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1、 变频器的外接端子及其控制功能 公司内部编号：（GOOD-TMMT-MMUT-UUPTY-UUYY-DTTI-1 变频器的控制功能 1.1 基础概念 变频器运行的控制信号也叫操作指令，如起动、停止、正转、反转、点动、复位等。和频率给定方式类似,变频器操作指令的输入方式也有:(1)键盘操作即通过面板上的键盘输入操作指令。大多数变频器的面板都可以取下,安置到操作方便的地方,面板和变频器之间用延长线相联接,从而实现了距离较远的控制,如图 1 所示。图 1 面板操作(2)外接输入控制?操作指令通过外接输入端子从外部输入开关信号来进行控制，如图 2 所示。图 2 外接输入端子 由于外部的开关信号可以在远
2、离变频器的地方来进行操作，因此，不少变频器把这种控制方式称为“远控”或“遥控”操作方式。变频器在出厂时，设定的都是键盘操作方式，用户如需要采用外接输入控制，在使用前必须通过功能预置进行选择。1.2 变频器对外接输入端子的安排 外接输入控制端接受的都是开关量信号，所有端子大体上可以分为两大类:(1)基本控制输入端如运行、停止、正转、反转、点动、复位等。这些端子的功能是变频器在出厂时已经标定的,不能再更改。(2)可编程控制输入端由于变频器可能接受的控制信号多达数十种，但每个拖动系统同时使用的输入控制端子并不 多。为了节省接线端子和减小体积，变频器只提供一定数量的“可编程控制输入端”，也称为“多功能
3、输入端子”。其具体功能虽然在出厂时也进行了设置，但并不固定，用户可以根据需要进行预置。常见的可编程功能如多档转速控制、多档加/减速时间控制、升速/降速控制等;例如，艾默生 TD3000 系列变频器的多功能输入端子有 8 个(X1X8)。而可以预置的功能有 33 种;安川 CIMRG7A 变频器的多功能输入端子有 10 个(S3S12)，而可以预置的功能多达 78 种。2 常用输入控制端的应用举例 2.1 升速、减速功能 (1)功能含义变频器的外接开关量输入端子中，通过功能预置，可以使其中两个输入端具有升速和降速功能，称之为“升、降速(UP DOWN)控制端”。如图 3 所示，假设:将 X1 预
4、置为升速端，X2 预置为降速端。则:图 3 外接升、降速控制 当 KA1 闭合时，X1 得到信号，变频器的输出频率上升;KA1 断开时，输出频率保持(如需要，也可以不保持)。当 KA2 闭合时，X2 得到信号，变频器的输出频率下降;KA2 断开时，输出频率保持(如需要，也可以不保持)。升速控制端和降速控制端必须同时预置，如果只预置其中一个，则无效。利用外接升、降速控制信号对变频器进行频率给定时，属于数字量给定，控制精度较高。(2)应用举例(a)代替外接电位器给定在变频器的外接给定方式中，人们习惯于使用电位器来进行频率给定，如图 4(a)所示。图 4 电位器给定与升、降速端子给定 但电位器给定有
5、许多缺点，诸如:电位器给定是电压给定方式之一，属于模拟量给定，给定精度较差;电位器的滑动触点容易因磨损而接触不良，导致给定信号不稳定，甚至发生频率跳动等现象;当操作位置与变频器之间的距离较远时，线路上的电压降将影响频率的给定精度。同时，也较容易受到其他设备的干扰。利用升、降速端子来进行频率给定时，只需接入两个按钮开关即可，如图4(b)所示。其优点是十分明显的:升、降速端子给定属于数字量给定，精度较高;用按钮开关来调节频率，非但操作简便，且不易损坏;因为是开关量控制，故不受线路电压降等的影响，抗干扰性能极好。因此，在变频器进行外接给定时，应尽量少用电位器，而以利用升、降速端子进行频率给定为好。(
6、b)两处升、降速控制在生产实际中，常常需要在两个或多个地点都能对同一台电动机进行升、降速控制。在大多数情况下，这是通过外接控制来实现的。电路的构成 如图 5 所示，SB1 和 SB2 是一组升速和降速按钮，安装在控制盒 CA 内，由“频率表”FA 显示其运行频率;SB3 和 SB4 是另一组升速和降速按钮，安装在另一个控制盒 CB 内，由“频率表”FB 显示其运行频率。控制盒 CA 和 CB 分别放置在两个不同的地方。图 5 两地升、降速控制 SB1 与 SB3 并联，接在 X1 和 COM 之间，用于控制升速;SB2 与 SB4 并联，接在 X2和 COM 之间，用于控制降速。l 工作方式
7、按下控制盒 CA 上的 SB1 或控制盒 CB 上的 SB3，都能使频率上升，松开后频率保持;反之，按下控制盒 CA 上的“SB2”或控制盒 CB 上的“SB4”，都能使频率下降，松开后频率保持。从而实现了在不同的地点进行升速或降速控制。依此类推，还可以实现多处控制。基本原则是:所有控制频率上升的按钮开关都并联，所有控制频率下降的按钮开关也都并联就可以了。(c)手动同步控制电路在纺织、印染以及造纸机械中，根据生产工艺的需要，往往划分成许多个加工单元，每个单元都有各自独立的拖动系统，如图 6 所示。在这种情况下，总是要求被加工物在各单元的线速度保持一致:v1v2v3 图 6 多单元同步运行 显然
8、，如果后面单元的线速度低于前面，将导致被加工物的堆积;反之，如果后面单元的线速度高于前面，将导致被加工物的撕裂。因此，要求各单元的运行速度能够步调一致，即实现同步运行。对手动同步控制的要求如下:首先，各单元要能够同时升速和降速，进行统调;其次,在必要时，每个单元又能够单独地进行微调。今以三个单元的同步为例，控制电路如图 7 所示，工作过程如下:统调?统调的控制电路如图 7(d)和图 7(e)所示:图 7 手动多单元同步控制 按下 SB1，继电器 KA1 得电，其触点分别将各变频器的 X1-COM 接通，各单元电动机同时升速;按下 SB2，继电器 KA2 得电，其触点分别将各变频器的 X2-CO
9、M 接 通，各单元电动机同时降速。微调?各台变频器分别由按钮开关 SB11、SB12(1 号机)、SB21、SB22(2 号机)、SB31、SB32(3 号机)进行单台微调。2.2 多档转速控制 (1)输入控制端的“多档速”功能 （a）功能含义?变频器可以设定若干档工作频率，其频率档次的切换是由外接的开关器件改变输入端子的状态和组合来实现的。例如，当端子 S1、S2、S3 被预置为为多档转速的信号输入端时。通过继电器KA1、KA2、KA3 的不同组合，可输入 7 档转速的信号，如图 8(a)所示。转速档次与各输入端子状态之间的关系如图 8(b)所示。图 8 变频器的多档速控制端 各档的工作频率
10、(转速)究竟为多大，则根据需要进行预置。(b)变频器的功能预置以东芝 VF-A7 系列变频器为例，如附表所示。由附表知,功能预置分两个步骤:第一步:在输入控制端子中选择若干个端子(附表中为 3 个)作为多档转速输入控制端;第二步:预置各档转速的运行频率。(2)多档转速的控制特点 变频器在实现多档转速控制时,需要解决如下的问题:一方面，变频器每个输出频率的档次需要由三个输入端的状态来决定;另一方面，操作人员切换转速所用的开关器件通常为按钮开关或触摸开关，每个档次只有一个触点。所以，必须解决好转速选择开关的状态和变频器各控制端状态之间的变换问题，如图 9 所示。图 9 多档速控制特点 针对这种情况
11、,通过C 来进行控制是比较方便的。(3)控制实例 某生产机械有档转速,通过个选择按钮来进行控制。(a)控制电路?如图 10 所示，说明如下:图 10 多档速的 PLC 控制电路 lPLC 的输入电路如图，PLC 的输入端 X1X7 分别与按钮开关 SB1SB7 相接，用于接受 7 档转速的信号。lPLC 的输出电路如图 10,输出端 Y1、Y2、Y3 分别接至变频器的输入控制端的 S1、S2、S3,用于控制 S1、S2 和 S3 的状态。(b)梯形图之一(SB1SB7 为非自动复位型按钮开关)如图 11 所示。图 11 采用非自动复位按钮的梯形图 观察图 10 中之端子状态表，可得到如下规律:
12、S1 在第 1、3、5、7 档转速时都处于接通状态，故:PLC 的 X1、X3、X5、X7 中只要有一个得到信号，则 Y1“动作”变频器的 S1 端得到信号;S2 在第 2、3、6、7 档转速时都处于接通状态，故:PLC 的 X2、X3、X6、X7 中只要有一个得到信号，则 Y2“动作”变频器的 S2 端得到信号;S3 在第 4、5、6、7 档转速时都处于接通状态，故:PLC 的 X4、X5、X6、X7 中只要有一个得到信号，则 Y3“动作”变频器的 S3 端得到信号。今以用户选择第 3 档转速为例，说明其工作情况如下:按下 SB3X3“动作”Y1 和Y2“动作”变频器的 S1、S2 端子得到
13、信号,变频器将在第 3 档转速下运行。(c)梯形图之二(SB1SB7 为自动复位型按钮开关)如图 12 所示。图 12 采用自动复位按钮的梯形图 由于 SB1SB7 采用了自动复位型按钮开关，PLC 输入端子 X1X7 得到的信号不能保持，故借助 PLC 中的中间继电器 M1M7，使各转速档次的信号保持下来。今说明如下:按下 SB1X1 得到信号M1“动作”并自锁，M1 保持第 1 转速的信号。当按下 SB2SB7 中任何一个按钮开关(X2X7 中有一个得到信号)时M1 释放。即:M1 仅在选择第 1 档转速时“动作”。按下 SB2X2 得到信号M2“动作”并自锁，M2 保持第 2 转速的信号
14、。当按下除 SB2 以外的任何一个按钮开关时M2 释放。即:M2 仅在选择第 2 档转速时“动作”。以此类推:M3 仅在选择第 3档转速时“动作”;M4 仅在选择第 4 档转速时“动作”;M5 仅在选择第 5 档转速时“动作”;M6 仅在选择第 6 档转速时“动作”;M7 仅在选择第 7 档转速时“动作”。与图 9 类似:M1、M3、M5、M7 中只要有一个接通，则 Y1“动作”变频器的 S1 端接通;M2、M3、M6、M7 中只要有一个接通，则 Y2“动作”变频器的 S2端接通;M4、M5、M6、M7 中只要有一个接通，则 Y3“动作”变频器的 S3 端接通。今以用户选择第 5 档转速为例，
15、说明其工作情况如下:按下 SB5X5 得到信号M5“动作”，同时，如果在此之前 M1、M2、M3、M4、M6、M7 中有处于动作状态的话，都将释放Y1、Y3“动作”变频器的 S1、S3 端子接通，变频器将在第 5 档转速下运行。3 输出端子及其应用举例 变频器除了用输入控制端接受各种输入控制信号外，还可以用输出控制端输出与自己的工作状态相关的信号。输出控制端子有跳闸报警输出端(开关量)、测量信号输出端(模拟量或脉冲)以及可编程输出端等几种类型。3.1 跳闸报警输出(1)功能与特点 当变频器因发生故障而跳闸时，发出跳闸报警信号。主要特点如下:(a)功能单一 报警输出的控制端子是专用的，不能再作其
16、他用途。所以，跳闸报警输出端子不需要进行功能预置。(b)继电器输出 所有变频器的报警输出都是继电器输出,可直接接至交流 250V 电路中，触点容量大多为 1A,也有大至A 的。大多数变频器的报警输出端都配置一对触点(一常开、一常闭)，如图 13 中的 A-C、B-C 所示;图 13 跳闸报警电路示例 (2)应用示例 如图 13 所示，动断(常闭)触点 C-B 串联在接触器 KM 的线圈电路内;动合(常开)触点 C-A 则串联在声光报警电路内。变频器的通电由接触器 KM 控制，当变频器跳闸时:一方面，动断(常闭)触点 C-B 断开，KM 线圈失电，其触点断开，使变频器切断电源;另一方面，动合(常
17、开)触点 C-A 闭合，电笛 HA 和指示灯 HL 同时得电，进行声光报警。在配置声光报警的情况下，须注意将变频器控制电源的接线端(R1 和 S1)接至接触器 KM 主触点的前面。3.2 测量信号输出端 变频器的运行参数(频率、电流等)可以通过外接仪表来进行测量，为此，专门配置了为外接仪表提供测量信号的外接输出端子，如图 14 所示。需要预置的相关功能主要有以下几个方面:图 14 测量信号输出端子(1)测量内容的选择功能 变频器的外接测量输出端子通常有两个，用于测量频率和电流。但除此以外，还可以通过功能预置测量其他运行数据，如:电压、转矩、负荷率、功率，以及 PID控制时的目标值和反馈值等。(
18、2)输出信号的类别 (a)电压信号 输出信号范围有 01V、05V、010V 等几种。多数变频器直接由模拟量给出信号电压的大小，但也有的变频器输出的是占空比与信号电压成正比的脉冲序列。(b)电流信号 其量程主要是 020mA、20mA 两种，但也有量程为 01mA 的。(c)脉冲信号 输出信号为与被测量成比例的脉冲信号，脉冲高度(电压)通常为 824V，这种输出方式主要用于测量变频器的输出频率。(3)量程的校准功能 因为外接仪表实际上是电压表或毫安表，而被测量是频率、电流或其他物理量，因此，有必要对量程进行校准。校准的方法主要有两种:(a)通过功能预置来校准;(b)通过外接电位器来校准，如图
19、14(b)所示。(4)应用示例 某机械，最高运行频率为 80Hz，所选变频器是三菱 FR-A540 型。(a)输出信号特点 三菱 FR-A540 系列变频器的模拟量输出端子只有一个，符号是“AM”，负端为“5”，如图 15(a)所示，输出信号为 010V 直流电压信号。图 15 模拟量输出示例(b)功能预置需要预置的功能如下:l?选择 AM 端的测量内容将功能码 Pr.158 预置为“1”，则 AM 端将显示变频器的输出频率;l?预置测量范围 将功能码 Pr.55 预置为“80”，则频率显示范围为 080Hz。AM 端的输出电压与显示频率之间的对应关系如图 15(b)所示。(c)仪表的改造 因
20、为 AM 端的输出电压范围是 010V，所以，只需购买量程为 10V 的直流电压表即可。但须将面板修改为 080Hz，如图 15(c)和 15(d)所示。3.3 可编程输出端 可编程输出端也叫状态输出端。用于输出表明变频器各种工作状态的信号，都是开关量输出。各输出端子的具体功能须通过功能预置来决定，主要有:变频器运行中、频率到达、输出频率到达上限、输出频率到达下限、程序运行换步信号、程序运行一次循环结束信号、程序运行步数指示等。(1)电路结构 主要有两种类型:(a)继电器输出型 变频器内部具有若干个输出继电器，通过其触点输出相关信号，如图 16(a)所示。多数情况下，只能用于直流低压电路中。也
21、有的继电器触点可以用在交流220V 的电路中的，须注意阅读说明书。(b)晶体管输出型 变频器内部是晶体管集电极输出，如图 16(b)所示。这种输出方式只能用在直流低压电路中。由于晶体管只能单方向导通，使用时须注意外接电源的极性。图 16 可编程输出电路(2)应用实例 有一台搅拌机，需要和传输带进行联动控制。搅拌机由电动机 M1 拖动，转速由变频器 UF1 控制;传输带由电动机 M2 拖动，转速由变频器 UF2 控制，如图 17 所示。图 17 搅拌、传输联动控制 控制要求如下:为了防止物料在传输带上堆积,传输带应首先起动,并且其运行频率到达 30Hz以上时,搅拌机才开始起动和运行;当变频器 U
22、F2 的输出频率低于 25Hz 时,搅拌机应停止工作。今以选用富士 G11S 变频器为例，选择输出端子 Y2 作为频率检测信号端，如图 17所示。则变频器 UF2 须预置如下功能:功能码 E21(Y2 输出端子的功能)预置为“2”，则 Y2 为“频率检测”信号输出端;功能码 E31(频率检测值)预置为“30”，则当输出频率高于 30Hz 时，Y2 晶体管导通;功能码 E32(频率检测滞后值)预置为“5”，则当输出频率降至 30Hz 时，Y2 端并不恢复，等再滞后 5Hz(即 25Hz)时，Y2 晶体管才截止，如图 18 所示。图 18 中:fS 为频率检测的设定值;为解除时的滞后值;fR 为解除频率值。图 18 频率检测含义 参考文献(略)作者简介 张燕宾(1937-)男 高级工程师 退休前在宜昌市自动化研究所工作,曾任自动化研究所副所长、宜昌市科委驻深圳联络处主任;宜昌市自动化学会理事长、湖北省自动化学会常务理事。着作:SPWM 变频调速应用技术(编着，机械工业出版社 1997 年 12 月初版;2002 年月第二版);变频调速应用实践(主编，机械工业出版社 2001 年 1 月出版);变频器应用基础(副主编，机械工业出版社 2003年 1 月出版)。