1.6　变频器典型电路设计及应用举例

1.6.1　变频器的基本接线及电路设计

图1-61为基本控制电路图。三相380V交流电通过空气开关QF1，再经过交流接触器KM1接入到变频器BF的电源输入端R、S、T上。变频器输出变频电压（U、V、W），经热继电器FR接到负载电动机M上。

制动电阻R₂通过制动单元BU接到变频器的制动电阻输入端P（+）、N（-）上。对于7.5kW以下的变频器，无制动单元，直接将制动电阻R₂接到端P（+）、N（-）上即可。出厂时7.5kW以下的变频器上带有功率较小的制动电阻，对于频繁制动和转矩较大的情况应拆掉，换用较大功率的电阻。

空气开关（又称断路器）起总电源开关的作用，同时它还具有短路和过载保护的作用。一般变频器的铭牌以它所驱动的电动机的容量为准，但实际的消耗功率应大一些。因此开关QF1的选择应按表1-6的变频器容量来选择。

接触器一般来讲不是必须的，使用它的作用是：当整个设备需要停电时，比拉空气开关方便些，另外系统出现电气故障时（例如热继电器动作时）可以通过它来迅速切断电路。KM1参数的选择与QF1的选择方法相同。热继电器FR起电动机过热保护的作用，参数选择方法应按实际电动机M的容量来选择。

制动电阻的作用是：当电动机出现制动情况时，电动机会有一部分能量回输到变频器内部来，造成变频器的主电路中的直流环节部分的直流电压上升。这一部分由于电动机回输能量造成的过高电压经电子开关接通制动电阻，将这部分能量消耗掉。这个电阻的选择较复杂，它受多种因素的影响（富士公司有标准的配套电阻出售）。

实际选用时可由以下经验公式选取。

电阻功率：

W_R=0.13W_D　　（1-46）

式中，W_D为电动机功率，kW。

对400V系列变频器，电阻值：

R=450/W_D　　（1-47）

对200V系列变频器，电阻值：

R=112.5/W_D　　（1-48）

例：对于30kW电动机

W_R=30kW×0.13=3.9kW

对400V系列：R=450/30Ω=15Ω

对200V系列：R=112.5/30Ω=3.75Ω

实际选用时，可按计算结果±10％选用。

正反转控制通过FWD、REV、CM的开关信号来进行。最简单的情况可由普通开关来控制。本电路通过按钮控制继电器KA1、KA2来进行。这种电路可实现远程的控制。对于较高级的设备可由PLC可编程控制器来进行控制。电位器RP为变频器的输出频率控制电位器，它可选用1～5kΩ、0.5W的电位器。除上面介绍的变频器信号输入输出信号外，还包括X1～X5、BX、RST等输入信号端子，Y1～Y5、30A、30B、30C等输出信号端子。各输入信号端子（包括前面介绍的FWD、REV）在变频器内部均为光耦合器，具体接线电路如图1-62所示。S1为外部控制开关，放在外部现场上，当外部接线较长时，应采用屏蔽线，防止引入干扰。输出信号Y1～Y5、CEM内部为三极管集电极开路输出，具体接线见图1-63，一般输出端Y1可接一继电器KA，最大允许负载电流为50mA，最大电压为27V。一般可选用24V、阻值大于480Ω的线圈的继电器。继电器KA线圈上并联的二极管起保护内部三极管的作用。在电路的开关过程中，继电器线圈KA会产生反电势，可通过此二极管将能量放掉。此继电器KA的触点可控制外部的有关电路。

输出信号30A、30B、30C为报警输出信号，变频器出现故障时，内部继电器动作，它的触点即为此三点。30C、30B为常闭点，30C、30A为常开点。接点容量为：250V、AC0.3A。

1.6.2　采用变频器的开环控制系统举例

采用变频器的开环控制系统的例子很多，下面举一个旋转平面磨床控制的例子。图1-64（a）表示平面磨床台面与砂轮的关系。如果电动机采用固定速度，那么砂轮在圆台中心与圆台外圆处的加工精度就不相同，影响了加工精度。如采用变频器控制电动机的转速，在外圆处速度较低些，随着砂轮向中心的移动而逐渐增加电动机的速度，而使研磨速度恒定，这样就提高了加工精度和生产效率。

旋转平面磨床变频器控制原理如图1-64（b）所示。图中的可变电阻RP₁～RP₅用来设定变频器的输出频率，根据图1-64（c）所示的特性设定。可变电阻RP₃最大时调整RP₅，设定中心速度，根据RP₁设定最大速度。

由于输入速度只取决于砂轮相对于轮台的物理位置，而电动机上并无实际速度参数反馈到系统中来，因此这种控制属于开环控制。当系统的负载变化时可能要影响电动机速度的变化。

1.6.3　采用变频器的闭环系统举例

例1：污水处理厂水位变频调速控制

在污水处理厂，污水经过净化处理后，要在排水池中沉淀一段时间，再排入江河中。这就要求放入的水量与排出的水量相等，使水池的水位恒定。一种方法是对排水泵上的电动机进行启停控制。然而，这种控制方案电动机的启停过于频繁对电动机的寿命不利，如果采用变频调速电动机，控制水泵的流量，则节能效果显著，又能延长电动机的寿命，控制原理见图1-65。

整个系统构成位置控制闭环系统，由水位计检测出来的水位信号与设定水位信号相比较，偏差值送入PID调节器进行控制量计算。输出的控制信号作为变频器的输入，变频器的输出控制电动机运转，进而控制水泵进行排水运行。当排水量大于入水量时，必然造成水位低于设定水位，这时FID调节器输出较小的控制量使电动机M降低转速，使排水量减少，而使水位上升。反之，会使水位下降。自动调节的结果是使水位保持在设定值上。

例2：小型线材轧机变频调速控制

见图1-66，图中Z₁表示轧辊，它由两个支撑辊、两个工作辊组成。电动机M₁为交流电动机，拖动Z₁运转。Z₂与Z₃为左、右卷取辊，由交流电动机M₂、M₃拖动。由于所轧制的线材为特殊金属，只能用无张力控制的方案，因此采用卷取辊与轧制辊之间的线材产生活套的方法进行轧制。左右两边活套的位置由RP₁和RP₂的检测元件测出。只要控制活套的位置不变，即可保持主轧辊与卷取辊同步运行。在这个系统中，主轧电动机M₁采用开环控制，它主要控制轧机的速度。左右卷取部分构成位置闭环控制，达到整个系统协调控制的目的。左卷取系统的闭环系统控制框图如图1-67所示。电位器RP₀为活套位置设定电位器，电位器RP₁为实际活套位置检测电位器，二者相比较后，偏差值送入PID调节器控制变频器，进而使Z₁与Z₂同步运行。

这种控制系统由于全部采用交流电动机，克服了老式直流电动机系统的机构庞大、维护不方便的缺点，整个系统体积小、设备简单、维护方便、控制精度高，充分显示了交流变频调速的优点。