變頻器的外接端子及其控制功能
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- 變頻器的外接端子及其控制功能關鍵字： 功能 控制 及其 變頻器 輸出 信號 頻率 端子 輸入 轉速
本文介紹了變頻器用于遠程控制的輸入和輸出端子的功能預置，并舉例說明幾種主要功能的使用方法。
英文摘 要 ：
This paper introduced the function of the input terminals and output terminals for remote control. And introduced the some method in use with example. 關鍵詞： 輸入控制端子 輸出控制端子 基本控制端 可編程控制端 報警輸出端 模擬量輸出端 開關量輸出端 升速/降速功能 多檔速功能 頻率到達功能
1 變頻器的控制功能
1.1 基礎概念
變頻器運行的控制信號也叫操作指令，如起動、停止、正轉、反轉、點動、復位等。
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接, 從而實現了距離較遠的控制, 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信號來進行控制，如圖2所示。
圖2 外接輸入端子
由于外部的開關信號可以在遠離變頻器的地方來進行操作，因此，不少變頻器把這種控制方式稱為“遠控”或“遙控”操作方式。
變頻器在出廠時，設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置進行選擇。
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
如運行、停止、正轉、反轉、點動、復位等。這些端子的功能是變頻器在出廠時已經標定的, 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數十種，但每個拖動系統同時使用的輸入控制端子并不多。為了節省接線端子和減小體積，變頻器只提供一定數量的“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行了設置，但并不固定，用戶可以根據需要進行預置。常見的可編程功能如多檔轉速控制、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)，而可以預置的功能多達78種。
2 常用輸入控制端的應用舉例
2.1 升速、減速功能
(1) 功能含義
變頻器的外接開關量輸入端子中，通過功能預置，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:將X1預置為升速端，X2預置為降速端。則:
圖3 外接升、降速控制
當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置，如果只預置其中一個，則無效。
利用外接升、降速控制信號對變頻器進行頻率給定時，屬于數字量給定，控制精度較高。
(2) 應用舉例
(a)代替外接電位器給定
在變頻器的外接給定方式中，人們習慣于使用電位器來進行頻率給定，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，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;
·電位器的滑動觸點容易因磨損而接觸不良，導致給定信號不穩定，甚至發生頻率跳動等現象;
·當操作位置與變頻器之間的距離較遠時，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備的干擾。
利用升、降速端子來進行頻率給定時，只需接入兩個按鈕開關即可，如圖4(b)所示。其優點是十分明顯的:
·升、降速端子給定屬于數字量給定，精度較高;
·用按鈕開關來調節頻率，非但操作簡便，且不易損壞;
·因為是開關量控制，故不受線路電壓降等的影響，抗干擾性能極好。
因此，在變頻器進行外接給定時，應盡量少用電位器，而以利用升、降速端子進行頻率給定為好。
(b) 兩處升、降速控制
在生產實際中，常常需要在兩個或多個地點都能對同一臺電動機進行升、降速控制。在大多數情況下，這是通過外接控制來實現的。
·電路的構成
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，由“頻率表”FA顯示其運行頻率;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，由“頻率表”FB顯示其運行頻率。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，接在X1和COM之間，用于控制升速;SB2與SB4并聯，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。從而實現了在不同的地點進行升速或降速控制。
依此類推，還可以實現多處控制。基本原則是:所有控制頻率上升的按鈕開關都并聯，所有控制頻率下降的按鈕開關也都并聯就可以了。
(c) 手動同步控制電路
在紡織、印染以及造紙機械中，根據生產工藝的需要，往往劃分成許多個加工單元，每個單元都有各自獨立的拖動系統，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 多單元同步運行
顯然，如果后面單元的線速度低于前面，將導致被加工物的堆積;反之，如果后面單元的線速度高于前面，將導致被加工物的撕裂。因此，要求各單元的運行速度能夠步調一致，即實現同步運行。
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，進行統調;
其次, 在必要時，每個單元又能夠單獨地進行微調。
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:
·統調
統調的控制電路如圖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，其觸點分別將各變頻器的X1-COM接通，各單元電動機同時升速;
按下SB2，繼電器KA2得電，其觸點分別將各變頻器的X2-COM接通，各單元電動機同時降速。
·微調
各臺變頻器分別由按鈕開關SB11、SB12(1號機)、SB21、SB22(2號機)、SB31、SB32(3號機)進行單臺微調。
2.2 多檔轉速控制
(1) 輸入控制端的“多檔速”功能
（a） 功能含義
變頻器可以設定若干檔工作頻率，其頻率檔次的切換是由外接的開關器件改變輸入端子的狀態和組合來實現的。
例如，當端子S1、S2、S3被預置為為多檔轉速的信號輸入端時。通過繼電器KA1、KA2、KA3的不同組合，可輸入7檔轉速的信號，如圖8(a)所示。
轉速檔次與各輸入端子狀態之間的關系如圖8(b)所示。
圖8 變頻器的多檔速控制端
各檔的工作頻率(轉速)究竟為多大，則根據需要進行預置。
(b) 變頻器的功能預置
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)作為多檔轉速輸入控制端;
第二步:預置各檔轉速的運行頻率。
(2) 多檔轉速的控制特點
變頻器在實現多檔轉速控制時, 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來決定;
另一方面，操作人員切換轉速所用的開關器件通常為按鈕開關或觸摸開關，每個檔次只有一個觸點。
所以，必須解決好轉速選擇開關的狀態和變頻器各控制端狀態之間的變換問題，如圖9所示。
圖9 多檔速控制特點
針對這種情況, 通過ＰＬC來進行控制是比較方便的。
(3) 控制實例
某生產機械有７檔轉速, 通過７個選擇按鈕來進行控制。
(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SB1～SB7相接，用于接受7檔轉速的信號。
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。
(b) 梯形圖之一(SB1～SB7為非自動復位型按鈕開關) 如圖11所示。
圖11 采用非自動復位按鈕的梯形圖
觀察圖10中之端子狀態表，可得到如下規律:
S1在第1、3、5、7檔轉速時都處于接通狀態，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檔轉速時都處于接通狀態，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檔轉速時都處于接通狀態，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檔轉速下運行。
(c) 梯形圖之二(SB1～SB7為自動復位型按鈕開關) 如圖12所示。
圖12 采用自動復位按鈕的梯形圖
由于SB1～SB7采用了自動復位型按鈕開關，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轉速的信號。
當按下SB2～SB7中任何一個按鈕開關(X2～X7中有一個得到信號)時→M1釋放。
即:M1僅在選擇第1檔轉速時“動作”。
按下SB2→X2得到信號→M2“動作”并自鎖，M2保持第2轉速的信號。
當按下除SB2以外的任何一個按鈕開關時→M2釋放。
即:M2僅在選擇第2檔轉速時“動作”。
以此類推:M3僅在選擇第3檔轉速時“動作”; M4僅在選擇第4檔轉速時“動作”;M5僅在選擇第5檔轉速時“動作”;M6僅在選擇第6檔轉速時“動作”;M7僅在選擇第7檔轉速時“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檔轉速下運行。
3 輸出端子及其應用舉例
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相關的信號。輸出控制端子有跳閘報警輸出端(開關量)、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
當變頻器因發生故障而跳閘時，發出跳閘報警信號。主要特點如下:
(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行功能預置。
(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，觸點容量大多為1A, 也有大至３A的。
大多數變頻器的報警輸出端都配置一對觸點(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) 應用示例
如圖13所示，動斷(常閉)觸點C-B串聯在接觸器KM的線圈電路內; 動合(常開)觸點C-A則串聯在聲光報警電路內。
變頻器的通電由接觸器KM控制，當變頻器跳閘時:
一方面，動斷(常閉)觸點C-B斷開，KM線圈失電，其觸點斷開，使變頻器切斷電源;
另一方面，動合(常開)觸點C-A閉合，電笛HA和指示燈HL同時得電，進行聲光報警。
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主觸點的前面。
3.2 測量信號輸出端
變頻器的運行參數(頻率、電流等)可以通過外接儀表來進行測量，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。需要預置的相關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，還可以通過功能預置測量其他運行數據，如:電壓、轉矩、負荷率、功率，以及PID控制時的目標值和反饋值等。
(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) 量程的校準功能
因為外接儀表實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，有必要對量程進行校準。校準的方法主要有兩種:
(a) 通過功能預置來校準;
(b) 通過外接電位器來校準，如圖14(b)所示。
(4) 應用示例
某機械，最高運行頻率為80Hz，所選變頻器是三菱FR-A540型。
(a) 輸出信號特點
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) 功能預置
需要預置的功能如下:
l 選擇AM端的測量內容
將功能碼Pr.158預置為“1”，則AM端將顯示變頻器的輸出頻率;
l 預置測量范圍
將功能碼Pr.55預置為“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關系如圖15(b)所示。
(c) 儀表的改造
因為AM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輸出端。用于輸出表明變頻器各種工作狀態的信號，都是開關量輸出。各輸出端子的具體功能須通過功能預置來決定，主要有:變頻器運行中、頻率到達、輸出頻率到達上限、輸出頻率到達下限、程序運行換步信號、程序運行一次循環結束信號、程序運行步數指示等。
(1) 電路結構
主要有兩種類型:
(a) 繼電器輸出型
變頻器內部具有若干個輸出繼電器，通過其觸點輸出相關信號，如圖16(a)所示。多數情況下，只能用于直流低壓電路中。也有的繼電器觸點可以用在交流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導通，使用時須注意外接電源的極性。
圖16 可編程輸出電路
(2) 應用實例
有一臺攪拌機，需要和傳輸帶進行聯動控制。攪拌機由電動機M1拖動，轉速由變頻器UF1控制;傳輸帶由電動機M2拖動，轉速由變頻器UF2控制，如圖17所示。
圖17 攪拌、傳輸聯動控制
控制要求如下:
為了防止物料在傳輸帶上堆積, 傳輸帶應首先起動, 并且其運行頻率到達30Hz以上時, 攪拌機才開始起動和運行;當變頻器UF2的輸出頻率低于25Hz時, 攪拌機應停止工作。
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須預置如下功能:
功能碼E21(Y2輸出端子的功能)預置為“2”，則Y2為“頻率檢測”信號輸出端;
功能碼E31(頻率檢測值)預置為“30”，則當輸出頻率高于30Hz時，Y2晶體管導通;
功能碼E32(頻率檢測滯后值)預置為“5”，則當輸出頻率降至30Hz時，Y2端并不恢復，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
參考文獻
(略)
作者簡介
張燕賓(1937-) 男 高級工程師 退休前在宜昌市自動化研究所工作,曾任自動化研究所副所長、宜昌市科委駐深圳聯絡處主任; 宜昌市自動化學會理事長、湖北省自動化學會常務理事。著作:SPWM變頻調速應用技術(編著，機械工業出版社1997年12月初版; 2002年４月第二版); 變頻調速應用實踐(主編，機械工業出版社2001年1月出版); 變頻器應用基礎(副主編，機械工業出版社2003年1月出版)。...
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