变频与工频切换的控制系统的设计

2020-08-28李莉

机电信息 2020年24期

摘要：使用变频器给负载设备供电有很大的优势，可以实现软启动和节能，但有时也要考虑到变频器故障和加工工艺的要求，所以应该设置变频和工频切换装置。现以消防排风系统为例，介绍了基于PLC的变频和工频切换控制系统的设计过程，经仿真调试，收到了比较好的效果。

关键词：节能;故障;工频;变频;切换;PLC

1 变频与工频切换的必要性

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。它根据电机的实际需要提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。而风机、水泵类负载，由于功率与转速的立方成正比，所以利用变频器进行调速，节能效果将非常显著，此外，利用变频器也可以实现软启动，减小冲击电流对设备的损害。所以，变频器在风机、水泵类负载中应用非常广泛。

但是，对某些情况来说，需要变频与工频相互切换，系统才能更完善。比如：

（1）故障切换：有些机械在运行过程中是不允许停机的，对于这些机械，当变频器发生故障跳闸时，应该立即自动切换成工频运行。

（2）程序切换：有的机械根据工艺特点，要求交替进行满频率运行和低速运行。从节能的角度出发，满频率运行时切换为工频为宜。

以消防排风系统为例，正常情况下，大型商场或停车场的排风系统采用变频运行，可起到节能的作用，但是当有消防要求的时候，需要将排风系统由变频切换到工频最大排风量运行;当变频器在运行过程中频率达到50 Hz时，需要系统自动切换为工频运行;再者，当变频器发生故障的时候，系统由变频运行切换到工频运行，变频器故障指示灯亮;最后，当变频器报警时，系统停止变频运行。

2 硬件设计

2.1 主电路设计

如图1所示，三相工频电源通过断路器QF接入，接触器KM1用于將电源接至变频器的输入端L1、L2、L3;接触器KM2用于将变频器的输出端U、V、W接至电动机;接触器KM3用于将工频电源接至电动机。注意：KM2和KM3绝对不能同时接通，否则会损坏变频器，因此，接触器KM2和KM3之间必须有可靠的互锁。热继电器FR用于工频运行时的过载保护。

2.2 控制电路设计

本文采用西门子PLC 224XP和西门子MM440变频器来实现简单的消防排风系统的模拟装调。PLC同变频器的接线图如图2所示。变频器的5端子与PLC的Q1.1相连，控制变频器的启停。变频器的运行频率由模拟信号输入端的输入电压来设定。变频器的实际输出频率则由模拟输出通道的输出电流来表示，因为变频器输出的是4～20 mA电流信号，而PLC 224XP的模拟量输入通道只能是电压信号，所以把模拟通道的输出电流与500 Ω的电阻并联，然后把500 Ω电阻两端的电压信号送入PLC的模拟输入端，变频器的实际输出频率最后储存在PLC的AIW0字节中。而变频器的三个输出继电器则分别接故障指示灯、运行指示灯和报警指示灯，以显示变频器的状态。

值得注意的是，当变频器出现故障时，系统要由变频运行自动切换为工频运行，所以输出继电器1的常开触点也要接到PLC的输入点上。此处，设置P0748.0=1，所以当变频器故障时，继电器得电，此处用常开触点接故障指示灯。PLC输入、输出分配表如表1所示。

3 参数设置

参数设置如表2所示。

4 变频与工频切换的程序设计

变频与工频切换的程序设计如图3所示。

5 系统调试

（1）按下变频启动按钮SB1，Q0.0及Q0.1得电，即交流接触器的KM1和KM2线圈得电，则KM1和KM2的常开主触点闭合，为变频器启动做准备;同时Q1.1得电，变频器开始启动。变频器运行频率由模拟输入端的电压设定。

（2）当变频器的实际运行频率大于等于50 Hz时，PLC存储器AIW0字节中的数据就会大于等于32 000，变频器会切断变频运行，自动切换到工频运行。

（3）当变频器出现故障时，变频器自动切换到工频运行，同时变频器故障指示灯亮。

（4）当变频器报警时，会自动切断变频运行。

6 结语

本设计中，系统变频与工频的切换是基于PLC程序实现的，方便，可操作性强，可扩展性强，是目前应用比较广泛的一种方法。