變頻與工頻切換的控制系統的設計

摘? 要：使用變頻器給負載設備供電有很大的優勢，可以實現軟啟動和節能，但有時也要考慮到變頻器故障和加工工藝的要求，所以應該設置變頻和工頻切換裝置。現以消防排風系統為例，介紹了基于PLC的變頻和工頻切換控制系統的設計過程，經仿真調試，收到了比較好的效果。

關鍵詞：節能;故障;工頻;變頻;切換;PLC

1? ? 變頻與工頻切換的必要性

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設備。它根據電機的實際需要提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的。而風機、水泵類負載，由于功率與轉速的立方成正比，所以利用變頻器進行調速，節能效果將非常顯著，此外，利用變頻器也可以實現軟啟動，減小沖擊電流對設備的損害。所以，變頻器在風機、水泵類負載中應用非常廣泛。

但是，對某些情況來說，需要變頻與工頻相互切換，系統才能更完善。比如：

（1）故障切換：有些機械在運行過程中是不允許停機的，對于這些機械，當變頻器發生故障跳閘時，應該立即自動切換成工頻運行。

（2）程序切換：有的機械根據工藝特點，要求交替進行滿頻率運行和低速運行。從節能的角度出發，滿頻率運行時切換為工頻為宜。

以消防排風系統為例，正常情況下，大型商場或停車場的排風系統采用變頻運行，可起到節能的作用，但是當有消防要求的時候，需要將排風系統由變頻切換到工頻最大排風量運行;當變頻器在運行過程中頻率達到50 Hz時，需要系統自動切換為工頻運行;再者，當變頻器發生故障的時候，系統由變頻運行切換到工頻運行，變頻器故障指示燈亮;最后，當變頻器報警時，系統停止變頻運行。

2? ? 硬件設計

2.1? ? 主電路設計

如圖1所示，三相工頻電源通過斷路器QF接入，接觸器KM1用于將電源接至變頻器的輸入端L1、L2、L3;接觸器KM2用于將變頻器的輸出端U、V、W接至電動機;接觸器KM3用于將工頻電源接至電動機。注意：KM2和KM3絕對不能同時接通，否則會損壞變頻器，因此，接觸器KM2和KM3之間必須有可靠的互鎖。熱繼電器FR用于工頻運行時的過載保護。

2.2? ? 控制電路設計

本文采用西門子PLC 224XP和西門子MM440變頻器來實現簡單的消防排風系統的模擬裝調。PLC同變頻器的接線圖如圖2所示。變頻器的5端子與PLC的Q1.1相連，控制變頻器的啟停。變頻器的運行頻率由模擬信號輸入端的輸入電壓來設定。變頻器的實際輸出頻率則由模擬輸出通道的輸出電流來表示，因為變頻器輸出的是4～20 mA電流信號，而PLC 224XP的模擬量輸入通道只能是電壓信號，所以把模擬通道的輸出電流與500 Ω的電阻并聯，然后把500 Ω電阻兩端的電壓信號送入PLC的模擬輸入端，變頻器的實際輸出頻率最后儲存在PLC的AIW0字節中。而變頻器的三個輸出繼電器則分別接故障指示燈、運行指示燈和報警指示燈，以顯示變頻器的狀態。

值得注意的是，當變頻器出現故障時，系統要由變頻運行自動切換為工頻運行，所以輸出繼電器1的常開觸點也要接到PLC的輸入點上。此處，設置P0748.0=1，所以當變頻器故障時，繼電器得電，此處用常開觸點接故障指示燈。PLC輸入、輸出分配表如表1所示。

3? ? 參數設置

參數設置如表2所示。

4? ? 變頻與工頻切換的程序設計

變頻與工頻切換的程序設計如圖3所示。

5? ? 系統調試

（1）按下變頻啟動按鈕SB1，Q0.0及Q0.1得電，即交流接觸器的KM1和KM2線圈得電，則KM1和KM2的常開主觸點閉合，為變頻器啟動做準備;同時Q1.1得電，變頻器開始啟動。變頻器運行頻率由模擬輸入端的電壓設定。

（2）當變頻器的實際運行頻率大于等于50 Hz時，PLC存儲器AIW0字節中的數據就會大于等于32 000，變頻器會切斷變頻運行，自動切換到工頻運行。

（3）當變頻器出現故障時，變頻器自動切換到工頻運行，同時變頻器故障指示燈亮。

（4）當變頻器報警時，會自動切斷變頻運行。

6? ? 結語

本設計中，系統變頻與工頻的切換是基于PLC程序實現的，方便，可操作性強，可擴展性強，是目前應用比較廣泛的一種方法。

收稿日期：2020-06-28

作者簡介：李莉（1981—），女，山東濟南人，碩士研究生，副教授，研究方向：電氣自動化技術。