3.3　变频器及其应用

3.3.1　交流异步电动机的使用

YL-335B分拣单元的传送带动力源为三相交流异步电动机，在运行中，它不仅要求可以改变速度，也需要改变方向。

图3-19所示为带减速装置的三相交流电动机。三相交流异步电动机绕组电流的频率为f，电机的磁极对数为p，则同步转速（r/min）可用n0=60f/p表示，转子转速n可表示为

式中，s为转差率。

由上式可见，要改变电动机的转速可以采用：①改变磁极对数p；②改变转差率s；③改变频率f。通过改变频率可以实现无级调速。

YL-335B分拣单元传送带的控制中交流电动机的调速采用变频调速的方式。分拣单元电机的速度方向控制都由变频器完成。

三相异步电动机在运行过程中需注意，若运行中一相和电源断开，则变成单相运行，此时电机仍会按原来方向运转，但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热，使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。注意外壳的接地线必须可靠地接大地，防止漏电引起人身伤害。

3.3.2　西门子MM420变频器简介

YL-335B分拣单元使用的三相交流减速电机的速度、方向控制都由西门子MM420变频器完成。其电气连接如图3-20所示。三相交流电源经熔断器、空气断路器、变频器输出到交流电动机。

在上图中，有两点需要注意：一是屏蔽，二是接地。变频器到电机的线采用屏蔽线，并且屏蔽层要接地，另外带电设备的机壳要接地。

1.通用变频器的工作原理

如图3-21所示，变频器先将50Hz交流电经二极管整流桥整流和LC滤波，形成恒定的直流电压，再送入由6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波（SPWM波），即可驱动三相异步电动机运转。

如图3-22所示，把正弦半波分成n等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替，则矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效，正弦波的正负半周均如此处理。

SPWM调制的控制信号为幅值和频率均可调的正弦波，载波信号为三角波，如图3-23（a）所示，该电路采用正弦波控制，三角波调制，当控制电压高于三角波电压时，比较器输出电压Ud为高电平，否则输出低电平。

以A相为例，只要正弦控制波的最大值低于三角波的幅值，就导通T1，封锁T4，这样就输出等幅不等宽的SPWM脉宽调制波。

SPWM调制波经功率放大才能驱动电机。在图3-23（b）中，左侧的桥式整流滤波器将工频交流电变成直流恒定电压，给图中右侧逆变器供电。等效正弦脉宽调制波Ua、Ub、Uc送入VT1～VT6的基极，则逆变器输出脉宽按正弦规律变化的等效矩形电压波，经过滤波变成正弦交流电用来驱动交流伺服电机。

2.认识西门子MM420变频器

西门子MM420（MICROMASTER420）是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。该系列有多种型号。YL-335B选用的MM420外形如图3-24所示。该变频器额定参数为：

① 电源电压：380～480V，三相交流；

② 额定输出功率：0.75kW；

③ 额定输入电流：2.4A；

④ 额定输出电流：2.1A；

⑤ 外形尺寸：A型；

⑥ 操作面板：基本操作板（BOP）。

（1）MM420变频器的安装和拆卸

在工程使用中，MM420变频器通常安装在配电箱内的DIN导轨上，安装和拆卸的步骤如图3-25所示。

安装的步骤如下。

① 用导轨的上闩销把变频器固定到导轨的安装位置上。

② 向导轨上按压变频器，直到导轨的下闩销嵌入到位。

从导轨上拆卸变频器的步骤如下。

① 为了松开变频器的释放机构，将螺丝刀插入释放机构中。

② 向下施加压力，导轨的下闩销就会松开。

③ 将变频器从导轨上取下。

（2）MM420变频器的接线

打开变频器的盖子后，就可以连接电源和电动机的接线端子。接线端子在变频器机壳下盖板内，拆卸盖板后可以看到变频器的接线端子，如图3-26所示。

① 变频器主电路的接线　YL-335B分拣单元变频器主电路电源由配电箱通过自动开关（断路器）QF单独提供一路三相电源，连接到图3-26的电源接线端子，电动机接线端子引出线则连接到电动机。注意接地线PE必须连接到变频器接地端子，并连接到交流电动机的外壳。

② 变频器控制电路的接线　MM420变频器的框图如图3-27所示。

数字输入点：DIN1（端子5），DIN2（端子6），DIN3（端子7）；内部电源+24V（端子8），内部电源0V（端子9）；

模拟输入点：AIN+（端子3），内部电源+10V（端子1），内部电源0V（端子2）；

继电器输出：RL1-B（端子10），RL1-C（端子11）；

模拟量输出：AOUT+（端子12），AOUT-（端子13）；

RS-485串行通信接口：P+（端子14），N-（端子15）。

（3）MM420变频器的BOP操作面板

MM420变频器是一个智能化的数字式变频器，在基本操作板（BOP）上可以进行参数设置。图3-28所示是BOP面板的外形。BOP具有7段显示的五位数字，可以显示参数的序号和数值，报警和故障信息，以及设定值和实际值。参数的信息不能用BOP存储。

基本操作面板（BOP）备有8个按钮，表3-5列出了这些按钮的功能。

3.3.3　变频器在交流异步电动机调速控制中的应用

1.变频器的性能参数

（1）变频器参数的组成

变频器的参数由字母和参数号组成。参数号是指该参数的编号，参数号用0000到9999的4位数字表示。在参数号的前面冠以一个小写字母“r”时，表示该参数是“只读”的参数。其他所有参数号的前面都冠以一个大写字母“P”，这些参数的设定值可以直接在标题栏的“最小值”和“最大值”范围内进行修改。有些参数带有下标，并且指定了下标的有效序号。

（2）常用的参数

① 参数P0003。参数P0003用于定义用户访问参数组的等级，设置范围为1～4，其中：

“1”为标准级，可以访问经常使用的参数；

“2”为扩展级，允许扩展访问参数的范围，例如变频器的I/O功能；

“3”为专家级，只供专家使用；

“4”为维修级，只供授权的维修人员使用，具有密码保护。

该参数缺省设置为等级1（标准级），对于大多数简单的应用对象，采用标准级就可以满足要求了。用户可以修改设置值，但建议不要设置为等级4（维修级），用BOP或AOP操作板看不到第4访问级的参数。

② 参数P0004。参数P0004（参数过滤器）的作用是根据所选定的一组功能对参数进行过滤（或筛选），并集中对过滤出的一组参数进行访问，从而可以更方便地进行调试。P0004可能的设定值如表3-6所示，缺省的设定值为0。

③ 参数P0010。参数P0010是调试参数过滤器，对与调试相关的参数进行过滤，只筛选出那些与特定功能组有关的参数。P0010的可能设定值为：0（准备），1（快速调试），2（变频器），29（下载），30（工厂的缺省设定值）；缺省设定值为0。

④ 参数P0700。参数P0700用于指定命令源，可能的设定值如表3-7所示，缺省值为2。

注意：当改变这一参数时，同时也使所选项目的全部设置值复位为工厂的缺省设置值。例如：把它的设定值由1改为2时，所有的数字输入都将复位为缺省的设置值。

⑤ 参数P0701、P0702、P0703。参数P0701、P0702、P0703，可能的设定值如表3-8所示。

由表3-8可见，参数P0701、P0702、P0703设定值取值为15，16，17时，通过选择固定频率的方式确定输出频率（FF方式）。这三种选择说明如下。

a.直接选择（P0701～P0703=15）　在这种操作方式下，一个数字输入选择一个固定频率。如果有几个固定频率输入同时被激活，则选定的频率就是它们的总和。在这种方式下，还需要一个ON命令才能使变频器投入运行。

b.直接选择+ON命令（P0701～P0703=16）　在这种操作方式下，一个数字输入选择一个固定频率。如果有几个固定频率输入同时被激活，选定的频率是它们的总和。

c.二进制编码的十进制数（BCD码）选择+ON命令（P0701～P0703=17）　使用这种方法最多可以选择7个固定频率。各个固定频率的数值见表3-9。

⑥ 参数P1000。参数P1000用于选择频率设定值的信号源。其设定值为0～66。缺省的设置值为2。实际上，当设定值≥10时，频率设定值将来源于2个信号源的叠加。其中，主设定值由最低一位数字（个位数）来选择（即0到6），而附加设定值由最高一位数字（十位数）来选择（即x0～x6）。下面只说明常用主设定值信号源的意义：

0：无主设定值；

1：MOP（电动电位差计）设定值。取此值时，选择基本操作板（BOP）的按键指定输出频率；

2：模拟设定值：输出频率由3-4端子两端的模拟电压（0～10V）设定；

3：固定频率：输出频率由数字输入端子DIN1～DIN3的状态指定。用于多段速控制；

5：通过COM链路的USS设定。即通过按USS协议的串行通讯线路设定输出频率。

⑦ 参数P1080。参数P1080属于“设定值通道”参数组（P0004=10），缺省值为0.00Hz。

⑧ 参数P1082。参数P1082设置最高频率，也属于“设定值通道”参数组（P0004=10），缺省值为50.00Hz。即参数P1082限制了电动机运行的最高频率。因此最高速度要求高于50.00Hz的情况下，需要修改P1082参数。

电动机运行的加、减速度的快慢，可用斜坡上升和下降时间表征，分别由参数P1120、P1121设定。这两个参数均属于“设定值通道”参数组，并且可在快速调试时设定。

⑨ 参数P2000。参数P2000设置基准频率，是串行链路，模拟I/O和PID控制器采用的满刻度频率设定值，属于“通信”参数组（P0004=20），缺省值为50.00Hz。

如果缺省值不满足电机速度调整的要求范围，就需要调整这2个参数。另外需要指出的是，如果要求最高速度高于50.00Hz，则设定与最高速度相关的参数时，除了设定参数P2000外，尚须设置参数P1082（最高频率）。

⑩ 参数P1120。P1120是斜坡上升时间，即电动机从静止状态加速到最高频率（P1082）所用的时间。设定范围为0～650，缺省值为10。

参数P1121。P1121是斜坡下降时间，即电动机从最高频率（P1082）减速到静止停车所用的时间所用的时间。设定范围为0～650，缺省值为10。

注意：如果设定的斜坡上升时间太短，有可能导致变频器过电流跳闸；同样，如果设定的斜坡下降时间太短，有可能导致变频器过电流或过电压跳闸。

参数P3900。参数P3900的设定与快速调试的进行有关，当其被设定为1时，快速调试结束后，要完成必要的电动机计算，并使其他所有的参数（P0010=1 不包括在内）复位为工厂的缺省设置。当P3900=1并完成快速调试后，变频器已做好了运行准备。

（3）参数设置方法

用BOP可以修改和设定系统参数，使变频器具有期望的特性，例如斜坡时间、最小和最大频率等。选择的参数号和设定的参数值在LCD上显示。

更改参数数值的步骤可大致归纳为：①查找所选定的参数号；②进入参数值访问级，修改参数值；③确认并存储修改好的参数值。

表3-10说明如何改变参数P0004的数值。按照表中说明的类似方法，可以用“BOP”设定常用的参数。

2.MM420变频器的参数访问和常用参数设置举例

MM420变频器有数千个参数，为了能快速访问指定的参数，MM420采用把参数分类，屏蔽（过滤）不需要访问的类别的方法实现。

参数P0004就是实现这种参数过滤功能的重要参数。当完成了P0004的设定以后再进行参数查找时，在LCD上只能看到P0004设定值所指定类别的参数。

实例1：用BOP进行变频器的快速调试

快速调试包括电动机参数和斜坡函数的参数设定。在进行快速调试以前，必须完成变频器的机械和电气安装。当选择P0010=1时，即可进行快速调试。

表3-11是对应YL-335B上选用的电动机的参数设置表。

实例2：将变频器复位为工厂的缺省设定值

如果用户在参数调试过程中遇到问题，并且希望重新开始调试，通常采用首先把变频器的全部参数复位为工厂的缺省设定值，再重新调试的方法。为此，应按照下面的数值设定参数：① 设定P0010=30；② 设定P0970=1。按下P键，便开始参数的复位。变频器将自动地它的所有参数都复位为它们各自的缺省设置值。复位为工厂缺省设置值的时间大约要60秒钟。

实例3：电机速度的连续调整

变频器的参数在出厂缺省值时，命令源参数P0700=2，指定命令源为“外部I/O”；频率设定值信号源P1000=2，指定频率设定信号源为“模拟量输入”。这时，只须在AIN+（端子③）与AIN-（端子④）加上模拟电压（DC 0～10V可调）；并使数字输入DIN1信号为ON，即可启动电动机实现电机速度连续调整。

（1）模拟电压信号从变频器内部DC 10V电源获得

用一个4.7k电位器连接内部电源+10V端（端子①）和0V端（端子②），中间抽头与AIN+（端子③）相连。连接主电路后接通电源，使DIN1端子的开关短接，即可启动/停止变频器，旋动电位器即可改变频率实现电机速度连续调整。

上述电机速度的调整操作中，电动机的最低速度取决于参数P1080（最低频率），最高速度取决于参数P2000（基准频率）。

（2）模拟电压信号由外部给定（电动机可正反转）

参数P0700（命令源选择）、P1000（频率设定值选择）应为缺省设置，即P0700=2（由端子排输入），P1000=2（模拟输入）。从模拟输入端③（AIN+）和④（AIN-）输入来自外部的0～10V直流电压（例如从PLC的D/A模块获得），即可连续调节输出频率的大小。

用数字输入端口DIN1和DIN2控制电动机的正反转方向时，可通过设定参数P0701、P0702实现。例如，使P0701=1（DIN1 ON接通正转，OFF停止），P0702=2（DIN2 ON接通反转，OFF停止）。

实例4：多段速控制

当变频器的命令源参数P0700=2（外部I/O），选择频率设定的信号源参数P1000=3（固定频率），并设定数字输入端子DIN1、DIN2、DIN3等相应的功能后，就可以通过外接开关器件的组合通断改变输入端子的状态，实现电机速度的有级调整。这种控制频率的方式称为多段速控制功能。

选择数字输入1（DIN1）功能的参数为P0701，缺省值=1；

选择数字输入2（DIN2）功能的参数为P0702，缺省值=12；

选择数字输入3（DIN3）功能的参数为P0703，缺省值= 9。

为了实现多段速控制功能，应该修改这3个参数，给DIN、DIN2、DIN3端子赋予相应的功能。

综上所述，为实现多段速控制的参数设置步骤如下：

① 设置P0004=7，选择“外部I/O”参数组，然后设定P0700=2；指定命令源为“由端子排输入”；

② 设定P0701、P0702、P0703=15～17，确定数字输入DIN1、DIN2、DIN3的功能；

③ 设置P0004=10，选择“设定值通道”参数组，然后设定P1000=3，指定频率设定值信号源为固定频率；

④ 设定相应的固定频率值，即设定参数P1001～P1007有关对应项。

例如要求电动机能实现正反转和高、中、低三种转速的调整，高速时运行频率为40Hz，中速时运行频率为25Hz，低速时运行频率为15Hz。

变频器参数调整的步骤如表3-12所示。