變頻器中PLC自動控制系統的應用研究

曹小軍

（南平市閩北高級技工學校，福建南平354000）

0 引言

變頻器在現代工業領域中的運用廣泛，主要用于改變各類大功率耗電風機、泵等設備的電源頻率，實現變頻啟動及變頻運行，保證設備的運行可靠性及使用壽命[1-2]。PLC自動控制技術具有可編輯、運行可靠、功能強大、設備控制效果好等優點，在生產過程中可實現設備的遠程控制及無人化管理[3-4]。在結合PLC自動控制技術、綜合各自優點的基礎上，變頻器運用設定的控制邏輯、保護功能，可使電動機滿足不同工況下運行的節能需求。當PLC輸出不同的控制指令時，可使變頻器在不同指令下得到有效控制；變頻器的各信號通過傳感器收集、處理器分析處理實現反饋；當變頻器發生故障或過流現象時，就地控制面板可自動發出聲光報警[5]。

1 變頻器控制原理及特點

采用變頻器控制的泵、風機等設備，主要是通過變頻器改變泵、風機電動機的電源頻率，來實現泵、風機等設備性能曲線的改變。在不同的工況下，泵、風機等設備的轉速不同，可獲取不同的工質流量，實現變頻調節。不同頻率下，泵、風機等設備的運行轉速可通過公式（1）計算[6]：

式中：n為轉速（r/min）；f為頻率（Hz）；s為電動機滑差率（%）；p為電動機極對數。

由式（1）可知，轉速與頻率成正比，對于固定的某型號電動機，電動機極對數p和滑差率s是不變的。因此，通過改變頻率大小方可實現電動機轉速的改變。在實際運用過程中，若頻率降得過低或加得過高，繞組磁通量變化大，磁回路過飽和、電極電流增大，則會導致電機燒壞；若泵、風機等設備與電機發生共振等問題，那么在頻率調節時應避開容易發生以上問題的頻率區間。

電動機采用變頻控制技術后，采用變頻方式啟動電動機（也稱軟啟動），可以緩慢增加變頻器的頻率，逐漸提高電動機的轉速和電壓，避免直接啟動時的大電流沖擊導致供電母線電壓大幅降低，進而發生報警，甚至發生供電母線跳閘的現象；同時，還能避免電動機在短時間內加速，進而導致電動機與其連接設備發生踹振的現象。采用變頻控制的電動機不僅啟動電流小，而且在同等工況下運行時，變頻運行模式比工頻運行模式的電機電流小很多，節電效果顯著。

2 PLC與變頻器介紹

PLC即可編程邏輯控制器，可根據用戶要求進行工作，包括邏輯操作、順序控制、數字操作等。PLC是一種可編程存儲器，它在存儲器內部運行邏輯操作等一系列指令，然后通過數字信號和模擬信號的轉換進行輸入和輸出，從而控制整個生產過程。變頻器主要由整流器、濾波器和逆變器組成，是一種利用變頻技術和微電子技術，通過調節電機供電頻率來控制交流電機的電力控制設備。其可以根據電機的實際需要提供合適的供電電壓，從而達到節能調速的效果。同時，變頻器還具有過流保護、過壓保護等多種保護功能。

3 PLC和變頻器在控制系統中的應用價值

3.1 有助于增加電氣設備產品的存儲容量

PLC有一個獨立的內存結構。存儲在系統程序存儲器中的內容就是系統軟件。用戶程序的內存存儲的內容是應用軟件，這種結構的內存可以提供較大的存儲空間。此外，系統設計過程可以根據實際需要完整地保存相關設備的歷史數據，并為以后的故障檢測等工作提供可靠的依據。

3.2 有助于提高電氣設備產品的智能化水平

PLC技術和變頻器在電氣自動化控制系統中的主要作用是提高電氣設備的響應速度和整體運行效率，也有助于提高電氣設備的智能化水平。在PLC技術中，系統軟件可對整個系統進行控制，確保整個工作流程嚴格按照一定的程序進行。同時，CPU會對系統中的數據進行分析和處理，對整個系統的運行情況進行評估，并實時、可靠地傳輸數據。變頻器的功能是提供實際的供電電壓，對整個系統運行過程中各個環節的電壓進行調節和控制，以保證系統的穩定運行。

4 PLC在控制系統中的應用

4.1 在順序控制系統中的應用

目前大多數企業采用PLC技術作為順序控制器。PLC技術在電氣工程自動化控制模式下，有3種具體的應用：（1）對電氣工程自動化系統進行遠程控制和監督，既保證了電氣工程人員的安全，又減少了人力資源的浪費；（2）在電氣工程自動化系統中進行現場傳感，確保電氣工程自動化的控制水平；（3）對電氣工程自動化系統主站級進行就地控制。

4.2 在開關控制中的應用

在PLC應用的初始階段，只能合理應用于開關值的邏輯控制中。在后期，隨著相關技術的進一步提高，PLC技術得到了更廣泛的應用，開關值控制的水平和應用價值也得到了顯著提高。以PLC在斷路器控制中的應用為例，傳統的斷路器采用繼電器實現控制，反應速度慢，而PLC技術的應用有效提高了斷路器的反應速度和靈敏度。

4.3 在閉環控制中的應用

PLC在閉環控制中應用的主要功能是測量速度并合理控制調節器，即通過速度測量、電子調節和電液執行來實現閉環控制。具體的控制方法是在接通動力泵后，PLC通過分析動力泵的運行時間，選擇最合適的主泵和備用泵。在實際運行過程中，只需將開關檔位改為手動檔位，即可有效提高運行效率，進一步體現了系統的可持續性。PLC與傳統控制技術的結合應用，可以彌補傳統控制技術的不足，大大提高了電力系統的控制效率和質量。

4.4 在數控系統中的應用

4.4.1 電氣控制系統

電氣控制系統是數控機床硬件控制的核心部分，主要由數控裝置、伺服系統、強電流控制系統等組成。其中，數控裝置是數控機床電氣控制系統的中心，可以自動處理輸入到數控機床上的所有數控加工程序，并將這些數控加工程序分為兩類控制量分別輸出：第一類是連續控制量，被送至伺服系統；第二類是離散開關控制值，被送至數控機床的強電流控制系統。

4.4.2 電控方式的選擇

電氣控制方式的選擇直接影響數控系統加工的質量和效率。因此，有必要選擇一種性價比高的電氣控制方式。根據加工對象的特點，合理編制程序，通過PLC控制系統選擇合適的控制方式。

5 PLC控制系統的組成及接線

采用變頻器PLC控制技術控制的電動機控制部分通常由交流電源系統、監控操作系統、PLC、編碼器、控制變頻器、馬達制動器、交流電動機等組成，如圖1所示。監控操作系統可運用PLC設定變頻器的參數并進行監控；編碼器通過電纜接收電動機的反饋信號和數據轉換為0～5 V電信號，傳輸至PLC進行處理；變頻器可接收到PLC傳遞的信息、指令，實現對變頻器的控制。通常PLC、變頻器與電動機之間的連接如圖2所示。

圖1 電動機控制部分組成

圖2 電動機、變頻器、PLC接線簡圖

6 電動機運行中的常見問題

采用變頻器PLC控制技術的電動機運行過程中常常會出現變頻器過熱，變頻控制的泵、風機等設備振動大，電動機超載，變頻器加減速，過流等故障[7]。

6.1 變頻器過熱

變頻器在運行過程中，若沒有協調好不同部分之間的運行，容易發生過熱現象，過熱會導致變頻器內部溫度過高，尤其在夏季，當環境溫度較高時，變頻器的散熱效果不佳，發生變頻器過熱故障。為了防止此類故障的發生，通常在變頻器室內均會加裝空調制冷。

6.2 泵、風機等設備振動大

泵、風機等設備出廠時各廠家均會給出相應的性能曲線，在各負荷工況下，都有各自的固有頻率，采用變頻調節時，尤其在低頻率階段，與泵、風機等設備的固有頻率疊加時，會發生劇烈振動，導致設備振動大而跳閘。因此，運行過程中應該避開變頻器低頻率運行。

6.3 電動機超載

電動機超載是最容易發生的故障，在變頻運行模式下，電動機超載會導致V/F曲線不匹配，誘發其他故障。電動機超載會導致電動機發熱，長時間運行會燒損電動機。

6.4 變頻器加、減速過電流

變頻器過電流故障分為加速過電流故障和減速過電流故障。加速過電流故障是泵、風機等設備變頻啟動后，在加頻率時，操作速度過快，導致功率受設備轉速的影響而增加，進而發生過電流現象；減速過電流故障是在變頻設備停止時，減頻率速度過快，負荷慣性過高導致功率過大發生過流的現象。不管是哪種情況，變頻器過流均會導致變頻器發熱，降低變頻器的使用壽命，若超過變頻器額定電流，將直接導致變頻器跳閘。

7 結語

采用PLC控制技術的泵、風機等設備，雖然具有設備可遠程控制、啟動電流小、節能效果顯著等特點，但在實際生產過程中仍存在變頻器過熱，變頻控制的泵、風機等設備振動大，電動機超載，變頻器加減速過流等故障，運維人員應做好運維工作，避免故障的頻繁發生，影響企業安全生產。