值得收藏 | 變頻器的外接端子及其控制功能詳解

1 變頻器的控制功能

1.1 基礎(chǔ)概念
變頻器運(yùn)行的控制信號也叫操作指令，如起動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動、復(fù)位等。

和頻率給定方式類似, 變頻器操作指令的輸入方式也有: (1) 鍵盤操作 即通過面板上的鍵盤輸入操作指令。大多數(shù)變頻器的面板都可以取下, 安置到操作方便的地方, 面板和變頻器之間用延長線相聯(lián)接, 從而實(shí)現(xiàn)了距離較遠(yuǎn)的控制, 如圖1所示。

圖1   面板操作

(2) 外接輸入控制

操作指令通過外接輸入端子從外部輸入開關(guān)信號來進(jìn)行控制，如圖2所示。

圖2    外接輸入端子

由于外部的開關(guān)信號可以在遠(yuǎn)離變頻器的地方來進(jìn)行操作，因此，不少變頻器把這種控制方式稱為“遠(yuǎn)控”或“遙控”操作方式。

變頻器在出廠時，設(shè)定的都是鍵盤操作方式，用戶如需要采用外接輸入控制，在使用前必須通過功能預(yù)置進(jìn)行選擇。

1.2 變頻器對外接輸入端子的安排 外接輸入控制端接受的都是開關(guān)量信號，所有端子大體上可以分為兩大類:
(1) 基本控制輸入端

如運(yùn)行、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、點(diǎn)動、復(fù)位等。這些端子的功能是變頻器在出廠時已經(jīng)標(biāo)定的, 不能再更改。
(2) 可編程控制輸入端

由于變頻器可能接受的控制信號多達(dá)數(shù)十種，但每個拖動系統(tǒng)同時使用的輸入控制端子并不多。為了節(jié)省接線端子和減小體積，變頻器只提供一定數(shù)量的“可編程控制輸入端”，也稱為“多功能輸入端子”。其具體功能雖然在出廠時也進(jìn)行了設(shè)置，但并不固定，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行預(yù)置。常見的可編程功能如多檔轉(zhuǎn)速控制、多檔加/減速時間控制、升速/降速控制等;
例如，艾默生TD3000系列變頻器的多功能輸入端子有8個(X1～X8)。而可以預(yù)置的功能有33種;安川CIMR－G7A變頻器的多功能輸入端子有10個(S3～S12)，而可以預(yù)置的功能多達(dá)78種。

2 常用輸入控制端的應(yīng)用舉例

2.1 升 速、減速功能 (1) 功能含義 變頻器的外接開關(guān)量輸入端子中，通過功能預(yù)置，可以使其中兩個輸入端具有升速和降速功能，稱之為“升、降速(UP DOWN)控制端”。 如圖3所示，假設(shè):將X1預(yù)置為升速端，X2預(yù)置為降速端。則:

圖3   外接升、降速控制

當(dāng)KA1閉合時，X1得到信號，變頻器的輸出頻率上升;KA1斷開時，輸出頻率保持(如需要，也可以不保持)。

當(dāng)KA2閉合時，X2得到信號，變頻器的輸出頻率下降;KA2斷開時，輸出頻率保持(如需要，也可以不保持)。

升速控制端和降速控制端必須同時預(yù)置，如果只預(yù)置其中一個，則無效。

利用外接升、降速控制信號對變頻器進(jìn)行頻率給定時，屬于數(shù)字量給定，控制精度較高。 (2) 應(yīng)用舉例 (a)代替外接電位器給定 在變頻器的外接給定方式中，人們習(xí)慣于使用電位器來進(jìn)行頻率給定，如圖4(a)所示。

圖4    電位器給定與升、降速端子給定

但電位器給定有許多缺點(diǎn)，諸如:

·電位器給定是電壓給定方式之一，屬于模擬量給定，給定精度較差;
·電位器的滑動觸點(diǎn)容易因磨損而接觸不良，導(dǎo)致給定信號不穩(wěn)定，甚至發(fā)生頻率跳動等現(xiàn)象;

·當(dāng)操作位置與變頻器之間的距離較遠(yuǎn)時，線路上的電壓降將影響頻率的給定精度。同時，也較容易受到其他設(shè)備的干擾。

利用升、降速端子來進(jìn)行頻率給定時，只需接入兩個按鈕開關(guān)即可，如圖4(b)所示。其優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的:

·升、降速端子給定屬于數(shù)字量給定，精度較高;

·用按鈕開關(guān)來調(diào)節(jié)頻率，非但操作簡便，且不易損壞;

·因?yàn)槭情_關(guān)量控制，故不受線路電壓降等的影響，抗干擾性能極好。

因此，在變頻器進(jìn)行外接給定時，應(yīng)盡量少用電位器，而以利用升、降速端子進(jìn)行頻率給定為好。

(b) 兩處升、降速控制

在生產(chǎn)實(shí)際中，常常需要在兩個或多個地點(diǎn)都能對同一臺電動機(jī)進(jìn)行升、降速控制。在大多數(shù)情況下，這是通過外接控制來實(shí)現(xiàn)的。

·電路的構(gòu)成

如圖5所示，SB1和SB2是一組升速和降速按鈕，安裝在控制盒CA內(nèi)，由“頻率表”FA顯示其運(yùn)行頻率;SB3和SB4是另一組升速和降速按鈕，安裝在另一個控制盒CB內(nèi)，由“頻率表”FB顯示其運(yùn)行頻率。控制盒CA和CB分別放置在兩個不同的地方。

圖5   兩地升、降速控制

SB1與SB3并聯(lián)，接在X1和COM之間，用于控制升速;SB2與SB4并聯(lián)，接在X2和COM之間，用于控制降速。

l 工作方式 按下控制盒CA上的SB1或控制盒CB上的SB3，都能使頻率上升，松開后頻率保持;反之，按下控制盒CA上的“SB2”或控制盒CB上的“SB4”，都能使頻率下降，松開后頻率保持。從而實(shí)現(xiàn)了在不同的地點(diǎn)進(jìn)行升速或降速控制。
依此類推，還可以實(shí)現(xiàn)多處控制。基本原則是:所有控制頻率上升的按鈕開關(guān)都并聯(lián)，所有控制頻率下降的按鈕開關(guān)也都并聯(lián)就可以了。

(c) 手動同步控制電路

在紡織、印染以及造紙機(jī)械中，根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要，往往劃分成許多個加工單元，每個單元都有各自獨(dú)立的拖動系統(tǒng)，如圖6所示。在這種情況下，總是要求被加工物在各單元的線速度保持一致:
v1＝v2＝v3

圖6     多單元同步運(yùn)行

顯然，如果后面單元的線速度低于前面，將導(dǎo)致被加工物的堆積;反之，如果后面單元的線速度高于前面，將導(dǎo)致被加工物的撕裂。因此，要求各單元的運(yùn)行速度能夠步調(diào)一致，即實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行。

對手動同步控制的要求如下:

首先，各單元要能夠同時升速和降速，進(jìn)行統(tǒng)調(diào);
其次, 在必要時，每個單元又能夠單獨(dú)地進(jìn)行微調(diào)。

今以三個單元的同步為例，控制電路如圖7所示，工作過程如下:

·統(tǒng)調(diào)

統(tǒng)調(diào)的控制電路如圖7(d)和圖7(e)所示:

圖7    手動多單元同步控制

按下SB1，繼電器KA1得電，其觸點(diǎn)分別將各變頻器的X1-COM接通，各單元電動機(jī)同時升速;

按下SB2，繼電器KA2得電，其觸點(diǎn)分別將各變頻器的X2-COM接通，各單元電動機(jī)同時降速。

·微調(diào)

各臺變頻器分別由按鈕開關(guān)SB11、SB12(1號機(jī))、SB21、SB22(2號機(jī))、SB31、SB32(3號機(jī))進(jìn)行單臺微調(diào)。 2.2 多檔轉(zhuǎn)速控制 (1) 輸入控制端的“多檔速”功能
（a） 功能含義

變頻器可以設(shè)定若干檔工作頻率，其頻率檔次的切換是由外接的開關(guān)器件改變輸入端子的狀態(tài)和組合來實(shí)現(xiàn)的。
例如，當(dāng)端子S1、S2、S3被預(yù)置為為多檔轉(zhuǎn)速的信號輸入端時。通過繼電器KA1、KA2、KA3的不同組合，可輸入7檔轉(zhuǎn)速的信號，如圖8(a)所示。

轉(zhuǎn)速檔次與各輸入端子狀態(tài)之間的關(guān)系如圖8(b)所示。

圖8    變頻器的多檔速控制端

各檔的工作頻率(轉(zhuǎn)速)究竟為多大，則根據(jù)需要進(jìn)行預(yù)置。

(b) 變頻器的功能預(yù)置

以東芝VF-A7系列變頻器為例，如附表所示。
由附表知, 功能預(yù)置分兩個步驟:

第一步:在輸入控制端子中選擇若干個端子(附表中為3個)作為多檔轉(zhuǎn)速輸入控制端;

第二步:預(yù)置各檔轉(zhuǎn)速的運(yùn)行頻率。 (2) 多檔轉(zhuǎn)速的控制特點(diǎn) 變頻器在實(shí)現(xiàn)多檔轉(zhuǎn)速控制時, 需要解決如下的問題:
一方面，變頻器每個輸出頻率的檔次需要由三個輸入端的狀態(tài)來決定;

另一方面，操作人員切換轉(zhuǎn)速所用的開關(guān)器件通常為按鈕開關(guān)或觸摸開關(guān)，每個檔次只有一個觸點(diǎn)。

所以，必須解決好轉(zhuǎn)速選擇開關(guān)的狀態(tài)和變頻器各控制端狀態(tài)之間的變換問題，如圖9所示。

圖9    多檔速控制特點(diǎn)

針對這種情況, 通過ＰＬC來進(jìn)行控制是比較方便的。

(3) 控制實(shí)例 某生產(chǎn)機(jī)械有７檔轉(zhuǎn)速, 通過７個選擇按鈕來進(jìn)行控制。 (a) 控制電路 如圖10所示，說明如下:

圖10    多檔速的PLC控制電路

l PLC的輸入電路

如圖，PLC的輸入端X1～X7分別與按鈕開關(guān)SB1～SB7相接，用于接受7檔轉(zhuǎn)速的信號。 l PLC的輸出電路
如圖10, 輸出端Y1、Y2、Y3分別接至變頻器的輸入控制端的S1、S2、S3, 用于控制S1、S2和S3的狀態(tài)。

(b) 梯形圖之一(SB1～SB7為非自動復(fù)位型按鈕開關(guān)) 如圖11所示。

圖11    采用非自動復(fù)位按鈕的梯形圖

觀察圖10中之端子狀態(tài)表，可得到如下規(guī)律:

S1在第1、3、5、7檔轉(zhuǎn)速時都處于接通狀態(tài)，故:

PLC的X1、X3、X5、X7中只要有一個得到信號，則Y1“動作”→變頻器的S1端得到信號;
S2在第2、3、6、7檔轉(zhuǎn)速時都處于接通狀態(tài)，故:

PLC的X2、X3、X6、X7中只要有一個得到信號，則Y2“動作”→變頻器的S2端得到信號;
S3在第4、5、6、7檔轉(zhuǎn)速時都處于接通狀態(tài)，故:

PLC的X4、X5、X6、X7中只要有一個得到信號，則Y3“動作”→變頻器的S3端得到信號。
今以用戶選擇第3檔轉(zhuǎn)速為例，說明其工作情況如下:

按下SB3→X3“動作”→Y1和Y2“動作”→變頻器的S1、S2端子得到信號, 變頻器將在第3檔轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。
(c) 梯形圖之二(SB1～SB7為自動復(fù)位型按鈕開關(guān)) 如圖12所示。

圖12     采用自動復(fù)位按鈕的梯形圖

由于SB1～SB7采用了自動復(fù)位型按鈕開關(guān)，PLC輸入端子X1～X7得到的信號不能保持，故借助PLC中的中間繼電器M1～M7，使各轉(zhuǎn)速檔次的信號保持下來。今說明如下:

按下SB1→X1得到信號→M1“動作”并自鎖，M1保持第1轉(zhuǎn)速的信號。
當(dāng)按下SB2～SB7中任何一個按鈕開關(guān)(X2～X7中有一個得到信號)時→M1釋放。

即:M1僅在選擇第1檔轉(zhuǎn)速時“動作”。
按下SB2→X2得到信號→M2“動作”并自鎖，M2保持第2轉(zhuǎn)速的信號。

當(dāng)按下除SB2以外的任何一個按鈕開關(guān)時→M2釋放。

即:M2僅在選擇第2檔轉(zhuǎn)速時“動作”。

以此類推:M3僅在選擇第3檔轉(zhuǎn)速時“動作”; M4僅在選擇第4檔轉(zhuǎn)速時“動作”;M5僅在選擇第5檔轉(zhuǎn)速時“動作”;M6僅在選擇第6檔轉(zhuǎn)速時“動作”;M7僅在選擇第7檔轉(zhuǎn)速時“動作”。

與圖9類似:

M1、M3、M5、M7中只要有一個接通，則Y1“動作”→變頻器的S1端接通; M2、M3、M6、M7中只要有一個接通，則Y2“動作”→變頻器的S2端接通; M4、M5、M6、M7中只要有一個接通，則Y3“動作”→變頻器的S3端接通。
今以用戶選擇第5檔轉(zhuǎn)速為例，說明其工作情況如下:

按下SB5→X5得到信號→M5“動作”，同時，如果在此之前M1、M2、M3、M4、M6、M7中有處于動作狀態(tài)的話，都將釋放→Y1、Y3“動作”→變頻器的S1、S3端子接通，變頻器將在第5檔轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。
3 輸出端子及其應(yīng)用舉例

變頻器除了用輸入控制端接受各種輸入控制信號外，還可以用輸出控制端輸出與自己的工作狀態(tài)相關(guān)的信號。輸出控制端子有跳閘報警輸出端(開關(guān)量)、測量信號輸出端(模擬量或脈沖)以及可編程輸出端等幾種類型。 3.1 跳閘報警輸出 (1) 功能與特點(diǎn) 當(dāng)變頻器因發(fā)生故障而跳閘時，發(fā)出跳閘報警信號。主要特點(diǎn)如下: (a) 功能單一 報警輸出的控制端子是專用的，不能再作其他用途。所以，跳閘報警輸出端子不需要進(jìn)行功能預(yù)置。 (b) 繼電器輸出 所有變頻器的報警輸出都是繼電器輸出, 可直接接至交流250V電路中，觸點(diǎn)容量大多為1A, 也有大至３A的。
大多數(shù)變頻器的報警輸出端都配置一對觸點(diǎn)(一常開、一常閉)，如圖13中的A-C、B-C所示;

圖13     跳閘報警電路示例

(2) 應(yīng)用示例

如圖13所示，動斷(常閉)觸點(diǎn)C-B串聯(lián)在接觸器KM的線圈電路內(nèi); 動合(常開)觸點(diǎn)C-A則串聯(lián)在聲光報警電路內(nèi)。
變頻器的通電由接觸器KM控制，當(dāng)變頻器跳閘時:

一方面，動斷(常閉)觸點(diǎn)C-B斷開，KM線圈失電，其觸點(diǎn)斷開，使變頻器切斷電源;

另一方面，動合(常開)觸點(diǎn)C-A閉合，電笛HA和指示燈HL同時得電，進(jìn)行聲光報警。

在配置聲光報警的情況下，須注意將變頻器控制電源的接線端(R1和S1)接至接觸器KM主觸點(diǎn)的前面。

3.2 測量信號輸出端 變頻器的運(yùn)行參數(shù)(頻率、電流等)可以通過外接儀表來進(jìn)行測量，為此，專門配置了為外接儀表提供測量信號的外接輸出端子，如圖14所示。需要預(yù)置的相關(guān)功能主要有以下幾個方面:

圖14    測量信號輸出端子

(1) 測量內(nèi)容的選擇功能

變頻器的外接測量輸出端子通常有兩個，用于測量頻率和電流。但除此以外，還可以通過功能預(yù)置測量其他運(yùn)行數(shù)據(jù)，如:電壓、轉(zhuǎn)矩、負(fù)荷率、功率，以及PID控制時的目標(biāo)值和反饋值等。 (2) 輸出信號的類別 (a) 電壓信號 輸出信號范圍有0～1V、0～5V、0～10V等幾種。多數(shù)變頻器直接由模擬量給出信號電壓的大小，但也有的變頻器輸出的是占空比與信號電壓成正比的脈沖序列。 (b) 電流信號 其量程主要是0～20mA、４～20mA兩種，但也有量程為0～1mA的。 (c) 脈沖信號 輸出信號為與被測量成比例的脈沖信號，脈沖高度(電壓)通常為8～24V，這種輸出方式主要用于測量變頻器的輸出頻率。 (3) 量程的校準(zhǔn)功能 因?yàn)橥饨觾x表實(shí)際上是電壓表或毫安表，而被測量是頻率、電流或其他物理量，因此，有必要對量程進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的方法主要有兩種: (a) 通過功能預(yù)置來校準(zhǔn); (b) 通過外接電位器來校準(zhǔn)，如圖14(b)所示。 (4) 應(yīng)用示例 某機(jī)械，最高運(yùn)行頻率為80Hz，所選變頻器是三菱FR-A540型。 (a) 輸出信號特點(diǎn) 三菱FR-A540系列變頻器的模擬量輸出端子只有一個，符號是“AM”，負(fù)端為“5”，如圖15(a)所示，輸出信號為0～10V直流電壓信號。

圖15    模擬量輸出示例

(b) 功能預(yù)置

需要預(yù)置的功能如下:
l 選擇AM端的測量內(nèi)容

將功能碼Pr.158預(yù)置為“1”，則AM端將顯示變頻器的輸出頻率;
l 預(yù)置測量范圍

將功能碼Pr.55預(yù)置為“80”，則頻率顯示范圍為0～80Hz。AM端的輸出電壓與顯示頻率之間的對應(yīng)關(guān)系如圖15(b)所示。
(c) 儀表的改造

因?yàn)锳M端的輸出電壓范圍是0～10V，所以，只需購買量程為10V的直流電壓表即可。但須將面板修改為0～80Hz，如圖15(c)和15(d)所示。 3.3 可編程輸出端 可編程輸出端也叫狀態(tài)輸出端。用于輸出表明變頻器各種工作狀態(tài)的信號，都是開關(guān)量輸出。各輸出端子的具體功能須通過功能預(yù)置來決定，主要有:變頻器運(yùn)行中、頻率到達(dá)、輸出頻率到達(dá)上限、輸出頻率到達(dá)下限、程序運(yùn)行換步信號、程序運(yùn)行一次循環(huán)結(jié)束信號、程序運(yùn)行步數(shù)指示等。 (1) 電路結(jié)構(gòu) 主要有兩種類型: (a) 繼電器輸出型 變頻器內(nèi)部具有若干個輸出繼電器，通過其觸點(diǎn)輸出相關(guān)信號，如圖16(a)所示。多數(shù)情況下，只能用于直流低壓電路中。也有的繼電器觸點(diǎn)可以用在交流220V的電路中的，須注意閱讀說明書。
(b) 晶體管輸出型

變頻器內(nèi)部是晶體管集電極輸出，如圖16(b)所示。這種輸出方式只能用在直流低壓電路中。由于晶體管只能單方向?qū)���，使用時須注意外接電源的極性。

圖16    可編程輸出電路

(2) 應(yīng)用實(shí)例

有一臺攪拌機(jī)，需要和傳輸帶進(jìn)行聯(lián)動控制。攪拌機(jī)由電動機(jī)M1拖動，轉(zhuǎn)速由變頻器UF1控制;傳輸帶由電動機(jī)M2拖動，轉(zhuǎn)速由變頻器UF2控制，如圖17所示。

 

圖17   攪拌、傳輸聯(lián)動控制

控制要求如下:

為了防止物料在傳輸帶上堆積, 傳輸帶應(yīng)首先起動, 并且其運(yùn)行頻率到達(dá)30Hz以上時, 攪拌機(jī)才開始起動和運(yùn)行;當(dāng)變頻器UF2的輸出頻率低于25Hz時, 攪拌機(jī)應(yīng)停止工作。
今以選用富士G11S變頻器為例，選擇輸出端子Y2作為頻率檢測信號端，如圖17所示。則變頻器UF2須預(yù)置如下功能:

功能碼E21(Y2輸出端子的功能)預(yù)置為“2”，則Y2為“頻率檢測”信號輸出端;

功能碼E31(頻率檢測值)預(yù)置為“30”，則當(dāng)輸出頻率高于30Hz時，Y2晶體管導(dǎo)通;

功能碼E32(頻率檢測滯后值)預(yù)置為“5”，則當(dāng)輸出頻率降至30Hz時，Y2端并不恢復(fù)，等再滯后5Hz(即25Hz)時，Y2晶體管才截止，如圖18所示。

圖18中: fS為頻率檢測的設(shè)定值;Δｆ為解除時的滯后值;fR為解除頻率值。

圖18    頻率檢測含義

相關(guān)鏈接：常用變頻器外部端子電路圖（實(shí)物接線圖）

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