:带你进入工控之门—— 学一种变频器

带你进入工控之门—— 学一种变频器
作者：朱毅  来源：本站整理  更新时间：2011-7-3 13:39:33  发布人：admin
 
序言：初次接触工控的人对其都会感到很神秘，许许多多的自动控制，错综复杂的联锁及很多高新的电气元器件，让人无从下手。其实我们只需掌握一些基本的知识，分解各个部件，了解各部件的性能及要点，然后再整合起来，就清晰多了。
整个工控的组成好似人体一样，一般有：大脑（DCS），神经中枢（网络），躯干（PLC），手脚（现场执行器），五观（现场传感器）。
今天我为大家谈谈现场执行器中的一个工控中常用的电气部件——变频器。变频器由于其本身具有可调速及节能的重要特性，在近几年发展很快，广泛应用于各邻域。对于品种繁多的变频器和其本身内部各参数之多，我们往往第一次接触会感到无从下手，但我们可以从各种变频器的共性中学习，掌握一种变频器，举一反三就能从而了解各种变频器的应用。
下面我就用一种常用的变频器ABB-ACS550给大家讲解其在实际工作中的应用。一、安装：
  打开包装我们首先要查看的是选用的变频器功率是否与配套的电机功率一致，要求是变频器功率≥电机功率，否则变频器因功率不足带不起负荷而烧坏。变频器上一般会有如下标签：表示该变频器输入要求电压为3相380电压，频率50HZ，其上边的数字是一个适用范围，我们一般不用理会，因为国内的电压等级均满足其要求。输出电压为0至380V，3相交流，电流为6.9A，也就是能带3KW左右的电机，频率可调0-500Hz，一般我们应用中最大也只有60Hz。
   一般变频器要求安装在无尘，无水气，无腐蚀的环境中，并在变频器本身上下左右周围留有一定的空间，有利散热。条件好的话最好能安装在特定的配电房内，并配有恒温设备，因为变频器本身也有发热，其电子元件会受温度的影响，如果其散热片上积尘多散热不好的话，会加剧变频器的损坏。
   由于变频器本身是个干拢源，所以它产生的电磁干拢对其周围会有一定的影响，由其是对周围有DCS，PLC这种高精度工控设备更要注意安装中的每一环节。其解决方法有：
1、在电源输入侧加装电抗器，现在有些变频器在设计时已经在输入端加入了抗干拢的电抗器，可以在订购时加以注意。
2、在电源输出侧，即电机电缆选用带屏蔽的三芯或四芯对称电缆，其优点是电缆上的电磁干拢是对称的，相互加以抵消，如以下图示：3、控制电缆选用屏蔽双绞线，如图所示：4、电缆屏蔽层在变频侧接CE端，变频器的PE、CE单独接地。电缆布线时，控制电缆与动力电缆分开，至少不小于20Cm距离。注意控制电缆的模拟量与开关量不用同一电缆。
 
二、  接线：
1、  电源的进线接变频器的U1、V1、W1，电缆接地线接PE；电机电缆接变频器的U2、V2、W2，电缆接地线接PE；变频器的GND接地；如果电机需要快速停机的话，需要变频器的R+、R-侧接止动电阻，上边有短接线的并拆除。如图：2、  数字输入控制常有开关、继电器等发出信号至变频器，其连接需按实际应用要求，一般有二种接线，如图：   
注意：按以上不同方式连接时，有些品牌的变频器会要求在变频上有跳针设置。
常用的连接线有，变频器启动信号，变频器停止信号（有些启停是同一输入点，接通启动，断开停止），变频器正转信号，变频器反转信号（正转信号往往与启动是同一信号），变频器多段速度信号（如低速、中速、高速分三个输入信号接入）
ABB-ASC550出厂默认DI1为启停信号（接通启动，断开停止）DI2为正反转信号（接通为反转，断开为正转）
 
3、  模拟输入信号接线分电压型，电流型，及可变电阻信号输入，如图连接；         
  
可变电阻信号输入 电压信号输入 电流信号输入
连接AI1、AGND、10V
屏蔽线接SCR 连接AI1、AGND
屏蔽线接SCR
输入0-10V 连接AI2、AGND
屏蔽线接SCR
输入4-20mA 或0-20mA
有些变频器会有跳针选择  
注意：选择AI1或AI2输入会有跳针选择，
      ABB-ACS550出厂设定为AI1为电压信号，
AI2为电流信号，你可以自己加以设定
重新选择。
 
4、  数字开关量输出信号一般用于输出变频器的状态信号，如变频器准备好信号、运行信号、故障信号。ABB-ACS550变频器出厂默认如图：   各输出端可以编程设置，设置参见1041参数。
5、  模拟量输出信号连接，一般变送为4-20mA用于输出变频器的电流值、频率值给DCS，PLC。
接线如图所示：
  
ABB-ACS550变频器出厂默认AO1为电流模拟信号，AO2为频率模拟信号，AGND为公共端，接线接7、9或8、9接线端子。输出端子参数可设定。
 
 
  
三、   参数设定：参数设定是用好变频器的关健，在一个变频器中有几百个参数，但往往我们实际应用中只会用到最多几十个的参数，下面我就按通用的参数加以讲解，而这几个最基本的参数对各品牌的变频品同样适用，只是参数号不一样而已。
1、  学会变频器操作面板的使用：
各种变频的操作面板不完全一样，但基本功能相类似，一般面板上会有启动按钮（START）、停止按钮（STOP）、复位按钮（REST）、菜单翻页按钮（UP、DOWN）、确认按钮（ENTER）等。面板也有中文显示、英文显示及数字代码显示几种，当然中文显示菜单的面板操作最直观，我推荐订购时选用这种中文显示的面板，用熟了的话可以不看操作手册，对现场维护可以提高工作效率。ABB-ACS550变频器出厂所带的面板如下图所示： 面板上的状态灯正常工作时为绿色，故障时为红色，
左软键与右软键与我们手机上的有类似功能，分别对应显示屏电下方的左右菜单功能。
在显示屏幕上一般有本地/远程控制（LOC/REM）、正/反转控制(P、Q)、电机转速（xxxxRPM ）、电机电流（xxxA）、电机频率(xxHZ)及变频器的参数号等显示。
 
2、    面板参数菜单：
      ABB-ACS550变频器面板参数有数字及字符（中文或英文）显示，刚入门的话可以只看参数号加以选择设定，对于我们不可能对每一种变频器的数字号参数背熟，这样的话会让你感到头痛的，我们可以按操作手册选用参应的参数号。用熟了的话可以只看字符菜单，这样可以加快工作效率，下图为ABB-ACS500变频器面板的参数显示： 
3、   对变频器设定的常用参数：
1）  电机参数：电机参数我们只需要将所配电机上的铭牌内容输入给变频器就行了，内容有电机功率、电机额定电流、电机极数、电机额定转速、电机额定电压等。ABB-ACS550变频器此参数的设定在99号参数组内（START-UP DATA）。在9902内还有一个运用宏参数，该参数可以让用户快速设置到相对应的实际应用中。
代码 名称 范围 分辨率 缺省值 用户 S
Group 99: 起动数据
9902 宏参数 1=标准，2=三线制、…6=PID…   1    
9904 电机控制模式 1= 速度，2= 转矩，3= 标量 1             3                    ?
9905 电机额定电压 115…345V或200…600V 1 V 230V或400V   ?
9906 电机额定电流 0.2*Ihd…2.0*Ihd 0.1 A 1.0*Ihd   ?
9907 电机额定频率 10.0…500 Hz 0.1 Hz 50 Hz    ?
9908 电机额定转速 50…18000 rpm 1 rpm 1440 rpm /    ?
9909 电机额定功率 0.2…2.0*Phd 0.1 kW 1.0 * Phd   ?
 
 
 
2）  基本参数：该参数一般有最低频率（常设为0Hz）、最高频率(常设为50Hz)、加速时间、减速时间（根据电机的大小设不同的值，如一般15KW设5秒左右，电机越大，时间越长）、最大电流、最大电压（此二个参数是对变频器的保护，根据变频器铭牌设定或用默认值）ABB-ACS500变频器对以上参数设定在20号及22号参数组内。
 
Group 20: 限幅
代码 名称 范围 分辨率 缺省值 用户 S
2001 最小速度 -30000…30000 rpm 1 rpm 0 rpm   ¸
2002 最高速度 0…30000 rpm 1 rpm 1500 rpm   ¸
2003 最大电流 0… 1.8 * Ihd 0.1 A 1.8 * Ihd   ¸
2007 最小频率 -500…500 Hz 0.1 Hz 0 Hz   ¸
2008 最高频率 0…500 Hz 0.1 Hz 50 Hz    ¸
Group 22: 加速 / 减速
2202 加速时间 0.0…1800 s 0.1 s 5 s    
2203 减速时间 0.0…1800 s 0.1 s 5 s    
         
 
 
3）  指领输入参数：对应的是开关量及模拟量输入端接口的设定，一般有启动方式（本地/远程选择）、启动/停止、正转/反转、多段速度控制、模拟电流及模拟电压输入选择等。ABB-ACS550变频器此类参数设定在10号、11号、12号参数组内。
 
Group 10: 指令输入
代码 名称 范围 分辨率 缺省值 用户 S
1001 接线端功能设定 0…10 1 2(2线制启停方式)    
1003 电机转向设定 1…3 1 3(双向)    
Group 11: 给定选择
1103 模拟量设定选取 0…17 1 1(从键盘上选取)   ¸
1104 模拟量给定最小值 0…500 Hz / 0…30000 rpm 0.1 Hz / 1 rpm 0 Hz / 0 rpm    
1105 模拟量给定最大值 0…500 Hz / 0…30000 rpm 0.1 Hz / 1 rpm 50 Hz / 1500 rpm    
Group 12: 恒速运行
1201 多段速度设定 0…14, -1…-14 1 9(由DI3\DI4控制三段速度)   ¸
1202 速度1 0…30000 rpm / 0…500 Hz 1 rpm / 0.1 Hz 300 rpm / 5 Hz    
1203 速度2 0…30000 rpm / 0…500 Hz 1 rpm / 0.1 Hz 600 rpm / 10 Hz    
1204 速度3 0…30000 rpm / 0…500 Hz 1 rpm / 0.1 Hz 900 rpm / 15 Hz    
Group 13: 模拟输入
1301 模拟量低限 0…100% 0.1% 0%    
1302 模拟量高限 0…100% 0.1% 100%    
1303 模拟量滤波 0…10 s 0.1 s 0.1 s      
 
 
 
 
4）  输出参数：对应开关量及模拟量的输出端口设定，一般有准备、运行、故障信号及电流、频率模拟输出。ABB-ACS550变频器此类参数设定在14号、15号参数组内。
对于一般变频器以上参数设定完，变频器即可投入正常运行，各种品牌的变频器可根据其自己的参数号进行设定，但对于一些特定场合的应用我们还需进一步高级参数设定。
  Group 14: 继电器输出
  代码 名称 范围 分辨率 缺省值 用户 S
  1401 继电器输出1 0…36 1 1(准备)    
  1402 继电器输出2 0…36 1 2(运行)    
  1403 继电器输出3 0…36 1 3(故障取反)    
Group 15: 模拟输出  
1501 AO1 模拟设义 99...199 1 103(模拟电流值)      
1502 AO1 最小量程 -                               -            由参数 0103 定义      
1503 AO1 最大量程 -                               -            由参数 0103 定义      
1504 AO1 最小值 0.0…20.0 mA  0.1 mA  0 mA       
1505 AO1 最大值 0.0…20.0 mA 0.1 mA 20.0 mA      
1506 AO1 滤波 0…10 s  0.1 s  0.1 s       
1507 AO2模拟设义 99…199 1 104(模拟频率值)      
1508 AO2 最小量程 -                               -            由参数 0104 定义      
1509 AO2 最大量程 -                               -            由参数 0104 定义      
1510 AO2 最小值 0.0…20.0 mA  0.1 mA  0 mA       
1511 AO2 最大值 0.0…20.0 mA 0.1 mA 20.0 mA      
1512 AO2 滤波 0…10 s  0.1 s  0.1 s       
                
4、   高级参数设定：此类参数主要是优化变频器的使用性能，比如U/F曲线设定，可以提高电机启动时的启动特性，能更好的带负载启动；PID设定能利用变频器特有的性能控制水泵类电机做PID调节，不再需要PLC做PID控制；频率屏蔽点设定，可以跳过电机在某一频率时产生的机械共振等。此类参数设定看实际应用中具体而定。
 
四、   实际应用例：
1、  一台3KW电机DCS的正反转带速度控制。
1）  设计思路：选用一台具有正反转功能的变频器，功率为3KW，因为功率较小电磁干拢不大，可以不考虑输入电抗器，DCS控制需有变频器的状态信号（准备、运行、故障），以及实际电流信号，变频器的启停及正反转由DCS作控制，速度控制DCS采用4-20mA模拟信号作控制。
2）  变频器控制回路设计图：3）  变频器参数设定：
 
代码 名称 设定值 说明 代码 名称 设定值 说明
9902 应用宏 1 标准型 1104 模拟量最小值 0 0Hz
9904 电机控制模式 1 选用速度控制 1105 模拟量最大值 50 50Hz
9905 电机额定电压 400V 参见电机铭牌 1301 模拟量低限 20% 对应4mA
9906 电机额定电流 7．0A 参见电机铭牌 1302 模拟量高限 100% 对应20mA
9907 电机额定频率 50Hz 参见电机铭牌 1401 输出继电器1 1 准备信号
9908 电机额定速度 1410r/min 参见电机铭牌 1402 输出继电器2 2 运行信号
9909 电机额定功率 3KW 参见电机铭牌 1403 输出继电器3 3 故障信号
1001 EXT1命令 2 2线制控制 1501 AO1输出 104 选择模拟电流
1003 方向控制 3 正反转控制 1504 AO1最小值 4 4mA
1103 AI1选择 1 速度从AI1取值 1505 AO1最大值 20 20mA  
其它参数可用变频器默认值，改善变频器及对电机的控制特性，如加、减速，U/F曲线等由调试中按实际运行调节设定。
 
4）  实际安装及接线时应注意要点：
实际安装中注意模拟量信号线的屏蔽，屏蔽接地在DCS侧，变频器侧悬空；模拟量信号变频器默认为0-20mA，所以必须要设定为4-20mA；因故障反馈信号是由输出继电器3得到，该信号设置1403为故障反信号，所以接线注意接常闭点，其它二个反馈信号接常开点；同时必需检查变频器的各个跳针与设定是否正确；其它按变频器前述安装要求进行。
 
2、  一台15KW水泵做PID控制，控制水泵出口压力稳定。
1）  设计思路：选用一台15KW具有PID功能的变频器，可以不考虑输入电抗器，电机速度由设定频率与泵出口压力作比较进行PID调节，设计应考虑能手/自动转换。
2）  变频器控制回路设计图：3）  变频器参数设定：
代码 名称 设定值 说明 代码 名称 设定值 说明
9902 应用宏 6 PID型 1202 恒速1 20Hz 低速
9904 电机控制模式 1 选用速度控制 1203 恒速2 40Hz 中速
9905 电机额定电压 400V 参见电机铭牌 1204 恒速3 50Hz 高速
9906 电机额定电流 30．1A 参见电机铭牌 1301 AI1低限 0% 对应0V
9907 电机额定频率 50Hz 参见电机铭牌 1302 AI1高限 100% 对应10V
9908 电机额定速度 1460r/min 参见电机铭牌 1304 AI2低限 20% 对应4mA
9909 电机额定功率 15KW 参见电机铭牌 1305 AI2高限 100% 对应20mA
1001 EXT1命令 1 手-2线制控制 1402 输出继电器2 2 运行信号
1002 EXT2命令 6 PID 2线制控制 1507 AO2输出 103 选择频率模拟
1003 方向控制 1 正反转控制 1508 AO2低值 0 0Hz
1102 EXT1/EXT2 2 定义DI2 1509 AO2高值 50 50Hz
1103 AI1选择 1 速度从AI1取值 1601 允许信号 5 DI5作急停用
1104 模拟量最小值 0 0Hz 4001 P（增益） xxx 按实际调整
1105 模拟量最大值 50 50Hz 4002 I（积分） xxx 按实际调整
1106 AI2选择 19 PID调节 4003 D（微分） xxx 按实际调整
1107 模拟量最小值 0 0Hz 4005 偏差信号取反 1 取反信号
1108 模拟量最大值 50 50Hz 4010 设定值 1 AI1为给定值
1201 恒速设定 7 定义三段恒速 4027 PID参数组 0 选PID1组  
其它参数可用变频器默认值，改善变频器及对电机的控制特性，如加、减速，U/F曲线等由调试中按实际运行调节设定；PID调节参数需实际调试时对40参数组进行修整改善，特别注意的是泵的出口压力与电机转速应取反，即压力高时要求降速，此参数在4005中设定。
 
4）  控制原理说明：
手动控制时，将手/自动转换开关断开（DI2=0），手动转换开关闭合（DI1=1），变频器将以AI1为参考控制速度，调整电机转速。如果需要固定某一频率点，也开以利用恒速1（DI3）、恒速2（DI4）开关的组合，得到三段速度，设定为20Hz、40Hz、50Hz，可在参数1202、1203、1204中修改设定频率。
自动作PID控制时，将手/自动转换开关闭合（DI2=1），自动PID转换开关闭合（DI6=1），此时DI1、DI3、DI4均不起作用，电机将以AI1为设定点，AI2为实际值进行PID调节，泵出口压力高，将会自动降低电机转速，以降低出口压力，反之相反。
当出现紧急事故时，可拍下急停按钮（DI5=0），将不允许电机启动，起到保护作用。电机的速度可由频率表查看，由AO2输出，应注意模拟量与表量程值的对应设定。装有二个指示灯表示电机的运行、停止，由输出继电器2的常开常、闭点分别取得信号。
      
五、故障分析与维修：
      变频器是一个高精度、高科技的电子元气件，对它的故障处理，我们也应由简到繁的原则去加以分析维修，对于我们一般的现场维护保养者，并不需要深入的了解其内部的构造，但应掌握其一般故障发生的规律加以分析处理。
      变频器发生故障时，首先我们应从变频器的显示面板上读取故障代码，此类代码每一种变频器的代码信息均不会一致，但基本都会有过流、过压、过载、失压、超温、模拟量丢失、通讯丢失等故障记录。在ABB-ACS550变频器中可由04组参数查得历史故障记录。同时一般故障时我们可以从面板上的指示灯变为红色加以判断。
 
      在分析故障时，我们还可以从变频器的实际检测数据中检查实际的开关量信号、模拟量信号及实际变频器运行数据加以判断是否正常，ABB-ACS550变频器此类信号值的检查可在01号参数组查得。
      另外我们应注意变频的特性参数是否设定合理，对U/F曲线，加、减速时间，电流限制，各类保护等参数的设定特别需加以检查分析。
    
 事例一、1台DCS控制的变频器，操作员设定30Hz运行频率开启后发现电机实际转速很慢，甚至跳停。
         分析处理：由于原来控制是正常的，说明原外部接线及控制方式应没问题，检查变频器故障代码是过流及过载，可能的原因是负载过大，根据现场得到的反馈是电机没问题，由于工艺的变化至使变频器负苛加大，检查变频器电流限定均正常，在试运行中查看运行参数发现输入开关量、模拟量数据均正常，但输入模拟量约为30Hz时，输出频率上不去，明显变频器启动带负苛能力差，调整U/F曲线以提高启动低频时的电压，故障排除。
事例二、1台变频器运行中经常跳停，报过温报警。
        分析处理：由于这台变频器前期运行正常，过温报警跳停一般只有变频器长期满负苛运行，不能充分散热引起，检查电机负载情况正常，但拆下变频器检查时发现其散热片上的积尘很厚，严重妨碍了变频器的散热性能，对积尘充分吹洗后，变频器工作恢复正常。
 
由例可见我们对变频器的维护并不复杂，一些常规的小问题并不是变频器本身，而是我们对其的运行环境没重视，真正烧坏变频器的也是在这些环境没保证的前提下，其内部元器件加快老化引起的。因此我们在平时做维护时应特别检查变频器的工况，周围环境保持无尘、无水、无腐蚀及恒温的条件。
 
六、总结：
        虽然各品牌、各型号的变频器不仅相同，但掌握了变频器的共性，学会一种变频器的应用后对其它的变频器也就触类旁通了。对变频器众多的参数，我们应学会挑出最基本的参数，因为多数的参数对于我们实际应用中一般都应用不到，可以用其默认值，特别还应学会调整特性参数以更好的让变频器工作在最佳状态。
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