3.3　變頻器及其應用

3.3.1　交流異步電動機的使用

YL-335B分揀單元的傳送帶動力源為三相交流異步電動機，在運行中，它不僅要求可以改變速度，也需要改變方向。

圖3-19所示為帶減速裝置的三相交流電動機。三相交流異步電動機繞組電流的頻率為f，電機的磁極對數為p，則同步轉速（r/min）可用n0=60f/p表示，轉子轉速n可表示為

式中，s為轉差率。

由上式可見，要改變電動機的轉速可以采用：①改變磁極對數p；②改變轉差率s；③改變頻率f。通過改變頻率可以實現無級調速。

YL-335B分揀單元傳送帶的控制中交流電動機的調速采用變頻調速的方式。分揀單元電機的速度方向控制都由變頻器完成。

三相異步電動機在運行過程中需注意，若運行中一相和電源斷開，則變成單相運行，此時電機仍會按原來方向運轉，但若負載不變，三相供電變為單相供電，電流將變大，導致電機過熱，使用中要特別注意這種現象；三相異步電動機若在啟動前有一相斷電，將不能啟動。此時只能聽到嗡嗡聲，長時間啟動不了，也會過熱，必須趕快排除故障。注意外殼的接地線必須可靠地接大地，防止漏電引起人身傷害。

3.3.2　西門子MM420變頻器簡介

YL-335B分揀單元使用的三相交流減速電機的速度、方向控制都由西門子MM420變頻器完成。其電氣連接如圖3-20所示。三相交流電源經熔斷器、空氣斷路器、變頻器輸出到交流電動機。

在上圖中，有兩點需要注意：一是屏蔽，二是接地。變頻器到電機的線采用屏蔽線，并且屏蔽層要接地，另外帶電設備的機殼要接地。

1.通用變頻器的工作原理

如圖3-21所示，變頻器先將50Hz交流電經二極管整流橋整流和LC濾波，形成恒定的直流電壓，再送入由6個大功率晶體管構成的逆變器主電路，輸出三相頻率和電壓均可調整的等效于正弦波的脈寬調制波（SPWM波），即可驅動三相異步電動機運轉。

如圖3-22所示，把正弦半波分成n等分，每一區間的面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替，則矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效，正弦波的正負半周均如此處理。

SPWM調制的控制信號為幅值和頻率均可調的正弦波，載波信號為三角波，如圖3-23（a）所示，該電路采用正弦波控制，三角波調制，當控制電壓高于三角波電壓時，比較器輸出電壓Ud為高電平，否則輸出低電平。

以A相為例，只要正弦控制波的最大值低于三角波的幅值，就導通T1，封鎖T4，這樣就輸出等幅不等寬的SPWM脈寬調制波。

SPWM調制波經功率放大才能驅動電機。在圖3-23（b）中，左側的橋式整流濾波器將工頻交流電變成直流恒定電壓，給圖中右側逆變器供電。等效正弦脈寬調制波Ua、Ub、Uc送入VT1～VT6的基極，則逆變器輸出脈寬按正弦規律變化的等效矩形電壓波，經過濾波變成正弦交流電用來驅動交流伺服電機。

2.認識西門子MM420變頻器

西門子MM420（MICROMASTER420）是用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列。該系列有多種型號。YL-335B選用的MM420外形如圖3-24所示。該變頻器額定參數為：

① 電源電壓：380～480V，三相交流；

② 額定輸出功率：0.75kW；

③ 額定輸入電流：2.4A；

④ 額定輸出電流：2.1A；

⑤ 外形尺寸：A型；

⑥ 操作面板：基本操作板（BOP）。

（1）MM420變頻器的安裝和拆卸

在工程使用中，MM420變頻器通常安裝在配電箱內的DIN導軌上，安裝和拆卸的步驟如圖3-25所示。

安裝的步驟如下。

① 用導軌的上閂銷把變頻器固定到導軌的安裝位置上。

② 向導軌上按壓變頻器，直到導軌的下閂銷嵌入到位。

從導軌上拆卸變頻器的步驟如下。

① 為了松開變頻器的釋放機構，將螺絲刀插入釋放機構中。

② 向下施加壓力，導軌的下閂銷就會松開。

③ 將變頻器從導軌上取下。

（2）MM420變頻器的接線

打開變頻器的蓋子后，就可以連接電源和電動機的接線端子。接線端子在變頻器機殼下蓋板內，拆卸蓋板后可以看到變頻器的接線端子，如圖3-26所示。

① 變頻器主電路的接線　YL-335B分揀單元變頻器主電路電源由配電箱通過自動開關（斷路器）QF單獨提供一路三相電源，連接到圖3-26的電源接線端子，電動機接線端子引出線則連接到電動機。注意接地線PE必須連接到變頻器接地端子，并連接到交流電動機的外殼。

② 變頻器控制電路的接線　MM420變頻器的框圖如圖3-27所示。

數字輸入點：DIN1（端子5），DIN2（端子6），DIN3（端子7）；內部電源+24V（端子8），內部電源0V（端子9）；

模擬輸入點：AIN+（端子3），內部電源+10V（端子1），內部電源0V（端子2）；

繼電器輸出：RL1-B（端子10），RL1-C（端子11）；

模擬量輸出：AOUT+（端子12），AOUT-（端子13）；

RS-485串行通信接口：P+（端子14），N-（端子15）。

（3）MM420變頻器的BOP操作面板

MM420變頻器是一個智能化的數字式變頻器，在基本操作板（BOP）上可以進行參數設置。圖3-28所示是BOP面板的外形。BOP具有7段顯示的五位數字，可以顯示參數的序號和數值，報警和故障信息，以及設定值和實際值。參數的信息不能用BOP存儲。

基本操作面板（BOP）備有8個按鈕，表3-5列出了這些按鈕的功能。

3.3.3　變頻器在交流異步電動機調速控制中的應用

1.變頻器的性能參數

（1）變頻器參數的組成

變頻器的參數由字母和參數號組成。參數號是指該參數的編號，參數號用0000到9999的4位數字表示。在參數號的前面冠以一個小寫字母“r”時，表示該參數是“只讀”的參數。其他所有參數號的前面都冠以一個大寫字母“P”，這些參數的設定值可以直接在標題欄的“最小值”和“最大值”范圍內進行修改。有些參數帶有下標，并且指定了下標的有效序號。

（2）常用的參數

① 參數P0003。參數P0003用于定義用戶訪問參數組的等級，設置范圍為1～4，其中：

“1”為標準級，可以訪問經常使用的參數；

“2”為擴展級，允許擴展訪問參數的范圍，例如變頻器的I/O功能；

“3”為專家級，只供專家使用；

“4”為維修級，只供授權的維修人員使用，具有密碼保護。

該參數缺省設置為等級1（標準級），對于大多數簡單的應用對象，采用標準級就可以滿足要求了。用戶可以修改設置值，但建議不要設置為等級4（維修級），用BOP或AOP操作板看不到第4訪問級的參數。

② 參數P0004。參數P0004（參數過濾器）的作用是根據所選定的一組功能對參數進行過濾（或篩選），并集中對過濾出的一組參數進行訪問，從而可以更方便地進行調試。P0004可能的設定值如表3-6所示，缺省的設定值為0。

③ 參數P0010。參數P0010是調試參數過濾器，對與調試相關的參數進行過濾，只篩選出那些與特定功能組有關的參數。P0010的可能設定值為：0（準備），1（快速調試），2（變頻器），29（下載），30（工廠的缺省設定值）；缺省設定值為0。

④ 參數P0700。參數P0700用于指定命令源，可能的設定值如表3-7所示，缺省值為2。

注意：當改變這一參數時，同時也使所選項目的全部設置值復位為工廠的缺省設置值。例如：把它的設定值由1改為2時，所有的數字輸入都將復位為缺省的設置值。

⑤ 參數P0701、P0702、P0703。參數P0701、P0702、P0703，可能的設定值如表3-8所示。

由表3-8可見，參數P0701、P0702、P0703設定值取值為15，16，17時，通過選擇固定頻率的方式確定輸出頻率（FF方式）。這三種選擇說明如下。

a.直接選擇（P0701～P0703=15）　在這種操作方式下，一個數字輸入選擇一個固定頻率。如果有幾個固定頻率輸入同時被激活，則選定的頻率就是它們的總和。在這種方式下，還需要一個ON命令才能使變頻器投入運行。

b.直接選擇+ON命令（P0701～P0703=16）　在這種操作方式下，一個數字輸入選擇一個固定頻率。如果有幾個固定頻率輸入同時被激活，選定的頻率是它們的總和。

c.二進制編碼的十進制數（BCD碼）選擇+ON命令（P0701～P0703=17）　使用這種方法最多可以選擇7個固定頻率。各個固定頻率的數值見表3-9。

⑥ 參數P1000。參數P1000用于選擇頻率設定值的信號源。其設定值為0～66。缺省的設置值為2。實際上，當設定值≥10時，頻率設定值將來源于2個信號源的疊加。其中，主設定值由最低一位數字（個位數）來選擇（即0到6），而附加設定值由最高一位數字（十位數）來選擇（即x0～x6）。下面只說明常用主設定值信號源的意義：

0：無主設定值；

1：MOP（電動電位差計）設定值。取此值時，選擇基本操作板（BOP）的按鍵指定輸出頻率；

2：模擬設定值：輸出頻率由3-4端子兩端的模擬電壓（0～10V）設定；

3：固定頻率：輸出頻率由數字輸入端子DIN1～DIN3的狀態指定。用于多段速控制；

5：通過COM鏈路的USS設定。即通過按USS協議的串行通訊線路設定輸出頻率。

⑦ 參數P1080。參數P1080屬于“設定值通道”參數組（P0004=10），缺省值為0.00Hz。

⑧ 參數P1082。參數P1082設置最高頻率，也屬于“設定值通道”參數組（P0004=10），缺省值為50.00Hz。即參數P1082限制了電動機運行的最高頻率。因此最高速度要求高于50.00Hz的情況下，需要修改P1082參數。

電動機運行的加、減速度的快慢，可用斜坡上升和下降時間表征，分別由參數P1120、P1121設定。這兩個參數均屬于“設定值通道”參數組，并且可在快速調試時設定。

⑨ 參數P2000。參數P2000設置基準頻率，是串行鏈路，模擬I/O和PID控制器采用的滿刻度頻率設定值，屬于“通信”參數組（P0004=20），缺省值為50.00Hz。

如果缺省值不滿足電機速度調整的要求范圍，就需要調整這2個參數。另外需要指出的是，如果要求最高速度高于50.00Hz，則設定與最高速度相關的參數時，除了設定參數P2000外，尚須設置參數P1082（最高頻率）。

⑩ 參數P1120。P1120是斜坡上升時間，即電動機從靜止狀態加速到最高頻率（P1082）所用的時間。設定范圍為0～650，缺省值為10。

參數P1121。P1121是斜坡下降時間，即電動機從最高頻率（P1082）減速到靜止停車所用的時間所用的時間。設定范圍為0～650，缺省值為10。

注意：如果設定的斜坡上升時間太短，有可能導致變頻器過電流跳閘；同樣，如果設定的斜坡下降時間太短，有可能導致變頻器過電流或過電壓跳閘。

參數P3900。參數P3900的設定與快速調試的進行有關，當其被設定為1時，快速調試結束后，要完成必要的電動機計算，并使其他所有的參數（P0010=1 不包括在內）復位為工廠的缺省設置。當P3900=1并完成快速調試后，變頻器已做好了運行準備。

（3）參數設置方法

用BOP可以修改和設定系統參數，使變頻器具有期望的特性，例如斜坡時間、最小和最大頻率等。選擇的參數號和設定的參數值在LCD上顯示。

更改參數數值的步驟可大致歸納為：①查找所選定的參數號；②進入參數值訪問級，修改參數值；③確認并存儲修改好的參數值。

表3-10說明如何改變參數P0004的數值。按照表中說明的類似方法，可以用“BOP”設定常用的參數。

2.MM420變頻器的參數訪問和常用參數設置舉例

MM420變頻器有數千個參數，為了能快速訪問指定的參數，MM420采用把參數分類，屏蔽（過濾）不需要訪問的類別的方法實現。

參數P0004就是實現這種參數過濾功能的重要參數。當完成了P0004的設定以后再進行參數查找時，在LCD上只能看到P0004設定值所指定類別的參數。

實例1：用BOP進行變頻器的快速調試

快速調試包括電動機參數和斜坡函數的參數設定。在進行快速調試以前，必須完成變頻器的機械和電氣安裝。當選擇P0010=1時，即可進行快速調試。

表3-11是對應YL-335B上選用的電動機的參數設置表。

實例2：將變頻器復位為工廠的缺省設定值

如果用戶在參數調試過程中遇到問題，并且希望重新開始調試，通常采用首先把變頻器的全部參數復位為工廠的缺省設定值，再重新調試的方法。為此，應按照下面的數值設定參數：① 設定P0010=30；② 設定P0970=1。按下P鍵，便開始參數的復位。變頻器將自動地它的所有參數都復位為它們各自的缺省設置值。復位為工廠缺省設置值的時間大約要60秒鐘。

實例3：電機速度的連續調整

變頻器的參數在出廠缺省值時，命令源參數P0700=2，指定命令源為“外部I/O”；頻率設定值信號源P1000=2，指定頻率設定信號源為“模擬量輸入”。這時，只須在AIN+（端子③）與AIN-（端子④）加上模擬電壓（DC 0～10V可調）；并使數字輸入DIN1信號為ON，即可啟動電動機實現電機速度連續調整。

（1）模擬電壓信號從變頻器內部DC 10V電源獲得

用一個4.7k電位器連接內部電源+10V端（端子①）和0V端（端子②），中間抽頭與AIN+（端子③）相連。連接主電路后接通電源，使DIN1端子的開關短接，即可啟動/停止變頻器，旋動電位器即可改變頻率實現電機速度連續調整。

上述電機速度的調整操作中，電動機的最低速度取決于參數P1080（最低頻率），最高速度取決于參數P2000（基準頻率）。

（2）模擬電壓信號由外部給定（電動機可正反轉）

參數P0700（命令源選擇）、P1000（頻率設定值選擇）應為缺省設置，即P0700=2（由端子排輸入），P1000=2（模擬輸入）。從模擬輸入端③（AIN+）和④（AIN-）輸入來自外部的0～10V直流電壓（例如從PLC的D/A模塊獲得），即可連續調節輸出頻率的大小。

用數字輸入端口DIN1和DIN2控制電動機的正反轉方向時，可通過設定參數P0701、P0702實現。例如，使P0701=1（DIN1 ON接通正轉，OFF停止），P0702=2（DIN2 ON接通反轉，OFF停止）。

實例4：多段速控制

當變頻器的命令源參數P0700=2（外部I/O），選擇頻率設定的信號源參數P1000=3（固定頻率），并設定數字輸入端子DIN1、DIN2、DIN3等相應的功能后，就可以通過外接開關器件的組合通斷改變輸入端子的狀態，實現電機速度的有級調整。這種控制頻率的方式稱為多段速控制功能。

選擇數字輸入1（DIN1）功能的參數為P0701，缺省值=1；

選擇數字輸入2（DIN2）功能的參數為P0702，缺省值=12；

選擇數字輸入3（DIN3）功能的參數為P0703，缺省值= 9。

為了實現多段速控制功能，應該修改這3個參數，給DIN、DIN2、DIN3端子賦予相應的功能。

綜上所述，為實現多段速控制的參數設置步驟如下：

① 設置P0004=7，選擇“外部I/O”參數組，然后設定P0700=2；指定命令源為“由端子排輸入”；

② 設定P0701、P0702、P0703=15～17，確定數字輸入DIN1、DIN2、DIN3的功能；

③ 設置P0004=10，選擇“設定值通道”參數組，然后設定P1000=3，指定頻率設定值信號源為固定頻率；

④ 設定相應的固定頻率值，即設定參數P1001～P1007有關對應項。

例如要求電動機能實現正反轉和高、中、低三種轉速的調整，高速時運行頻率為40Hz，中速時運行頻率為25Hz，低速時運行頻率為15Hz。

變頻器參數調整的步驟如表3-12所示。