1.6　變頻器典型電路設計及應用舉例

1.6.1　變頻器的基本接線及電路設計

圖1-61為基本控制電路圖。三相380V交流電通過空氣開關QF1，再經過交流接觸器KM1接入到變頻器BF的電源輸入端R、S、T上。變頻器輸出變頻電壓（U、V、W），經熱繼電器FR接到負載電動機M上。

制動電阻R₂通過制動單元BU接到變頻器的制動電阻輸入端P（+）、N（-）上。對于7.5kW以下的變頻器，無制動單元，直接將制動電阻R₂接到端P（+）、N（-）上即可。出廠時7.5kW以下的變頻器上帶有功率較小的制動電阻，對于頻繁制動和轉矩較大的情況應拆掉，換用較大功率的電阻。

空氣開關（又稱斷路器）起總電源開關的作用，同時它還具有短路和過載保護的作用。一般變頻器的銘牌以它所驅動的電動機的容量為準，但實際的消耗功率應大一些。因此開關QF1的選擇應按表1-6的變頻器容量來選擇。

接觸器一般來講不是必須的，使用它的作用是：當整個設備需要停電時，比拉空氣開關方便些，另外系統出現電氣故障時（例如熱繼電器動作時）可以通過它來迅速切斷電路。KM1參數的選擇與QF1的選擇方法相同。熱繼電器FR起電動機過熱保護的作用，參數選擇方法應按實際電動機M的容量來選擇。

制動電阻的作用是：當電動機出現制動情況時，電動機會有一部分能量回輸到變頻器內部來，造成變頻器的主電路中的直流環節部分的直流電壓上升。這一部分由于電動機回輸能量造成的過高電壓經電子開關接通制動電阻，將這部分能量消耗掉。這個電阻的選擇較復雜，它受多種因素的影響（富士公司有標準的配套電阻出售）。

實際選用時可由以下經驗公式選取。

電阻功率：

W_R=0.13W_D　　（1-46）

式中，W_D為電動機功率，kW。

對400V系列變頻器，電阻值：

R=450/W_D　　（1-47）

對200V系列變頻器，電阻值：

R=112.5/W_D　　（1-48）

例：對于30kW電動機

W_R=30kW×0.13=3.9kW

對400V系列：R=450/30Ω=15Ω

對200V系列：R=112.5/30Ω=3.75Ω

實際選用時，可按計算結果±10％選用。

正反轉控制通過FWD、REV、CM的開關信號來進行。最簡單的情況可由普通開關來控制。本電路通過按鈕控制繼電器KA1、KA2來進行。這種電路可實現遠程的控制。對于較高級的設備可由PLC可編程控制器來進行控制。電位器RP為變頻器的輸出頻率控制電位器，它可選用1～5kΩ、0.5W的電位器。除上面介紹的變頻器信號輸入輸出信號外，還包括X1～X5、BX、RST等輸入信號端子，Y1～Y5、30A、30B、30C等輸出信號端子。各輸入信號端子（包括前面介紹的FWD、REV）在變頻器內部均為光耦合器，具體接線電路如圖1-62所示。S1為外部控制開關，放在外部現場上，當外部接線較長時，應采用屏蔽線，防止引入干擾。輸出信號Y1～Y5、CEM內部為三極管集電極開路輸出，具體接線見圖1-63，一般輸出端Y1可接一繼電器KA，最大允許負載電流為50mA，最大電壓為27V。一般可選用24V、阻值大于480Ω的線圈的繼電器。繼電器KA線圈上并聯的二極管起保護內部三極管的作用。在電路的開關過程中，繼電器線圈KA會產生反電勢，可通過此二極管將能量放掉。此繼電器KA的觸點可控制外部的有關電路。

輸出信號30A、30B、30C為報警輸出信號，變頻器出現故障時，內部繼電器動作，它的觸點即為此三點。30C、30B為常閉點，30C、30A為常開點。接點容量為：250V、AC0.3A。

1.6.2　采用變頻器的開環控制系統舉例

采用變頻器的開環控制系統的例子很多，下面舉一個旋轉平面磨床控制的例子。圖1-64（a）表示平面磨床臺面與砂輪的關系。如果電動機采用固定速度，那么砂輪在圓臺中心與圓臺外圓處的加工精度就不相同，影響了加工精度。如采用變頻器控制電動機的轉速，在外圓處速度較低些，隨著砂輪向中心的移動而逐漸增加電動機的速度，而使研磨速度恒定，這樣就提高了加工精度和生產效率。

旋轉平面磨床變頻器控制原理如圖1-64（b）所示。圖中的可變電阻RP₁～RP₅用來設定變頻器的輸出頻率，根據圖1-64（c）所示的特性設定。可變電阻RP₃最大時調整RP₅，設定中心速度，根據RP₁設定最大速度。

由于輸入速度只取決于砂輪相對于輪臺的物理位置，而電動機上并無實際速度參數反饋到系統中來，因此這種控制屬于開環控制。當系統的負載變化時可能要影響電動機速度的變化。

1.6.3　采用變頻器的閉環系統舉例

例1：污水處理廠水位變頻調速控制

在污水處理廠，污水經過凈化處理后，要在排水池中沉淀一段時間，再排入江河中。這就要求放入的水量與排出的水量相等，使水池的水位恒定。一種方法是對排水泵上的電動機進行啟停控制。然而，這種控制方案電動機的啟停過于頻繁對電動機的壽命不利，如果采用變頻調速電動機，控制水泵的流量，則節能效果顯著，又能延長電動機的壽命，控制原理見圖1-65。

整個系統構成位置控制閉環系統，由水位計檢測出來的水位信號與設定水位信號相比較，偏差值送入PID調節器進行控制量計算。輸出的控制信號作為變頻器的輸入，變頻器的輸出控制電動機運轉，進而控制水泵進行排水運行。當排水量大于入水量時，必然造成水位低于設定水位，這時FID調節器輸出較小的控制量使電動機M降低轉速，使排水量減少，而使水位上升。反之，會使水位下降。自動調節的結果是使水位保持在設定值上。

例2：小型線材軋機變頻調速控制

見圖1-66，圖中Z₁表示軋輥，它由兩個支撐輥、兩個工作輥組成。電動機M₁為交流電動機，拖動Z₁運轉。Z₂與Z₃為左、右卷取輥，由交流電動機M₂、M₃拖動。由于所軋制的線材為特殊金屬，只能用無張力控制的方案，因此采用卷取輥與軋制輥之間的線材產生活套的方法進行軋制。左右兩邊活套的位置由RP₁和RP₂的檢測元件測出。只要控制活套的位置不變，即可保持主軋輥與卷取輥同步運行。在這個系統中，主軋電動機M₁采用開環控制，它主要控制軋機的速度。左右卷取部分構成位置閉環控制，達到整個系統協調控制的目的。左卷取系統的閉環系統控制框圖如圖1-67所示。電位器RP₀為活套位置設定電位器，電位器RP₁為實際活套位置檢測電位器，二者相比較后，偏差值送入PID調節器控制變頻器，進而使Z₁與Z₂同步運行。

這種控制系統由于全部采用交流電動機，克服了老式直流電動機系統的機構龐大、維護不方便的缺點，整個系統體積小、設備簡單、維護方便、控制精度高，充分顯示了交流變頻調速的優點。