【非标自动化】2、认识元器件（变频器）

变频器变频器英文常写作VFDVariable Frequency Drive是非标自动化设备中用于控制交流电机转速、启停方向、加减速过程以及运行保护的重要执行控制元件。可以先用一句话理解变频器接收PLC或操作面板给出的控制指令把固定频率、固定电压的交流电转换成频率和电压可调的交流电再提供给交流电机。例如工厂提供的是三相 AC 380V、50Hz或单相 AC 220V、50Hz变频器经过内部整流、滤波和逆变后可以输出类似5Hz20Hz35Hz50Hz甚至更高频率的三相交流电从而改变电机转速。一、变频器在设备中的作用是什么变频器主要控制普通三相异步电机也可以控制部分永磁同步电机。在非标自动化设备中常见应用包括输送带调速风机转速控制水泵流量控制搅拌机调速卷料和放料机构转盘旋转抛光、打磨设备主轴电机控制提升机构离心机大型滚筒例如输送带使用普通三相异步电机如果直接接AC 380V电机基本只能按照额定速度运行。增加变频器后PLC可以给变频器不同的速度指令10Hz低速运行25Hz中速运行50Hz额定速度运行因此变频器本质上不是电机而是电机的驱动控制器。二、变频器的输入是什么输出是什么变频器的“输入”和“输出”需要分成两类理解主电路输入输出控制信号输入输出2.1 主电路输入变频器主电路输入的是交流电源。常见输入形式有单相AC 220V输入端子常标记为R/L1S/L2部分变频器虽然输入是单相220V但输出仍然是三相220V。也就是单相AC 220V ↓ 变频器 ↓ 三相AC 220V ↓ 三相220V电机注意单相220V输入的变频器一般不能直接输出三相380V。因此必须选择额定电压为三相220V的电机或者将普通三相380V/220V双电压电机改成三角形接法。三相AC 380V输入端子常标记为R/L1S/L2T/L3输出通常是三相AC 380V。三相AC 380V ↓ 变频器 ↓ 频率和电压可调的三相AC 380V ↓ 三相异步电机这是工业设备中最常见的形式。2.2 主电路输出变频器输出端一般标记为UVW连接电机的三根相线。变频器U → 电机U 变频器V → 电机V 变频器W → 电机W输出的是电压可调频率可调波形经过PWM调制的三相交流电需要注意变频器输出端不是普通工频正弦交流电万用表测量时可能与实际有效值存在偏差。2.3 控制输入变频器的控制输入通常包括开关量输入例如正转启动反转启动停止多段速选择故障复位点动急停或外部故障输入端子名称可能写成DI1DI2DI3X1X2X3FWDREVRUNSTOPRESET不同品牌的端子名称不同。模拟量输入用于控制转速。常见形式010V05V420mA例如PLC输出0V → 变频器0Hz PLC输出5V → 变频器25Hz PLC输出10V → 变频器50Hz或者PLC输出4mA → 变频器0Hz PLC输出12mA → 变频器25Hz PLC输出20mA → 变频器50Hz具体对应关系可以通过变频器参数设置。脉冲输入部分变频器支持脉冲频率作为速度指令。例如010kHz020kHz高速脉冲输入但在普通非标设备中模拟量和通信方式更常见。通信输入PLC可以通过通信控制变频器。常见方式包括RS-485Modbus RTUModbus TCPPROFINETEtherCATEtherNet/IPCANopenPROFIBUSPLC可以通过通信设置或读取启动停止正转反转目标频率实际频率输出电流输出电压故障代码运行状态母线电压电机转矩2.4 控制输出变频器也会向PLC输出状态。常见输出包括继电器输出例如运行中频率到达故障报警零速过载预警端子可能是TA、TB、TCRA、RB、RCNO、NC、COM本质上类似普通继电器触点。晶体管输出例如DOY1Y2通常需要外接DC 24V控制回路。模拟量输出例如输出010V420mA用于表示当前频率当前电流当前转矩当前功率通信数据输出通过RS-485或工业以太网PLC可以读取完整运行状态。三、变频器使用什么电压和电流变频器需要区分主电源电压控制端子电压输出电流电机额定电流3.1 主电源电压常见规格包括单相AC 220V输入三相AC 220V输入三相AC 380V输入三相AC 480V输入更高电压等级国内普通工业设备最常见的是单相AC 220V三相AC 380V选型时变频器输入电压必须与现场供电匹配。例如工厂提供三相380V电机额定电压三相380V应选择三相380V等级变频器3.2 控制端子电压变频器的数字输入端通常使用DC 24V这个24V可能由变频器内部提供也可能由外部开关电源提供。常见端子有24VCOMDCMSCSDPLC但不能只看端子名称接线必须查看说明书。3.3 变频器额定电流变频器选型时不能只看功率还必须看额定输出电流。例如某电机铭牌为额定功率1.5kW 额定电压380V 额定电流3.7A 额定频率50Hz 额定转速1420r/min变频器额定输出电流必须不小于3.7A。实际选型中通常需要留一定余量。例如电机额定电流3.7A变频器额定输出电流4.0A以上如果负载较重、频繁启停、低速长期运行或需要快速加减速可能需要选择更大一级的变频器。四、PLC怎样与变频器连接PLC控制变频器常见有三种方式开关量加模拟量多段速控制通信控制4.1 开关量控制启停模拟量控制速度这是非常常见的接法。PLC输出一个开关量控制运行一个模拟量控制速度示意PLC数字输出Y0 → 变频器正转输入DI1 PLC公共端COM → 变频器数字输入公共端 PLC模拟量AO → 变频器AI1 PLC模拟量AO- → 变频器ACMPLC逻辑Y0接通 → 电机运行 Y0断开 → 电机停止 AO输出010V → 控制050Hz优点接线容易理解调试比较直观通信故障不会影响基本控制逻辑缺点状态信息有限需要较多PLC输入输出点模拟量可能受干扰参数读取不方便4.2 多段速控制PLC通过多个数字输出组合选择不同速度。例如DI1DI2DI3运行频率0005Hz10010Hz01020Hz11030Hz00140Hz10150Hz这些频率提前写入变频器参数。优点不需要PLC模拟量模块抗干扰能力较好调试简单缺点只能选择预设速度占用多个PLC数字输出点速度不能连续变化4.3 通信控制例如PLC通过RS-485 Modbus RTU控制变频器。接线PLC RS-485 A → 变频器RS-485 A PLC RS-485 B → 变频器RS-485 B还需要设置站号波特率数据位停止位校验方式通信控制命令源频率指令源PLC通过寄存器写入运行命令正反转命令目标频率读取实际频率电流故障代码运行状态优点接线少能控制和读取大量参数PLC程序扩展性好便于故障诊断缺点通信配置更复杂不同品牌寄存器地址不同通信中断时需要设计安全策略调试时需要理解通信协议五、变频器是PNP还是NPN是源型还是漏型变频器本身不能简单地说“它是PNP还是NPN”。准确说法应该是变频器的数字输入端通常支持源型输入或漏型输入有些型号通过拨码开关、跳线或参数进行切换。PLC数字输出也分为PNP源型输出NPN漏型输出继电器输出变频器数字输入端也有对应的接线方式。5.1 PLC继电器输出控制变频器这是最容易兼容的方式。PLC输出触点只是相当于一个开关。例如变频器24V → PLC继电器输出公共端 PLC输出触点 → 变频器DI1PLC继电器接通后DI1获得24V变频器识别为运行指令。继电器输出不用过多考虑PNP或NPN但需要确认电压范围电流大小公共端接法是否共地5.2 PNP晶体管输出控制变频器PNP输出动作时向外提供24V。因此变频器数字输入通常需要配置成漏型输入方式。简化理解PLC PNP输出 → 输出24V → 变频器DI5.3 NPN晶体管输出控制变频器NPN输出动作时将信号拉到0V。因此变频器数字输入通常需要配置成源型输入方式。简化理解变频器内部提供24V PLC NPN输出动作后将DI拉到0V由于不同品牌对“源型、漏型、SINK、SOURCE”的标注容易混淆实际接线时应直接查看说明书中的接线图不要只凭名称判断。六、变频器输出属于什么类型变频器同时具有多种信号类型。部位信号类型U/V/W主输出PWM调制三相交流电DI数字输入开关量AI模拟输入010V、420mA等DO数字输出晶体管开关量继电器输出无源触点AO模拟输出010V、420mA等RS-485通信数据工业以太网通信数据因此变频器不是单一输入输出类型的元件而是一个集电力变换电机控制信号处理参数配置故障保护通信于一体的控制设备。七、变频器的重要选型参数7.1 输入电压必须确认现场供电单相220V三相220V三相380V7.2 输出电压必须与电机额定电压匹配。例如380V变频器配380V电机220V变频器配三相220V电机7.3 额定功率例如0.4kW0.75kW1.5kW2.2kW3.7kW5.5kW7.5kW但功率只能作为初步参考。7.4 额定输出电流额定输出电流通常比额定功率更关键。必须满足变频器额定输出电流 ≥ 电机额定电流对于重载、频繁启停、快速加减速等情况需要增加余量。7.5 负载类型变频器经常分为轻载型风机水泵型通用型重载型提升专用型张力控制型风机和水泵负载相对容易驱动。输送带、搅拌机、提升机、挤出机等负载启动转矩通常更大需要重载型变频器。7.6 控制方式常见控制方式包括V/F控制通过频率和电压的比例控制电机。特点结构简单适合普通调速对电机参数要求较低低速转矩性能一般适合风机水泵普通输送带对精度要求不高的设备无速度传感器矢量控制也称无编码器矢量控制。特点低速转矩更好速度稳定性更好需要输入电机铭牌参数通常需要电机参数自学习适合重载输送搅拌机卷绕低速大转矩场合闭环矢量控制电机增加编码器反馈。特点速度控制精度高低速性能好可接近零速输出转矩接线和调试更复杂适合提升机张力控制高精度速度控制需要较强低速转矩的设备7.7 最高输出频率常见最高频率有50Hz100Hz400Hz500Hz1000Hz普通异步电机不能因为变频器支持高频就随意运行到很高频率。还需要考虑电机机械强度轴承转速风扇散热负载允许转速转矩下降设备机械结构安全性7.8 过载能力例如150%额定电流持续60秒 180%额定电流持续3秒过载能力越强越适合重载启动和冲击负载。7.9 制动能力电机快速减速时会进入发电状态把能量反馈到变频器直流母线。如果能量无法释放变频器可能报过电压母线电压过高因此可能需要内置制动单元外接制动电阻外置制动单元回馈单元对于大惯量机构、提升机构、频繁快速停车设备制动能力非常重要。7.10 通信方式需要确认PLC和变频器是否支持相同协议。例如PLC有RS-485 Modbus RTU变频器也支持Modbus RTU或者西门子PLC使用PROFINET变频器需要支持PROFINET或者增加对应通信卡7.11 防护等级和使用环境常见防护等级IP20IP21IP54IP65普通控制柜内安装的变频器经常是IP20。还需要考虑环境温度湿度海拔粉尘油污腐蚀性气体振动散热空间八、正常工作时是什么状态一台变频器正常运行时通常可以观察到面板显示正常无故障代码运行指示灯亮显示目标频率或实际频率电机按照设定方向旋转加速过程平稳减速过程平稳输出电流处于合理范围电机无明显异常振动和噪声变频器风扇正常运行散热器温度正常PLC可以读取运行状态急停或停机指令有效例如设定频率30Hz时面板可能显示RUN 30.00Hz 2.6A九、常见故障现象9.1 变频器完全不上电可能原因上级断路器未合闸输入电源缺相输入电压异常接线松动熔断器熔断变频器内部电源损坏直流母线或整流模块损坏9.2 变频器上电但不能启动可能原因启动信号没有送到命令源设置错误变频器设置为面板控制但PLC从端子控制变频器设置为通信控制DI端子公共端接错PNP/NPN接线不匹配外部故障输入有效急停回路未复位变频器仍处于故障状态频率指令为0Hz9.3 电机运行但速度不对可能原因模拟量输出不正确010V参数映射错误频率上限设置错误频率下限设置错误多段速输入组合错误通信写入频率单位错误电机极数理解错误机械减速比计算错误滑差导致实际速度低于同步速度9.4 电机转向错误最直接的原因是U、V、W相序不符合机械要求。处理方式通常是停电确认直流母线放电完成将变频器输出端任意两相对调也可以通过变频器正反转命令调整但必须结合设备机械安全要求。9.5 变频器报过流常见原因加速时间太短电机堵转负载过重电机线短路电机绝缘损坏电机参数设置错误变频器容量过小机械卡死低速时转矩补偿过大运行中直接切换输出接触器9.6 变频器报过电压常见原因减速时间太短负载惯量太大电机减速时回馈能量过多制动电阻未接制动电阻阻值错误制动单元损坏输入电压本身过高9.7 变频器报欠电压常见原因输入电压过低缺相供电线路压降大上级接触器触点接触不良端子松动大功率设备启动造成电网跌落9.8 变频器过热常见原因散热风扇损坏风道堵塞控制柜温度过高变频器安装间距不足长期过载环境粉尘严重散热片积尘载波频率设置过高9.9 电机发热严重常见原因长期低速运行电机自带风扇转速太低电机过载电机参数设置错误载波频率不合适输出缺相电机绝缘或绕组异常电机不是变频专用电机电缆过长导致输出波形问题普通电机低速运行时自带风扇也跟着低速旋转散热能力会明显下降。因此长期低速大负载运行时可能需要独立强制风冷电机变频专用电机降低负载适当放大电机容量十、如何通过万用表或PLC监控定位故障10.1 先看变频器面板变频器故障排查的第一步通常不是马上拿万用表而是先看故障代码当前频率输出电流直流母线电压输入端子状态输出端子状态命令源频率指令源例如变频器显示RUN但频率为0Hz说明运行命令存在速度指令可能有问题。变频器显示30Hz但电机不转可能是输出线路、电机、接触器或机械机构有问题。变频器完全没有RUN状态需要检查启动命令、控制源和故障状态。10.2 用PLC监控开关量观察PLC输出启动输出是否接通正转输出是否接通反转输出是否异常故障复位信号是否动作多段速组合是否正确同时观察PLC输入变频器运行反馈频率到达信号变频器故障信号外部热继电器或保护信号10.3 测量数字输入端电压例如变频器DI1使用24V有效。可以测量DI1与COM之间PLC命令未输出时可能为0VPLC命令输出后可能为24V若PLC程序显示Y0已经接通但变频器DI1端没有电压变化问题可能在PLC输出端接线公共端PNP/NPN方式端子松动10.4 测量模拟量输入例如速度控制是010V。测量AI1与ACM之间PLC目标速度为50%时理论上可能测得约5V。如果PLC模拟量监控值正常而变频器端实际测不到电压可能是模拟量线断开AO、AO-接反模拟量公共端接错PLC模拟量模块未输出线路受干扰变频器AI参数配置为电流输入10.5 测量主电路输入在具备电气操作资质和安全防护的前提下可测量R-S S-T R-T三相380V系统应大致接近380V。如果其中一组明显异常可能存在缺相断路器触点异常接触器触点异常电缆断线接线端子松动这是强电测量必须注意触电和短路风险。10.6 测量变频器输出变频器输出是PWM波形普通万用表读数可能不完全准确。因此排查时更推荐结合变频器面板输出电流输出频率故障记录钳形电流表专用变频测量仪表示波器不建议简单地用普通万用表测U、V、W后仅根据读数判断变频器正常与否。10.7 通过通信诊断通信控制时可以监控通信是否超时变频器站号写入运行命令写入目标频率实际运行状态当前故障代码实际输出频率实际输出电流典型故障链路PLC发送运行命令 ↓ 通信成功 ↓ 变频器运行状态变为RUN ↓ 实际频率上升 ↓ 电机电流出现 ↓ 电机转动在哪一步中断就优先检查对应环节。十一、安装位置和机械结构有什么要求11.1 安装方向变频器一般要求垂直安装。这样有利于空气从下向上流动带走散热器热量。不应随意横放倒装紧贴柜壁多台变频器无间距排列11.2 散热空间变频器上下左右需要预留散热空间。常见原则下方留进风空间上方留出风空间左右保持一定间距不要让线槽挡住风道具体距离必须查看对应型号说明书。11.3 与PLC和模拟量模块保持距离变频器是较强的电磁干扰源。安装时应尽量避免紧贴PLC紧贴模拟量模块紧贴温度采集模块动力线与信号线长距离并行电机线与编码器线同槽敷设11.4 电缆走线通常建议变频器输入线与输出线分开电机动力线与控制信号线分开模拟量线使用屏蔽双绞线RS-485使用屏蔽双绞线编码器线单独走线屏蔽层按规范接地动力线和信号线交叉时尽量垂直交叉11.5 接地变频器PE端必须可靠接地。电机外壳也必须接保护地。接地的作用包括防止漏电触电提高设备安全性降低电磁干扰为故障电流提供回路不能把PE保护地当成普通控制信号公共端使用。11.6 输出端电缆长度变频器到电机的电缆过长时可能产生尖峰电压漏电流增加电机绝缘压力增大变频器误报警电磁干扰加重电缆较长时可能需要输出电抗器正弦波滤波器降低载波频率变频专用电缆十二、变频器接线中的重要注意事项12.1 不能把输入电源接到U、V、W正确输入电源 → R/S/T 电机 → U/V/W错误地将电源接到U/V/W可能立即损坏变频器。12.2 变频器输出端一般不能接电容补偿器变频器输出端不能随意连接功率因数补偿电容浪涌吸收电容普通电容器否则可能造成过流或损坏变频器。12.3 不建议在运行中切换输出接触器有些设备会在变频器和电机之间安装接触器。但在变频器正在输出时不能频繁吸合或断开输出接触器。否则可能产生过流电弧浪涌变频器损坏如果需要切换电机通常应先让变频器停止输出确认频率下降到0再切换接触器切换完成后重新启动12.4 断电后不能立即触摸端子变频器内部有直流母线大电容。即使切断输入电源内部仍可能保留高压。必须等待说明书规定时间并确认充电指示灯熄灭直流母线电压下降到安全值才能进行接线操作。十三、为什么需要设置加速时间和减速时间普通电机直接接工频电源时启动电流可能很大。变频器可以让频率逐渐上升0Hz → 10Hz → 20Hz → 30Hz → 50Hz这个过程就是加速。例如加速时间设置为5秒表示从0Hz升到最高频率大约需要5秒减速时则相反50Hz → 40Hz → 20Hz → 0Hz加速时间过短容易电流过大电机堵转变频器报过流减速时间过短容易电机回馈能量过多直流母线电压升高变频器报过电压因此加减速时间不只是为了动作平滑也是为了保护变频器和机械结构。十四、变频器能不能让电机精准定位普通变频器主要用于调速不等于伺服系统。变频器比较擅长控制电机大致转多快平稳启动平稳停止控制正反转保持一定速度但普通开环变频器通常不擅长精确走100mm精确旋转90°每次停在同一位置高速、高精度定位快速响应的位置控制如果设备需要高精度位置控制通常选择伺服电机步进电机闭环矢量变频器加编码器因此变频器更偏向“速度控制”伺服更偏向“位置、速度、转矩的高精度控制”。十五、变频器和调速电机有什么区别调速电机是一整套电机调速系统的统称可能采用电磁调速变极调速变频调速直流调速而“变频器加普通三相异步电机”是当前工业设备中非常常见的调速方案。可以理解为变频器负责计算、变换电源和控制 电机负责把电能转化成机械旋转十六、变频器和伺服驱动器的区别对比项目变频器伺服驱动器常配电机异步电机伺服电机主要目标调速、节能、软启动精确位置、速度、转矩控制编码器可选通常必需定位精度较低高响应速度一般快低速性能普通V/F较弱很好价格相对低相对高调试难度相对简单更复杂常见应用输送带、风机、水泵、搅拌机械手、丝杆、精密转盘、贴装十七、同类变频器为什么有几十种型号同一品牌会有大量变频器型号因为需要适配不同需求。主要差异包括单相220V或三相380V功率大小额定电流轻载或重载V/F控制或矢量控制是否支持永磁同步电机是否支持编码器是否内置制动单元是否支持RS-485是否支持PROFINET是否支持EtherCAT是否支持CANopen是否带安全转矩关闭STO是否有内置滤波器防护等级不同体积不同散热方式不同输入输出端子数量不同行业专用功能不同最高输出频率不同过载能力不同例如同样是2.2kW变频器可能同时存在单相220V输入型三相220V输入型三相380V输入型风机水泵型通用型重载型带EtherCAT型带PROFINET型支持编码器反馈型IP20控制柜型IP65分散安装型所以不能只看“2.2kW”就认为型号可以通用。十八、一个典型的变频器控制案例假设设备有一条输送带三相异步电机1.5kWAC 380V变频器三相AC 380V1.5kWPLCDC 24V晶体管输出速度通过010V控制接线关系三相电源L1/L2/L3 ↓ 断路器 ↓ 变频器R/S/T 变频器U/V/W ↓ 三相异步电机 PLC Y0 ↓ 变频器DI1正转运行 PLC模拟量AO ↓ 变频器AI1 PLC模拟量AO- ↓ 变频器ACM 变频器故障继电器 ↓ PLC输入X0PLC控制逻辑启动条件满足 Y0 ON 输送带目标速度50% 模拟量输出 5V 设备停止 Y0 OFF 变频器故障 X0检测到报警 PLC停止设备并在人机界面显示故障变频器参数需要设置命令源外部端子频率源AI1模拟量AI1类型010V最大频率50Hz加速时间5秒减速时间5秒DI1功能正转运行继电器输出功能故障输出电机额定功率1.5kW电机额定电压380V电机额定电流按铭牌设置电机额定频率50Hz电机额定转速按铭牌设置十九、认识变频器时最重要的主线看到一台变频器时可以按照下面的顺序分析现场提供什么电源 ↓ 变频器输入电压是多少 ↓ 电机额定电压和额定电流是多少 ↓ 变频器的U/V/W接哪台电机 ↓ PLC通过什么方式控制启停 ↓ 速度指令来自模拟量、端子还是通信 ↓ 运行和故障状态如何反馈给PLC ↓ 加减速时间如何设置 ↓ 是否需要制动电阻 ↓ 负载属于轻载还是重载 ↓ 发生故障时面板显示什么故障代码变频器接线看起来比普通电机复杂是因为它同时包含两套系统主电路 电源 → 变频器 → 电机 控制电路 PLC → 变频器 → 状态反馈给PLC掌握这两条线路后变频器的整体结构就会清晰很多。