任务2.1 PLC控制变频器调速
1.任务引入
变频器的发展历史如下。
（1）1831年，英国的物理学家法拉第发现电磁感应原理，这使人类使用电力成为可能。
（2）1832年，法国的皮克西研制出世界上第一台永磁式直流发电机，这标志着电气时代的开始。
（3）1873年，比利时的古拉姆研制出世界上第一台环形电枢直流电动机，结束了蒸汽机时代。
直流电动机调速方便，控制灵活，但直流电动机带有机械换向器和电刷，给直流调速系统带来了以下缺点。
①维修困难。
②使用环境受限制，不适用于易燃、易爆及环境恶劣的场合。
③制造大容量、高转速及高电压的直流电动机比较困难。
（4）1882年，塞尔维亚的特斯拉（后加入美国籍）继爱迪生发明直流电（DC）后不久发明了交流电（AC），制造出世界上第一台交流发电机，并于1888年发明了交流多相电力传输系统并因此获得美国专利。但是，交流电动机的调速性能较差，这促使人们研究交流系统的调速技术。
（5）1920年后，人们发现了变频调速的优越性。
（6）20世纪60年代，电力电子技术得到快速发展，1957年，美国通用电气公司发明了晶闸管，并于1958年投入商用，晶闸管的诞生为变频调速提供了可能。
2.任务目标
1）知识目标
（1）了解变频器的发展历史和分类。
（2）理解变频器的定义和工作原理。
2）技能目标
能够设计简单的变频器系统。
3）素养目标
引导学生加深对变频器的理解，拓展知识面。
3.任务分析
1）变频器技术的发展阶段
按照变频器的控制方式，变频器技术的发展可划分为以下几个阶段。
（1）第一阶段：U/f控制技术。
U/f控制就是保证输出电压与频率成正比的控制，这样可以使电动机的磁通保持恒定，避免弱磁和磁饱和现象的产生，多用于风机、泵类节能型变频器。日本于20世纪80年代开发出电压空间矢量控制技术，后引入频率补偿控制。电压空间矢量的频率补偿方法不仅能消除速度控制的误差，而且可以通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响，将输出电压、电流闭环，以提高动态的准确度和稳定度。
（2）第二阶段：矢量控制技术。
矢量控制技术的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。1992年，西门子公司开发出了6SE70系列矢量控制的变频器，它是矢量控制模型的代表产品。
矢量控制方式有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器的矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，从而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应用在西门子、ABB、GE、Fuji和SAJ等国际化大公司的变频器上。
（3）第三阶段：直接转矩控制技术。
直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）技术是在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速技术。不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快及控制结构简单等优点，在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大以及对参数变化敏感等问题。直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大，其低速性能还不能达到矢量控制的水平。
2）变频器的发展趋势
随着节约环保型社会发展模式的提出，人们开始更多地关注生活环境的品质，因此，节能型、低噪声变频器是今后一段时间发展的总趋势。我国变频器的生产厂家虽然不少，但是缺少统一的、具体的规范标准，产品差异性较大，且大部分采用了U/f控制技术和矢量控制技术，其准确度较低，动态性能不高，稳定性能较差，这些方面与国外同等产品相比有一定的差距。变频器的发展趋势主要表现在以下方面。
第一，变频器将朝着高压大功率和低压小功率、小型化和轻型化的方向发展。
第二，工业高压大功率变频器、民用低压中小功率变频器潜力巨大。
第三，目前，IGBT、IGCT以及SGCT仍将扮演主要的角色，SCR、GTO将会退出变频器市场。
第四，无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用趋于成熟。
第五，全面实现数字化和自动化，参数自设定技术、过程自优化技术及故障自诊断技术趋于成熟。
第六，高性能单片机的应用优化了变频器的性能，实现了变频器的高准确度和多功能。
第七，相关配套行业正朝着专业化、规模化的方向发展，社会分工逐渐明显。
第八，伴随着节约型社会的发展，变频器在民用领域的使用会逐步得到推广。
4.相关知识
1）变频器的分类
变频器发展到今天，生产厂家已经研制出多种适合不同用途的变频器，以下详细介绍变频器的分类。
（1）按变换的环节分类。
①交-直-交变频器。
它先将工频交流电通过整流器变成直流电，然后将直流电变换成频率、电压可调的交流电，又称为间接式变频器，是目前广泛应用的通用变频器。
②交-交变频器。
它将工频交流电直接变换成频率、电压可调的交流电，又称为直接式变频器。它主要用于大功率（500 kW以上）低速交流传动系统中，目前已经应用在轧机、鼓风机、破碎机、球磨机和卷扬机等设备中。这种变频器可用于异步电动机和同步电动机的调速控制。
（2）按直流电源性质分类。
①电压型变频器
电压型变频器的特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率由它缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称为电压型变频器，常用于负载电压变化较大的场合。这种变频器应用广泛。
②电流型变频器。
电流型变频器的特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于其直流内阻较大，相当于电流源，故称为电流型变频器。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。其常用于负载电流变化较大的场合。
（3）按用途分类。
变频器按照用途可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
（4）按调压方法分类。
①PAM变频器。
它是通过改变电压源或电流源的幅值进行输出控制的。这种变频器已很少使用。
②PWM变频器。
它是将变频器输出波形的每半个周期分割成许多脉冲，通过调节脉冲宽度和脉冲周期之间的占空比调节平均电压，其等值电压为正弦波，波形较平滑。
（5）按控制方式分类。
①U/f控制（VVVF控制）变频器。
U/f控制是保证输出电压与频率成正比的控制。低端变频器都采用这种控制原理。
②SF控制（转差频率控制）变频器。
转差频率控制是通过控制转差频率来控制转矩和电流，属于高准确度的闭环控制。SF控制变频器的通用性差，一般用于车辆控制。与U/f控制变频器相比，SF控制变频器的加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，SF控制变频器具有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。
③矢量控制（Vectory Control，VC）变频器。
矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。矢量控制变频器一般用在准确度要求高的场合。
④直接转矩控制变频器。
简单地说，直接转矩控制就是将交流电动机等效为直流电动机进行控制。
（6）按品牌区域分类。
①中国品牌变频器。
中国的变频器品牌有安邦信，汇川，浙江三科，欧瑞传动，森兰，英威腾，蓝海华腾，迈凯诺，伟创，易泰帝以及我国港台地区的台达、普传、台安、东元、美高等，已超过200种。
②欧美品牌变频器。
欧美的变频器品牌有西门子、科比、伦茨、施耐德、ABB、丹佛斯、罗克韦尔、伟肯、AB及西威等。
③日本品牌变频器。
日本的变频器品牌有富士、三菱、安川、三垦、日立、欧姆龙、松下电器、松下电工、东芝以及明电舍等。
④韩国品牌变频器。
韩国的变频器品牌有LG、现代、三星和收获等。
（7）按电压等级分类。
①高压变频器：3 kV、6 kV及10 kV。
②中压变频器：660 V、1 140 V。
③低压变频器：220 V、380 V。
（8）按电压性质分类。
①交流变频器：AC-DC-AC（交-直-交）、AC-AC（交-交）。
②直流变频器：DC-AC（直-交）。
2）西门子MM440变频器原理
（1）初识变频器。
变频器一般是利用半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器有“现代工业维生素”之称，在节能方面的效果显著。随着各界对变频器节能技术和应用等方面认识的逐渐加深，我国变频器市场变得异常活跃。
变频器的最初目的是控制速度，应用于印刷、电梯、纺织、机床和生产流水线等行业。而目前相当多的变频器是以节能为目的。由于中国是能源消耗大国，而中国的能源储备又相对贫乏，所以国家大力提倡各种节能措施，其中着重推荐变频器调速技术。在水泵和中央空调等领域，变频器可以取代传统的限流阀和回流旁路技术，充分发挥节能效果；在火电、冶金、矿山及建材行业，高压变频调速的交流电动机系统的经济价值正在得以体现。
变频器是一种高技术含量、高附加值且高效益回报的高科技产品，符合国家产业发展政策。在过去的多年间，我国变频器行业从起步阶段到目前的趋于成熟，发展十分迅速。进入21世纪以来，我国中、低压变频器市场的增长速度超过了20%，远远高于近几年的GDP增长水平。
从产品优势的角度看，通过变频器可以高质量地控制电动机转速以提高制造工艺水准，变频器不但有助于提高制造工艺水平（尤其在精细加工领域），而且可以有效地节约电能，是目前最理想、最有前途的电动机节能设备。
从变频器行业所处的宏观环境看，无论是国家中长期规划、短期的重点工程、政策法规和国民经济整体运行趋势，还是人们节能环保意识的增强、技术的创新及发展高科技产业的要求，变频器都受到了广泛的关注，市场吸引力巨大。
（2）交-直-交变频调速的原理。
交-直-交变频调速的原理如图2-1所示。交-直-交变频调速就是变频器先将工频交流电整流成直流电，逆变器在微控制器（如DSP）的控制下，将直流电逆变成不同频率的交流电。目前市面上的变频器大多采用这种工作原理。
图2-1 交-直-交变频调速的原理(https://www.daowen.com)
图2-1中的R0起限流作用，当R、S和T端子上的电源接通时，R0接入电路，以限制启动电流。延时一段时间后，晶闸管VT导通，将R0短路，以避免造成附加损耗。Rt为能耗制动电阻，当制动时，异步电动机进入发动机状态，逆变器向电容C反向充电，当直流回路的电压，即电阻R1、R2上的电压升高到一定的值时（图中实际上测量的是电阻R2的电压），通过泵升电路使开关器件Vb导通，这样电容C上的电能就消耗在Rt上。通常为了散热，能耗制动电阻Rt安装在变频器外侧。电容C除了参与制动外，在电动机运行时，主要起滤波作用。通过电容器起滤波作用的变频器称为电压型变频器；通过电感器起滤波作用的变频器称为电流型变频器。比较常见的是电压型变频器。
微控制器经运算输出控制正弦信号后，经过SPWM（正弦脉宽调制）发生器调制，再由驱动电路放大信号，放大后的信号驱动6个功率晶体管，产生三相（U、V、W）交流电压驱动电动机运转。
3）西门子低压变频器简介
西门子公司生产的变频器品种较多，以下简单介绍西门子低压变频器的产品系列。
（1）MM4系列变频器。
MM4系列变频器分为4个子系列，分别如下。
①MM410：解决简单驱动问题，功率范围小。
②MM420：I/O点数少，不支持矢量控制，无自由功能块，功率范围小。
③MM430：风机水泵专用，不支持矢量控制。
④MM440：支持矢量控制，有制动单元，有自由功能块，功能相对强大。
MM4系列变频器有一定的市场占有率，但有被SINAMICS G120系列变频器取代的趋势。
（2）SIMOVERT Master Drives，6SE70工程型变频器。
其控制面板采用CUVC，可实现变频调速、力矩控制和四象限工作，但有被SINAMICS S120系列变频器取代的趋势。
（3）SINAMICS系列变频器。
SINAMICS系列变频器的子系列较多，功能也较强大，简介如下。
①SINAMICS G120：MM4系列变频器的升级版，包含控制单元（CU）和功率模块（PM）两部分，可四象限工作，功能强大。
②SINAMICS S120：6SE70系列变频器的升级版，控制面板是CU320，功能强大。可以驱动交流异步电动机、交流同步电动机和交流伺服电动机。
③SINAMICS G120D：提高了SINAMICS G120系列变频器的防护等级，可以达到IP65，但功率范围有限。
④SINAMICS V50：MM4系列变频器的柜机。
⑤SINAMICS G150：V50系列变频器的升级版，功率范围大。
⑥SINAMICS V60和V80：是针对步进电动机而推出的两款产品，当然也可以驱动伺服电动机。只能接收脉冲信号。有人称其为简易的伺服驱动器。
⑦SINAMICS V90：是针对步进电动机而推出的产品，当然也可以驱动伺服电动机。能接收脉冲信号，也支持USS和MODBUS总线。运动控制时配合西门子的S7-200 SMART使用很方便。
4）西门子MM440变频器使用简介
西门子MM440变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为功率输出器件，它具有很高的运行可靠性和功能多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，降低了电动机运行的噪声。
MM440变频器的核心部件是CPU。它根据设定的参数，经过运算，输出正弦波信号，正弦波信号再经过SPWM、放大，输出正弦交流电，驱动三相异步电动机运转。
MM440变频器是一个智能化的数字变频器，在基本操作面板上可进行参数设置，参数可分为4个级别。
①标准级：可以访问经常使用的参数。
②扩展级：允许扩展访问参数范围，例如变频器的I/O功能。
③专家级：只供专家，即高级用户使用。
④维修级：只供授权的维修人员使用，具有密码保护。
（1）变频器多段频率给定。
变频器频率给定一般有4种方法：操作面板频率给定、模拟量频率给定、多段频率给定和通信频率给定。
用基本操作面板进行手动频率给定方法简单，资源消耗少，但这种频率给定方法对于操作者来说比较麻烦，而且不容易实现自动控制，而PLC控制的多段频率给定和通信频率给定则容易实现自动控制。
（2）变频器的模拟量频率给定。
虽然操作面板频率给定简单易行，但每次改变频率需要手动设置，不易实现自动控制，而模拟量频率给定可以比较方便地实现自动控制和无级调速，因此在工程中比较常用，但模拟量频率给定一般要用到模拟量模块，相对而言控制成本稍高。
由于使用S7-200 PLC，绝大部分时候需要用到通信系统，所以通信频率给定较为常用，但是一旦通信系统中断，变频器也随之停止运行。在某些场合，如通风场合，风机长时间停机是不允许的，这是通信频率给定的弱点，而模拟量频率给定可以克服这个缺点，当通信系统中断后，只要把变频器用“手/自转换”开关切换到“手动”挡，变频器仍可照常工作。
（3）变频器的通信频率给定。
通信频率给定既可实现无级调速，也可实现自动控制，应用灵活方便。S7-200 PLC与MM440变频器可进行USS和PROFIBUS通信。MM440变频器也只能作PROFIBUS-DP从站，不能作PROFIBUS-DP主站，而且MM440变频器用作PROFIBUS-DP从站时要配置通信模板。
5.MM440变频器通信的基本知识
MM440变频器既支持和主站的周期性数据通信，也支持和主站的非周期性数据通信，也就是说S7-200 PLC可以使用功能块SFC14/SFC15读取和修改MM440变频器的参数，调用一次可以读取或者修改一个参数。同时也可以使用功能块SFC58/SFC59或者SFB52/SFB53读取或者修改MM440变频器的参数，一次最多可以读取或者修改39个参数。
有效的数据块分成两个区域，即PKW区（参数识别ID-数值区）和PZD区（过程数据区），有效数据字符如图2-2所示。
图2-2 有效数据字符
PKW区说明PKW接口的处理方式。PKW接口并非物理意义上的接口，而是一种机理。这一机理确定了参数在两个通信伙伴之间（例如控制装置与变频器）的传输方式，例如参数的读和写。
PKW区前两个字（即PKE和IND）的信息是关于主站请求的任务（任务识别标记ID）或应答报文的类型（应答识别标记ID）。PKW区的第三、第四个字规定报文中要访问的变频器的参数号（PNU）。PNU与MICR0MASTER4的参数号对应。
6.任务准备
有一台设备，由CPU314C-2DP控制一台MM440变频器，CPU314C-2DP通过PROFIBUS-DP控制MM440变频器，实现电动机的“正-停-反”和无级调速，频率数值在人机界面（HMI）中设定。启动系统后，默认的频率为40 Hz。已知电动机的技术参数：功率为0.75 kW，额定转速为1 400 r/min，额定电压为380 V，额定电流为2.05 A，额定频率为50 Hz。请设计此系统，并编写程序。
7.任务实施
1）软硬件配置
（1）1套STEP 7 V5.5 SP4O。
（2）1台MM440变频器（含PROFIBUS模板）。
（3）1台CPU 314C-2DP。
（4）1台电动机。
（5）1根编程电缆。
（6）1根PROFIBUS屏蔽双绞线。
（7）1台HMI设备（触摸屏）。
硬件配置如图2-3所示，接线图如图2-4所示。
图2-3 硬件配置
图2-4 接线图
2）MM440变频器的设置
MM440变频器的参数见表2-1。
表2-1 MM440变频器的参数
3）S7-300 PLC通过PROFIBUS现场总线控制S120
（1）STARTER软件概述。
STARTER软件用于西门子传动装置的现场调试，能够实现在线监控、装置参数修改、故障检测和复位以及跟踪记录等强大的调试功能。
（2）SINAMICS S120 AC/AC单轴驱动器概述。
SINAMICS S120 AC/AC单轴驱动器是西门子公司推出的新一代交流驱动产品———集整流和逆变于一体的新型驱动器，既能实现通常的U/f控制和矢量控制，又能实现高准确度、高性能的伺服控制功能。它不仅能控制普通的三相异步电动机，还能控制异步和同步伺服电动机、扭矩电动机及直线电动机。其强大的定位功能可以实现进给轴的绝对、相对定位。
SINAMICS S120产品包括用于共直流母线的DC/AC逆变器和单轴控制的AC/AC变频器。共直流母线的DC/AC逆变器通常又称为SINAMICS S120多轴驱动器，其结构形式为电源模块和电动机模块分开，一个电源模块将三相交流电整流成540 V或600 V的直流电，将电动机模块（一个或多个）都连接到该直流母线上，特别适用于多轴控制，尤其适用于造纸、包装、纺织、印刷、钢铁等行业。其优点是各电动机轴之间的能量共享，接线方便、简单。单轴控制的AC/AC变频器通常又称为SINAMICS S120 AC/AC单轴驱动器，其结构形式为电源模块和电动机模块集在一起，特别适用于单轴的速度和定位控制。
这里只介绍SINAMICS S120 AC/AC单轴驱动器。SINAMICS S120 AC/AC单轴驱动器由2个部分组成：控制单元和功率模块。具体如下。
①控制单元有3种形式：CU310DP、CU310 PN和CUA31。
CU310DP是驱动器通过PROFIBUS-DP与上位的控制器相连。
CU310PN是驱动器通过PROFINET与上位的控制器相连。
CUA31是控制单元的适配器，通过Drive-CLiQ与CU320或Simotion D相连。
②功率模块有模块型和装机装柜型两种形式。
模块型：其功率范围为0.12～90 kW，其进线电压有单相（200～240 V）及三相（380～480 V）两种规格。
装机装柜型：其功率范围为110～250 kW，其进线电压为三相（380～480 V）。
4）MM440变频器的调试
MM440变频器的标准供货方式装有状态显示板（SDP），状态显示板的内部没有任何电路，因此要对变频器进行调试，通常采用基本操作面板（BOP）、高级操作面板（AOP）和计算机（PC）等方法进行调试。基本操作面板和高级操作面板是可选件，需要单独订货。使用计算机调试时，计算机中需要安装DriveMonitor、Starter或者Scout。Scout软件功能强大，包含Starter软件。
使用基本操作面板调试变频器在前面已经讲解，以下仅介绍使用Starter软件调试变频器。
Starter软件与传动装置可以通过以下3种常用的通信方式建立连接。
（1）RS-232串口通信（USS通信协议）。
需要使用PC to MM440组件（订货号：SSE6400-1PC00-0AA0），组件通过基本操作面板的插孔安装（使用BOP链路），使用计算机的RS-232C接口即可，如果笔记本电脑没有RS-232C接口，也可以在笔记本电脑上使用USB转换器。上位机软件使用Drive Monitor或者Starter。
（2）RS-485串口通信（USS通信协议）。
MM440变频器的29（P+）和30（N-）控制接线端子用于RS-485串行通信的通信口（COM链路）。采用这种连接方式调试时，切不可将29号接线端子和30号接线端子接反，否则将产生烧毁接口的严重后果。上位机软件使用Drive Monitor或者Starter。
（3）PROFIBUS通信。
采用PROFIBUS通信协议调试MM440变频器时，变频器上需要安装PROFIBUS通信模块（订货号：6SE6400-1PB00-0AA0），计算机上需要安装CP5611或者CP5621（此模块是目前新型号模块）等通信模块。CP5611（或CP5621）与PROFIBUS通信模块的电缆就是购买CP5611（或CP5621）卡时配置的通信电缆，CP5611（或CP5621）与PROFIBUS通信模块均有PROFIBUS接口。
8.任务评价
任务评价见表2-2。
表2-2 任务评价
续表
