基于PLC实现工频/变频电源的切换

2010-07-25杨庆堂郭敬红

船电技术 2010年12期

杨庆堂郭敬红

（渤海船舶职业学院，辽宁125005）

1 引言

有些场合，电动机常常要求可以在工频/变频两种模式下运行，以保证变频器出现故障时不至于停机。传统的控制电路往往采用物理继电器-接触器等连接而成，不仅接线复杂，而且可靠性差、故障率高、维修非常困难，现在已很少采用，取而代之是用PLC来控制。PLC是在继电器控制和计算机技术的基础上开发出来，并逐渐发展成为以微处理器为核心，集计算机技术、自动控制技术、及通信技术于一体的一种新型工业控制装置。它用程序取代了传统控制电路中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，具有如下特点：⑴可靠性高：适应不同的工业环境，抗外部干扰能力强，无故障时间长，系统程序与用户程序相对独立，不容易发生死机现象；⑵使用灵活：以基本单元加扩展模块的形式，能满足更多的接口需要与多功能需要；⑶编程容易：编程语言面向电气工程人员，采用与继电器控制电路相似的梯形图（或顺序控制流程图）进行设计，简洁直观，易于理解和掌握；⑷安装、调试、维修方便[1,2]：只需进行输入/输出接口接线，外部接线少；有自诊断和动态监控功能，调试方便，可现场进行程序调整与修改。基于这些优势，PLC在工业自动控制领域应用特别广泛，深受电气技术人员的欢迎。

随着技术的发展和价格的降低，变频器在工业控制中的应用越来越广泛，它在控制系统中作为执行机构使用。以安川F7系列（Varispeed F7系列）变频器为例，该系列产品的技术参数和特点如下：

额定电压、功率范围：200 V/三相（0.4 -110 kW）和400 V/三相（0.4 -300 kW）

特点：从典型的递减转矩到恒定转矩，都能实现最合适的控制；同时可发挥150%/0 Hz的强制动转矩特性，也可以实现转矩控制、零伺服等功能；低冲击电压、低能耗、低干扰、低噪音；适用于所有行业与世界各地的电源电压、语言；是强大且具有充分灵活性的全能型变频器。

PLC和变频器都是以计算机为基础的现代工业控制产品，将它们有机地结合在一起，用PLC来控制变频器，可以解决工业控制中经常遇到的问题，比如电动机的工频/变频电源之间的切换问题，以实现电动机在工频/变频两种模式下运行，确保变频器出现故障时不至于停机。一旦变频器因故障跳闸时，可以自动切换到工频运行模式，并发出声光报警信号[3]。

2 主电路和控制要求

（1）主电路

主电路如图1所示，共有三个接触器，它们各自的作用是: KM1将电源线接至变频器的输入端; KM2将变频器的输出端接至电动机; KM3将工频电源直接接至电动机，KM1和KM2动作时电动机在变频模式下运行，仅 KM3动作时电动机在工频模式下运行。

（2）控制要求

工频电源绝对不允许接到变频器的输出端，故接触器KM2和KM3绝对不允许同时动作，互相之间必须有非常可靠的互锁；

在工频运行时，有必要接入热继电器FR，用作电动机的过载保护；

选择开关SA2用于切换PLC的工频/变频两种模式，按钮SB5用于变频器出现故障后对故障信号复位；

变频器因故障跳闸时，能够进行声光报警，并能控制电动机自动切入“工频模式”下运行。

图1 主电路

3 工频/变频电源切换控制的PLC外部接线图

工频/变频电源切换控制的 PLC外部接线图如图2所示[4]。

图2 工频/变频电源切换控制的PLC外部接线图

4 梯形图及程序执行过程分析

梯形图是用得最多的PLC图形编程语言，是取代传统物理继电器-接触器控制的软件部分，它与继电器-接触器控制系统的电路图很相似，直观易懂，容易掌握，尤其适合开关量控制。图3是用 PLC控制变频器实现工频/变频电源切换的梯形图，具体程序执行过程分析如下：

（1）工频运行

图2中的选择开关SA2用于选择“工频模式”和“变频模式”，当它扳到“工频模式”的位置时，在图3所示的梯形图中，X4常开触点闭合，为电动机工频运行做好准备。按下“电源接通”按钮SB1，X0的常开触点闭合，X7常开触点因电动机无过载而闭合，Y2线圈得电并保持，接触器KM3动作，因KM2与KM3互锁，KM3的常闭触点断开，KM2不会动作，使电动机可靠地在工频电压下起动运行。

工频运行时，X4常闭触点断开，按下“电源断开”按钮SB2，X1的常闭触点断开，Y2线圈失电，接触器 KM3失电，它的常开触点恢复断开状态，切断主电路的工频电源，电动机停止运行。

如果电动机出现过载现象，那么热继电器FR的触点X7断开，Y2线圈失电，接触器KM3失电，同样可以切断主电路的工频电源，电动机停止运行。

(2) 变频通电

将选择开关SA2扳到“变频模式”的位置时，X5常开触点闭合，为电动机变频运行做好准备。按下“电源接通”按钮SB1，X0的常开触点闭合，Y0、Y1线圈得电并保持，接触器KM1、KM2动作，接通变频器电源，同时将电动机接到变频器的输出端，因 KM2与 KM3互锁，KM3因常闭触点断开不会动作。

（3）变频运行

按下“变频启动”按钮SB3，X2的常开触点闭合， Y4线圈得电并自锁，变频器 S1端子被接通，使电动机在“变频模式”下启动运行，同时因为Y4的常开触点闭合而使“电源断开”按钮X1的常闭触点失去作用，有效防止电动机在变频运行时意外失去变频器的电源，确保电动机在变频模式下可靠运行。

按下“变频停止”按钮SB4，X3的常闭触点断开，Y4线圈失电，变频器的输入端子S1被断开，致使电动机减速和停机。

图3 工频/变频电源切换的梯形图

5 变频器故障跳闸及运行模式切换

如果变频器出现故障，变频器的MA与MC之间的常开触点闭合，PLC的输入继电器X10动作，它的常开触点闭合，常闭触点断开，使得Y0、Y1和Y4线圈失电，从而接触器KM2和KM1线圈失电复位，切断变频器的电源。同时 Y4也使变频器 S1端子被断开复位，变频器停止工作。只有线圈Y3因X5、X10常开触点闭合而得电动作并保持，声光报警器HA开始工作，进行报警。同时，在Y1已经复位的情况下，时间继电器T0开始计时，其常开触点延时后闭合，使输出继电器 Y2动作并保持，电动机自动进入“工频模式”下运行[5]。

6 故障处理

报警后，操作人员应立即将 SA2扳到“工频模式”的位置，这时，输入继电器X4动作，一方面使控制系统正式转入“工频模式”运行，另一方面，使 Y3失电复位，停止声光报警。当变频器的故障处理完毕，重新通电后，应该首先按下复位按钮SB5，使X6动作，从而Y5线圈得电动作，接通变频器的RESET输入端S4，使变频器的故障状态复位。