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标题变频器的控制功能 第2讲 变频器的频率给定方式
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简介
内容


    李方园（1973 －）
男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。

摘要：所谓频率给定方式，就是调节变频器输出频率的具体方法，也就是提供给定信号的方式。变频器常见的频率给定方式主要有：操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方式给定等。这些频率给定方式各有优缺点，必须按照实际的需要进行选择设置，同时也可以根据功能需要选择不同频率给定方式之间的叠加和切换。本文主要阐述的就是变频器的这几种频率给定方式。

关键词： 变频器；频率给定方式；键盘给定；模拟量

Abstract: The frequency setting method is the detailed way to adjust the output frequency of AC inverter. That is to say , it is to suppy the different input setting way. Normally there are many kinds of the frequency setting methods ,such as keybord setting, contact setting ,analog setting ,pulse setting, communication setting and so on. The user should make the right choise for these methods according to the fact. This paper will describe the frequency setting methods.

key words:AC inverter；frequency setting method；keybord setting；analog

    在使用一台变频器的时候，目的是通过改变变频器的输出频率，即改变变频器驱动电动机的供电频率从而改变电动机的转速。如何调节变频器的输出频率呢？关键是必须首先向变频器提供改变频率的信号，这个信号，就称之为“频率给定信号”。所谓频率给定方式，就是调节变频器输出频率的具体方法，也就是提供给定信号的方式。

    变频器常见的频率给定方式主要有：操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方式给定等。这些频率给定方式各有优缺点，必须按照实际的需要进行选择设置，同时也可以根据功能需要选择不同频率给定方式之间的叠加和切换。

1  操作器键盘给定

    操作器键盘给定是变频器最简单的频率给定方式，用户可以通过变频器的操作器键盘上的电位器、数字键或上升下降键来直接改变变频器的设定频率。

    操作器键盘给定的最大优点就是简单、方便、醒目（可选配LED数码显示和中文LCD液晶显示），同时又兼具监视功能，即能够将变频器运行时的电流、电压、实际转速、母线电压等实时显示出来。如果选择键盘数字键或上升下降键给定，则由于是数字量给定，精度和分辨率非常高，其中精度可达最高频率×±0.01%、分辨率为0.01Hz。如果选择操作器上的电位器给定，则属于模拟量给定，精度稍低，但由于无需像外置电位器的模拟量输入那样另外接线，实用性非常高。

    变频器的操作器键盘通常可以取下或者另外选配，再通过延长线安置在用户操作和使用方便的地方。一般情况下，延长线可以在5米以下选用，对于距离较远则不能简单地加长延长线，而是必须使用远程操作器键盘。

    图1所示为艾默生TD系列变频器的远程操作器连线示意。该远程操作器型号为TDO-RC02，与其变频器TD2000/2100系列操作器键盘的外观、基本操作方法以及显示风格等基本一致。它是采用内置RS485通讯方式实现远程操作控制的，工作电压为直流24V，在距离只有几十米的范围内可以采用变频器内部直流电源，若超过50米以上或者变频器内部直流电源另有他用，可以选用10W左右的标准直流24V电源。由于采用通讯方式实现远程操作控制，所以该操作器的安装距离可以在数百米范围内正常工作，并且通过采用不同的通讯地址对多达32台变频器进行远控操作。这些操作内容包括正反转运行、电动运行、停机、功能码设置、功能码参数查看、运行参数查看、故障复位等。



图1   艾默生变频器远程操作器连线

2  接点信号给定

    接点信号给定就是通过变频器的多功能输入端子的UP和DOWN接点来改变变频器的设定频率值。该接点可以外接按钮或其他类似于按钮的开关信号（如PLC或DCS的继电器输出模块、常规中间继电器）。具体接线可见图2。



图2   接点信号给定

    注意以下几点：

    （1）多功能输入端子需分别设置为UP指令或DOWN指令中的其中一个，不能重复设置，也不能只设置一个，更不能将UP/DOWN指令和保持加减速停止指令被同时分配。

    （2）端子的UP/DOWN速率必须被正确设置，速率单位为Hz/s。有了正确的速率设置，即使UP上升接点一直吸合，变频器的频率上升也不会一下子窜到最高输出频率，而是按照其上升速率上升。

    （3）是否断电保持频率功能必须设置，如设置为“断电保持有效”时，当变频器电源切断后频率指令被记忆，接通电源运行指令再次输入时，变频器自动加速运行到被记忆的频率为止。如设置“断电保持无效”时，当变频器电源切断后频率指令不被记忆，接通电源运行指令再次输入时，变频器按参数数值不同运行到某一固定频率（0Hz或其他，该参数依赖于变频器的型号）。

    图3为接点给定的时序示意。



图3   接点信号给定变频器运行时序

3  模拟量给定

    3.1 基本概念

    模拟量给定方式即通过变频器的模拟量端子从外部输入模拟量信号（电流或电压）进行给定，并通过调节模拟量的大小来改变变频器的输出频率。

    模拟量给定中通常采用电流或电压信号，常见于电位器、仪表、PLC和DCS等控制回路。电流信号一般指0～20mA或4～20mA。电压信号一般指0～10V、2～10V、0～±10V、0～5V、1～5V、0～±5V等。

    电流信号在传输过程中，不受线路电压降、接触电阻及其压降、杂散的热电效应以及感应噪声等影响，抗干扰能力较电压信号强。但由于电流信号电路比较复杂，故在距离不远的情况下，仍以选用电压给定为模拟量信号居多。

    变频器通常都会有2个及以上的模拟量端子（或扩展模拟量端子），有些端子可以同时输入电压和电流信号（但必须通过跳线或短路块进行区分），因此对变频器已经选择好模拟量给定方式后，还必须按照以下步骤进行参数设置：

    （1）选择模拟量给定的输入通道；

    （2）选择模拟量给定的电压或者电流方式及其调节范围，同时设置电压/电流跳线，注意必须在断电时进行操作；

    （3）选择模拟量端子多个通道之间的组合方式（叠加或者切换）；

    （4）选择模拟量端子通道的滤波参数、增益参数线性调整参数。

    3.2 频率给定曲线

    所谓频率给定曲线，就是指在模拟量给定方式下，变频器的给定信号P与对应的变频器输出频率f（x）之间的关系曲线f（x）=f（P）。这里的给定信号P，既可以是电压信号，也可以是电流信号，其取值范围在10V或20mA之内。

    一般的电动机调速都是线性关系，因此频率给定曲线可以简单地通过定义首尾两点的坐标（模拟量，频率）即可确定该曲线。如下图4a所示，定义首坐标为（Pmin，fmin）和尾坐标（Pmax，fmax），可以得到设定频率与模拟量给定值之间的正比关系。如果在某些变频器运行工况需要频率与模拟量给定成反比关系的话，也可以定义首坐标为（Pmin，fmax）和尾坐标（Pmax，fmin），如图4b。



a)正比关系           b)反比关系  

图4   频率给定曲线

    这里必须注意以下几点：（1）如果根据频率给定曲线计算出来的设定频率如果超出频率上下限范围的话，只能取频率上下值，因此，频率上下限值优先考虑。（2）在一些变频器参数定义中，模拟量给定信号P或设定频率f是采用百分比赋值，其百分比的定义为模拟量给定百分比P%=P/Pmax × 100％  和设定频率百分比f％＝f/fmax × 100％。（3）在一些变频器参数定义中，频率给定曲线不是直接描述出来，而是通过最大频率、偏置频率和频率增益表达。

    3.3 模拟量给定的滤波和增益参数

    模拟量的滤波是为了保证变频器获得的电压或电流信号能真实地反映实际值，消除干扰信号对频率给定信号的影响。滤波的工作原理是数字信号处理，即数字滤波。滤波时间常数就是特指模拟量给定信号上升至稳定值的63％所需要的时间（单位为秒）。

    滤波时间的长短必须根据不同的数学模型和工况进行设置，滤波时间太短，当变频器显示“给定频率”时有可能不够稳定而呈闪烁状；滤波时间太长，当调节给定信号时，给定频率跟随给定信号的响应速度会降低。一般而言，出于对抗干扰能力的考虑，需要增加滤波时间常数；处于对响应速度快的考虑，需要降低滤波时间常数。

    模拟量通道的增益参数与上面的频率增益不一样，后者主要是为定义频率给定曲线的坐标值，前者则是在频率给定曲线既定的前提下，降低或者提高模拟量通道的电压值或者电流值。

    3.4 模拟量给定的正反转控制

    一般情况下，变频器的正反转功能都可以通过正转命令端子或反转命令端子来实现。在模拟量给定方式下，还可以通过模拟量的正负值来控制电动机的正反转，即正信号（0～＋10V）时电动机正转、负信号（－10V～0）时电动机反转。如图5所示，10V对应的频率值为fmax，－10V对应的频率值为－fmax。



图5   模拟量的正反转控制和死区功能

    在用模拟量控制正反转时，零界点即0V时应该为0Hz，但实际上真正的0Hz很难做到，且频率值很不稳定，在频率0Hz附近时，常常出现正转命令和反转命令共存的现象，并呈“反反复复”状。为了克服这个问题，预防反复切换现象，就定义在零速附近为死区，如图28所示。

    对于死区，不同类型的变频器定义都会有所不同。一般有以下两种：（1）线段型。如图中所示，如定义（－1V，＋1V）为死区，则模拟量信号在（－1V，＋1V）范围时按零输入处理，（＋1V，＋10V）对应（0Hz，最大频率），（－1V，－10V）对应（0Hz，负的最大频率）。（2）滞环回线型。在变频器的输出频率定义一个频率死区（－fdead，＋fdead），这样一来配合着电压死区（－Udead，＋Udead）就围成了滞环回线。

    模拟量的正反转控制功能还有一种就是在模拟量非双极性功能的情况下（也就是说电压不为负的单极性模拟量）也可以实现，即定义在给定信号中间的任意值作为正转和反转的零界点（相当于原点），高于原点以上的为正转，低于原点以下的为反转。同理，也可以相应设置死区功能，实现死区跳跃。但是，在这种情况下，却存在一个特殊的问题，即万一给定信号因电路接触问题或其他原因而丢失，则变频器的输入端得到的信号为0V，其输出频率将跳变为反转的最大频率，电动机将从正常工作状态转入高速反转状态。十分明显，在生产过程中，这种情况的出项将是十分有害的，甚至有可能损坏生产机械。对此，变频器设置了一个有效的“零”功能。就是说，让变频器的实际最小给定信号不等于0，而当给定信号等于0时，变频器的输出频率则自动降至0速。

4  脉冲给定

    脉冲给定方式即通过变频器的特定的高速开关端子从外部输入脉冲序列信号进行频率给定，并通过调节脉冲频率来改变变频器的输出频率。
不同的变频器对于脉冲序列输入都有不同的定义，以安川VS G7为例：脉冲频率为0～32KHz，低电平电压为0.0～0.8V，高电平电压为3.5～13.2V，占空比为30％～70％。

    脉冲给定首先要定义100％时的脉冲频率，然后就可以与模拟量给定一样定义脉冲频率给定曲线。该频率给定曲线也是线性的，通过首坐标和尾坐标两点的数值来确定。因此，其频率给定曲线可以是正比线性关系，也可以是反比线性关系。一般而言，脉冲给定值通常用百分比来表示。

    这里进行举例说明一下脉冲给定的参数设置。现在有一个变频系统，其需求如下：（1）使用端子输入的脉冲信号来设置给定频率；（2）输入信号范围为1KHz～20KHz；（3）要求1 KHz输入信号对应设定频率为50Hz，20KHz输入信号对应设定频率为5Hz。

    根据上述要求，参数设置要点如下：（1）设置频率给定方式为脉冲给定；（2）选择多功能输入端子为脉冲信号输入（如脉冲信号端子固定则无需选择，如安川VS G7的RP端子）；（3）设置脉冲最大输入频率为20KHz；（4）定义频率给定曲线首坐标点的数值，即最小脉冲给定值的百分比为1 KHz÷20 KHz×100％＝5％，以及最小脉冲数对应的频率值50Hz；（5）定义频率给定曲线尾坐标点的数值，即最大脉冲给定值的百分比为100％，以及最大脉冲数对应的频率值5Hz。具体如图6所示。



图6   脉冲给定曲线

5  通讯给定

    5.1 基本概念
   
    给定方式就是指上位机通过通讯口按照特定的通讯协议、特定的通讯介质进行数据传输到变频器以改变变频器设定频率的方式。

    上位机一般指计算机（或工控机）、PLC、DCS、人机界面等主控制设备。

    上位机和变频器之间传输数据的方式主要有两种：（1）串行方式。它每次只传送二进制的一位，主要优点是连线少，一般只有2根或3根，缺点是传送速度较低；(2)并行方式。它每次可传送一个完整的字符，传送速度快，但所需的连线较多，一般需要8根或16根，成本相应就高了许多。由于上位机与变频器之间的距离一般不会太远，对传输速度的要求也不是很高，因此在通常情况下都采用串行传输方式。

    上位机和变频器之间进行通讯的主要方式也有两种：（1）异步方式。每个字符前有一个起始位，表示该字符已经开始；当数据传输完毕后，设置一个奇偶校验位进行奇偶校验；最后，又设置一个停止位，表示该字符已经结束。异步传输的优点是灵活性好，便于处理实时性较强的串行数据；缺点是传输速度较低。（2）同步方式。它可以同时传输一个包含许多个字符的“数据块”，只需在每个数据块前面设置通讯双方共同规定的同步符号“SYN字符1”和“SYN字符2”即可。同步方式的优点是不必要在每个字符的前后设置标志符号（起始位和停止位），从而节省了时间，提高了传输速度；缺点是必须采用同步脉冲来协调，从而灵活性较差。

    上位机和变频器之间的传递方法也有两种：（1）全双工方式。数据在上位机和变频器之间的发送和接收可以同时进行。（2）半双工方式。每台设备都只能做一件事情，或接收，或发送，而不能同时发送或接收。每次发送或接收时，都需要进行发送和接收之间的换向。

    上位机和变频器之间的传输速度通常用“波特率”来表示，其定义如下：每秒钟传送二进制位的位数，单位是bit/s。

    5.2 通讯参数设置

    只有设置正确的通讯参数才能确保上位机和变频器之间的通讯正常，也才能保证通讯给定方式的准确性。通讯参数一般包含以下几个主要内容：

    （1）波特率选择。一般的变频器通讯波特率可以选择300BPS、600BPS、1200BPS、2400BPS、4800BPS、9600BPS、19200BPS、38400BPS等。

    （2）数据格式。常见的数据位包括一个起始位、八个数据位、一个停止位，校验位则可以分别设置位奇校验、偶校验和无校验三种。

    （3）接线方式。包括直接电缆连接RS232/RS485和调制解调器MODEM（RS232），其中设置为调制解调器MODEM（RS232）时，每当变频器上电时，将通过变频器的通讯口（RS232）对调制解调器MODEM做一次初始化操作，以便调制解调器在接收到电话线路3次振铃后自动响应，实现由拨号线路组成的远程控制线路。

    （4）通讯地址。用来标志变频器本体的地址，其中有一个为广播地址，可以接受和执行上位机的广播命令，而不会应答上位机。

    （5）通讯超时检出时间。当通讯口信号消失后，其持续时间超过通讯超时设置后，变频器即判断为通讯故障。

    （6）变频器应答延时。它指变频器通讯口在接收并解释执行上位机发送过来的命令后，直到返回应答帧给上位机所需要的延迟时间。

    5.3 通讯故障及处理

    通讯超时故障检出后，变频器将按照预先设置的动作模式进行操作。常见的动作模式有故障跳闸并停机、报警并维持现有频率运行、报警并按限定频率运行。

6  给定方式的叠加

    6.1 基本概念

    给定方式的叠加是指在主给定通道频率的基础上再加上辅助给定通道频率作为变频器的设定频率。其叠加方式不是简单的加法运算，还可以融合多种叠加运算公式。

    图7所示为典型的给定方式的叠加原理。F1为主给定通道频率，F2为辅助给定通道频率，F3为F1加上F2的和，F4则是F3经比例调整后的最终设定频率。



图7   给定方式的叠加

    6.2  叠加运算公式

    不同给定方式的叠加是指在主给定通道频率的基础上再加上辅助给定通道频率作为变频器设定频率。

7  给定方式的切换

    给定方式的切换是指通过多功能端子的不同组合来实现不同给定方式之间的切换。在下面的列表1显示中，通过多功能输入端子X1、多功能输入端子X2、多功能输入端子X3不同的输入状态可以实现最多达7种给定方式之间的切换（ON表示信号接通、OFF表示信号断开）。

表1  频率给定方式的切换

    表1中的操作器键盘给定1为键盘电位器、操作器键盘给定2为数字键盘；模拟量给定1为模拟量通道1信号、模拟量给定2为模拟量通道2信号。当然，表3中给出的只是其中一种切换类型，具体的切换类型必须参照不同变频器的型号和具体的参数而定。

参考文献

    [1]  李方园.变频器行业应用实践[M].中国电力出版社,2006.

    [2]   李方园.变频器自动化工程实践[M].电子工业出版社,2007.

    [3]   张燕宾,胡纲衡,唐瑞球.使用变频调速技术培训教程[M].机械工业出版社,2004.

    [4]   吴忠智,吴加林.变频器应用手册（第2版）[M].机械工业出版社,2003.

    [5]   吴忠智,黄立培,吴加林.调速用变频器及配套设备选用指南[M].机械工业出版社,2002.