帶你進入工控之門—— 學一種變頻器
作者：朱毅  來源：本站整理  更新時間：2011-7-3 13:39:33  發(fā)布人：admin
 
序言：初次接觸工控的人對其都會感到很神秘，許許多多的自動控制，錯綜復雜的聯(lián)鎖及很多高新的電氣元器件，讓人無從下手。其實我們只需掌握一些基本的知識，分解各個部件，了解各部件的性能及要點，然后再整合起來，就清晰多了。
整個工控的組成好似人體一樣，一般有：大腦（DCS），神經(jīng)中樞（網(wǎng)絡），軀干（PLC），手腳（現(xiàn)場執(zhí)行器），五觀（現(xiàn)場傳感器）。
今天我為大家談談現(xiàn)場執(zhí)行器中的一個工控中常用的電氣部件——變頻器。變頻器由于其本身具有可調(diào)速及節(jié)能的重要特性，在近幾年發(fā)展很快，廣泛應用于各鄰域。對于品種繁多的變頻器和其本身內(nèi)部各參數(shù)之多，我們往往第一次接觸會感到無從下手，但我們可以從各種變頻器的共性中學習，掌握一種變頻器，舉一反三就能從而了解各種變頻器的應用。
下面我就用一種常用的變頻器ABB-ACS550給大家講解其在實際工作中的應用。

一、安裝：
  打開包裝我們首先要查看的是選用的變頻器功率是否與配套的電機功率一致，要求是變頻器功率≥電機功率，否則變頻器因功率不足帶不起負荷而燒壞。變頻器上一般會有如下標簽：

表示該變頻器輸入要求電壓為3相380電壓，頻率50HZ，其上邊的數(shù)字是一個適用范圍，我們一般不用理會，因為國內(nèi)的電壓等級均滿足其要求。輸出電壓為0至380V，3相交流，電流為6.9A，也就是能帶3KW左右的電機，頻率可調(diào)0-500Hz，一般我們應用中最大也只有60Hz。
   一般變頻器要求安裝在無塵，無水氣，無腐蝕的環(huán)境中，并在變頻器本身上下左右周圍留有一定的空間，有利散熱。條件好的話最好能安裝在特定的配電房內(nèi)，并配有恒溫設備，因為變頻器本身也有發(fā)熱，其電子元件會受溫度的影響，如果其散熱片上積塵多散熱不好的話，會加劇變頻器的損壞。
   由于變頻器本身是個干攏源，所以它產(chǎn)生的電磁干攏對其周圍會有一定的影響，由其是對周圍有DCS，PLC這種高精度工控設備更要注意安裝中的每一環(huán)節(jié)。其解決方法有：
1、在電源輸入側加裝電抗器，現(xiàn)在有些變頻器在設計時已經(jīng)在輸入端加入了抗干攏的電抗器，可以在訂購時加以注意。
2、在電源輸出側，即電機電纜選用帶屏蔽的三芯或四芯對稱電纜，其優(yōu)點是電纜上的電磁干攏是對稱的，相互加以抵消，如以下圖示：

3、控制電纜選用屏蔽雙絞線，如圖所示：

4、電纜屏蔽層在變頻側接CE端，變頻器的PE、CE單獨接地。電纜布線時，控制電纜與動力電纜分開，至少不小于20Cm距離。注意控制電纜的模擬量與開關量不用同一電纜。
 
二、  接線：
1、  電源的進線接變頻器的U1、V1、W1，電纜接地線接PE；電機電纜接變頻器的U2、V2、W2，電纜接地線接PE；變頻器的GND接地；如果電機需要快速停機的話，需要變頻器的R+、R-側接止動電阻，上邊有短接線的并拆除。如圖：

2、  數(shù)字輸入控制常有開關、繼電器等發(fā)出信號至變頻器，其連接需按實際應用要求，一般有二種接線，如圖：

   
注意：按以上不同方式連接時，有些品牌的變頻器會要求在變頻上有跳針設置。
常用的連接線有，變頻器啟動信號，變頻器停止信號（有些啟停是同一輸入點，接通啟動，斷開停止），變頻器正轉信號，變頻器反轉信號（正轉信號往往與啟動是同一信號），變頻器多段速度信號（如低速、中速、高速分三個輸入信號接入）
ABB-ASC550出廠默認DI1為啟停信號（接通啟動，斷開停止）DI2為正反轉信號（接通為反轉，斷開為正轉）
 
3、  模擬輸入信號接線分電壓型，電流型，及可變電阻信號輸入，如圖連接；

         
  
可變電阻信號輸入 電壓信號輸入 電流信號輸入
連接AI1、AGND、10V
屏蔽線接SCR 連接AI1、AGND
屏蔽線接SCR
輸入0-10V 連接AI2、AGND
屏蔽線接SCR
輸入4-20mA 或0-20mA
有些變頻器會有跳針選擇

 
注意：選擇AI1或AI2輸入會有跳針選擇，
      ABB-ACS550出廠設定為AI1為電壓信號，
AI2為電流信號，你可以自己加以設定
重新選擇。
 
4、  數(shù)字開關量輸出信號一般用于輸出變頻器的狀態(tài)信號，如變頻器準備好信號、運行信號、故障信號。ABB-ACS550變頻器出廠默認如圖：

   各輸出端可以編程設置，設置參見1041參數(shù)。
5、  模擬量輸出信號連接，一般變送為4-20mA用于輸出變頻器的電流值、頻率值給DCS，PLC。
接線如圖所示：
  
ABB-ACS550變頻器出廠默認AO1為電流模擬信號，AO2為頻率模擬信號，AGND為公共端，接線接7、9或8、9接線端子。輸出端子參數(shù)可設定。
 
 
  
三、   參數(shù)設定：參數(shù)設定是用好變頻器的關健，在一個變頻器中有幾百個參數(shù)，但往往我們實際應用中只會用到最多幾十個的參數(shù)，下面我就按通用的參數(shù)加以講解，而這幾個最基本的參數(shù)對各品牌的變頻品同樣適用，只是參數(shù)號不一樣而已。
1、  學會變頻器操作面板的使用：
各種變頻的操作面板不完全一樣，但基本功能相類似，一般面板上會有啟動按鈕（START）、停止按鈕（STOP）、復位按鈕（REST）、菜單翻頁按鈕（UP、DOWN）、確認按鈕（ENTER）等。面板也有中文顯示、英文顯示及數(shù)字代碼顯示幾種，當然中文顯示菜單的面板操作最直觀，我推薦訂購時選用這種中文顯示的面板，用熟了的話可以不看操作手冊，對現(xiàn)場維護可以提高工作效率。ABB-ACS550變頻器出廠所帶的面板如下圖所示：

面板上的狀態(tài)燈正常工作時為綠色，故障時為紅色，
左軟鍵與右軟鍵與我們手機上的有類似功能，分別對應顯示屏電下方的左右菜單功能。
在顯示屏幕上一般有本地/遠程控制（LOC/REM）、正/反轉控制(P、Q)、電機轉速（xxxxRPM ）、電機電流（xxxA）、電機頻率(xxHZ)及變頻器的參數(shù)號等顯示。
 
2、    面板參數(shù)菜單：
      ABB-ACS550變頻器面板參數(shù)有數(shù)字及字符（中文或英文）顯示，剛入門的話可以只看參數(shù)號加以選擇設定，對于我們不可能對每一種變頻器的數(shù)字號參數(shù)背熟，這樣的話會讓你感到頭痛的，我們可以按操作手冊選用參應的參數(shù)號。用熟了的話可以只看字符菜單，這樣可以加快工作效率，下圖為ABB-ACS500變頻器面板的參數(shù)顯示：

 
3、   對變頻器設定的常用參數(shù)：
1）  電機參數(shù)：電機參數(shù)我們只需要將所配電機上的銘牌內(nèi)容輸入給變頻器就行了，內(nèi)容有電機功率、電機額定電流、電機極數(shù)、電機額定轉速、電機額定電壓等。ABB-ACS550變頻器此參數(shù)的設定在99號參數(shù)組內(nèi)（START-UP DATA）。在9902內(nèi)還有一個運用宏參數(shù)，該參數(shù)可以讓用戶快速設置到相對應的實際應用中。
代碼 名稱 范圍 分辨率 缺省值 用戶 S
Group 99: 起動數(shù)據(jù)
9902 宏參數(shù) 1=標準，2=三線制、…6=PID…   1    
9904 電機控制模式 1= 速度，2= 轉矩，3= 標量 1             3                    ?
9905 電機額定電壓 115…345V或200…600V 1 V 230V或400V   ?
9906 電機額定電流 0.2*Ihd…2.0*Ihd 0.1 A 1.0*Ihd   ?
9907 電機額定頻率 10.0…500 Hz 0.1 Hz 50 Hz    ?
9908 電機額定轉速 50…18000 rpm 1 rpm 1440 rpm /    ?
9909 電機額定功率 0.2…2.0*Phd 0.1 kW 1.0 * Phd   ?
 
 
 
2）  基本參數(shù)：該參數(shù)一般有最低頻率（常設為0Hz）、最高頻率(常設為50Hz)、加速時間、減速時間（根據(jù)電機的大小設不同的值，如一般15KW設5秒左右，電機越大，時間越長）、最大電流、最大電壓（此二個參數(shù)是對變頻器的保護，根據(jù)變頻器銘牌設定或用默認值）ABB-ACS500變頻器對以上參數(shù)設定在20號及22號參數(shù)組內(nèi)。
 
Group 20: 限幅
代碼 名稱 范圍 分辨率 缺省值 用戶 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 最大電流 0… 1.8 * Ihd 0.1 A 1.8 * Ihd   ¸
2007 最小頻率 -500…500 Hz 0.1 Hz 0 Hz   ¸
2008 最高頻率 0…500 Hz 0.1 Hz 50 Hz    ¸
Group 22: 加速 / 減速
2202 加速時間 0.0…1800 s 0.1 s 5 s    
2203 減速時間 0.0…1800 s 0.1 s 5 s    
       

 
 
 
3）  指領輸入?yún)?shù)：對應的是開關量及模擬量輸入端接口的設定，一般有啟動方式（本地/遠程選擇）、啟動/停止、正轉/反轉、多段速度控制、模擬電流及模擬電壓輸入選擇等。ABB-ACS550變頻器此類參數(shù)設定在10號、11號、12號參數(shù)組內(nèi)。
 
Group 10: 指令輸入
代碼 名稱 范圍 分辨率 缺省值 用戶 S
1001 接線端功能設定 0…10 1 2(2線制啟停方式)    
1003 電機轉向設定 1…3 1 3(雙向)    
Group 11: 給定選擇
1103 模擬量設定選取 0…17 1 1(從鍵盤上選取)   ¸
1104 模擬量給定最小值 0…500 Hz / 0…30000 rpm 0.1 Hz / 1 rpm 0 Hz / 0 rpm    
1105 模擬量給定最大值 0…500 Hz / 0…30000 rpm 0.1 Hz / 1 rpm 50 Hz / 1500 rpm    
Group 12: 恒速運行
1201 多段速度設定 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: 模擬輸入
1301 模擬量低限 0…100% 0.1% 0%    
1302 模擬量高限 0…100% 0.1% 100%    
1303 模擬量濾波 0…10 s 0.1 s 0.1 s    

 
 
 
 
 
4）  輸出參數(shù)：對應開關量及模擬量的輸出端口設定，一般有準備、運行、故障信號及電流、頻率模擬輸出。ABB-ACS550變頻器此類參數(shù)設定在14號、15號參數(shù)組內(nèi)。
對于一般變頻器以上參數(shù)設定完，變頻器即可投入正常運行，各種品牌的變頻器可根據(jù)其自己的參數(shù)號進行設定，但對于一些特定場合的應用我們還需進一步高級參數(shù)設定。
  Group 14: 繼電器輸出
  代碼 名稱 范圍 分辨率 缺省值 用戶 S
  1401 繼電器輸出1 0…36 1 1(準備)    
  1402 繼電器輸出2 0…36 1 2(運行)    
  1403 繼電器輸出3 0…36 1 3(故障取反)    
Group 15: 模擬輸出  
1501 AO1 模擬設義 99...199 1 103(模擬電流值)      
1502 AO1 最小量程 -                               -            由參數(shù) 0103 定義      
1503 AO1 最大量程 -                               -            由參數(shù) 0103 定義      
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 濾波 0…10 s  0.1 s  0.1 s       
1507 AO2模擬設義 99…199 1 104(模擬頻率值)      
1508 AO2 最小量程 -                               -            由參數(shù) 0104 定義      
1509 AO2 最大量程 -                               -            由參數(shù) 0104 定義      
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 濾波 0…10 s  0.1 s  0.1 s       
              

 
4、   高級參數(shù)設定：此類參數(shù)主要是優(yōu)化變頻器的使用性能，比如U/F曲線設定，可以提高電機啟動時的啟動特性，能更好的帶負載啟動；PID設定能利用變頻器特有的性能控制水泵類電機做PID調(diào)節(jié)，不再需要PLC做PID控制；頻率屏蔽點設定，可以跳過電機在某一頻率時產(chǎn)生的機械共振等。此類參數(shù)設定看實際應用中具體而定。
 
四、   實際應用例：
1、  一臺3KW電機DCS的正反轉帶速度控制。
1）  設計思路：選用一臺具有正反轉功能的變頻器，功率為3KW，因為功率較小電磁干攏不大，可以不考慮輸入電抗器，DCS控制需有變頻器的狀態(tài)信號（準備、運行、故障），以及實際電流信號，變頻器的啟停及正反轉由DCS作控制，速度控制DCS采用4-20mA模擬信號作控制。
2）  變頻器控制回路設計圖：

3）  變頻器參數(shù)設定：
 
代碼 名稱 設定值 說明 代碼 名稱 設定值 說明
9902 應用宏 1 標準型 1104 模擬量最小值 0 0Hz
9904 電機控制模式 1 選用速度控制 1105 模擬量最大值 50 50Hz
9905 電機額定電壓 400V 參見電機銘牌 1301 模擬量低限 20% 對應4mA
9906 電機額定電流 7．0A 參見電機銘牌 1302 模擬量高限 100% 對應20mA
9907 電機額定頻率 50Hz 參見電機銘牌 1401 輸出繼電器1 1 準備信號
9908 電機額定速度 1410r/min 參見電機銘牌 1402 輸出繼電器2 2 運行信號
9909 電機額定功率 3KW 參見電機銘牌 1403 輸出繼電器3 3 故障信號
1001 EXT1命令 2 2線制控制 1501 AO1輸出 104 選擇模擬電流
1003 方向控制 3 正反轉控制 1504 AO1最小值 4 4mA
1103 AI1選擇 1 速度從AI1取值 1505 AO1最大值 20 20mA

 
其它參數(shù)可用變頻器默認值，改善變頻器及對電機的控制特性，如加、減速，U/F曲線等由調(diào)試中按實際運行調(diào)節(jié)設定。
 
4）  實際安裝及接線時應注意要點：
實際安裝中注意模擬量信號線的屏蔽，屏蔽接地在DCS側，變頻器側懸空；模擬量信號變頻器默認為0-20mA，所以必須要設定為4-20mA；因故障反饋信號是由輸出繼電器3得到，該信號設置1403為故障反信號，所以接線注意接常閉點，其它二個反饋信號接常開點；同時必需檢查變頻器的各個跳針與設定是否正確；其它按變頻器前述安裝要求進行。
 
2、  一臺15KW水泵做PID控制，控制水泵出口壓力穩(wěn)定。
1）  設計思路：選用一臺15KW具有PID功能的變頻器，可以不考慮輸入電抗器，電機速度由設定頻率與泵出口壓力作比較進行PID調(diào)節(jié)，設計應考慮能手/自動轉換。
2）  變頻器控制回路設計圖：

3）  變頻器參數(shù)設定：
代碼 名稱 設定值 說明 代碼 名稱 設定值 說明
9902 應用宏 6 PID型 1202 恒速1 20Hz 低速
9904 電機控制模式 1 選用速度控制 1203 恒速2 40Hz 中速
9905 電機額定電壓 400V 參見電機銘牌 1204 恒速3 50Hz 高速
9906 電機額定電流 30．1A 參見電機銘牌 1301 AI1低限 0% 對應0V
9907 電機額定頻率 50Hz 參見電機銘牌 1302 AI1高限 100% 對應10V
9908 電機額定速度 1460r/min 參見電機銘牌 1304 AI2低限 20% 對應4mA
9909 電機額定功率 15KW 參見電機銘牌 1305 AI2高限 100% 對應20mA
1001 EXT1命令 1 手-2線制控制 1402 輸出繼電器2 2 運行信號
1002 EXT2命令 6 PID 2線制控制 1507 AO2輸出 103 選擇頻率模擬
1003 方向控制 1 正反轉控制 1508 AO2低值 0 0Hz
1102 EXT1/EXT2 2 定義DI2 1509 AO2高值 50 50Hz
1103 AI1選擇 1 速度從AI1取值 1601 允許信號 5 DI5作急停用
1104 模擬量最小值 0 0Hz 4001 P（增益） xxx 按實際調(diào)整
1105 模擬量最大值 50 50Hz 4002 I（積分） xxx 按實際調(diào)整
1106 AI2選擇 19 PID調(diào)節(jié) 4003 D（微分） xxx 按實際調(diào)整
1107 模擬量最小值 0 0Hz 4005 偏差信號取反 1 取反信號
1108 模擬量最大值 50 50Hz 4010 設定值 1 AI1為給定值
1201 恒速設定 7 定義三段恒速 4027 PID參數(shù)組 0 選PID1組

 
其它參數(shù)可用變頻器默認值，改善變頻器及對電機的控制特性，如加、減速，U/F曲線等由調(diào)試中按實際運行調(diào)節(jié)設定；PID調(diào)節(jié)參數(shù)需實際調(diào)試時對40參數(shù)組進行修整改善，特別注意的是泵的出口壓力與電機轉速應取反，即壓力高時要求降速，此參數(shù)在4005中設定。
 
4）  控制原理說明：
手動控制時，將手/自動轉換開關斷開（DI2=0），手動轉換開關閉合（DI1=1），變頻器將以AI1為參考控制速度，調(diào)整電機轉速。如果需要固定某一頻率點，也開以利用恒速1（DI3）、恒速2（DI4）開關的組合，得到三段速度，設定為20Hz、40Hz、50Hz，可在參數(shù)1202、1203、1204中修改設定頻率。
自動作PID控制時，將手/自動轉換開關閉合（DI2=1），自動PID轉換開關閉合（DI6=1），此時DI1、DI3、DI4均不起作用，電機將以AI1為設定點，AI2為實際值進行PID調(diào)節(jié)，泵出口壓力高，將會自動降低電機轉速，以降低出口壓力，反之相反。
當出現(xiàn)緊急事故時，可拍下急停按鈕（DI5=0），將不允許電機啟動，起到保護作用。電機的速度可由頻率表查看，由AO2輸出，應注意模擬量與表量程值的對應設定。裝有二個指示燈表示電機的運行、停止，由輸出繼電器2的常開常、閉點分別取得信號。
      
五、故障分析與維修：
      變頻器是一個高精度、高科技的電子元氣件，對它的故障處理，我們也應由簡到繁的原則去加以分析維修，對于我們一般的現(xiàn)場維護保養(yǎng)者，并不需要深入的了解其內(nèi)部的構造，但應掌握其一般故障發(fā)生的規(guī)律加以分析處理。
      變頻器發(fā)生故障時，首先我們應從變頻器的顯示面板上讀取故障代碼，此類代碼每一種變頻器的代碼信息均不會一致，但基本都會有過流、過壓、過載、失壓、超溫、模擬量丟失、通訊丟失等故障記錄。在ABB-ACS550變頻器中可由04組參數(shù)查得歷史故障記錄。同時一般故障時我們可以從面板上的指示燈變?yōu)榧t色加以判斷。
 
      在分析故障時，我們還可以從變頻器的實際檢測數(shù)據(jù)中檢查實際的開關量信號、模擬量信號及實際變頻器運行數(shù)據(jù)加以判斷是否正常，ABB-ACS550變頻器此類信號值的檢查可在01號參數(shù)組查得。
      另外我們應注意變頻的特性參數(shù)是否設定合理，對U/F曲線，加、減速時間，電流限制，各類保護等參數(shù)的設定特別需加以檢查分析。
    
 事例一、1臺DCS控制的變頻器，操作員設定30Hz運行頻率開啟后發(fā)現(xiàn)電機實際轉速很慢，甚至跳停。
         分析處理：由于原來控制是正常的，說明原外部接線及控制方式應沒問題，檢查變頻器故障代碼是過流及過載，可能的原因是負載過大，根據(jù)現(xiàn)場得到的反饋是電機沒問題，由于工藝的變化至使變頻器負苛加大，檢查變頻器電流限定均正常，在試運行中查看運行參數(shù)發(fā)現(xiàn)輸入開關量、模擬量數(shù)據(jù)均正常，但輸入模擬量約為30Hz時，輸出頻率上不去，明顯變頻器啟動帶負苛能力差，調(diào)整U/F曲線以提高啟動低頻時的電壓，故障排除。
事例二、1臺變頻器運行中經(jīng)常跳停，報過溫報警。
        分析處理：由于這臺變頻器前期運行正常，過溫報警跳停一般只有變頻器長期滿負苛運行，不能充分散熱引起，檢查電機負載情況正常，但拆下變頻器檢查時發(fā)現(xiàn)其散熱片上的積塵很厚，嚴重妨礙了變頻器的散熱性能，對積塵充分吹洗后，變頻器工作恢復正常。
 
由例可見我們對變頻器的維護并不復雜，一些常規(guī)的小問題并不是變頻器本身，而是我們對其的運行環(huán)境沒重視，真正燒壞變頻器的也是在這些環(huán)境沒保證的前提下，其內(nèi)部元器件加快老化引起的。因此我們在平時做維護時應特別檢查變頻器的工況，周圍環(huán)境保持無塵、無水、無腐蝕及恒溫的條件。
 
六、總結：
        雖然各品牌、各型號的變頻器不僅相同，但掌握了變頻器的共性，學會一種變頻器的應用后對其它的變頻器也就觸類旁通了。對變頻器眾多的參數(shù)，我們應學會挑出最基本的參數(shù)，因為多數(shù)的參數(shù)對于我們實際應用中一般都應用不到，可以用其默認值，特別還應學會調(diào)整特性參數(shù)以更好的讓變頻器工作在最佳狀態(tài)。
 

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