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变频器应用攻略(含品牌实操案例)

日期:01-17  点击:  属于:电气论道

变频器应用全攻略(含品牌实操案例+PLC编程)

一、变频器核心基础

1.1 核心原理

变频器(VFD)通过改变电机电源频率/电压实现无级调速,核心公式:
电机转速 ( n = (1 - s) × 60 × f / p )(s=转差率,f=频率,p=极对数)
控制原则:保持V/f比值恒定,避免电机磁路饱和。

1.2 关键接线规范

  • 主电路:输入L1/L2/L3(电网)、输出U/V/W(电机),严禁接反;PE接地电阻≤4Ω,独立接地。

  • 控制电路:开关量/模拟量用屏蔽线,与主电路间距≥20cm;模拟量优先选4~20mA电流信号抗干扰。

  • 禁忌:输出侧禁止接电容/避雷器,避免损坏逆变模块。

1.3 选型核心原则

负载类型选型要求过载能力
变转矩(风机/水泵)轻载型变频器,按电机电流1.1倍选型110%/1min
恒转矩(输送机/搅拌机)标准型变频器,容量≥电机额定容量150%/1min
冲击负载(起重/电梯)重载型变频器+制动单元/电阻180%/0.5min

二、主流品牌实操案例

2.1 西门子MM440 - 恒压供水系统应用

应用场景:小区恒压供水(380V,7.5kW水泵电机,额定电流15.4A)

选型依据:变转矩负载,选MM440-7.5kW(额定电流17A),内置PID功能适配恒压控制

核心参数设置

参数代码参数值设置说明
P03077.5kW匹配电机额定功率
P07002外部端子控制启停
P100024~20mA模拟量给定频率(对应0~50Hz)
P112010s加速时间,避免水泵水锤效应
P22001启用PID调节,适配压力反馈

接线要点

  • 压力变送器4~20mA信号接入AI1端子(2+/3-)

  • 启停信号接DI1端子(5号),COM端接9号

  • PE端子可靠接地,主电路线径选4mm²铜芯线

调试注意:先空载试运行,测量输出电压平衡后带载;PID参数P2240(比例增益)初始设为5,根据水压波动微调。

2.2 三菱FR-E700 - 皮带输送机应用

应用场景:车间皮带输送机(380V,5.5kW电机,额定电流11A,恒转矩负载)

选型依据:标准型变频器FR-E740-5.5K(额定电流13A),150%过载能力适配启停冲击

核心参数设置

参数代码参数值设置说明
Pr.150Hz上限频率,匹配电机额定频率
Pr.78s加速时间,防止启动过流
Pr.792外部端子控制模式
Pr.911A电子过流保护,匹配电机额定电流
Pr.1830NPN型输入,匹配PLC输出类型

接线要点

  • 正转信号接STF端子,反转接STR端子,公共端接COM

  • 多段速信号接RH/RM/RL,实现3档速度调节(10/20/30Hz)

  • 控制电路用0.75mm²屏蔽线,屏蔽层单端接地(变频器侧)

调试注意:输送机启动前确认皮带无卡滞;若出现过载报警,可适当延长加速时间(Pr.7)至10~12s。

2.3 台达VFD-B - 搅拌机应用

应用场景:化工原料搅拌机(380V,11kW电机,额定电流21.8A,恒转矩+轻微冲击负载)

选型依据:重载型VFD-B-11kW(额定电流23A),150%/60s过载能力,无传感器矢量控制

核心参数设置

参数代码参数值设置说明
01-002外部端子控制启停
01-021模拟量(0~10V)给定频率
02-0050Hz最大输出频率
02-0115s加速时间,适配搅拌机大惯性
02-0220s减速时间,避免直流母线过压
03-0021.8A电机额定电流,精准过载保护

接线要点

  • 主电路输入R/S/T接380V电网,输出U/V/W接搅拌机电机

  • 外部电位器(0~10V)接AI1(12/13/14端子)

  • 因负载惯性大,外接制动电阻(40Ω/1000W)至PB/PC端子

调试注意:矢量控制需先执行电机自学习(参数08-00设为1);若搅拌物料粘稠,可启用转矩提升(参数04-00设为5%)。

三、PLC与变频器联动编程案例

3.1 西门子S7-1200(SCL语言)- 变频器启停+频率给定

应用场景:通过Modbus RTU控制西门子MM440变频器,实现启停、频率调节、故障复位

通信配置(PLC侧)

参数设置值说明
波特率9600与变频器P2010=6匹配
数据位8与变频器P2011=1匹配
校验位偶校验与变频器P2012=2匹配
站号1与变频器P2013=1匹配

SCL核心代码(FB100_VFD_Control)

// 变量定义: // VFD_Start: BOOL - 变频器启动指令(PLC输入I0.0) // VFD_Stop: BOOL - 变频器停止指令(PLC输入I0.1) // VFD_Reset: BOOL - 故障复位指令(PLC输入I0.2) // VFD_SetFreq: REAL - 频率给定值(0~50Hz,PLC寄存器MW10) // VFD_ActualFreq: REAL - 变频器实际频率(PLC寄存器MW12) // VFD_Fault: BOOL - 变频器故障状态(PLC输出Q0.0)FUNCTION_BLOCK FB100_VFD_ControlVAR_INPUTVFD_Start: BOOL;    VFD_Stop: BOOL;    VFD_Reset: BOOL;    VFD_SetFreq: REAL;END_VARVAR_OUTPUTVFD_ActualFreq: REAL;    VFD_Fault: BOOL;END_VARVARModbus_Handle: DWORD; // Modbus通信句柄    Write_Start: BOOL;    // 写指令触发    Read_Start: BOOL;     // 读指令触发END_VAR// 1. 初始化Modbus通信(仅首次扫描执行)IF FirstScan THENModbus_Handle := MB_COMM_LOAD(        PORT := 2,        // CM1241 RS485端口        BAUDRATE := 9600,        PARITY := 2,       // 偶校验        DATA_BITS := 8,        STOP_BITS := 1);END_IF// 2. 变频器启停控制(写MM440的控制字P0700=5时,控制字地址40001)IF VFD_Start AND NOT VFD_Stop THENWrite_Start := MB_MASTER(        REQ := TRUE,        HANDLE := Modbus_Handle,        SLAVE := 1,          // 变频器站号        RW := 1,           // 写操作        ADDR := 40001,      // 控制字地址        LEN := 1,           // 写入长度        DATA := 16#0001      // 启动指令(正转)    );ELSIF VFD_Stop THENWrite_Start := MB_MASTER(        REQ := TRUE,        HANDLE := Modbus_Handle,        SLAVE := 1,        RW := 1,        ADDR := 40001,        LEN := 1,        DATA := 16#0000      // 停止指令    );ELSIF VFD_Reset THENWrite_Start := MB_MASTER(        REQ := TRUE,        HANDLE := Modbus_Handle,        SLAVE := 1,        RW := 1,        ADDR := 40001,        LEN := 1,        DATA := 16#000A      // 故障复位指令    );END_IF// 3. 频率给定(写MM440的频率设定值地址40002,单位0.01Hz)Write_Start := MB_MASTER(    REQ := TRUE,    HANDLE := Modbus_Handle,    SLAVE := 1,    RW := 1,    ADDR := 40002,    LEN := 1,    DATA := INT(VFD_SetFreq * 100) // 50Hz → 5000(0.01Hz单位) );// 4. 读取变频器实际频率(地址40003)和故障状态Read_Start := MB_MASTER(    REQ := TRUE,    HANDLE := Modbus_Handle,    SLAVE := 1,    RW := 0,           // 读操作    ADDR := 40003,    LEN := 2,    DATA => MW12         // 存储到MW12(实际频率)和MW14(故障码) );// 5. 解析实际频率(0.01Hz → Hz)VFD_ActualFreq := REAL(MW12) / 100.0;// 6. 故障状态判断(故障码≠0时触发)VFD_Fault := MW14 <> 0;END_FUNCTION_BLOCK
调试注意:
1. 变频器需设置P2009=1(启用Modbus RTU)、P2010=6(9600波特率);
2. SCL代码需在TIA Portal中创建FB块,绑定CM1241 RS485模块;
3. 频率给定值需限制在0~50Hz,避免超量程。

3.2 三菱FX3U(ST语言)- 变频器多段速控制

应用场景:通过RS-485控制FR-E700变频器,实现3段速(10/20/30Hz)切换+故障报警

通信配置(变频器侧)

参数代码参数值说明
Pr.3401启用RS-485通信
Pr.3419600波特率9600
Pr.3421数据位8,偶校验
Pr.3431站号1
Pr.796通信控制模式

ST核心代码(主程序)

// 变量定义: // M0: 变频器启动指令(X0) // M1: 变频器停止指令(X1) // M2: 1段速选择(X2) // M3: 2段速选择(X3) // M4: 3段速选择(X4) // D0: 频率设定值存储 // D10: 变频器实际频率读取 // Y0: 变频器运行指示灯 // Y1: 变频器故障指示灯// 1. 通信初始化(FX3U-485BD模块)INITIALRS232_INIT(        PORT := 1,        // 485BD端口        BAUDRATE := 9600,        PARITY := 2,       // 偶校验        DATA_BITS := 8,        STOP_BITS := 1);END_INITIAL// 2. 多段速频率设定IF M2 THEND0 := 10; // 1段速10HzELSIF M3 THEND0 := 20; // 2段速20HzELSIF M4 THEND0 := 30; // 3段速30HzELSED0 := 0;  // 零速END_IF// 3. 变频器启停+频率写入(FR-E700通信指令格式)IF M0 AND NOT M1 THEN// 写入运行指令+频率值(指令码01H=写运行指令,02H=写频率)RS_WRITE(        DEST := 1,          // 变频器站号        CMD := 16#01,       // 运行指令        DATA := 1            // 正转运行    );    RS_WRITE(        DEST := 1,        CMD := 16#02,        DATA := D0 * 100      // 频率单位0.01Hz    );    Y0 := TRUE; // 运行指示灯亮ELSIF M1 THENRS_WRITE(        DEST := 1,        CMD := 16#01,        DATA := 0            // 停止运行    );    Y0 := FALSE;END_IF// 4. 读取变频器实际频率和故障状态RS_READ(    DEST := 1,    CMD := 16#03,       // 读实际频率    DATA => D10                     // 存储到D10(0.01Hz单位) ); RS_READ(    DEST := 1,    CMD := 16#04,       // 读故障码    DATA => D11 );// 5. 故障判断与报警IF D11 <> 0 THENY1 := TRUE; // 故障指示灯亮// 故障复位(M5触发)IF M5 THENRS_WRITE(            DEST := 1,            CMD := 16#05,            DATA := 1);        D11 := 0;        Y1 := FALSE;END_IFELSEY1 := FALSE;END_IF// 6. 实际频率转换(0.01Hz → Hz)D12 := D10 / 100;
调试注意:
1. FX3U需加装FX3U-485BD通信板,接线时485+接变频器RS-485的RDA,485-接SDA;
2. 多段速频率需先在变频器Pr.4~Pr.6中预设(10/20/30Hz);
3. ST代码需在GX Works3中选择“结构化文本”编程语言。

四、常见问题(FAQ)

Q1:变频器选型只看功率够吗?

不够。核心选型依据是电机额定电流,而非功率:

  • 不同厂家变频器标注的“功率”可能是轻载功率(如风机水泵型),恒转矩负载下实际电流不足;

  • 正确做法:变频器额定电流 ≥ 电机额定电流 × 1.1(安全系数);

  • 额外需匹配负载特性(变转矩/恒转矩/冲击负载)选择对应过载能力的机型。

Q2:变频器输出侧接电容会有什么后果?

严禁在变频器输出侧接电容/避雷器,后果包括:

  • 变频器输出的高频脉冲会与电容发生谐振,瞬间过流损坏IGBT逆变模块;

  • 若需改善电网侧功率因数,电容应接在变频器输入侧(电网端);

  • 输出侧仅可接电机,中间禁止串接电容、浪涌抑制器等元件。

Q3:变频器报“过流故障”怎么排查?

过流故障(OC)常见原因及排查步骤:

  1. 接线问题:检查U/V/W输出是否短路、电机绕组是否接地;

  2. 参数问题:加速时间过短(重载启动电流大),延长加速时间(如三菱Pr.7、西门子P1120);

  3. 负载问题:电机堵转、负载过重,检查机械卡滞并减轻负载;

  4. 硬件问题:变频器逆变模块损坏(需专业检测)。

Q4:变频器接地有哪些规范?

接地是变频器安全运行的关键,规范如下:

  • 接地电阻≤4Ω,必须用黄绿双色线,线径≥主电路电源线径的1/2;

  • 单台变频器独立接地,禁止多台串联接地(会导致接地电阻过大);

  • 控制电路屏蔽线单端接地(仅变频器侧接地),避免形成接地环路干扰。

Q5:矢量控制需要做电机自学习吗?

需要。无传感器矢量控制必须执行电机自学习,目的是:

  • 让变频器识别电机的定子电阻、转子电阻、电感等参数,精准计算转矩和转速;

  • 操作示例:台达VFD-B设置参数08-00=1,西门子MM440设置P1910=1;

  • 自学习需在电机空载状态下执行,学习完成后再带载调试。

Q6:大惯性负载减速时报“过压故障”怎么办?

过压故障(OV)是因电机再生电能无法释放,解决方法:

  • 延长减速时间(如台达02-02、三菱Pr.8),降低再生电能产生速度;

  • 外接制动单元+制动电阻(匹配变频器功率,如11kW变频器配40Ω/1000W电阻);

  • 若频繁制动,选择内置制动单元的重载型变频器。

Q7:PLC与变频器通信失败怎么排查?

通信失败核心排查步骤:

  1. 硬件接线:检查RS485的A/B线是否接反,屏蔽层是否单端接地;

  2. 参数匹配:波特率、校验位、站号需PLC与变频器完全一致;

  3. 地址核对:确认变频器Modbus寄存器地址(如西门子MM440控制字是40001,而非1);

  4. 干扰排查:通信线与主电路分开走线,间距≥20cm,避免电磁干扰。

五、核心总结

  • 选型核心

  • :优先按电机额定电流选型,匹配负载特性(变转矩/恒转矩/冲击负载);

  • 接线关键

  • :主电路严禁输入输出接反,控制电路与主电路分开走线,可靠接地;

  • 调试原则

  • :先空载试运行,再带载调试,参数设置优先匹配电机铭牌,再适配工况;

  • 故障排查

  • :过流查接线/加速时间/负载,过压查减速时间/制动电阻,接地查电阻/布线方式;

  • PLC通信

  • :通信参数(波特率/校验位/站号)必须全匹配,寄存器地址需核对变频器手册。

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