWM交-直-交型变频电路。图2-34中的可控整流电路在这里由不可控整流电路代替,逆变电路采用自关断器件。这种PWM型变频电路的主要特点有:可以得到相当接近正弦波的输出电压;整流电路采用二极管,可获得接近于1的功率因数;电路结构简单;通过控制输出脉冲宽度可改变输出电压,加快了变频过程的动态响应。
图2-34 相控交-直-交型变频器
图2-35 PWM交-直-交型变频器
基于上述原因,在自关断器件出现并成熟后,PWM控制技术获得了很快的发展,已成为电力电子技术中一个重要的组成部分。
①PWM控制的基本原理 在采样控制理论中有一个重要的结论:即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上,其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同,是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析,则它们的低频段特性非常接近,段略有差异。如图2-36所示,图(a)~(c)的面积(即冲量)都等于1。把它们分别加在具有相同惯性的同一环节上,输出响应基本相同。脉冲越窄,输出的差异越小。上述结论是SPWM控制的重要理论基础。下面来分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替正弦波。
图2-36 冲量相等形状不同的三种窄脉冲
把图2-37(a)所示的正弦半波波形分成N等份,就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等,都等于π/N,但幅值不等,且脉冲顶部不是水平直线,而是曲线,各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替,使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合,且使矩形脉冲和相应正弦部分面积(冲量)相等,就可得到图2-37(b)所示的脉冲序列,这就是PWM波形。可以看出,各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理,PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,也称为SPWM(Sinusoidal PWM)波形。
图2-37 PWM控制的原理示意图
在PWM波形中,各脉冲的幅值是相等的,要改变等效输出正弦波的幅值时,只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。因此,图2-35的交-直-交型变频器中,整流电路采用不可控的二极管电路即可,PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。
根据上述原理,在给出了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲数后,PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断,就可以得到所需要的PWM波形。但是,这种计算很烦琐,正弦波的频率、幅值等变化时,结果都会变化。较为实用的是采用调制的方法,即把所希望的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。一般采用等腰三角波作为载波,因为等腰三角波上下宽度与高度呈线性关系且左右对称,当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时,如果在交点时刻控制电路中开关器件的通断,就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲,这正好符合PWM控制要求。当调制信号波为正弦波时,所得到的波形就是SP-WM波形,这种情况使用最广,这里所介绍的PWM控制主要就是指SPWM控制。当调制信号不是正弦波时,也能得到与调制信号等效的PWM波形。
图2-38所示为采用电力晶体管作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路。假设负载为电感性,对各晶体管的控制按下面的规律进行:在正半周期,让晶体管VT1一直保持导通,而让晶体管VT4交替通断。当VT1和VT4都导通时,负载上所加的电压为直流电源电压Ud。当VT1导通而使VT4关断后,由于电感性负载中的电流不能突变,负载电流将通过二极管VD3续流,若忽略晶体管和二极管的导通压降,则负载上所加电压为零。如负载电流较大,那么直到使VT4再一次导通之前,VD3一直持续导通。如负载电流较快地衰减到零,在VT4再一次导通之前,负载电压也一直为零。这样,负载上的输出电压u0就可得到零和Ud交替的两种电平。同样,在负半周期,让晶体管VT2保持导通。当VT3导通时,负载被加上负电压-Ud,当VD3关断时,VD4续流,负载电压为零,负载电压u0可得到-Ud和零交替的两种电平。这样,在一个周期内,逆变器输出的PWM波形就由±Ud和0三种电平组成。
图2-38 单相桥式PWM逆变电路
控制VT4或VT3通断的方法如图2-39所示。载波uc在信号波ur的正半周为正极性的三角波,在负半周为负极性的三角波。调制信号ur为正弦波。在uc和ur的交点时刻控制晶体管VT4或VT3的通断,在ur的正半周,VT1保持导通,当ur>uc时使VT4导通,负载电压u0=Ud,当ur<uc时,使VT4关断,u0=0;在ur的负半周,VT1关断,VT2保持导通,当ur<uc时,使VT3导通,u0=-Ud,当ur>uc时,使VT3关断,u0=0。这样,就得到了SPWM波形。图中的虚线uof表示u0中的基波分量。像这种在ur的半个周期内三角波载波只在一个方向变化,所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。
图2-39 单极性PWM波形
与单极性PWM控制方式不同的是双极性PWM控制方式。图2-38所示的单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如图2-40所示。在双极性方式中,ur的半个周期内,三角波载波uc是在正负两个方向变化的,所得到的PWM波形也是在两个方向变化的。在ur的一个周期内,输出的PWM波形只有±Ud两种电平。仍然在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。在ur的正负半周,对各开关器件的控制规律相同,当ur>uc时,给晶体管VT1和VT4以导通信号,给VT2、VT3以关断信号,输出电压u0=Ud。当ur<uc时,给VT2、VT3以导通信号,给VT1和VT4以关断信号,输出电压u0=-Ud。可以看出,同一半桥上下两个桥臂晶体管的驱动信号极性相反,处于互补工作方式。在电感性负载的情况下,若VT1和VT4处于导通状态,给VT1和VT4以关断信号,而给VT2、VT3以导通信号后,则VT1和VT4立即关断,因为感性负载电流不能突变,VT2、VT3也不能立即导通,二极管VD2和VD3导通续流。当感性负载电流较大时,直到下一次VT1和VT4重新导通前,负载电流方向始终未变,VD2和VD3持续导通,而VT2和VT3始终未导通。当负载电流较小时,在负载电流下降到零之前,VD2和VD3续流,之后VT2和VT3导通,负载电流反向。不管VD2和VD3导通,还是VT2和VT3导通,负载电压都是-Ud。从VT2和VT3导通向VT1和VT4导通切换时,VD1和VD4的续流情况和上述情况类似。
图2-40 双极性PWM波形
在PWM型逆变电路中,使用最多的是图2-14所示的三相桥式逆变电路,其控制方式一般都采用双极性方式。U、V和W三相的PWM控制通常共用一个三角波载波uc,三相调制信号urU、urV和urW的相位依次相差120°。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同,现以U相为例来说明。当urU>uc时,给上桥臂晶体管VT1以导通信号,给下桥臂晶体管VT4以关断信号,则U相相对于直流电源假想中点N′的输出电压uUN′=Ud/2。当urU<uc时,给VT4以导通信号,给VT1以关断信号,则uUN′=-Ud/2。VT1和VT4的驱动信号始终是互补的。当给VT1(VT4)加导通信号时,可能是VT1(VT4)导通,也可能是二极管VD1(VD4)续流导通,这要由感性负载中原来电流的方向和大小来决定,和单相桥式逆变电路双极性PWM控制时的情况相同。V相和W相的控制方式和U相相同。uUN′、uVN′和uWN′的波形如图2-41所示。这些波形都只有±Ud两种电平。像这种逆变电路相电压(uUN′、uVN′、uWN′)只能输出两种电平的三相桥式电路无法实现单极性控制。图中线电压uUV的波形可由uUN′-uVN′得出。当VT1和VT6导通时,uUV=Ud,当VT3和VT4导通时uUV=-Ud,当VT1和VT3或VT4和VT6导通时,uUV=0,因此,逆变器输出线电压由±Ud、0三种电平构成。图2-41中的负载相电压可由下式求得:
(2-4)
图2-41 三相PWM逆变电路波形
从图2-41中可以看出,它由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。在双极性PWM控制方式中,同一相上下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上下两个臂直通而造成短路,在给一个臂施加关断信号后,再延迟Δt时间,才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将影响输出的PWM波形,有可能使其偏离正弦波。
②PWM型逆变电路的控制方式 在PWM型逆变电路中,载波频率fc与调制信号频率fr之比N=fc/fr称为载波比,根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况,PWM逆变电路可以分为异步调制和同步调制两种控制方式。
a.异步调制 载波信号和调制信号不保持同步关系的调制方式称为异步调制。图2-41中的波形就是异步调制三相PWM波形。在异步调制方式中,调制信号频率fr变化时,通常保持载波频率fc固定不变,因而载波比N是变化的。这样,在调制信号的半个周期内,输出脉冲的个数不固定,脉冲相位也不固定,正负半周期的脉冲不对称,同时,半周期内前后14周期的脉冲也不对称。
当调制信号频率较低时,载波比N较大,半周期内的脉冲数较多,正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称的影响都较小,输出波形接近正弦波。当调制信号频率增高时,载波比N减小,半周期内的脉冲数减少,输出脉冲的不对称性影响就变大,还会出现脉冲的跳动。同时,输出波形和正弦波之间的差异也变大,电路输出特性变坏。对于三相PWM型逆变电路来说,三相输出的对称性也变差。因此,在采用异步调制方式时,希望尽量提高载波频率,以使在调制信号频率较高时仍能保持较大的载波比,改善输出特性。
b.同步调制 载波比N等于常数,并在变频时使载波信号和调制信号保持同步的调制方式称为同步调制。在基本同步调制方式中,调制信号频率变化时载波比N不变。调制信号半个周期内输出的脉冲数是固定的,脉冲相位也是固定的。在三相PWM逆变电路中,通常共用一个三角波载波信号,且取载波比N为3的整数倍,以使三相输出波形严格对称,同时,为了使一相的波形正负半周镜像对称,N应取奇数。如图2-42所示波形是N=9时的同步调制三相PWM波形。
图2-42 同步调制三相PWM波形
在逆变电路输出频率很低时,因为在半周期内输出脉冲的数目是固定的,所以由PWM产生的fc附近的谐波频率也相应降低。这种频率较低的谐波通常不易滤除,如果负载为电动机,则会产生较大的转矩脉动和噪声,给电动机的正常工作带来不利影响。
为克服上述缺点,一般都采用分段同步调制的方法,即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段,每个频段内都保持载波比N恒定,不同频段的载波比不同。在输出频率的高频段采用较低的载波比,以使载波频率不致过高,保持在功率开关器件所允许的频率范围内。在输出频率的低频段采用较高的载波比,以使载波频率不致过低而导致负载产生不利的影响。各频段的载波比应该都取3的整数倍且为奇数。
图2-43所示为分段同步调制的一个例子,各频率段的载波比标在了图中。为了防止在频率切换点附近时载波比来回跳动,在各频率切换点采用了滞后切换的方法。图中切换点处的实线表示输出频率增高时的切换频率,虚线表示输出频率降低时的切换频率,前者略高于后者而形成滞后切换。在不同的频率段内,载波频率的变化范围基本一致,fc在1.4~2kHz之间。提高载波频率可以使输出波形更接近正弦波,但载波频率的提高受到功率开关器件允许最高频率的限制。另外,在采用微型计算机进行控制时,载波频率还受到微型计算机计算速度和控制算法计算量的限制。
图2-43 分段同步调制
同步调制方式比异步调制方式复杂一些,但使用微型计算机控制时还是容易实现的。也有些电路在低频输出时采用异步调制方式,而在高频输出时切换到同步调制方式,这种方式可把两者的优点结合起来,和分段同步调制方式的效果接近。
5)脉宽调制(PWM)型变频器 某PWM变频器的主电路如图2-44所示。由图可知,PWM型逆变器的主电路就是基本逆变电路,其区别在于PWM控制技术。
图2-44 某PWM变频器的主电路
①交-直部分
a.由整流二极管VD1~VD6组成的三相整流桥,将三相交流电转换成直流电。若电源的线电压为UL,则三相全波整流后的平均直流电压为:
Ud=1.35UL (2-5)
若三相交流电源的线电压为380V,则全波整流后的平均电压为:
Ud=1.35×380V=513V
b.滤波电容器CF的功能是消除整流后的电压纹波;当负载变化时,使直流电压保持平稳。
c.变频器刚合上电源的瞬间,滤波电容器CF的充电电流很大,过大的冲击电流可能损坏三相整流桥的二极管。为了保护整流桥,在变频器刚接通电源时,电路中串入限流电阻RL,将电容器CF的充电电流限制在允许范围以内。
开关SL的功能是当CF充电到一定程度时SL接通,将RL短路。在许多新系列的变频器里,SL已由晶闸管代替,如图2-44虚线所示。
电源指示灯HL有两个功能;一是表示电源是否接通;二是在变频器切断电源后,反映滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。
由于CF的容量较大,而切断电源又必须在逆变器电路停止工作的状态下进行,所以CF没有快速放电的回路,其放电时间往往长达数分钟;CF上的电压太高,如果不放完,将对人身安全构成威胁。故在维修变频器时,必须等HL完全熄灭后才能接触变频器内部的导电部分。
②直-交部分
a.逆变三极管VT1~VT6是变频器实现变频的具体执行元件,是变频器的核心部分。
如图2-44所示由VT1~VT6组成的三相逆变桥,将VD1~VD6整流所得的直流电,再转换为频率可调的交流电。
b.续流二极管VD7~VD12的主要功能有:
·电动机是电感性负载,其电流具有无功分量。VD7~VD12为无功电流返回直流电源时提供通道;
·当频率下降、电动机处于再生制动状态时,再生电流将通过VD7~VD12返回直流电路;
·在VT1~VT6进行逆变的基本工作过程中,同一桥臂的两个逆变管不停地交替导通和截止,在这交替导通和截止的过程中,需要VD7~VD12提供通路。
c.缓冲电路
·每次逆变管VT1~VT6由导通状态切换成截止状态的关断瞬间,集电极(C极)和发射极(E极)间的电压UCE将迅速地由接近0V上升至直流电压值Ud。这过高的电压增长率将有可能导致逆变管损坏。为了减小VT1~VT6在每次关断时的电压增长率,在电路中接入了电容器C01~C06。
·每次C01~C06由截止状态切换成导通状态的接通瞬间,C01~C06上所充的电压(等于Ud)将向VT1~VT6放电。此放电电流的初始值很大,将叠加到负载电流上,导致VT1~VT6损坏。R01~R06的功能就是限制逆变管在接通瞬间C01~C06的放电电流。
·当R01~R06接入时,会影响C01~C06在VT1~VT6关断时减小电压增长率的效果。为此接入VD01~VD06,其功能是:在VT1~VT6的关断过程中,使R01~R06不起作用;在VT1~VT6的接通过程中,又迫使C01~C06的放电电流流经R01~R06。
不同型号的变频器中,缓冲电路的结构也不尽相同。
③制动电阻和制动单元
a.制动电阻RB。电动机在工作频率下降的过程中,将处于再生制动状态,拖动系统的动能将要反馈到直流电路中,便直流电压Ud不断上升,甚至可能达到危险的地步。因此,在电路中接入制动电阻RB,用来消耗这部分能量,使Ud保持在允许范围内。
b.制动单元VTB。由大功率晶体管GTR及其驱动电路构成,其功能是为放电电流IB流经RB提供通路。
在整流电路中采用自关断器件进行PWM控制,可使电网侧的输入电流接近正弦波,并且功率因数接近于1,有望达到彻底解决对电网的影响问题。
2.1.2 通用变频器的操作
众多的生产设备都需要电动机的正反转运行来拖动。诸如升降机是工厂生产机械中比较常见的设备,其上升和下降就是由电动机的正反转运行来拖动的。若利用变频器对三相笼式异步电动机的正反转进行控制,其接线图如图2-45(a)所示。变频器的正反转运行曲线如图2-45(b)所示。现要求利用变频器面板操作控制电动机分别进行正反转连续运行(运行频率分别为20Hz、30Hz和50Hz)和点动运行(35Hz)。下面将介绍变频器操作的相关知识。
图2-45 利用变频器控制三相笼式异步电动机
(1)通用变频器基本参数的功能
①通用变频器的基本功能参数 通用变频器主要的基本功能参数见表2-1。
表2-1 通用变频器主要的基本功能参数
②基本功能参数的功能
a.转矩提升(Pr.0) 此参数主要用于设定电动机启动时的转矩大小,通过设定此参数,补偿电动机绕组上的电压降,改善电动机低速时的转矩性能,假定基底频率电压为100%,用百分数设定频率为0时的电压值。设定值过大,将导致电动机过热;设定值过小,启动力矩不够,一般最大值设定为10%,如图2-46所示。
图2-46 Pr.0参数功能图
b.上限频率(Pr.1)和下限频率(Pr.2) 这是两个设定电动机运转上限和下限频率的参数。Pr.1设定输出频率的上限,如果运行频率设定值高于此值,则输出频率被钳位在上限频率;Pr.2设定输出频率的下限,若运行频率设定值低于这个值,运行时被钳位在下限频率值上。在这两个值确定之后,电动机的运行频率就在此范围内设定,如图2-47所示。
图2-47 Pr.1、Pr.2参数功能图
c.基底频率(Pr.3) 此参数主要用于调整变频器输出到电动机的额定值,当用标准电动机时,通常设定为电动机的额定频率,当需要电动机运行在工频电源与变频器切换时,设定值与电源频率相同。
d.多段速度(Pr.4、Pr.5、Pr.6) 用此参数将多段运行速度预先设定,经过输入端子进行切换。各输入端子的状态与参数之间的对应关系见表2-2。
表2-2 各输入端子的状态与参数之间的对应关系
Pr.24、Pr.25、Pr.26和Pr.27也是多段速度的运行参数,与Pr.4、Pr.5、Pr.6组成七种速度的运行。
设定多段速度参数时应注意以下几点:
·在变频器运行期间,每种速度(频率)均能在0~400Hz范围内被设定。
·多段速度在PU运行和外部运行时都可以设定。
·多段速度比主速度优先。
·运行期间参数值可以改变。
·以上各参数之间的设定没有优先级。
在以上七种速度的基础上,借助于端子REX信号,又可实现八种速度,其对应的参数是Pr.232~Pr.239,见表2-3。
表2-3 各端子的状态与参数之间的对应关系
注:REX端子通过Pr.180~Pr.186的参数设定来确定。
e.加、减速时间(Pr.7、Pr.8)及加、减速基准频率(Pr.20) Pr.7、Pr.8用于设定电动机加速、减速时间,Pr.7的值设得越大,加速时间越长;Pr.8的值设得越大,减速越慢。Pr.20是加、减速基准频率,Pr.7设定的值就是从0Hz加速到Pr.20所设定的基准频率的时间,Pr.8设定的值就是从Pr.20所设定的基准频率减速到0Hz的时间,如图2-48所示。
图2-48 Pr.7、Pr.8参数功能图
f.电子过流保护(Pr.9) 通过设定电子过流保护的电流值,可防止电动机过热,得到最优的保护性能。设定过流保护应注意以下事项。
·当变频器带动两台或三台电动机时,此参数的值应设为“0”,即不起保护作用,每台电动机外接热继电器来保护;
·特殊电动机不能用过流保护和外接热继电器保护。
·当控制一台电动机运行时,此参数的值应设为1~1.2倍的电动机额定电流。
g.点动运行频率(Pr.15)和点动加、减速时间(Pr.16) Pr.15参数设定点动状态下的运行频率。当变频器在外部操作模式时,用输入端子选择点动功能(接通控制端子SD与JOG即可);当点动信号为ON时,用启动信号(STF或STR)进行点动运行;在PU操作模式时用操作单元上的操作键(FWD或REV)实现点动操作。用Pr.16参数设定点动状态下的加、减速时间,如图2-49所示。
图2-49 Pr.15、Pr.16参数功能图
h.操作模式选择(Pr.79) 这是一个比较重要的参数,确定变频器在什么模式下运行,具体工作模式见表2-4。
表2-4 Pr.79设定值及其相对应的工作模式
i.直流制动相关参数(Pr.10、Pr.11、Pr.12) Pr.10是直流制动时的动作频率,Pr.11是直流制动时的动作时间(作用时间),Pr.12是直流制动时的电压(转矩),通过这三个参数的设定,可以提高停止的准确度,使之符合负载的运行要求,如图2-50所示。
图2-50 Pr.10、Pr.11、Pr.12参数功能图
j.启动频率(Pr.13)Pr.13参数设定电动机开始启动时的频率,如果频率(运行频率)设定值较此值小,电动机不运转,若Pr.13的值低于Pr.2的值,即使没有运行频率(即为“0”),启动后电动机也将运行在Pr.2的设定值,如图2-51所示。
图2-51 Pr.13参数功能图
k.负载类型选择参数(Pr.14)用此参数可以选择与负载特性最适宜的输出特性(U/f特性),如图2-52所示。
图2-52 负载类型选择参数功能图
l.MRS端子输入选择 用于选择MRS端子的逻辑值,如图2-53所示。
图2-53 MRS端子输入选择
m.参数禁止写入选择(Pr.77)和逆转防止选择(Pr.78)Pr.77用于参数写入禁止或允许,主要用于参数被意外改写反转,具体设定值见表2-5。
表2-5 Pr.77、Pr.78的设定值及其相应功能
(2)功能单元操作及参数设定方法
①功能单元 通用变频器的功能单元根据变频器生产厂家的不同而千差万别,但是它们的基本功能相同。主要功能有以下几个方面。
a.显示频率、电流、电压等。
b.设定操作模式、操作命令、功能码。
c.读取变频器运行信息和故障报警信息。
d.监视变频器运行。
e.变频器运行参数的自整定。
f.故障报警状态的复位。
诸如三菱公司的FR-A500系列变频器的功能单元如图2-54所示,有关功能及状态见表2-6和表2-7。
图2-54 操作面板(FR-A500)的名称和功能
表2-6 各按键功能
表2-7 单位显示和运行状态显示
②按MODE键改变监视显示,如图2-55所示。
图2-55 监视显示
③显示内容如图2-56所示
图2-56 各显示内容
注:1.按下标有*1的SET键超过1.5s能把电流监视模式改为上电监视模式。 2.按下标有*2的SET键超过1.5s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。
a.监视器显示运转中的指令。
b.EXT指示灯亮表示外部操作。
c.PU指示灯亮表示PU操作。
d.EXT和PU灯同时亮表示PU和外部操作组合方式。
e.监视显示在运行中也能改变。
④频率设定 在PU操作模式下设定运行频率,如图2-57所示。
图2-57 频率设定
⑤参数设定方法
a.一个参数值既可以用数字键设定,也可以用▽/▽键增减。
b.按下SET键1.5s写入设定值并更新。
例:把Pr.79“运行模式选择”设定值从“2”(外部操作模式)变更到“1”(PU操作模式)的设定方法如图2-58所示。
图2-58 运行模式设定
⑥操作模式 操作模式的设定如图2-59所示。
图2-59 操作模式设定
⑦帮助模式 帮助模式的操作如图2-60所示。
图2-60 帮助模式操作
a.报警记录显示如图2-61所示。用▽/▽键能显示最近的4次报警(带有“.”的表示最近的报警)。当没有报警存在时,显示“E._ _0.”。
图2-61 报警记录显示
b.报警记录清除操作如图2-62所示。
图2-62 报警记录清除操作
c.参数清除 将参数值初始化到出厂设定值,校准值不被初始化。Pr.77设定为“1”时,即选择参数写入禁止,参数值不能被消除,如图2-63所示。
图2-63 参数清除方法
d.全部消除 将参数值和校准值全部初始化到出厂设定值,如图2-64所示。
图2-64 初始化为出厂设定值
e.用户消除 初始化用户设定参数,其他参数被初始化为出厂设定值,如图2-65所示。
图2-65 初始化为用户设定参数
⑧拷贝模式 用操作面板(FR-DU04)将参数值拷贝到另一台变频器上(仅限FR-A500系列)。操作过程是:从源变频器读取参数值,连接操作面板到目标变频器并写入参数值。向目标变频器写入参数,请用暂时切断电源或其他的方法,务必在运转前复位变频器。具体操作如图2-66所示。
图2-66 拷贝操作
注:1.在拷贝功能执行时,监视显示闪烁,当拷贝完成后显示返回到亮的状态。 2.如果在读出中有错误发生,则显示“read error(E.rE1)”。 3.如果在写入中有错误发生,则显示“write error(E.rE2)”。 4.如果在参数校验中有差异,相应参数号和“verify error(E.rE3)”交替显示;如果是频率设定或点动频率设定出现差异,则“verify error(E.rE3)”闪烁。按SET键,忽略此显示并继续进行校验。 5.若目标变频器不是FR-A500系列,则显示“model error(E.rE4)”。
(3)通用变频器的操作实践
1)变频器的基本操作实践
①变频器的面板操作
a.仔细阅读变频器的面板介绍,掌握在监视模式下(MON灯亮)显示Hz、A、V的方法,以及变频器的运行方式、PU运行(PU灯亮)、外部运行(EXT灯亮)之间的切换方法。
b.全部清除操作 为了调试能够顺利进行,在开始前要进行一次“全部清除”的操作(全部清除并不是将参数的值清为0,而是将参数设置为出厂值),步骤如下。
·按下MODE键至运行模式,选择PU运行(PU灯亮);
·按下MODE键至帮助模式;
·按下▽/▽键至“ALLC”;
·按下SET键,再按图2-67所示的步骤操作。
图2-67 全部清除操作步骤
c.参数预置 变频器在运行前,通常要根据负载和用户的要求,给变频器预置一些参数,如上、下限频率及加、减速时间等。
例如,将上限频率预置为50Hz,查参数表得:上限频率功能码为Pr.1,预置有下面两种方法。
方法一:
·按下MODE键至参数给定模式,此时显示Pr…。
·按下▽/▽键改变功能码,使功能码为1。
·按下SET键,读出原数据。
·按下▽/▽键更改数据为50。
·按下SET键1.5s,写入给定。
方法二:
·按下MODE键至参数给定模式,此时显示Pr…。
·按下SET键,再用▽/▽键逐位将功能码翻至P.001。
·按下SET键,读出原数据。
·按下▽/▽键将原数据改为50Hz。
如果此时显示器交替显示功能码Pr.1和参数50.00,则表示参数预置成功(即已将上限频率预置为50Hz)。否则预置失败,须重新预置。参照参数表查出下列有关的功能码,预置下列参数。
·下限频率为5Hz;
·加速时间为10s;
·减速时间为10s。
d.给定频率的修改 例如,将给定频率修改为40Hz。
·按下MODE键至运行模式,选择PU运行(PU灯亮)。
·按下MODE键至频率设定模式。
·按下▽/▽键,修改给定频率为40Hz。
②变频器的运行 变频器正式投入运行前应试运行。试运行可选择频率为5Hz的点动运行,此时电动机应旋转平稳,无不正常的振动和噪声,能够平滑地增速和减速。
a.PU点动运行
·按下MODE键至运行模式。
·按下▽/▽键至PU点动操作(即JOG状态),PU灯点亮。
·按下REV或FWD键,电动机旋转,松开则电动机停转。
b.外部点动运行
·按图2-68所示的外部点动接线图接线。
图2-68 外部点动接线图
·预置点动频率Pr.15为6Hz。
·预置点动加、减速时间Pr.16为10s。
·按下MODE键选择运行模式。
·按下▽/▽键选择外部运行模式(0P.nd),EXT灯亮。
·保持启动信号(变频器正、反转控制端子STF或STR)为ON,即STF或STR与公共点SD接通,点动运行。
2)变频器PU控制模式的参数单元操作 PU运行就是利用变频器的面板直接输入给定频率和启动信号。
①主电路接线 如图2-45(a)所示,将变频器、电源及电动机三者相连接。
②参数设定及运行频率设定 先按照运行曲线和控制要求确定有关参数,然后进行设定。
a.参数设定表见表2-8。
表2-8 参数设定表
b.运行频率 运行频率分别设定为:第一次20Hz;第二次30Hz;第三次50Hz。
③操作步骤
a.连续运行
·将电源、电动机和变频器连接好。
·经检查无误,方可通电。
·按操作面板上的MODE键两次,显示[参数设定]画面,在此画面下设定参数Pr.79=1,“PU”灯亮。
·依次按表2-8设定相关参数。
·再按操作面板上的MODE键,切换到[频率设定]画面下,设定运行频率为20Hz。
·返回[监视模式],观察“MON”和“Hz”灯亮。
·按FWD键,电动机正向运行在设定的运行频率上(20Hz),同时,FWD灯亮。
·按REV键,电动机反向运行在设定的运行频率上(20Hz),同时,REV灯亮。
·再分别在[频率设定]画面下改变运行频率为30Hz、50Hz,重复第7步和第8步反复练习。
·操作完毕后应断电拆线,清理现场。
b.点动运行操作
·设定参数。在“PU”状态下,操作MODE键,调出[参数设定]画面,设定参数Pr.15=35Hz(点动状态下的运行频率),Pr.16=4s(点动状态下的加、减速时间)。
·按MODE键两次,进入“操作模式”,此时显示“PU”字样,再按下“▽”键,即可显示“JOG”字样,进入点动状态。
当设定Pr.79=0时,接通电源即为[外部操作]模式(EXT灯亮),这时通过操作“▽”键可切换到“PU”下,再按下“▽”键进入点动状态。
·返回[监视]模式,按下操作单元面板上的FWD或REV键,即正向点动或反向点动,运行在35Hz上,加、减速时间由Pr.16的值决定(4s)。
c.注意事项
·切不可将R、S、T与U、V、W端子接错,否则,会烧坏变频器。
·电动机为Y形接法。
·操作完成后注意断电,并且清理现场。
·运行中若出现报警现象,要复位后重新运行。
3)通用变频器操作实践的自我测试 升降机的上升、下降是典型的正反转控制,为了减缓启动、停止时的冲击,适当地延长加、减速时间即可实现。若运行曲线如图2-69所示,图中正向启动时,刚开始慢速运行至8Hz,重物起来后加速到45Hz,快要达到相应高度时减速到10Hz,运行到所需高度慢速停下,下降时运行情况相同。
图2-69 升降机运行曲线
试用“PU”方式运行此曲线。运行时,不需考虑低速运行,正向直接加速到45Hz运行,反向直接加速到50Hz运行(停止时的10Hz和13Hz不考虑)。
2.1.3 变频器的外部运行操作
某升降机中变频器和三相笼式异步电动机的接线图如图2-45(a)所示。用外部接线的方式控制电动机的升降运行,由外接电位器(1W、1kΩ的电位器)来控制运行频率,运行曲线如图2-70所示,外部接线图如图2-71所示。下面来介绍变频器外部运行操作的有关知识。
图2-70 变频器升降运行曲线
图2-71 外部控制模式接线图
(1)变频器的标准接线与端子功能
各种系列的变频器都有其标准的接线端子,虽然这些接线端子与其自身功能的实现密切相关,但都大同小异。变频器接线主要有两部分:一部分是主电路接线,另一部分是控制电路接线。
1)基本原理接线图 日本三菱公司FR-A500系列变频器的基本原理接线,如图2-72所示。
图2-72 变频器的基本原理接线图
2)主回路端子
①主接线端子示意图,如图2-73所示。
图2-73 主接线端子示意图
②主接线端子功能介绍
R、S、T:交流电源输入端,交流电源与变频器之间一般通过空气断路器相连接。
U、V、W:变频器输出端。
R1、S1:变频器控制回路电源,要保证可靠直接连接到电网。
P、N:连接制动单元,无制动单元用短接片短接。
P1、P:连接改善功率因数的直流电抗器,无须直流电抗器时用短接片短接。
P、PR:连接制动电阻器。
PR、PX:厂家用端子,用户不得改接。
:接地端子,变频器外壳必须接大地。
3)控制回路端子
①控制回路接线端子示意图如图2-74所示。
图2-74 控制回路接线端子示意图
②控制回路端子功能介绍
a.输入开关信号端子功能见表2-9。
表2-9 输入开关信号端子功能表
RT、AU、CS 3个智能端子,每个端子的功能有16种,由功能指令设定一种运行。
b.输入模拟信号端子
10:+5VDC频率设定电源端子,允许负荷电流10mA。
10E:+10VDC频率设定电源端子,允许负荷电流10mA。
2:频率设定电压输入端,0~5V(0~10V)。输入阻抗10kΩ,允许最高电压20V。
4:频率设定电流输入端,4~20mA。输入阻抗250Ω,允许最大电流30mA。
1:辅助频率设定端,输入阻抗10kΩ,允许电压±20VDC。
5:频率设定公共端,2、1、4和模拟输出信号端子AM的公共端子,不能接大地。
c.输出信号端子
·输出保护端子A、B、C:指示变频器因保护功能动作而停止输出的转换接点。
正常时,A—C OFF B—C ON。
故障时,A—C ON B—C OFF。
触点参数:AC 230V 0.3A;DC 30V 0.3A。
·输出智能端子RUN、SU、OL、IPF、FU及公共端SE。
输出智能端子的每个端子有21种功能,可通过功能指令设定其中一种功能运行。
RUN:出厂设定为“变频器正在运行”,当变频器输出频率为启动频率以上时为低电平,变频器停止或直流制动状态时为高电平。低电平表示集电极开路输出用的晶体管处于ON(导通)状态,高电平则为OFF(关断)状态。端点参数:DC24V、0.1A。
SU:出厂设定为“频率到达”,变频器输出频率达到设定频率的±10%时为ON,正在加、减速或停止时为OFF。
OL:出厂设定为“过负荷报警”,当失速保护功能动作时为ON,失速保护解除,恢复正常时为OFF。
FU:出厂设定为“频率检测”,输出频率为设定频率以上时为ON,以下时为OFF。
公共端SE:是5个输出端子的公共端,集电极开路输出的公共端。
·输出监视端子FM、AM,也是智能端子,可以从16种监视项目中选一种作为输出。
FM:指示仪表用,出厂设定输出频率(数字信号),容许负荷电流2mA/60Hz时,1400脉冲/s,FM的另一端子为SD。
AM:模拟信号输出,出厂设定输出电压信号(模拟信号),允许负荷电流1mA/电压DC0~10V,和AM配合输出模拟信号的另一端子为5。
·通信接口,PU接口。
通过操作面板的接口,进行RS485通信(串口)。
通信标准:EIA FR-485标准。
通信方式:多任务通信。
通信速率;最大19200Baud。
最长距离:500m。
(2)外部控制模式
外部运行操作,就是用变频器控制端子上的外部接线控制电动机启停和运行频率的一种方法。通过Pr.79的值来进行操作模式的切换,此时参数单元操作无效,这种操作模式在实际中应用较多。
①以50Hz运行操作 主电路按图2-45接线,控制电路按图2-71接线,外部控制操作步骤见表2-10。
表2-10 外部控制操作步骤
②外部点动操作 运行时,保持启动开关(STF或STR)接通,断开则停止。
a.设定Pr.15“点动频率”和Pr.16“点动加、减速时间”。
b.选择外部操作模式。
c.接通点动信号,并保持启动信号(STF或STR)接通,进行点动运行。点动信号的使用端子,请安排在Pr.180~Pr.186(输入端子功能选择)之间。
(3)变频器的外部运行操作
1)外部控制模式的启、停操作
①主电路接线如图2-45(a)所示。
②设定参数Pr.79=2,操作单元上“EXT”灯亮。
③控制电路接线图如图2-71所示。
④接通SD与STF端子,转动电位器,电动机正向加速运行。
⑤断开SD与STF端子连线,电动机停止运行。
⑥接通SD与STR端子,转动电位器,电动机反向加速运行。
⑦断开SD与STR端子连线,电动机停止运行。
2)升降机升降运行的外部操作
①外部运行曲线如图2-70所示。
②操作步骤
a.连续运行
·主回路接线如图2-45(a)所示。
·控制回路按图2-71接线。
·检查无误后通电。
·在[PU模式]下设定表2-11中的参数。
表2-11 参数设定表
·设Pr.79=2,EXT灯亮。
·接通SD与STF,转动电位器,电动机正向逐渐加速至25Hz。
·断开SD与STF,电动机停止运行。
·接通SD与STR,转动电位器,电动机反向逐渐加速至40Hz。
·断开SD与STR,电动机停止。
·操作完毕断电后再拆线,并且清理现场。
b.点动运行(Pr.79=2下的点动)
·接通SD与JOG,变频器处于外部点动状态。
·设定参数Pr.15=35Hz,Pr.16=4s。
·接通SD与STF,正向点动运行在35Hz;断开SD与STF,电动机停止运行。
·接通SD与STR,反向点动运行在35Hz;断开SD与STR,电动机停止运行。
③注意事项
a.不能将R、S、T与U、V、W端子接错,否则会烧坏变频器。
b.当STR和STF同时与SD接通时,相当于发出停止信号,电动机停止运行。
c.绝对不能用参数单元上的STOP键停止电动机运行,否则报警显示P(最简捷的清除方法是关掉电源,重新开启)。
3)外部运行操作的自我测试 用变频器外部控制模式控制电动机的运行,拟定的运行曲线如图2-75所示。用外接电位器(1W,1kΩ的电位器)控制运行频率,试按要求设置参数、接线、调试运行,然后改变基本参数值反复操作(不需考虑低速运行,正向直接加速到50Hz运行,反向直接加速到50Hz运行)。
图2-75 拟定的运行曲线
2.1.4 变频器的组合运行操作
工厂车间内在各个工段之间运送钢材等重物时常使用的平板车,就是正反转变频调速的应用实例,它的运行速度曲线如图2-76所示。
图2-76 平板车运行曲线图
图2-76中的A-C段是装载时的正转运行,C-B段是卸下重物后空载返回时的反转运行,前进、后退的加减速时间由变频器的加、减速参数来设定。当前进到接近放下重物的位置B时,减速到10Hz运行,以减小停止时的惯性;同样,当后退到接近装载的位置D时,减速到10Hz运行,减小停止的惯性。现要求用外部按钮控制电动机的启停,接线图如图2-77所示,用面板(PU)调节电动机的运行频率。这种用参数单元控制电动机的运行频率,外部接线控制电动机启停的运行模式,是变频器组合运行模式的一种,是工业控制中常用的方法。下面就介绍如何来实现的相关技术知识。
图2-77 组合操作控制接线图
(1)相关技术知识
组合运行操作是应用参数单元和外部接线共同控制变频器运行的一种方法。一般来说有两种:一种是参数单元控制电动机的启停,外部接线控制电动机的运行频率;另一种是参数单元控制电动机的运行频率,外部接线控制电动机的启停。
当需用外部信号启动电动机,用PU调节频率时,将“操作模式选择”设定为3(Pr.79=3);当需用PU启动电动机,用电位器或其他外部信号调节频率时,则将“操作模式选择”设定为4(Pr.79=4)。
如果启动用外部信号控制,频率用PU调节,则设定Pr.79=3,按图2-77所示的组合操作控制模式接线图接线,以50Hz运行。此时外部频率设定信号和PU的正/反转键不起作用。操作步骤见表2-12。
表2-12 组合操作步骤
(2)变频器的组合运行操作
①外部信号控制启停、操作面板设定运行频率
a.参数设定 参数设定见表2-13。
表2-13 参数设定表
b.如图2-78所示进行接线。
图2-78 PU控制频率的接线图
c.操作步骤
·主回路接线如图2-45(a)所示。
·控制回路按图2-78接线。
·检查无误后通电。
·在“PU”(参数单元模式)下设定表2-13中的参数。
·设Pr.79=3,“EXT”灯和“PU”灯同时亮。
·设Pr.4=40Hz,RH端子对应的运行参数;设Pr.6=15Hz,RL端子对应的运行参数。
·在接通RH与SD的前提下,SD与STF导通,电动机正转运行在40Hz;SD与STR导通,电动机反转运行在40Hz。
·在接通RL与SD的前提下,SD与STF导通,电动机正转运行在15Hz;SD与STR导通,电动机反转运行在15Hz。
·在“频率设定”的画面下,设定频率f=30Hz,仅接通SD与STF(或STR),电动机运行在30Hz。
·在两种速度下,每次断开SD与STF或SD与STR,电动机均应停止运行。
·改变Pr.4、Pr.6参数的值反复操作。
②用外接电位器设定频率,操作面板控制电动机启停
a.接线图如图2-79所示。
图2-79 外部控制频率的接线图
b.参数设定 参数设定见表2-14。
表2-14 参数设定表
c.操作步骤。
·按图2-79接线。
·设定参数Pr.79=4,“EXT”和“PU”灯同时亮。
·按下操作面板上的FWD键,转动电位器,电动机正向加速。
·按下操作面板上的REV键,转动电位器,电动机反向加速。
·按下操作面板上的STOP键,电动机停止运行。
(3)变频器的组合运行操作实例
①图2-77中运行曲线有以下优点:
a.节省一个周期的运行时间,提高工作效率。
b.停车前的缓冲速度保证了停车精度,消除了对正位置的时间。
c.由于加减速按恒加减速运行,没有振动,运行平稳,提高了安全性。
②接线步骤
a.控制回路按图2-77接线。
b.检查无误后通电。
c.在“PU”(参数单元模式)下设定表2-15中的参数。
表2-15 参数设置表
d.设Pr.79=3,“EXT”灯和“PU”灯同时亮。
e.在接通RM与SD的前提下,SD与STF导通,平板车中速前进在30Hz,当运行到B点时,RM与SD断开,SD与RL导通,低速前进运行在10Hz,运行到C点时平板车停止运行。
f.在接通RM与SD的前提下,SD与STF导通,平板车高速后退在50Hz,当运行到D点时,RH与SD断开,SD与RL导通,低速返回运行在10Hz,运行到E点时平板车停止运行。
g.反复操作,使平板车按图2-76所示的曲线运行。
③注意事项
a.Pr.4、Pr.6参数在外部运行和PU操作(参数单元操作)下均可设定。
b.运行期间同时接通SD与STF和STR,电动机停止运行。
c.操作中注意安全。
d.电动机Y形接法。
④变频器组合运行操作的自我测试
如图2-80所示的运行曲线,请在Pr.79=3的设定下按曲线上所标注的参数要求运行此曲线。
图2-80 组合操作运行曲线示意图
2.1.5 变频器的程序运行操作
龙门刨床是机械制造业中必不可少的机械加工设备,主要由床身、横梁、刀架、立柱等部分组成,工作时被加工的零件固定在工作台上做往复运动,刀架装在横梁上,由垂直进给电动机拖动可以上下运动(即垂直方向进刀),横向进给由横向进给电动机拖动左右运动(即横向进给)。试用变频器对龙门刨床加工过程中的刀具运行进行控制。龙门刨床刀具运行曲线如图2-81所示,接线图如图2-82所示。
图2-81 龙门刨床刀具运行曲线
图2-82 程序运行接线图
(1)相关技术知识
程序运行是变频器在生产机械、家用电器、运输工具控制中常用的运行方法,它是将预先需要运行的曲线及相关参数按时间(时间单位由Pr.200参数设定)的顺序预置到变频器内部,接通启动信号后自动运行该曲线的一种方法。
FR-A540型三菱变频器的程序运行分三组,根据需要可以选择一组或多组运行,可以进行单组或多组的重复运行,在程序运行设置下,一些端子的功能将发生变化。
程序控制即按照预先设定的时钟、电动机的运行频率、启动时间及旋转方向在内部定时器的控制下执行运行操作(注意:FR-A500型变频器,当选购件FR-A5AP插入时,则不能进行程序运行)。
程序运行功能说明如下:
①程序运行功能仅当Pr.79=5时有效。
②用Pr.200选择程序运行时间单位,可以在“分/秒”和“小时/分”之间选择程序运行时间。
③用Pr.231设定程序开始运行的时钟基准。变频器中有一个内部定时器BAM,Pr.231中设定的日期的参考时刻即为程序运行的开始时刻。当同时接通开始信号和组选择信号时,日期的参考时间定时器回到“0”,此时,可在Pr.231中设定日期的参考值。通过定时器的复位端子(STR)或者变频器本身的复位可消除日期参考时间。Pr.231的设定范围取决于Pr.200的设定值,见表2-16。
表2-16 Pr.231的设定范围
④旋转方向、运行频率、启动时间可以定义为一个点,每10个点为一组,共分三个组。用Pr.201~Pr.230设定,见表2-17。
表2-17 程序运行分组
⑤程序运行时,既可选择单个组运行,也可选择两个或者更多的组按组1、组2、组3的顺序运行。既可选择单个组重复运行,也可选择多个组重复运行。程序运行输入/输出信号端子见表2-18。
表2-18 程序运行输入/输出信号端子
(2)变频器的程序运行操作
1)单组程序运行操作 下面选用第一组运行(RH组)。
①运行接线图如图2-83(a)所示。
图2-83 程序运行模式接线图
②基本参数设定(在Pr.79=1下设定)见表2-19。
表2-19 基本参数设定表
③程序运行曲线如图2-84所示。
图2-84 程序运行曲线
④第一组运行参数设定(在Pr.79=5下设定)见表2-20。
表2-20 第一组运行参数设定表
⑤操作步骤
a.非重复运行操作
·设置Pr.79=5。
·设置Pr.200=2(或0)。
·读Pr.201的值。
·在Pr.201中输入“1”(即旋转方向为正转),然后按SET键1.5s。
·输入“10”(运行频率为10Hz),按SET键1.5s。
·输入“0:00”(开始运行时间为0分0秒),按SET键1.5s。
·按▽/▽键移动到下一个参数(Pr.202)。
·依照上述3步骤,按表2-20设置其余参数。
·按图2-83(a)接线。
·确认EXT灯亮。
·接通RH与SD,选组信号(单组运行选择RH组)。
·接通开始信号STF,使内部定时器自动复位,电动机按照设定的曲线开始运行,运行一个周期后停止。
·断开STF与SD,运行停止,同时内部定时器复位。
b.重复单组运行操作
·接通SU与STR,如图2-83(b)所示。
·重复上述a中非重复运行操作的12个步骤,当组运行完毕时,将从输出端子SU输出一个信号,定时器复位清零,之后进行重复运转;当不需要运行时,断开STF即可。
⑥注意事项
a.如果在执行预定程序的过程中,变频器电源断开后又接通(包括瞬间断电),内部定时器将复位,并且若电源恢复,变频器亦不会重新启动。若要继续开始运行,则关断预定程序开始信号(STE),然后再接通。这时,若需要设定日期参考时间,则在设定前应接通开始信号。
b.当变频器按程序运行接线时,AU、STOP、2、4、1、JOG信号是无效的。
c.程序运行过程中,变频器不能进行其他模式的操作,当程序运行开始信号(STF)和定时器复位信号(STR)接通时,运行模式不能进行PU运行和外部运行之间的变换。
2)多组程序运行操作 下面选择RH和RM组,将图2-84所示的曲线分两组运行。
①基本运行参数设定与单组运行相同。
②运行参数设定 运行参数设定见表2-21。
表2-21 运行参数设定表
3)操作步骤
①同时接通图2-83(c)中的RH与SD、RM与SD。
②接通STF与SD,变频器先运行RH组,运行完成后再运行RM组,到RM组运行完成后,从SU端子输出时间到达信号。
③将SU与STR连接,SE与SD连接,此时,变频器可以重复运行RH和RM组(两组重复运行)。
(3)变频器程序运行操作的应用实例
仍以上述龙门刨床为例,其运行曲线见图2-81,接线图见图2-82。
①工作台的速度运行曲线分析 曲线的形成说明如下。
a.刚开始时,工作台前进启动,刀具慢速切入,运行在15Hz上。
b.8s后开始加速到稳定切削阶段,运行在45Hz上。
c.15s后开始减速退刀,在10Hz上运行8s。
d.随后工作台反向加速返回,运行在50Hz上。
e.13s后后退减速到15Hz,随后工作台返回停止,完成一个运行周期。
②变频器参数设定
a.基本参数(在Pr.79=1下设定)设定见表2-22。
表2-22 基本参数设定表
b.运行参数(在Pr.79=5下设定)设定见表2-23。
表2-23 运行参数设定表
③操作步骤
a.控制回路按图2-82接线。
b.检查无误后通电。
c.基本参数设定(在Pr.79=1下设定)见表2-22。
d.运行参数设定(在Pr.79=5下设定)见表2-23。
e.接通RH与SD,选组信号。
f.接通开始信号STF,使内部定时器自动复位,工作台按照图2-81所示的曲线开始运行,运行一个周期即停止。
g.断开STF与SD,运行停止。
注意;操作时垂直进刀、左右进刀、刀具上移限位等可用模拟开关代替。
④变频器程序运行操作的自我测试 如图2-85所示的运行曲线,请在Pr.79=5模式设定下按曲线上所标注的参数要求,单组重复运行此曲线。
图2-85 自我测试用的程序运行曲线
2.1.6 变频器的PID控制运行操作
如图2-86所示为某一个工厂的恒压供水电路,用压力传感器和变频器构成闭环控制系统,4端和5端是反馈信号输入端,MP是压力传感器,将压力信号变为电压或电流信号,正常工作时,K1、K2、K3均合上。工作时反馈值与目标值相比较,并按预置的PID值调整变频器的给定信号,从而达到改变电动机转速,以实现恒压供水之目的。
图2-86 PID控制运行接线图
变频器的PID控制是与传感器元件构成的一个闭环控制系统,是为了实现被控制量的自动调节,在温度、压力等参数要求恒定的场合应用十分广泛,是变频器在节能方面常用的一种方法。下面就介绍变频器PID控制方面的相关技术知识。
(1)变频器PID控制的相关技术知识
PID控制就是比例/积分/微分控制,变频器的PID控制有两种情况:一种是变频器内置的PID控制功能,给定信号通过变频器的端子输入,反馈信号也反馈给变频器的控制端,在变频器内部进行PID调节以改变输出频率;另一种外部的PID调节器将给定量与反馈量比较后输出给变频器,加到控制端子作为控制信号。
①PID闭环控制 PID闭环控制是指将被控量的检测信号(即由传感器测得的实际值)反馈到变频器,并与被控量的目标信号相比较,以判断是否已经达到预定的控制目标。如尚未达到,则根据两者的差值进行调整,直至达到预定的控制目标为止。
PID控制是利用PI控制和PD控制的优点组合而成的控制。PI控制由比例控制(P)和积分控制(I)组成,根据偏差及时间变化,产生一个执行量。PD控制由比例控制(P)和微分控制(D)组成,根据改变动态特性的偏差速率,产生一个执行量。
反馈信号的接入有下面两种方法。
a.给定输入法 变频器在使用PID功能时,将传感器测得的反馈信号直接送到给定信号端,其目标信号由键盘给定。
b.独立输入法 变频器专门配置了独立的反馈信号输入端,有的变频器还为传感器配置了电源,其目标值可以由键盘给定,也可以由指定输入端输入。
②PID调节功能的预置
a.预置PID调节功能 预置的内容是变频器的PID调节功能是否有效。这是十分重要的,因为变频器的PID调节功能有效后,其升、降速过程将完全取决于由P、I、D数据所决定的动态响应过程,而原来预置的“升速时间”和“降速时间”将不再起作用。
b.目标值的预置 PID调节的根本依据是反馈量与目标值之间进行比较的结果。因此,准确地预置目标值是十分重要的。主要有以下两种方法。
·面板输入式 只需通过键盘输入目标值即可。目标值通常是被测量实际大小与传感器量程之比的百分数。例如,空气压缩机要求的压力(目标压力)为6MPa,所用压力表的量程是0~10 MPa,则目标值为60%。
·外接给定式 由外接电位器进行预置,调整较方便。
③变频器按P、I、D调节规律运行时的特点
a.变频器的输出频率fx只根据实际数值与目标数值的比较结果进行调整,与被控量无对应关系。
b.变频器的输出频率fx始终处于调整状态,其数值常不稳定。
(2)变频器的PID控制运行操作
①接线 按图2-86接线。
②运行参数设定
a.定义端子功能参数设定 定义端子功能参数见表2-24。
表2-24 定义端子功能参数设定表
b.PID运行参数设定 设定PID运行参数见表2-25。
表2-25 运行参数设定表
③操作步骤
a.按上述要求设定参数。
b.按图2-86接线。
c.调节2~5端子间的电压至2.5V,设Pr.79=2,“EXT”灯亮。
d.同时接通SD与AU、SD与RT、SD与STF,电动机正转。改变2~5端子间的电压值,电动机转速可随着变化,始终稳定运行在设定值上。
e.调节4~20mA电流信号,电动机转速也会随之变化,稳定运行在设定值上。
f.设Pr.79=1,“PU”灯亮.按FWD键(或REV键)和STOP键,控制电动机启停,稳定运行在Pr.133的设定值上。
④注意事项
a.电位器用1kΩ/1W的炭膜式电位器。
b.传感器的输出用Pr.902~Pr.905的参数校正,输入设定值时,变频器停止运行,在“PU”下输入设定值。
c.通过设定Pr.190~Pr.192的参数来确定输出信号端子的功能。
d.采用变频器内部PID功能时,加减速时间由积分时间的预置值决定;当不采用变频器内部PID功能时,加减速时间由相应的参数决定。
⑤变频器PID控制运行操作的自我测试 试设计一运用变频器PID功能实现恒转速控制的电路图,说明其参数设置方法及操作步骤,并进行实际接线和运行操作。