基于PLC与变频器的交流电机调速系统的探究

葛文爽

（广东省岭南工商第一技师学院，广东广州，510000）

0 引言

随着变频技术的不断发展，交流电机变频调速技术也日趋完善，各种复杂控制技术在变频技术中逐步应用，使变频器性能不断提高，应用也越来越广泛。变频调速已被公认为是最理想、最有发展前景的调速方式之一，通过变频器来搭建变频调速传动系统一是满足提高劳动生产效率、改善产品质量、提高设备自动化程度及改善生活环境等要求，二是节约能源、降低生产成本、提升运行效率。为了实现在恶劣环境中对交流电机进行调速远程控制，引入PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）控制单元，利用它的高定位精度、能够适应高速的生产环境及编程相对简单等特点，实现了对交流调速系统的智能控制。

1 变频器交流电机调速原理

n=60f/p（n：电机速度；f：电源频率；p：电机磁极对数），由于p不是一个连续的数值（是2的倍数，例如磁极对数是2、4、6...），所以一般不适合通过更改p的数值进行调速。

在系统运行过程中，如果交流电动机中电压、电流保持不变，则在特定的转速，电磁转矩与电机的定子电压的平方成正比。由此，通过合理的调节外加电压，即可改变电动机在特定输出转矩之下的转速。交流电动机变频调速具有调速范围广、平滑性较好、机械特性较硬的优点，可使我们较为方便的实现恒转矩或恒功率调速，且调速性能可与直流调速相媲美。下图1为其机械特性曲线。

图1 交流电动机变频调速机械特性曲线

2 变频调速优点

电机在工频电源供电时的起动和加速对电网冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个很大的启动电流（一般为1.5-2.1倍额定电流），而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小一些。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可以输出足够的转矩。变频调速调速范围广，调速平滑性能好，机械特性较硬，可以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似，并可与直流调速相媲美。

3 PLC与变频器实现变频调速（以七段速为例）

七段速控制就是在变频器中通过参数设置设定七个频率，即七个速度，利用变频器的3个速度端子RH、RM、RL进行组合（001 ～111），通过PLC编程、接线，从而得到多段速控制。具体做法是：将变频器调至PU并进入参数设置模式，把7个速度参数分别设置到P4、P5、P6、P24、P25、P26、P27中，设定合适的加减速时间后，调至EXT模式；利用PLC编程，通过Y0、Y1、Y2进行组合（001 ～111）得到7种状态，经外围接线与RH、RM、RL三个端子相连，从而实现PLC与变频器结合实现七段速控制。需要注意的是：为避免变频器先前参数的设置对本次使用有影响，可先将变频器恢复出厂设置，再进行参数设置，若变频器在恢复过程中出现Er.4，说明变频器当前的运行模式错误，应切换为PU模式；若变频器在恢复过程中出现Er.2，说明变频器禁止运行中写入此参数，需要将变频器停止运行，再设置参数。更多解析可借助变频器配套的使用手册。

4 PLC的选择

在PLC的选择上，系统工艺流程特点和应用要求是选型的主要依据，同时综合I/O点数、存储器容量、各项控制功能及性价比等各方面因素来确定。选用日本三菱公司生产的FX2N-48MT系列高功能整体式小型PLC，在容量、速度、特殊功能、网络功能等方面都有一定的加强，它采用模块组合式结构，各工作单元是相对独立的模块，具有较强的互换性，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动控制系统。该PLC可靠性高，可用梯形图及SFC进行编程，指令丰富，指令功能强，内置有高速计数器、RS-485通信接口等。

5 变频器的选择

首先要确定在设计系统中使用变频器的目的，根据目的来选择最优的变频器。再根据机械的类型、调速范围、速度响应时间、控制精度及启动转矩等要求，选择适合型号的变频器。若选择不当，会出现变频器运行不正常，甚至引发设备故障，影响运行效率。现在使用的变频器主要采用交-直-交方式（VVVF变频或矢量控制变频），变频器实际上就是一个逆变器，先是将输入的工频交流电通过整流电路变为直流电，之后利用逆变电路将直流中间电路输出的直流电压转换为电压、频率均可调的交流电压，实现对交流电机的变频调速控制。本文选用日本三菱生产的E700类型变频器，他的优点是：①功率范围：0.1 ～15KW ②先进磁通矢量控制，0.5Hz时200%转矩输出③扩充PID，柔性PWM④内置Modbus-RTU协议⑤停止精度提高⑥加选件卡FR-A7NC，可以支持CC-Link通讯，能够满足实训室实训的要求。

6 硬件设计

变频器的主电路端子R、S、T与工频电源L1、L2、L3连接，输出端子U、V、W与电动机连接；控制电路端子STF、STR、RH、RM、RL、RES、MRS、SD等端子，利用信号传输线及配套任务模型接出，并与PLC输出端子Y相连，如下图2所示，通过PLC编程，实现对电动机的转速控制。

图2 任务模型及信号传输线

7 程序设计

在程序设计部分，共包括两方面内容，分别是变频器的参数设置及PLC程序的编写。对于三菱FR-E700系列的变频器，参数直接通过操作面板进行设置，操作相对简单，所需设置的参数有：上限频率Pr.1、1速Pr.4、2速Pr.5、3速Pr.6、4速Pr.24、5速Pr.25、6速Pr.26、7速Pr.27、加速时间Pr.7、减速时间Pr.8、电子过流保护Pr.9等。设置好参数后，进行PLC的程序编写、接线及调试。

8 结束语

将PLC与变频器相结合控制交流电机的调速需要硬件软件相结合进行控制，在此过程中涉及变频器主控电路端子的基础知识，变频器面板基础操作及参数设置操作，变频器与PLC外围电路的接线、与工频电源及电机的接线，PLC控制程序的编写（梯形图、SFC）等，在实际应用中，PLC与变频器的品牌、型号会有一定的不同，那么在具体的操作上也将有所变化，要能够举一反三，才能够灵活运用。