1、变频调速应用技术(七) 第四讲 设计电路控变频4.1 正反控制记要领4.1.1 接通电源勿起步 4.1.1.1 电动机的正转起动 当变频器选择由外接端子进行控制时，要使变频调速系统进入运行状态，必须首先使变频器控制端子中的“fwd”(正转)和“cm”端子或“rev”( 反转) 和“cm” 端子之间接通。在停止状态下，如果接通“fwd”和“cm”，则变频器开始运行，其输出频率将按预置的升速时间上升至与给定信号对应的数值，电动机随频率的上升而逐渐起动。在运行状态下，如果断开“fwd”和“cm”，则变频器停止运行，其输出频率将按预置的降速时间下降为 0hz，电动机降速并停止。变频器一般也可以通过接通
2、电源来直接起动电动机，称为“上电起动” ，如图 4-1(a)所示。但大多数变频器不希望采用这种方式来起动电动机，原因是:图 4-1 正转的基本控制方式(1) 容易误动作因为控制电路是与变频器同时接通电源的，由于控制电路对电源电压的要求甚高，其滤波电路的时间常数很大，故控制电源的电压在接通电源后升高较缓慢，在尚未升高至正常电压之前的临界状态，控制电路的工作有可能出现紊乱。尽管近代的变频器对此已经作了处理，但所作的处理仍须由控制电路来完成。因此，其准确性和可靠性难以得到充分的保证;(2) 电动机容易自由制动当通过接触器 km 切断电源来停机时，变频器已经不工作了，电动机将处于自由制动状态，不能按预
3、置的降速时间来停机。但也有的变频器经过功能预置，可以选择“上电起动” ，如 lg-is5 系列变频器中，功能码 fu2-20(上电起动选择)是“起动方式的选择功能”:“0”不允许上电起动 ;“1”允许上电起动。4.1.1.2 继电器控制电路 如图 4-2，电动机的起动与停止是由继电器 ka 来完成的。在接触器 km 和继电器 ka 之间，有两个互锁环节:图 4-2 继电器控制的正转电路(1) km 未吸合前，ka 是不能接通的，从而防止了先接通 ka 的误动作，触点 km(l-5)的作用就在于此; (2) 当 ka 处于接通状态时， km 不能断电，从而保证了只有在电动机先停机的情况下，才能使
4、变频器切断电源。触点 ka(l-1)的功能就是在 ka 得电的情况下，使常闭按钮 sb1 失去作用。4.1.1.3 自锁控制电路采用继电器控制的电路显然较为复杂。为了简化电路，变频器设置了自锁功能，使电动机起动后可以“自锁”。有的变频器配置了专用端子如图 4-3(a)中的 ef 端和图(b)中之 hld 端所示 ;也有的变频器并无专用端子，须从可编程输入端子中任选一个输入端子，通过功能预置，使之具有自锁功能。今以图(a)为例，说明其工作特点如下:当按下动合(常开)按钮 sf 时，电动机正转起动，由于 ef 端子具有自锁功能，故松开 sf 后，电动机的将保持运行状态;当按下动断按钮 st 时，e
5、f 和 com 之间的联系被切断，自锁解除，电动机将减速并停止。这样，只需要两个按钮开关就可以进行电动机的起动和停止的控制了。图 4-3(b)所示，是自锁功能的另一种接线方式，其特点是可以接受脉冲信号进行控制。图 4-3 三线控制由于自锁控制需要将控制线接到三个输入控制端子，故在变频器说明书中，常称为“三线控制”方式。4.1.2 反转不换主电路众所周知，任意交换电动机的两根电源线，就可以更改电动机输入侧的相序，从而改变电动机的旋转方向，如图 4-4(a)所示。在变频运行的情况下，如何更改呢？图 4-4 更改电动机的旋转方向首先，更改变频器输入侧的相序是毫无意义的。因为不管输入侧的相序如何，在变
6、频器内经过全波整流后，成为了没有相序概念的直流电路，因而对逆变后输出电压的相序毫无影响。其次，更改变频器输出侧的相序是可以的，但并不高明。因为主电路的导线一般较粗，更改时比较费事，如图4-4(b)所示。图 4-4 更改电动机的旋转方向在变频调速的情况下，更改旋转方向的方法如下:(1) 更改输入控制端的接线 如图(c)和图(d)所示，当“fwd-com” 接通时为正转;如改为“rev-com” 接通，便是反转了。(2) 程序更改以三肯 shf 系列变频器为例，功能码 cd050 用于预置旋转方向，其数据码是:“0”正转、反转均可 ;“1”只可正转;“2”只可反转。如果在预置为“1”的情况下，需要
7、更改方向时，只需将 cd050 功能重新预置为“2”就可以了。4.2 升、降功能别看轻4.2.1 调频少用电位器4.2.1.1 升速端子和降速端子变频器的输入控制端中，有两个端子，经过功能设定，可以作为升速和降速之用。图 4-5 外接升、降速端子如图 4-5 所示，通过对频率给定方式的功能进行设定后，可使“x1”和“x2”端子具有如下功能:“x1 cm”接通频率上升;“x1 cm”断开频率保持或回复至原来的频率;“x2 cm”接通频率下降;“x2 cm”断开频率保持或回复至原来的频率。4.2.1.2 用升、降速端子代替电位器如图 4-6 所示，变频器输出频率的上升或下降，由按钮开关 sb1 和
8、 sb2 来控制。图 4-6 用升降速端子给定代替电位器给定与电位器给定方式相比，升、降速端子给定具有如下优点:(1) 寿命长电位器容易磨损，而按钮开关则不易损坏;(2) 调速精度高电位器给定属于模拟量给定，而升、降速端子给定是数字量给定，故调节频率的精度高;(3) 抗干扰能力强因为升、降速端子给定的控制信号是开关量，故抗干扰能力比模拟量给定强得多;(4) 控制灵活如便于进行两地或多地控制和同步控制等。4.2.2 两对按钮分两地在实际生产中，常常需要在两个或多个地点都能对同一台电动机进行升、降速控制。例如，某厂的锅炉风机在实现变频调速时，要求在炉前和楼上控制室都能调速，等。比较简单的方法是利用
9、变频器输入控制端子中的升速端子和降速端子来实现。图 4-7 两地升降速控制如图 4-7，将变频器输入端子中的 x1 和 x2 分别预置为升速端子和降速端子。将两组按钮开关分别装在两个操作盒内:操作盒 ca 内装按钮开关 sb1 、sb2 和频率计 fa;操作盒 cb 内装按钮开关 sb3、sb4 和频率计 fb。将 sb1 和 sb3 并联，用于控制升速端子 x1。则不论按 sb1，或按 sb3，变频器都能升速;又将 sb2 和 sb4 并联，用于控制降速端子 x2。则不论按 sb2，或按 sb4，变频器都能降速。如将变频器的模拟量输出端预置为 020ma 电流输出，则两个频率计 fa 和 f
10、b 串联后接至 fm 和 cm2 之间。4.2.3 恒压不用 pid有的用户希望使用他们所熟悉的电接点压力表来进行恒压供水控制，这种压力表在压力的上限位和下限位以及指针本身都有电接点。比较直观，也比较价廉，又不必进行 pid 控制，用户较易掌握。因此，为一部分用户所喜欢。具体电路如图 4-8 所示，介绍如下:图 4-8 利用升、降速端子进行恒压控制首先，将变频器输入控制端中的 x1 端子预置为升速(up)端子;x2 端子预置为降速(down)端子。将压力表的上限触点接至降速端子 x2，当压力由于用水流量较小而升高，并超过上限值时，上限触点使 x2-com接通，变频器的输出频率下降，水泵的转速和
11、流量也下降，从而使压力下降。当压力低于上限值时，x2-com 断开，变频器的输出频率停止下降;压力表的下限触点接至 x1，当压力由于用水流量较大而降低，并低于下限值时，下限触点使 x1-com 接通，变频器的输出频率上升，水泵的转速和流量也上升，从而使压力升高，当压力高于下限值时，x1-com 断开，变频器的输出频率停止上升。一般说来，供水系统对水压精度的要求较低，只要上、下限触点的位置安排适当，上述控制系统是能够满足要求的。4.2.4 同步控制微调易4.2.4.1 同步控制的概念多单元同步控制在塑料、印染以及造纸机械中有着广泛的应用，这些机械往往具有许多个传动单元，每个单元都有各自独立的拖动
12、系统。而同时，又要求各单元间被加工物(布匹、纸张等)的运行线速度相等，即实现同步运行。例如，在图 4-9 所示的控制系统中，要求:图 4-9 多单元同步运行v1 v2 v3式中，v1、v2 、v3 是各单元被加工物的线速度。4.2.4.2 同步运行的控制要求(1) 统调即: 各单元要能够同时升速和降速。统调是根据主令单元(通常是单元)对转速的要求来进行调节的。(2) 微调当操作人员发现某单元的线速度不同步时，可以进行微调(人工干预) 。4.2.4.3 控制电路示以三个单元的同步控制为例，其控制电路如图 4-10 所示。图 4-10 同步控制电路(1) 统调统调的升速和降速由继电器 ka1 和
13、ka2 来执行。ka1 的动合触点接至各变频器的升速端子;ka2 的动合触点接至各变频器的降速端子。ka1 和 ka2 又接受按钮开关 sb1(升速)和 sb2(降速)的控制:按下 sb1，继电器 ka1 得电，其触点使变频器 uf1、uf2 、uf3 的升速端子 x1 同时得到信号，各单元电动机同时升速;按下 sb2，继电器 ka2 得电，其触点使变频器 uf1、uf2 、uf3 的降速端子 x2 同时得到信号，各电动机同时降速。(2) 微调各单元的微调分别由按钮开关 sb11、sb21 、sb31( 升速)和 sb12、sb22、sb32(降速)来进行。例如，当发现 2 单元的线速度偏慢时
14、，只需接一下 sb21，使变频器 uf2 的输出频率和电动机 m2 的转速升高，以提高 2 单元的线速度。4.3 多挡转速动脑筋4.3.1 一个按钮三端控4.3.1.1 多挡转速的控制方法变频器的外接输入控制端子中，通过功能预置，可以将若干个(通常为 24 个)输入端作为多挡(316 挡)转速控制端。其转速的切换由外接开关器件的状态组合来实现，转速的挡次是按二进制的顺序排列的，故二个输入端可以组合成 3 或 4 挡(“0” 状态不计时为 3 挡，“0”状态计入时为 4 挡)转速，三个输入端可以组合成 7 或 8 挡(“0”状态不计时为 7 挡，“0”状态计入时为 8 挡)转速，四个输入端可以组
15、合成 15 或 16 挡(“0”状态不计时为 15 挡，“0”状态计入时为 16 挡)转速。今以三个输入端为例，说明如下:图 4-11 变频器的多档转速控制如图 4-11 所示，假设输入端子 x1、x2、x3 被预置为多挡转速的信号输入端，则通过继电器 ka1、ka2、ka3 的不同组合，可输入 7 挡(或 8 挡) 转速信号。由于三个端子是任选的，又由于每一个端子代表二进制数字中的一“位”。因此，在把三个端子预置为多挡转速功能时，必须注意它们的顺序。通常，说明书中的“多挡转速端子 1”为最低位;“多挡转速端子 2”为较高位;“多挡转速端子 3”为又高位;以此类推。当 x1 预置为最低位、x2
16、 预置为中间位、 x3 预置为最高位时，转速挡次与各输入端状态之间的关系如表 4-1 所示。表 4-1 转速档次与各输入端状态之间的关系4.3.1.2 需要预置的功能在使用多挡转速功能时，须进行两步预置:第一步:通过预置，确定哪几个输入端子为多挡转速输入端子;第二步:预置与各挡转速对应的工作频率。举例如下:康沃 cvf-g2 系列变频器第一步:将功能码 l-63 预置为“1”、l-64 预置为“2” 、l-65 预置为“3”，l-66 预置为“4”，则输入控制端子x1、 x2、 x3、x4 即成为多挡转速输入端子。第二步:通过功能码-18-32 分别预置各挡(15 挡) 转速对应的频率。如表
17、4-2 所示。表 4-2 多档转速的功能设定( 康沃)4.3.2 控制方法 plc 用4.3.2.1 多挡转速的控制特点 变频器在实现多挡转速控制时，需要解决如下的问题 :一方面，变频器每个输出频率的挡次需要由三个输入端的状态来决定;另一方面，操作人员切换转速所用的开关器件通常为按钮开关或触摸开关，每个挡次只有一个触点。所以，必须解决好转速选择开关的状态和变频器各控制端状态之间的变换问题，如图 4-12 所示针对这种情况，通过 plc 来进行控制是比较方便的。图 4-12 多档转速控制特点4.3.2.2 控制实例 某生产机械有 7 档转速，通过 7 个选择按钮来进行控制。(1) 控制电路如图
18、4-13 所示，说明如下:图 4-13 多档速的 plc 控制电路plc 的输入电路plc 的输入端 x1x7 分别与按钮开关 sb1sb7 相接，用于接受 7 挡转速的信号。plc 的输出电路输出端 y1、y2 、y3 分别接至变频器输入控制端的 s1、s2 、s3，用于控制 s1、s2 和 s3 的状态。(2) 梯形图之一(sb1 sb7 为非自动复位型按钮开关 )，如图 4-14 所示。图 4-14 采用非自动复位按钮的梯形图 观察图 4-12 中之端子状态表，可得到如下规律:s1 在第 1、3、5、 7 挡转速时都处于接通状态，故 :plc 的 x1、x3、x5、x7 中只要有一个得到
19、信号，则 y1“动作”变频器的 s1 端得到信号;s2 在第 2、3、6、 7 挡转速时都处于接通状态，故 :plc 的 x2、x3、x6、x7 中只要有一个得到信号，则 y2“动作”变频器的 s2 端得到信号;s3 在第 4、5、6、 7 挡转速时都处于接通状态，故 :plc 的 x4、x5、x6、x7 中只要有一个得到信号，则 y3“动作”变频器的 s3 端得到信号。现以用户选择第 3 档转速为例，说明其工作情况如下 :按下 sb3x3“动作”y1 和 y2“动作 ”变频器的 s1、s2 端子得到信号，变频器将在第 3 档转速下运行。(3) 梯形图之二(sb1 sb7 为自动复位型按钮开关
20、由于 sb1sb7 采用了自动复位型按钮开关，plc 输入端子 x1x7 得到的信号不能保持，故需借助 plc 中的中间继电器 m1m7 ，使各转速档次的信号保持下来，如图 4-15 所示。图 4-15 采用自动复位按钮的梯形图现说明如下:按下 sb1x1 得到信号m1“动作”并自锁，m1 保持第 1 转速的信号。当按下 sb2sb7 中任何一个按钮开关(x2x7 中有一个得到信号)时m1 释放。即:m1 仅在选择第 1 挡转速时“ 动作 ”。按下 sb2x2 得到信号m2“动作”并自锁，m2 保持第 2 挡转速的信号。当按下除 sb2 以外的任何一个按钮开关时m2 释放。即:m2 仅在选择第
21、 2 挡转速时“ 动作 ”。以此类推:m3 仅在选择第 3 挡转速时“ 动作”;m4 仅在选择第 4 挡转速时 “动作”;m5 仅在选择第 5 挡转速时“动作”;m6 仅在选择第 6 挡转速时“ 动作”;m7 仅在选择第 7 挡转速时“动作” 。与图 4-14 类似:m1、 m3、m5、m7 中只要有一个接通，则 y1“动作” 变频器的 s1 端接通 ;m2、 m3、m6、m7 中只要有一个接通，则 y2“动作” 变频器的 s2 端接通 ;m4、 m5、m6、m7 中只要有一个接通，则 y3“动作” 变频器的 s3 端接通。现以用户选择第 5 挡转速为例，说明其工作情况如下 :按下 sb5x5
22、 得到信号m5“动作”，同时，如果在此之前 m1、m2、m3、m4 、m6、m7 中有处于动作状态的话，都将释放y1、y3“ 动作” 变频器的 s1、s3 端子接通，变频器将在第 5 挡转速下运行。4.4 输出端子勿冷清4.4.1 状态显示常常用4.4.1.1 状态输出端子大部分变频器的多功能输出信号都是晶体管集电极开路输出的，如图 4-16 所示。主要的应用方式如下。图 4 16 多功能输出端子（1）继电器方式即由低压继电器 ka 接受信号。当输出端子 y1gnd 导通时，ka 线圈得电，其触点用以控制相关的电路。为了保护变频器内的输出晶体管，ka 线圈的两端应反并联一个二极管 vd，为线圈
23、在断电时的反电动势提供释放回路。（2）光耦方式即由光电耦合管 vb 的二极管接受信号。当输出端子 y2gnd 或 y3gnd 导通时，vb 的二极管部分得到电流，其三极管部分用以控制相关的电路。可供选择的状态输出功能有:变频器准备就绪当变频器的各项准备工作都已经准备就绪，电动机可以起动时，端子为“on”。 变频器运行中当变频器正在运行时，端子为“on”。零转速运行中变频器的输出频率为 0hz，但输出电压不为 0，电动机仍保持足够大的转矩时，端子为“on”。程序运行中变频器在程序控制的运行过程中，端子为“on”。程序运行一个周期结束信号变频器处于程序控制方式，每一个运行周期结束时，端子为“on”
24、。程序运行换步信号变频器在每个程序段结束，转入下一步时，端子为“on”。程序运行结束程序控制全部结束时，端子为“on”。定时器到达变频器内部定时器的指定值到达时，端子为“on”。设定计数值到达变频器内部计数器的指定值到达时，端子为“on”。过载预置报警变频器已经处于过载状态，但尚未跳闸时，端子“on”。外部故障停机变频器因外部故障而停机时，端子为“on”。4.4.1.2 应用实例某起升机构，希望显示“零速运行”和“停止” ，以及“上升”和“ 下降”，变频器为安川 g7a 系列。根据上述用户要求，这里提供一个参考电路，如图 417 所示。由于 g7a 系列变频器的多功能输出中，只有“运行中”的信
25、号，没有停止中的信号;只有“反转中” 信号，没有正转中信号。所以，借助中间继电器的动合（常开）触点和动断（常闭）触点来区分。图中，ka1 为“ 运行中”继电器，ka2 为“反转中”继电器。将功能码 h202 预置为“0” ，则输出端子 p1pc 间在变频器运行过程中导通 ;将功能码 h203 预置为“1a”，则输出端子 p2pc 间在反转运行时导通;将功能码 h204 预置为“1” ，则输出端子 p3c3 间在变频器零速运行时导通 ;变频器在停机状态下，输出端子 p1 无信号，继电器 ka1 断电，发光二极管 vh2 点亮，显示“ 停机”;当变频器运行时，p1pc 导通，ka1 得电，其动断触
26、点使 vh1 熄灭，动合触点闭合。如正在上升（正转），则p2 无信号，继电器 ka2 断电，其动断触点使 vh4 点亮;如正在下降（反转），则 p2pc 导通，ka2 得电，动断触点断开，vh4 熄灭;动合触点闭合，vh3 点亮;当变频器处于零速运行状态时，p3c3 导通，vh1 点亮。图 4 17 多功能输出的应用实例4.4.2 频率检测灵活用 4.4.2.1 频率到达与频率检测两种功能都是说明变频器的输出频率是否到达某一水平的信号。但在“到达频率”的设定方式上则有所区别，说明如下。（1）频率到达 指变频器的输出频率 fx 是否已经到达由给定信号给定的频率 fg，如图 418（a ）所示。图
27、中，f 为允许误差范围。当 fxfgf 时，输出端子（如 y1）将处于“on”（导通）状态;当 fxfgf 时，端子 y1 处于“off”（截止）状态。（2）频率检测 频率检测与频率到达的区别主要有二。频率检测并非以给定频率作为检测的依据，而可以任意设定一个频率值 fset 作为检测的依据。当 fx 到达 fset时，输出端子（如 y1）将处于“on”（导通）状态，如图 418 （b）所示。当 fx 从 fset 下降时，可以预置一个滞后频率 fh，当 fxfgfh 时，端子 y1 处于“off”（截止）状态。图 4 18 频率到达与频率检测4.4.2.2 应用示例搅拌机与传输带之间实现联动时
28、，为了防止物料在传输带上堆积，要求: （1）传输带工作频率大于 30hz 时，搅拌机才能起动;（2）如传输带工作频率小于 25hz，搅拌机必须停机。搅拌机与传输带之间的联动关系如图 419（b ）所示。图 4 19 搅拌机与传输带联动控制m1拖动搅拌机的电动机;uf1控制 m1 的变频器;m2拖动传输带的电动机;uf2控制 m2 的变频器;ka控制 uf1 是否运行的继电器，其动作由 uf2 的 y2 输出端控制。将变频器 uf2 的 y2 输出端的功能预置为“频率检测” ，并将检测频率 fset 预置为 30hz，滞后频率 fh 预置为 5hz，则 y2 的输出信号如图 4-19(a)所示，
29、系统的工作情况如下 :当 uf2 的输出频率上升至 30hz 以上时，y2 导通，继电器 ka 得电，其动合触点闭合，uf1 开始起动;如果 uf2 的输出频率下降到（30525）hz 以下时，y2 截止，ka 断电，uf1 降速并停止。4.5 闭环控制 p、i4.5.1 自动调整用闭环 4.5.1.1 闭环控制的目的以空气压缩机的恒压控制系统为例，如图 420 所示。其基本工作过程是:电动机拖动空气压缩机旋转，使之产生压缩空气，并储存于储气罐中。储气罐中空气压力的大小取决于空气压缩机产生压缩空气的能力（在本系统中，就是取决于电动机的转速 nm）和用户用气量之间的平衡状况。为了保证供气质量，要
30、求储气罐的空气压力稳定在某一个数值上。这个数值，是我们的控制目标，称之为目标压力，用 pt 表示。恒压控制对拖动系统的具体要求是:当用户的用气量增加，储气罐内的实际压力 px 小于目标压力 pt 时，要求电动机加速，使储气罐内的压力上升至目标值，如图 420（a）所示。图 4 20 闭环控制的目的反之，当用户的用气量减少，储气罐内的实际压力 px 大于目标压力 pt 时，要求电动机减速，使储气罐内的压力下降至目标值，如图 420(b)所示。图 4 21 目标信号与反馈信号这就是闭环控制所要达到的目的。4.5.1.2 目标信号和反馈信号如图 4 21，与目标压力对应的电信号，称为目标信号，用 x
31、t 表示。在变频器中，xt 也称为目标值或给定值。与储气罐内的实际压力对应的电信号，称为反馈信号，由压力传感器测出，用 xf 表示。在变频器中，xf 也称反馈量或当前值。在恒压控制系统中，要求 xf 永远无限接近于 xt:xfxt。4.5.1.3 恒压控制的工作过程要使拖动系统中的某一个物理量（例如压力）稳定在所希望的数值上，变频器的工作过程具有两个方面。一方面，系统将根据给定的目标信号来控制电动机的运行;另一方面，又必须把反馈信号反馈给变频器，使之与目标信号不断地进行比较，并根据比较结果来实时地调整电动机的转速。仍以空气压缩机的恒压控制系统为例，如图 422 所示。图 4 22 闭环控制系统
32、示意图（1）闭环控制的信号安排目标信号 在图中，目标信号由电位器 rp 根据需要人为地给定，接至变频器的给定输入端 vi1。反馈信号 通过传感器 sp 测得，接至变频器的反馈输入端 ii。（2） 闭环控制的工作过程空气压力 px 不足xfxt（xtxf）0变频器的输出频率 fx电动机的转速 nx空气压力 px，直至 px 与目标压力 pt 相等为止;空气压力 px 过大xfxt（xtxf）0变频器的输出频率 fx电动机的转速 nx空气压力 px，直至 px 与目标压力 pt 相等为止。4.5.2 又快又稳 pid 搬4.5.2.1 问题的提出变频器的输出频率 fx 既然取决于目标信号 xt 和
33、反馈信号 xf 之间的偏差 x（xtxf）。那么，能否直接把偏差x 直接作为频率给定信号 xg 呢？如上述，闭环控制的目的是使 xfxt，或 x0。如果 xgx0，则变频器的输出频率必下降为 fx0，如图423 所示，空气压缩机将停止运转。显然，这将不可能使储气罐的压力保持稳定。于是出现了明显的矛盾。图 4 23 出现的问题图 4 24 引入比例增益一方面，要求频率给定信号 xg 与偏差信号 x 成正比; 另一方面，偏差信号 x 又不能直接作为频率给定信号xg。4.5.2.2 比例增益的引入 根据频率给定信号 xg 与差值 x 成正比的特点，如果将偏差信号 x 放大 kp 倍后再作为频率给定信
34、号 xg，如图424 所示。即:xgkpxkp（xtxf） （41）式中:xg变频器的频率给定信号;kp比例增益（放大倍数）xt目标信号;xf反馈信号;x偏差信号。则: 当电动机以某一转速 nx 运行，其对应的频率和给定信号分别是 fx 和 xg 时，有:（42 ）由式（4 2）知，比例增益越大，则偏差 x 越小，储气罐内的压力越接近于目标值，如表 43 所示。4.5.2.3 比例环节存在的问题（1）比例增益 kp 的大小，一方面决定了实际压力接近目标压力的快慢和偏差的大小，如图 4-25（b）所示;另一方面，kp 越大，虽然可使偏差 x 迅速减小，但 x 不能消除。就是说，实际压力将不可能达
35、到目标压力，如表 4-3 所示。表 4-3 比例增益与静差的关系（2）当实际压力发生改变，到空气压缩机作出修正之间，存在着若干个时间上的滞后环节，如:传感器测出压力变化并转换成电信号的环节、变频器得到反馈信号的变化到调整输出频率的环节、电动机的转速调整环节，以及储气罐内的压力变化环节等。当比例增益很大时，储气罐内的压力将很快地调整到目标压力，但滞后环节却不能迅速地“跟上”，等到滞后环节跟上来了，实际压力却“调过了头” ，发生超调。于是又反方向调整，。如此反复调整，导致系统的振荡，如图 425（b ）中之曲线所示。图 4 25 p 调节及其结果4.5.2.4 积分与微分环节的引入 （1） 比例积
36、分环节 为了防止超调，可以适当减小比例增益 kp，而增加积分环节，使频率给定信号为:（4 3）如图 4 26（a）所示。kp 减小后，减缓了实际压力接近目标压力的速度，避免了振荡。同时，只要有偏差存在，积分就不会停止，直到偏差等于 0 为止，从而有效地消除了偏差，如图 4-26（b）所示。图 4 26 pi 调节及其结果（2） 比例微分环节 对于某些容易发生振荡的系统，kp 只能设定得小一些，于是又会发生当用气量急剧变化时，被控量（压力）难以迅速恢复的情况。微分控制是根据偏差变化率 的大小，提前给出一个相应的调节动作:（44 ）如图 4 27（a）所示。图 4 27 pd 调节及其结果pd 调
37、节的结果，缩短了调节时间，如图 427 （b）所示。（3） pid 调节把比例、积分和微分环节结合起来，如图 4-28（a）所示。其结果是：图 4 28 pid 调节及其结果一方面，能够有效地消除偏差，得到较好的静态控制指标;另一方面，又能在偏差出现时，使系统迅速地恢复到目标值，从而得到较好的动态控制指标，如图 4-28（b ）所示。4.5.2.5 比例带的概念比例增益的倒数，称为比例带:（45）式中:p比例带。比例带的物理意义，是在上、下限都相等的前提下，按比例放大的区域。由式（4 5）知，比例带 p 越小，则比例增益 kp 越大。4.5.2.6 pid 有效后变频器功能的变化当 pid 功
38、能有效时，变频器功能的主要变化如下。（1）给定信号 不论是键盘给定，或是外接给定，所给定的信号不再是频率给定信号，而是目标值给定信号 xt。（2）加、减速时间 当 pid 功能有效时，变频器所预置的加速时间和减速时间都不再起作用。其速度的改变仅仅根据 p、i、d 的运算结果来决定。（3）显示内容 当 pid 功能有效时，显示屏上显示的目标信号和反馈信号都是百分数。4.5.2.7 pid 的工作过程图 4 29 所示是变频调速恒压供气系统在正常工况下的 pid 调节过程。图 4 29（a）所示是用户用气量 q 的变化情形;图 4 29（b）所示是储气罐的压力 p（与之对应的反馈量是 xf）的变化
39、情形，由于 pid 调节的结果，它的变化是很小的;图 429（c）所示是用气量 q 发生变化（从而储气罐的压力也变化）时，pid 的调节量 pid，调节量pid 只是在压力反馈量 xf 与目标值 xt 之间有偏差时才出现。在无偏差的情况下，pid0;图 429 （d）所示是变频器输出频率 fx 和电动机转速 nx 的变化情形。具体工作过程如下。（1）稳态运行 用户的用气量无变化时，气压 p 稳定而无变化，反馈信号与目标信号相等（xfxt），pid 的调节量 pid 为 0，电动机在频率 fx 下匀速运行，如图 429 中之 0t1 段;（2）用气量增加 当用气量增大时，储气罐的压力 p 有所下
40、降，反馈信号 xf 减小，偏差信号（xtxf）则增大，pid 产生正的调节量（pid 为“ ”），变频器的输出频率 fx 和电动机的转速 nx 上升，压力回复，如图 429 中之 t1t2 段。当压力 p 由于电动机转速的升高而恢复到目标值时，pid 的调节量减小为 0（pid0），变频器的输出频率 fx和电动机的转速 nx 不再上升，储气罐的压力在新的平衡状态（ qgqu）下稳定运行，如图 429 中之 t2t3段。（3）用气量减小 当用气量减少时，储气罐的压力上升，反馈信号 xf 增大，偏差信号（xtxf）则减小，pid 产生负的调节量（pid 为 “”）。结果是变频器的输出频率 fx 和
41、电动机的转速 nx 下降，压力又开始回复，如图 429 中之t3 t4 段。图 4 29 恒压供水的正常工况当压力大小由于电动机转速的降低而重又回复到目标值时，系统恢复稳定运行，如图 429 中 t4 以后的情形。4.5.3 目标要由量程判4.5.3.1 传感器的接线传感器是各种物理量的检测装置，其任务是将被控量转换成电压信号或电流信号。以压力传感器为例，其接线方法如图 430 所示，图 430（a）是电压输出型，其输出电压与被测压力成正比，通常是 15 或 05。图 430（b）是电流输出型，其输出电流与被测压力成正比，通常是 420ma 或020ma。图 4 30 压力传感器接线图4.5.
42、3.2 反馈信号的接入图 4 31 空气压缩机变频调速系统图以空气压缩机为例，接线方法如图 431 所示，其被控量是储气罐的空气压力，sp 是压力传感器。由于该变频器并未配置24v 的电源，故外接一个直流电源。接法如下:sp 的红线接至电源“”端;黑线接至变频器的电流信号输入端 ii，变频器的 gnd 端接至电源的“” 端。这样，与被测压力成正比的电流信号，就从 ii 端进入变频器，变频器就得到了压力反馈信号。有的变频器为用户提供了 24v 的直流电源，接线就比较简单一些。4.5.3.3 目标信号的确定因为目标信号和反馈信号常常并不是同一种物理量，难以直接进行比较。所以，大多数变频器的目标信号
43、和反馈信号都用传感器（sp）量程的百分数来表示。例如，要求储气罐内的空气压力保持为 0.6mpa，传感器的输出信号为 420ma 的电流信号，则:当 sp 的量程为 0 1mpa 时，与 0.6mpa 对应的百分数为 60，对应的信号电流为:xt 4（204） 0.613.6ma目标值定为 60，如图 432（a）所示。 当 sp 的量程为 0 5mpa 时，与 0.6mpa 对应的百分数为 12，对应的信号电流为:xt 4（204） 0.125.92ma目标值定为 12，如图 432（b）所示。图 4 32 确定目标信号4.5.4 控制逻辑分正反 4.5.4.1 负反馈以图 4 33（a）所
44、示的空气压缩机恒压控制为例，当压力 px 由于用气量增大而低于目标压力 pt 时，反馈信号下降（xf），要求变频器的输出频率上升（fx），以提高电动机的转速（nx），使储气罐内的压力保持恒定。这种反馈量的变化趋势与变频器输出频率的变化趋势相反的控制方式，称为负反馈，如图 433 （b）所示。由于闭环控制中，负反馈控制较多，故有的变频器把这种控制逻辑称为正逻辑。4.5.4.2 正反馈以图 4 34（a）所示的房间恒温控制为例，当室内温度高于目标温度（xt ）时，反馈信号上升（xf），要求变频器的输出频率也上升（fx），以提高电动机的转速（nx），加大冷空气吹入室内的风量，使室内温度保持恒定。这种
45、反馈量的变化趋势与变频器输出频率的变化趋势相同的控制方式，称为正反馈，如图 434 （b）所示。图 4 33 负反馈控制有的变频器把这种控制逻辑称为负逻辑。图 4 34 正反馈控制图 4 35 电动机的起动控制4.5.5 起动过程应减慢某些拖动系统在刚起动时，反馈信号为“0”。和目标信号之间的偏差值 x 很大，积分运算的结果迅速到达上限值，出现了积分饱和现象，使 pid 调节在一段时间内失去作用。结果，电动机将很快升速，有可能导致因过电流而跳闸。针对这种情况，处理方法有以下几种:4.5.5.1 在起动过程中切换成开环控制 以瓦萨 cx 系列变频器为例，如图 435 所示。将端子 8（dia1）
46、预置为“起动/停止 ”控制端，由继电器 ka1 控制:ka1 闭合时起动， ka1 断开时停止。将端子 16（dib6）预置为“pid 有效选择”控制端，由继电器 ka2 控制:ka2 断开，pid 功能有效;ka2 闭合，pid 功能无效。在外接输出端子中，将端子“21、22、23” 预置为“ 输出频率监控值”（频率到达），则当变频器的输出频率到达预置值后，内部继电器 ro1 动作。 其工作过程是:起动时，ka1 动作，电动机因 dia1 得到信号而起动，继电器 ka2 处于断电状态，其常闭触点使pid 功能无效，电动机的起动过程由“加速时间” 控制;当电动机已经起动起来，变频器的输出频率到
47、达预置的“监控值”时，内部继电器 ro1 动作，输出端子“2223”闭合，继电器 ka2 线圈得电，其常闭触点断开，pid 功能有效，变频器转为闭环运行。电动机的加、减速由 pid 调节功能进行控制 ;同时，继电器 ka2 的常开触点闭合，使ka2 线圈保持通电（自锁）。4.5.5.2 变频器的 pid 起动功能 （1）安川 cimrg7a 系列变频器预置 pid 加、减速时间:功能码 b517 用于预置“pid 指令用加减速时间”。这样，当 pid 功能有效时，在起动过程中的加、减速时间将由 b517 功能独立决定。（2）丹佛士 vlt5000 系列变频器由功能码 439 预置“工艺 pid
48、 起动频率”，则变频器在起动时，将按开环运行方式起动，直至上升到“工艺 pid 起动频率”后，才自动转为闭环控制。4.5.6 功能预置把好关4.5.6.1 需要预置的基本功能 （1）变频器的 pid 功能是否有效功能当变频器的 pid 调节功能有效后，将完全按 p、i 、d 调节的规律运行，其工作特点特点是:变频器的输出频率（fx）只根据储气罐的实际压力（xf）与目标压力（xt）比较的结果进行调整，所以，频率的大小与被控量（压力）之间并无对应关系;变频器的输出频率（fx）随时处于调整状态，因此，其显示的数值常不稳定。（2）目标值的预置 目标信号的输入法有两种。 键盘给定法 由于目标信号是一个百
49、分数，所以可由键盘直接给定;电位器给定法目标信号由外接的频率给定端输入。但这时，由于变频器已经预置为 pid 运行方式了，所以，在通过调节电位器来调节目标值时，显示屏上显示的仍是百分数。（3）逻辑关系的预置即电动机的转速与被控量的变化趋势。4.5.6.2 p、i、d 的预置由于 p、 i、d 的取值与系统的惯性大小有很大的关系，因此，很难一次调定。这里，根据笔者的经验，介绍一个大致的调试过程。首先将 d 调为 0。在许多要求不高的控制系统中，d 可以不用。保持变频器的出厂设定值不变，使系统运行起来，观察其工作情况:如果在压力下降或上升后难以恢复，说明反应太慢，则应加大比例增益 kp，直至比较满意为止;在增大 kp 后，虽然反应快了，但却
