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(xiàn)代工業(yè)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(xiàn)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(shù)具有可編輯、運行可靠、功能強大、設備控制效果好等優(yōu)點，在生產(chǎn)過程中可實現(xiàn)設備的遠程控制及無人化管理[3-4]。在結(jié)合PLC自動控制技術(shù)、綜合各自優(yōu)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(jié)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(xiàn)反饋；當變頻器發(fā)生故障或過流現(xiàn)象時，就地控制面板可自動發(fā)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(xiàn)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(zhuǎn)速不同，可獲取不同的工質(zhì)流量，實現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)。不同頻率下，泵、風機等設備的運行轉(zhuǎn)速可通過公式（1）計算[6]：

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

由式（1）可知，轉(zhuǎn)速與頻率成正比，對于固定的某型號電動機，電動機極對數(shù)p和滑差率s是不變的。因此，通過改變頻率大小方可實現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)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(fā)生共振等問題，那么在頻率調(diào)節(jié)時應避開容易發(fā)生以上問題的頻率區(qū)間。

電動機采用變頻控制技術(shù)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(zhuǎn)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(fā)生報警，甚至發(fā)生供電母線跳閘的現(xiàn)象；同時，還能避免電動機在短時間內(nèi)加速，進而導致電動機與其連接設備發(fā)生踹振的現(xiàn)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(jié)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(jù)用戶要求進行工作，包括邏輯操作、順序控制、數(shù)字操作等。PLC是一種可編程存儲器，它在存儲器內(nèi)部運行邏輯操作等一系列指令，然后通過數(shù)字信號和模擬信號的轉(zhuǎn)換進行輸入和輸出，從而控制整個生產(chǎn)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(shù)和微電子技術(shù)，通過調(diào)節(jié)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(jù)電機的實際需要提供合適的供電電壓，從而達到節(jié)能調(diào)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(tǒng)中的應用價值

3.1 有助于增加電氣設備產(chǎn)品的存儲容量

PLC有一個獨立的內(nèi)存結(jié)構(gòu)。存儲在系統(tǒng)程序存儲器中的內(nèi)容就是系統(tǒng)軟件。用戶程序的內(nèi)存存儲的內(nèi)容是應用軟件，這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)存可以提供較大的存儲空間。此外，系統(tǒng)設計過程可以根據(jù)實際需要完整地保存相關(guān)設備的歷史數(shù)據(jù)，并為以后的故障檢測等工作提供可靠的依據(jù)。

3.2 有助于提高電氣設備產(chǎn)品的智能化水平

PLC技術(shù)和變頻器在電氣自動化控制系統(tǒng)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(shù)中，系統(tǒng)軟件可對整個系統(tǒng)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(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行分析和處理，對整個系統(tǒng)的運行情況進行評估，并實時、可靠地傳輸數(shù)據(jù)。變頻器的功能是提供實際的供電電壓，對整個系統(tǒng)運行過程中各個環(huán)節(jié)的電壓進行調(diào)節(jié)和控制，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4 PLC在控制系統(tǒng)中的應用

4.1 在順序控制系統(tǒng)中的應用

目前大多數(shù)企業(yè)采用PLC技術(shù)作為順序控制器。PLC技術(shù)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(tǒng)進行遠程控制和監(jiān)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(tǒng)中進行現(xiàn)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(tǒng)主站級進行就地控制。

4.2 在開關(guān)控制中的應用

在PLC應用的初始階段，只能合理應用于開關(guān)值的邏輯控制中。在后期，隨著相關(guān)技術(shù)的進一步提高，PLC技術(shù)得到了更廣泛的應用，開關(guān)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(tǒng)的斷路器采用繼電器實現(xiàn)控制，反應速度慢，而PLC技術(shù)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(huán)控制中的應用

PLC在閉環(huán)控制中應用的主要功能是測量速度并合理控制調(diào)節(jié)器，即通過速度測量、電子調(diào)節(jié)和電液執(zhí)行來實現(xiàn)閉環(huán)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(guān)檔位改為手動檔位，即可有效提高運行效率，進一步體現(xiàn)了系統(tǒng)的可持續(xù)性。PLC與傳統(tǒng)控制技術(shù)的結(jié)合應用，可以彌補傳統(tǒng)控制技術(shù)的不足，大大提高了電力系統(tǒng)的控制效率和質(zhì)量。

4.4 在數(shù)控系統(tǒng)中的應用

4.4.1 電氣控制系統(tǒng)

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

4.4.2 電控方式的選擇

電氣控制方式的選擇直接影響數(shù)控系統(tǒng)加工的質(zhì)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(jù)加工對象的特點，合理編制程序，通過PLC控制系統(tǒng)選擇合適的控制方式。

5 PLC控制系統(tǒng)的組成及接線

采用變頻器PLC控制技術(shù)控制的電動機控制部分通常由交流電源系統(tǒng)、監(jiān)控操作系統(tǒng)、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(jiān)控操作系統(tǒng)可運用PLC設定變頻器的參數(shù)并進行監(jiān)控；編碼器通過電纜接收電動機的反饋信號和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(xiàn)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(shù)的電動機運行過程中常常會出現(xiàn)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(xié)調(diào)好不同部分之間的運行，容易發(fā)生過熱現(xiàn)象，過熱會導致變頻器內(nèi)部溫度過高，尤其在夏季，當環(huán)境溫度較高時，變頻器的散熱效果不佳，發(fā)生變頻器過熱故障。為了防止此類故障的發(fā)生，通常在變頻器室內(nèi)均會加裝空調(diào)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(diào)節(jié)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(fā)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(fā)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(fā)其他故障。電動機超載會導致電動機發(fā)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(zhuǎn)速的影響而增加，進而發(fā)生過電流現(xiàn)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(fā)生過流的現(xiàn)象。不管是哪種情況，變頻器過流均會導致變頻器發(fā)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(jié)語

采用PLC控制技術(shù)的泵、風機等設備，雖然具有設備可遠程控制、啟動電流小、節(jié)能效果顯著等特點，但在實際生產(chǎn)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(fā)生，影響企業(yè)安全生產(chǎn)。