基于PLC實現(xiàn)工頻/變頻電源的切換

楊慶堂 郭敬紅

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧125005）

1 引言

有些場合，電動機常常要求可以在工頻/變頻兩種模式下運行，以保證變頻器出現(xiàn)故障時不至于停機。傳統(tǒng)的控制電路往往采用物理繼電器-接觸器等連接而成，不僅接線復雜，而且可靠性差、故障率高、維修非常困難，現(xiàn)在已很少采用，取而代之是用PLC來控制。PLC是在繼電器控制和計算機技術的基礎上開發(fā)出來，并逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，集計算機技術、自動控制技術、及通信技術于一體的一種新型工業(yè)控制裝置。它用程序取代了傳統(tǒng)控制電路中大量的中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等器件，具有如下特點：⑴可靠性高：適應不同的工業(yè)環(huán)境，抗外部干擾能力強，無故障時間長，系統(tǒng)程序與用戶程序相對獨立，不容易發(fā)生死機現(xiàn)象；⑵使用靈活：以基本單元加擴展模塊的形式，能滿足更多的接口需要與多功能需要；⑶編程容易：編程語言面向電氣工程人員，采用與繼電器控制電路相似的梯形圖（或順序控制流程圖）進行設計，簡潔直觀，易于理解和掌握；⑷安裝、調試、維修方便[1,2]：只需進行輸入/輸出接口接線，外部接線少；有自診斷和動態(tài)監(jiān)控功能，調試方便，可現(xiàn)場進行程序調整與修改。基于這些優(yōu)勢，PLC在工業(yè)自動控制領域應用特別廣泛，深受電氣技術人員的歡迎。

隨著技術的發(fā)展和價格的降低，變頻器在工業(yè)控制中的應用越來越廣泛，它在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行機構使用。以安川F7系列（Varispeed F7系列）變頻器為例，該系列產(chǎn)品的技術參數(shù)和特點如下：

額定電壓、功率范圍：200 V/三相（0.4 -110 kW）和400 V/三相（0.4 -300 kW）

特點：從典型的遞減轉矩到恒定轉矩，都能實現(xiàn)最合適的控制；同時可發(fā)揮150%/0 Hz的強制動轉矩特性，也可以實現(xiàn)轉矩控制、零伺服等功能；低沖擊電壓、低能耗、低干擾、低噪音；適用于所有行業(yè)與世界各地的電源電壓、語言；是強大且具有充分靈活性的全能型變頻器。

PLC和變頻器都是以計算機為基礎的現(xiàn)代工業(yè)控制產(chǎn)品，將它們有機地結合在一起，用PLC來控制變頻器，可以解決工業(yè)控制中經(jīng)常遇到的問題，比如電動機的工頻/變頻電源之間的切換問題，以實現(xiàn)電動機在工頻/變頻兩種模式下運行，確保變頻器出現(xiàn)故障時不至于停機。一旦變頻器因故障跳閘時，可以自動切換到工頻運行模式，并發(fā)出聲光報警信號[3]。

2 主電路和控制要求

（1）主電路

主電路如圖1所示，共有三個接觸器，它們各自的作用是: KM1將電源線接至變頻器的輸入端; KM2將變頻器的輸出端接至電動機; KM3將工頻電源直接接至電動機，KM1和KM2動作時電動機在變頻模式下運行，僅 KM3動作時電動機在工頻模式下運行。

（2） 控制要求

工頻電源絕對不允許接到變頻器的輸出端，故接觸器KM2和KM3絕對不允許同時動作，互相之間必須有非常可靠的互鎖；

在工頻運行時，有必要接入熱繼電器FR，用作電動機的過載保護；

選擇開關SA2用于切換PLC的工頻/變頻兩種模式，按鈕SB5用于變頻器出現(xiàn)故障后對故障信號復位；

變頻器因故障跳閘時，能夠進行聲光報警，并能控制電動機自動切入“工頻模式”下運行。

圖1 主電路

3 工頻/變頻電源切換控制的PLC外部接線圖

工頻/變頻電源切換控制的 PLC外部接線圖如圖2所示[4]。

圖2 工頻/變頻電源切換控制的PLC外部接線圖

4 梯形圖及程序執(zhí)行過程分析

梯形圖是用得最多的PLC圖形編程語言，是取代傳統(tǒng)物理繼電器-接觸器控制的軟件部分，它與繼電器-接觸器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，直觀易懂，容易掌握，尤其適合開關量控制。圖3是用 PLC控制變頻器實現(xiàn)工頻/變頻電源切換的梯形圖，具體程序執(zhí)行過程分析如下：

（1）工頻運行

圖2中的選擇開關SA2用于選擇“工頻模式”和“變頻模式”，當它扳到“工頻模式”的位置時，在圖3所示的梯形圖中，X4常開觸點閉合，為電動機工頻運行做好準備。按下“電源接通”按鈕SB1，X0的常開觸點閉合，X7常開觸點因電動機無過載而閉合，Y2線圈得電并保持，接觸器KM3動作，因KM2與KM3互鎖，KM3的常閉觸點斷開，KM2不會動作，使電動機可靠地在工頻電壓下起動運行。

工頻運行時，X4常閉觸點斷開，按下“電源斷開”按鈕SB2，X1的常閉觸點斷開，Y2線圈失電，接觸器 KM3失電，它的常開觸點恢復斷開狀態(tài)，切斷主電路的工頻電源，電動機停止運行。

如果電動機出現(xiàn)過載現(xiàn)象，那么熱繼電器FR的觸點X7斷開，Y2線圈失電，接觸器KM3失電，同樣可以切斷主電路的工頻電源，電動機停止運行。

(2) 變頻通電

將選擇開關SA2扳到“變頻模式”的位置時，X5常開觸點閉合，為電動機變頻運行做好準備。按下“電源接通”按鈕SB1，X0的常開觸點閉合，Y0、Y1線圈得電并保持，接觸器KM1、KM2動作，接通變頻器電源，同時將電動機接到變頻器的輸出端，因 KM2與 KM3互鎖，KM3因常閉觸點斷開不會動作。

（3）變頻運行

按下“變頻啟動”按鈕SB3，X2的常開觸點閉合， Y4線圈得電并自鎖，變頻器 S1端子被接通，使電動機在“變頻模式”下啟動運行，同時因為Y4的常開觸點閉合而使“電源斷開”按鈕X1的常閉觸點失去作用，有效防止電動機在變頻運行時意外失去變頻器的電源，確保電動機在變頻模式下可靠運行。

按下“變頻停止”按鈕SB4，X3的常閉觸點斷開，Y4線圈失電，變頻器的輸入端子S1被斷開，致使電動機減速和停機。

圖3 工頻/變頻電源切換的梯形圖

5 變頻器故障跳閘及運行模式切換

如果變頻器出現(xiàn)故障，變頻器的MA與MC之間的常開觸點閉合，PLC的輸入繼電器X10動作，它的常開觸點閉合，常閉觸點斷開，使得Y0、Y1和Y4線圈失電，從而接觸器KM2和KM1線圈失電復位，切斷變頻器的電源。同時 Y4也使變頻器 S1端子被斷開復位，變頻器停止工作。只有線圈Y3因X5、X10常開觸點閉合而得電動作并保持，聲光報警器HA開始工作，進行報警。同時，在Y1已經(jīng)復位的情況下，時間繼電器T0開始計時，其常開觸點延時后閉合，使輸出繼電器 Y2動作并保持，電動機自動進入“工頻模式”下運行[5]。

6 故障處理

報警后，操作人員應立即將 SA2扳到“工頻模式”的位置，這時，輸入繼電器X4動作，一方面使控制系統(tǒng)正式轉入“工頻模式”運行，另一方面，使 Y3失電復位，停止聲光報警。當變頻器的故障處理完畢，重新通電后，應該首先按下復位按鈕SB5，使X6動作，從而Y5線圈得電動作，接通變頻器的RESET輸入端S4，使變頻器的故障狀態(tài)復位。

7 結束語

在實際控制中，應用PLC和變頻器不僅能夠進行切換控制，還能夠隨時修改PLC的程序，以適用于不同型號變頻器，完成工頻/變頻電源之間的切換。利用PLC搭建控制平臺，實現(xiàn)設備自動化管理和監(jiān)控，實踐證明這種控制方法安全可靠。

[1] 劉東漢. PLC技術及應用. 北京：北京理工大學出版社，2009.

[2] 杜從商. PLC編程應用基礎（三菱）. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 廖常初. S7-200PLC基礎教程(第2版). 北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[4] 孫振強. 可編程控制器原理及應用教程（第2版）.北京：清華大學出版社，2008.

[5] 羅振成, 張桂枝. 電氣控制與 PLC. 北京：化學工業(yè)出版社，2010.