淺談技工院校中PLC與變頻器的綜合教學

李 靜

（煙臺工貿技師學院）

一、創設情境，任務描述

某居民小區為了實現恒壓供水，應用壓力開關根據管內壓力實現對泵的運行速度的控制，當壓力增大（用水量小）到上限壓力時，減小泵的速度；當壓力減小（用水量大）到下限壓力時，提高泵的速度，從而實現管內壓力的恒定。

接到任務后，教師根據班級人數及實訓條件將學生分為若干小組，并指定組長。由各組組長進行組內成員分工，準備相關設備、工具及材料。教師帶領學生學習安全操作規程、隔離方法以及安裝工藝要求；學習變頻器調速的原理、恒壓供水系統的組成與原理。采用小組討論的方式，制訂設計方案；對結果進行表述與展示。師生共同討論，并最終作出決策。

變頻恒壓供水系統的供水部分主要由水泵、電動機、管道和閥門等構成。通常由鼠籠式異步電動機驅動水泵旋轉來供水，并且把電機和水泵做成一體，通過變頻器調節異步電機的轉速，從而改變水泵的出水流量而實現恒壓供水。因此，供水系統變頻的實質是異步電動機的變頻調速。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。

異步電機的轉速為：n=60f（1-s）/p；

異步電機的轉差率定義為：S=（n1-n）/n*100%；

異步電機的同步速度為:n1=60f/p；

其中：n1為異步電機的理想空載轉速；n為異步電機轉子轉速；f是異步電機的定子電源頻率；p為異步電機的極對數。

從上式可知，當極對數p不變時，電機轉子轉速n與定子電源頻率f成正比，因此連續調節異步電機供電電源的頻率，就可以連續平滑地調節電機的同步轉速，從而調節其轉子的轉速。這種調速方式需要專用的變頻裝置，即變頻器。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式。在改變輸出頻率的同時也改變輸出電壓，以保證電機磁通基本不變。其關系為：U1/f=常數。（式中：U1——變頻器輸出電壓，f——變頻器輸出頻率）

變頻調速時，從高速到低速都可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、高精度、調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優點。因此，變頻調速是交流異步電機的一種比較合理和理想的調速方法，它被廣泛地應用于對水泵電動機的調速。

二、變頻器的參數設定

教師給出運行曲線圖，并由各小組在規定時間內根據任務要求，以各種流程圖的形式設定變頻器的運行參數以及基本參數，并上臺展示；最終師生共同探討出結論。變頻器的運行頻率7 個：15 HZ、25 HZ、30 HZ、35 HZ、40 HZ、45 HZ、50 HZ 和基本參數12 個：轉矩提升4%、上限頻率50 HZ、下限頻率5 HZ、基底頻率50 HZ、加速時間3 s、減速時間4 s、電子過流保護3 A、啟動頻率8 HZ、加減速參考頻率50 HZ、時間單位秒2、逆轉防已選擇1、操作模式選擇3。

在恒壓供水系統中，變頻器頻率調節的范圍是有限的，不可能無限地增大和減小。當正在變頻狀態下運行的水泵電機要切換到工頻狀態下運行時，只能在50 HZ 時進行。50 HZ 就成為變頻器頻率調節的上限頻率。當變頻器的輸出頻率已經到達50 HZ 時，即使實際的供水壓力低于設定壓力，也不能增加變頻器的輸出頻率。當電動機運行頻率下降到某一個值（5 HZ）時，實際的供水壓力不會隨著電動機頻率的下降而下降。這個頻率（5 HZ）就是電動機運行的下限頻率。

三、用PLC 實現恒壓供水系統設計

根據任務要求，各小組共同探討輸入/輸出分配表，教師進行適當的引導，對落后的學生給予鼓勵和幫助。最后師生共同探討出結論：控制電動機的啟動和停止需要2 個輸入點，變頻器極限頻率的檢測信號（下限壓力和上限壓力）占用PLC 的2 個輸入點，共需4 個輸入點。水泵電機M，可以實現七種速度變頻運行，也可以工頻運行，需PLC 的3 個輸出點，控制變頻器使電動機正轉運行需要1 個輸出點，共需要4 個輸出點。系統所需的輸入/輸出點數量共為8 個點。對恒壓供水系統的基本要求如下：

（1）要有完善的保護功能。

（2）PLC 程序設計要滿足恒壓供水系統任務的要求。

（3）避免水泵電機工作時間過長。

四、評價反饋

此環節分為自我評價、小組評價和教師評價三部分。通過互相評價，學生能夠取長補短、互相學習、共同進步，增加成就感和進取心。

教師應致力于營造生動活潑的教學氛圍，引導學生積極思考和探究，并以創新精神去理解和運用知識；課堂上堅持以學生為主體、教師為主導的原則，適時引導學生積極參與教學過程，在此過程中發現和理解知識；注重激發學生的學習興趣，提高學生的學習積極性；利用學生“好動、好奇”的特點，從學生熟悉的生活情境和感興趣的事物出發，提供觀察和操作的機會，充分發揮學生學習的自覺能動性，讓學生在操作中獲得正確的認知，為學生走向社會，更快、更好地適應工作打好基礎。

［1］徐鐵.PLC 應用技術.中國勞動和社會保障出版社，2007-08.

［2］戰麗紅.變頻技術及變頻器芻議［J］.現代制造，2011.