变频器的工程应用

1. 变频器的工程应用 刘美俊

2. 西门子公司标准通用型变频器主要包括MM4、MM3系列变频器和电动机变频器一体化装置三大类。其中，MM4系列变频器包括MM440矢量型通用变频器、MM430节能型通用变频器、MM420基本型通用变频器和MM410紧凑型通用变频器四个系列，这也是目前应用较为广泛的变频器。下面重点介绍MM440变频器的操作方法及应用注意事项。

3. MM440变频器的电气安装

4. 在变频器与电动机和电源线连接时必须注意以下几点：在变频器与电动机和电源线连接时必须注意以下几点： • 1）变频器必须接地。 • 2）在变频器与电源线连接或更换变频器的电源线之前，应完成电源线的绝缘测试。 • 3）确信电动机与电源电压的匹配是正确的。 • 4）不允许把MM440变频器连接到电压更高的电源上。

5. MM440的开关量运行

6. MM440变频器有6个数字输入端口，用户可根据需要设置每个端口的功能。从P0701～P0706为数字输入1功能至数字输入6功能，每一个数字输入功能设置参数值范围均从0～99，工厂默认值为1，下面列出其中几个参数值，并说明其含义。 （1）参数值为1：ON接通正转，OFFl停车。 （2）参数值为2：ON接通反转，OFFl停车。 （3）参数值为3：OFF2（停车命令2），按惯性自由停车。 （4）参数值为4：OFF3（停车命令3），按斜坡函数曲线快速降速 （5）参数值为9：故障确认。

7. （6）参数值为10：正向点动。 （7）参数值为11：反向点动。 （8）参数值为17：固定频率设定值。 （9）参数值为25：直流注入制动。 • MM440变频器数字输入控制端口开关量运行接线如图所示。在图中SBl～SB4为带自锁按钮，分别控制数字输入5～8端口。端口5设置为正转控制，其功能由P0701的参数值设置。端口6设为反转控制，其功能由P0702的参数值设置。端口7设为正向点动控制，其功能由P0703的参数值设置。端口8设为反向点动控制，其功能由P0704的参数值设置。频率和时间各参数在变频器的前操作面板上直接设置。

8. 系统操作步骤如下： （1）连接好电路，检查线路正确后合上变频器电源空气开关Q。 （2）恢复变频器工厂默认值。按下P键，变频器开始复位到工厂默认值。 （3）设置电动机参数，然后设P0010＝0，变频器当前处于准备状态，可正常运行。 • （4）设置数字输入控制端口开关操作运行参数，

9. 1）电动机正向运行。当按下按钮SB1时，变频器数字输入端口5为“ON”，电动机按P1120所设置的5s斜坡上升时间正向起动，经5s后稳定运行在560r/min的转速上。此转速与Pl040所设置的20Hz频率对应。松开按钮SB1，数字输入端口5为“OFF”，电动机按P1121所设置的5s斜坡下降时间停车，经5s后电动机停止运行。1）电动机正向运行。当按下按钮SB1时，变频器数字输入端口5为“ON”，电动机按P1120所设置的5s斜坡上升时间正向起动，经5s后稳定运行在560r/min的转速上。此转速与Pl040所设置的20Hz频率对应。松开按钮SB1，数字输入端口5为“OFF”，电动机按P1121所设置的5s斜坡下降时间停车，经5s后电动机停止运行。 2）电动机反向运行。如果要使电动机反转，则按下按钮SB2，变频器数字输入端口“6”为“ON”，电动机按P1120所设置的5s斜坡上升时间反向起动，经5s后反向运行在560r/min的转速上。此转速与P1040所设置的20Hz频率对应。松开带锁按钮SB2，数字输入端口6为“OFF”，电动机按P1121所设置的5s斜坡下降时间停车，经5s后电动机停止运行。

10. 3）电动机正向点动运行。当按下正向点动按钮SB3时，变频器数字输入端口7为“ON”，电动机按P1060所设置的5s点动斜坡上升时间正向点动运行，经5s后正向稳定运行在280r/min的转速上。此转速与P1058所设置的10Hz频率对应。当松开按钮SB3时，数字输入端口7为“OFF”，电动机按P1061所设置的5s点动斜坡下降时间停车。3）电动机正向点动运行。当按下正向点动按钮SB3时，变频器数字输入端口7为“ON”，电动机按P1060所设置的5s点动斜坡上升时间正向点动运行，经5s后正向稳定运行在280r/min的转速上。此转速与P1058所设置的10Hz频率对应。当松开按钮SB3时，数字输入端口7为“OFF”，电动机按P1061所设置的5s点动斜坡下降时间停车。 4）电动机反向点动运行。当按下反向点动按钮SB4时，变频器数字输入端口8为“ON”，电动机按P1060所设置的5s点动斜坡上升时间反向点动运行，经5s后反向稳定运行在280r/min的转速上，此转速与P1058所设置的10Hz频率对应。当松开按钮SB4时，数字输入端口8为“OFF”，电动机按P1061所设置的5s点动斜坡下降时间停车。

11. MM440模拟量运行 MM440变频器可以通过6个数字输入端口对电动机进行正反转运行、正反转点动运行方向控制，可通过基本操作板BOP或高级操作板AOP来设置正反向转速的大小；也可以由数字输入端口控制电动机的正反转方向，由模拟输入端控制电动机转速的大小。MM440变频器为用户提供了两对模拟输入端口，即端口3、4和端口10、11，如下图所示。

12. 模拟信号操作时的接线

13. 图中，通过设置P0701的参数值，使数字输入5端口具有正转控制功能；通过设置P0702的参数值，使数字输入6端口具有反转控制功能；模拟输入3、4端口外接电位器，通过3端口输入大小可调的模拟电压信号，控制电动机转速的大小，即由数字输入端控制电动机转速的方向，由模拟输入端控制转速的大小。 由图可知，MM440变频器的1、2输出端为转速调节电位器RP1提供＋10V直流稳压电源。为了确保交流调速系统的控制精度，MM440变频器通过1、2输出端为用户的给定单元提供了一个高精度的直流稳压电源

14. 操作步骤 （1）连接电路，检查接线正确后合上变频器电源空气开关Q。 （2）恢复变频器工厂默认值。按下P键，变频器开始复位到工厂默认值。 （3）设置电动机参数。设P0010＝0，变频器当前处于准备状态，可正常运行。 • （4）设置模拟信号操作控制参数。

15. 1）电动机正转：按下电动机正转按钮SB1，数字输入端口5为“ON”，电动机正转运行，转速由外接电位器RP1来控制，模拟电压信号从0V～＋10V变化，对应变频器的频率从0～50Hz变化，通过调节电位器RP1改变MM440变频器3端口模拟输入电压信号的大小，可平滑无级地调节电动机转速的大小。当松开按钮SB1时，电动机停止。通过P1120和P1121参数，可设置斜坡上升时间和斜坡下降时间。1）电动机正转：按下电动机正转按钮SB1，数字输入端口5为“ON”，电动机正转运行，转速由外接电位器RP1来控制，模拟电压信号从0V～＋10V变化，对应变频器的频率从0～50Hz变化，通过调节电位器RP1改变MM440变频器3端口模拟输入电压信号的大小，可平滑无级地调节电动机转速的大小。当松开按钮SB1时，电动机停止。通过P1120和P1121参数，可设置斜坡上升时间和斜坡下降时间。 2）电动机反转：当按下电动机反转按扭SB2时，数字输入端口6为“ON”，电动机反转运行，与电动机正转相同，反转转速的大小仍由外接电位器RP1来调节。当放开按钮SB2时，电动机停止。

16. MM440的维护实例 ［例1］西门子MM440变频器的AOP面板仅能存储一组参数。 处理方法：变频器选型手册中介绍AOP面板中能存储10组参数，但在用AOP面板做第二台变频器参数的备份时，显示“存储容量不足”。其解决办法如下： （1）在菜单中选择“语言”项。 （2）在“语言”项中选择一种不使用的语言。 （3）按Fn＋A键选择删除，经提示后，按P键确认。 这样，AOP面板就可以存储10组参数。造成这种现象的原因可能是设计时AOP面板中的内存不够。

17. ［例2］MM440变频器调试过程中发现只有参数P003和P004能被修改，其余参数都是只读，不能修改。［例2］MM440变频器调试过程中发现只有参数P003和P004能被修改，其余参数都是只读，不能修改。 处理方法：这是由于用户在调试过程中修改了参数P927（该参数用于定义修改参数的接口）造成的。 • 其定义如下： • Bit00：PROFIBUS/CB • Bit01：BOP • Bit02：BOP链路的USS • Bit03：COM链路的USS 某位为“1”时，表示该位有效。Bit01为“1”表示用户可通过BOP修改参数。 • 变频器显示面板7段显示结构图如图所示。

18. 变频器显示面板7段显示结构图

19. ［例3］怎样实现用编码器作为速度给定？ 处理方法：编码器装在与纱锭相连的测速轴上，作为变频器MM440的速度给定，如图所示。 • 用编码器作为速度给定，需要做以下参数设置： • （1）P1300不能为21或23，即不能为闭环速度或闭环转矩控制。 • （2）P0400设为1或2，激活编码器对速度进行检测，如表所示。 • （3）P1070设定为63。

20. 编码器的连接

21. MM440变频器在料车卷扬调速系统中的应用 料车机械传动系统示意图

22. 1．交流电动机的选用 炼铁高炉主卷扬机变频调速拖动系统在选择交流异步电动机时，需要考虑以下问题：应注意低频时有效转矩必须满足的要求；电动机必须有足够大的起动转矩来确保重载起动。针对本系统100m3的高炉，选用Y280S-8的三相交流感应电动机，其额定功率为37kW，额定电流为78.2A，额定电压为380V，额定转速为740r/min，效率为91%，功率因数为0.79。

23. 本系统选用西门子MM440，额定功率55kW，额定电流110A的变频器。该变频器采用高性能的矢量控制技术，具有超强的过载能力，能提供持续3s的200%过载能力，同时提供低速高转矩输出和良好的动态特性。本系统选用西门子MM440，额定功率55kW，额定电流110A的变频器。该变频器采用高性能的矢量控制技术，具有超强的过载能力，能提供持续3s的200%过载能力，同时提供低速高转矩输出和良好的动态特性。 （2）制动单元。 从上料卷扬运行速度曲线可以看出，料车在减速或定位停车时，应选择相应的制动单元及制动电阻，使变频器直流回路的泵升电压UD保持在允许范围内。

24. 可编程序控制器选用西门子S7-300，这种型号的PLC具有通用性应用、高性能、模块化设计的性能特征，具备紧凑设计模块。由于使用了MMC存储数据和程序，系统免维护。电源模块为PS-307 2A，插入1号槽。CPU为CPU315-2DP（保留PROFIBUS-DP接口，为今后组成网络作准备），型号6ES7 315-1AF03-0AB0，插入2号槽。数字输入模块选SM321 DI16×DC24V，型号6ES7 321-1BH02-0AA0两块，一块插入4号槽内，地址范围为I0.0～I0.7及I1.0～I1.7；另一块插入5号槽内，地址范围为I4.0～I4.7及I5.0～I5.7。数字输出模块选SM322 DO16×DC24V/0.5A，6ES7 322-1BH01-0AA0型一块，插入6号槽内，地址范围为Q8.0～Q8.7及Q9.0～Q9.7。

26. MM440参数设置表

29. MM440 运 行 频 率 表

31. MM440在离心机调速系统中的应用 • 其工艺步骤分为三步： • （1）慢速阶段0.5～1min ，使混凝土分布钢模内壁四周而不塌落。 • （2）中速阶段2～3min ，防止离心过程混凝土结构受到破坏，这是从低速到高速的一个短时过渡阶段； • （3）高速阶段6～15min，将混凝土沿离心力方向挤向内模壁四周，达到均匀密实成型，并排除多余水分。各阶段的运行速度和运行时间视不同规格和型号的电杆而有所不同，其运行速度图如图所示

33. 根据第3章变频器容量的选择方法进行计算，可选用37kW，额定电流75A的变频器。考虑到改进设计方案的可行性、调速系统稳定性及性价比，采用西门子MM440，37kW，额定电流为75A的通用变频器。该变频器采用高性能矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，可以控制电机从静止到平滑起动期间提供3s，200%的过载能力。

34. 变频器的各项参数设置

37. 基于变频器与PLC的恒压供水控制系统设计 • 将通往用户的用水水管中的压力变化经压力传感器采集给变频器，再通过变频器与变频器中的设定值进行比较，根据变频器内置的PID功能进行数据处理，将数据处理的结果以运行频率的形式进行输出。 • 当供水的压力低于设定压力，变频器就会将运行频率升高，反之则降低，并且可以根据压力变化的快慢进行差分调节。由于本系统采取了负反馈，当压力在上升到接近设定值时，反馈值接近设定值，偏差减小，PID运算会自动减小执行量，从而降低变频器输出频率的波动，进而稳定压力。

38. 供水系统方案

39. 系统主电路图

40. PLC接线图

41. FR-A540变频器参数设定表

42. PLC程序流程

43. 变频器在行车上的应用 • 行车和龙门吊车是目前工厂使用最多的起重设备，在行车的使用过程中，经常出现驱动大车行走的2台电动机在运行中不同步，造成行车整个车体相对于轨道出现偏移，使行车在行走中轮子挤压轨道，发出噪声，车体出现抖动，严重时使轨道移位。为此，需要定时对行车轨道进行调整和校正，以保证行车的安全运行。 • 行车大车在行走过程中出现车体偏转，其原因是大车左右两边的轮子运行速度不一致，而两边轮子的速度分别取决于各自的驱动电机速度和传动机构速比。由于制作工艺的限制，很难使两边速度完全一致。为此要消除车体偏移，较好的办法是在运行过程中及时调整电动机的速度来矫正偏转，使两边轮子运行速度保持一致。

45. 矫正行车偏转的方法有几种：行车两大车电机中，一台采用交流绕线电动机来调速，另一台可采用直流电动机或转子滑差电动机来调速，或者仍采用绕线电动机，但通过串级调速来实现行车两边轮子的同步。在上述方法中，采用直流电动机调速，系统需增设一台整流调压装置，且直流电动机存在换向火花等问题，不宜采用；采用转子滑差电动机调速，控制简单，但电机本身体积较大，行车上的安装位置不够；采用串级调速时，系统需增设逆变变压器和整流逆变装置，控制较复杂。在上述三种调速方法中，还需用可编程控制器(PLC)来实现继电器线路与调速装置部分的逻辑连锁控制，整个系统线路复杂，投资费用高。采用变频器来矫正行车电动机不同步，只需对原控制线路稍作改动，投资费用低，安装、维修方便，且系统的可靠性非常高。

46. 行车构成示意图

47. 行车两大车电动机仍采用原来的绕线式异步电动机，其中电机M2原控制方法不变，电机M1在原控制线路的基础上增设1台变频器，实现对该电机的变频调速，来调整行车的运行偏转。为测量行车运行过程中的偏转，分别在行车车身左右两端靠近轨道处装设两个接近开关。在行车前进过程中，如果右边轮子运行速度较慢，则车身偏转，接近开关KA1发出信号，说明此时电机M1需提速；反之，在前进过程中，当右边轮子运行速度较快时，车身偏移，使接近开关KA2发出信号，说明此时电机M1需减速。 • 为实现上述功能，选用ABB公司生产的200V系列变频器，型号为ACS143-4K1-1，

48. 变频器矫正行车电机不同步接线图

49. KM1、KM2分别为大车前进、后退控制用接触器，其常开触点用来控制变频器的起停和正反转，KA2、KA1为左、右端接近开关，变频器D13、D14接线端用于连接变频器的速度给定信号，由接近开关控制。给定速度设置如表所示。KM1、KM2分别为大车前进、后退控制用接触器，其常开触点用来控制变频器的起停和正反转，KA2、KA1为左、右端接近开关，变频器D13、D14接线端用于连接变频器的速度给定信号，由接近开关控制。给定速度设置如表所示。 • 当KA1、KA2都无信号输出时，说明行车运行正常，变频器保持输出频率50Hz不变。在行车前进过程中(KM1为ON)，当KA1闭合时，D13=1、D14=0，说明电机M1速度过慢，此时变频器输出频率增至55Hz，电机M1提速；反之，当KA2闭合时，D13=0、D14=1，变频率输出频率为45Hz，电机M1减速。当KA1、KA2同时闭合时，D13=1、D14=1，说明系统出现故障，变频器报警。当行车后退时，KA1、KA2的闭合与M1的增减速对应关系与前进时的对应关系相反

50. D13 D14 输出 0 0 正常 50Hz 0 1 减速 45Hz 1 0 加速 55Hz 1 1 故障报警