变频器的英文译名是VFD(Variable-frequency Drive),这可能
变频器的英文译名是VFD(Variable-frequency Drive)，这可能是现代科技由中文反向译为英文的为数不多实例之一。(但VFD也可解释为Vacuum fluorescent display，真空荧光管，故这种译法并不常用)。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器在中、韩等亚洲地区受日本厂商影响而曾被称作VVVF(Variable Voltage Variable Frequency Inverter)。 变频器的频率给定方式
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。 变频器基础原理知识
1、什么是变频器?
变频器是利用电力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，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。国内技术较领先的品牌有汇川、正弦、德瑞斯、英威腾、欧瑞、蓝海华腾、欣灵、紫日、阿尔法、上海亚泰等。
2、PWM和PAM的不同点是什么?
PWM是英文Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式。PAM是英文Pulse Amplitude Modulation (脉冲幅值调制) 缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。
3、电压型与电流型有什么不同?
变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。
4、为什么变频器的电压与频率成比例的改变?
任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果，电流是不允许超过额定值的，否则将引起电动机的发热。因此，如果磁通减小，电磁转矩也必减小，导致带载能力降低。 由公式E=4.44*K*F*N*Φ 可以看出，在变频调速时，电动机的磁路随着运行频率fX是在相当大的范围内变化，它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流。 因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的
同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。
5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加;对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加?
频率下降(低速)时，如果输出相同的功率,则电流增加，但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。
6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样?
采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同，为125%~200%)。用工频电源直接起动时，起动电流为额定电流6~7倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.2~1.5倍，起动转矩为70%~120%额定转矩;对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。
7、V/f模式是什么意思?
频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。
8、按比例地改V和f时，电机的转矩如何变化?
频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些，以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现，有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。
9、在说明书上写着变速范围60~6Hz，即10：1，那么在6Hz以下就没有输出功率吗?
在6Hz以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使用频率取6Hz左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为0.5~3Hz。。
10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以?
通常情况下时不可以的。在60Hz以上(也有50Hz以上的模式)电压不变，大体为恒功率特性，在 高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。
11、所谓开环是什么意思?
给所使用的电机装置设速度检出器(PG)，将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环 ”，不用PG运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈.无速度传感器闭环控制方式是根据建立的数学模型根据磁通推算电机的实际速度，相当于用一个虚拟的速度传感器形成闭环控制。
12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办?
开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内(1%~5%)变动。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器(选用件)。
13、如果用带有PG的电机，进行反馈后速度精度能提高吗?
具有PG反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的值取决于PG本身的精度和变频器输出频率的分辨率。
14、失速防止功能是什么意思?
如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。
15、有加速时间与减速时间可以分别给定的机种，和加减速时间共同给定的机种，这有什么意义?
加减速可以分别给定的机种，对于短时间加速、缓慢减速场合，或者对于小型机床需要严格给定生产节拍时间的场合是适宜的，但对于风机传动等场合，加减速时间都较长，加速时间和减速时间可以共同给定。
16、什么是再生制动?
电动机在运转中如果降低指令频率，则电动机变为异步发电机状态运行，作为制动器而工作，这就叫作再生(电气)制动。
17、是否能得到更大的制动力?
从电机再生出来的能量贮积在变频器的滤波电容器中，由于电容器的容量和耐压的关系，通用变频器的再生制动力约为额定转矩的10%~20%。如采用选用件制动单元，可以达到50%~100%。
18、请说明变频器的保护功能?
保护功能可分为以下两类： (1) 检知异常状态后自动地进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。 (2) 检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。
19、为什么用离合器连接负载时，变频器的保护功能就动作?
用离合器连接负载时，在连接的瞬间，电机从空载状态向转差率大的区域急剧变化，流过的大电流导致变频器过电流跳闸，不能运转。
20、在同一工厂内大型电机一起动，运转中变频器就停止，这是为什么?
电机起动时将流过和容量相对应的起动电流，电机定子侧的变压器产生电压降，电机容量大时此压降影响也大，连接在同一变压器上的变频器
将做出欠压或瞬停的判断，因而有时保护功能(IPE)动作，造成停止运转。
21、什么是变频分辨率?有什么意义?
对于数字控制的变频器，即使频率指令为模拟信号，输出频率也是有级给定。这个级差的最小单位就称为变频分辨率。 变频分辨率通常取值为0.015~0.5Hz.例如，分辨率为0.5Hz，那么23Hz的上面可变为23.5、24.0 Hz，因此电机的动作也是有级的跟随。这样对于像连续卷取控制的用途就造成问题。在这种情况下，如果分辨率为0.015Hz左右，对于4级电机1个级差为1r/min 以下，也可充分适应。另外，有的机种给定分辨率与输出分辨率不相同。
22、装设变频器时安装方向是否有限制。
变频器内部和背面的结构考虑了冷却效果的，上下的关系对通风也是重要的，因此，对于单元型在盘内、挂在墙上的都取纵向位，尽可能垂直安装。
23、不采用软起动，将电机直接投入到某固定频率的变频器时是否可以?
在很低的频率下是可以的，但如果给定频率高则同工频电源直接起动的条件相近。将流过大的起动电流(6~7倍额定电流)，由于变频器切断过电流，电机不能起动。
24、电机超过60Hz运转时应注意什么问题?
超过60Hz运转时应注意以下事项：
(1)机械和装置在该速下运转要充分可能(机械强度、噪声、振动等)。
(2)电机进入恒功率输出范围，其输出转矩要能够维持工作(风机、泵等轴输出功率于速度的立方成比例增加，所以转速少许升高时也要注意)。
(3)产生轴承的寿命问题，要充分加以考虑。
(4)对于中容量以上的电机特别是2极电机，在60Hz以上运转时要与厂家仔细商讨。
25、变频器可以传动齿轮电机吗?
根据减速机的结构和润滑方式不同，需要注意若干问题。在齿轮的结构上通常可考虑70~80Hz为最大极限，采用油润滑时，在低速下连续运转关系到齿轮的损坏等。
26、变频器能用来驱动单相电机吗?可以使用单相电源吗?
基本上不能用。对于调速器开关起动式的单相电机，在工作点以下的调速范围时将烧毁辅助绕组;对于电容起动或电容运转方式的，将诱发电容器爆炸。变频器的电源通常为3相，但对于小容量的，也有用单相电源运转的机种。
27、变频器本身消耗的功率有多少?
它与变频器的机种、运行状态、使用频率等有关，但要回答很困难。不过在60Hz以下的变频器效率大约为94%~96%，据此可推算损耗，但内藏再生制动式(FR-K)变频器，如果把制动时的损耗也考虑进去，功率消耗将变大，对于操作盘设计等必须注意。
28、为什么不能在6~60Hz全区域连续运转使用?
一般电机利用装在轴上的外扇或转子端环上的叶片进行冷却，若速度降低则冷却效果下降，因而不能承受与高速运转相同的发热，必须降低在低速下的负载转矩，或采用容量大的变频器与电机组合，或采用专用电机。
29、使用带制动器的电机时应注意什么?
制动器励磁回路电源应取自变频器的输入侧。如果变频器正在输出功率时制动器动作，将造成过电流切断。所以要在变频器停止输出后再使制动器动作。
30、想用变频器传动带有改善功率因数用电容器的电机，电机却不动，请说明原因。
变频器的电流流入改善功率因数用的电容器，由于其充电电流造成变频器过电流(OCT),所以不能起动，作为对策，请将电容器拆除后运转，至于改善功率因数，在变频器的输入侧接入AC电抗器是有效的。
31、变频器的寿命有多久?
变频器虽为静止装置，但也有像滤波电容器、冷却风扇那样的消耗器件，如果对它们进行定期的维护，可望有10年以上的寿命。
32、变频器内藏有冷却风扇，风的方向如何?风扇若是坏了会怎样?
对于小容量也有无冷却风扇的机种。有风扇的机种，风的方向是从下向上，所以装设变频器的地方，上、下部不要放置妨碍吸、排气的机械器材。还有，变频器上方不要放置怕热的零件等。风扇发生故障时，由电扇停止检测或冷却风扇上的过热检测进行保护
33、滤波电容器为消耗品，那么怎样判断它的寿命?
作为滤波电容器使用的电容器，其静电容量随着时间的推移而缓缓减少，定期地测量静电容量，以达到产品额定容量的85%时为基准来判断寿命。
34、装设变频器时安装方向是否有限制。
应基本收藏在盘内，问题是采用全封闭结构的盘外形尺寸大，占用空间大，成本比较高。其措施有： (1)盘的设计要针对实际装置所需要的散热(2)利用铝散热片、翼片冷却剂等增加冷却面积 (3)采用热导管。
35、变频器直流电抗器的作用是什么?
减小输入电流的高次谐波干扰，提高输入电源的功率因数。
36、变频器附件正弦滤波器有什么作用?
正弦滤波器允许变频器使用较长的电机电缆运行，也适用于在变频器与电机之间有中间变压器的回路。
37、变频器的给定电位器的电阻值多大?
变频器的给定电位器的阻值一般为1KΩ至10KΩ。
38、为什么变频器不能用作变频电源?
变频电源的整个电路由交流一直流一交流一滤波等部分构成，因此它输出的电压和电流波形均为纯正的正弦波,非常接近理想的交流供电电源。可以输出世界任何国家的电网电压和频率。而变频器是由交流一直流一交流(调制波)等电路构成的,变频器标准叫法应为变频调速器。其输出电压的波形为脉冲方波,且谐波成分多,电压和频率同时按比例变化,不可分别调整,不符合交流电源的要求。原则上不能做供电电源的使用,一般仅用于三相异步电机的调速。
39、变频器有哪些干扰方式及一般如何处理?
A. 传播方式：(1)辐射干扰 (2)传导干扰
B. 抗干扰措施 ：对于通过辐射方式传播的干扰信号，主要通过布线以及对放射源和对被干扰的线路进行屏蔽的方式来削弱。对于通过线路传播的干扰信号，主要通过在变频器输入输出侧加装滤波器，电抗器或磁环等方式来处理。具体方法及注意事项如下：(1)信号线与动力线要垂直交叉或分槽布线。(2)不要采用不同金属的导线相互连接。(3)屏蔽管(层)应可靠接地，并保证整个长度上连续可靠接地。(4)信号电路中要使用双绞线屏蔽电缆。(5)屏蔽层接地点尽量远离变频器，并与变频器接地点分开。(6)磁环可以在变频器输入电源线和输出线上使用，具体方法为：输入线一起朝同一方向绕4圈，而输出线朝同一方向绕3圈即可。绕线时需注意，尽量将磁环靠近变频器。(7)一般对被干扰设备仪器，均可采取屏蔽及其它抗干扰措施。
40、想提高原有输送带的速度，以80Hz运转，变频器的容量该怎样选择?
输送带消耗的功率与转速成正比，因此若想以80HZ运行，变频器和电机的功率都要按照比例增加为80HZ/50HZ,即提高60%容量。
维护和检查时的注意事项有：
(1) 在关掉输入电源后，至少等5分钟才可以开始检查(还要正式充电发光二极管已经熄灭)否则会引起触电。
(2) 维修、检查和部件更换必须由胜任人员进行。(开始工作前，取下所有金属物品(手表、手镯等)，使用带绝缘保护的工具)
(3) 不要擅自改装频频器，否则易引起触电和损坏产品。
(4) 变频器维修之前，须确认输入电压是否有误，将380V电源接入220V级变频器之中会出现炸机(炸电容、压敏电阻、模块等)。
变频器主要由半导体元件构成，因此，必须进行日常的检查，防止不利的工作环境，如温度、湿度、粉尘和振动的影响，并防止因部件使用寿命所引起的其它故障。
检查项目：
(1) 日常检查：检查变频器是否按要求工作。用电压表在变频器工作时，检查其输入和输出电压。
(2) 定期检查：检查所有只能当变频器停机时才能检查的地方。
(3) 部件更换：部件的寿命很大程度上与安装条件有关。
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摘要
随着社会的不断发展，工业自动化领域不断走入正规和壮大。对于人们日常生存等需求日益增加，实现工业自动化与智能化已经迫在眉睫。其中在城市供水系统中，可以通过可编程控制器(PLC)、变频器控制电机的转速以及PID控制来实现对城市恒压供水。
从上个世纪80年代至90年代中期，PLC领域得到了快速的发展，在这期间，PLC在处理模拟信号、数字信号以及人机交互等方面的发展，促使PLC技术大量应用于工业自动化控制领域。PLC具有通用性强、使用便捷简单、抗干扰能力强等优点，也使得PLC在工业控制中的地位，在可预见的未来，是无法替代的。
本文是依照西门子三菱 PLC为控制系统，来实现对恒压控制系统的手动及自动控制，通过三菱变频器来直接控制三相异步电动机的转速，从而实现恒压输出。变频器可以接收来自PLC的信号，主要分为手动和自动方式来调节水压。
本文主要针对恒压供水来设计，需要PID控制系统来调节水压，而一些变频器内置了PID功能，这也显示了变频器在工业领域的可实施性。通过压力设定值与压力变送器返回值进行比较，将偏差反馈给变频器内部的PID调节器，PID调节器经过运算处理，得出调节信号，从而实现闭环控制。
关键词：PLC、变频器、恒压、PID控制
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第一章 绪论
随着社会的迅速发展，工业也逐渐步入了4.0时代，机器人等一些智能化控制也逐渐进入了我们的生活。恒压供水一直以来是工业以及生活中维持生存的命脉。为了实现日常生活和工业生产的正常供水，我们必须寻找一种稳定的供水系统来解决昼夜用水量不同以及用户日益增加的问题。
PLC的快速发展发生在上世纪80年代至90年代中期。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到了很大的提高和发展。PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。PID控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数 Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。
1.1 PLC变频调速恒压供水系统的意义
近年来，由于工业迅猛的发展和人们日常物质的需求不断提高，这使得高塔供水系统的水压不稳定，从而影响工业生产和人们日常生活需求。为了提高供水水压的稳定性和恒速输出，我们可以通过三相异步电动机的转速来控制水压以及水速，三相异步电动机可以通过变频器来调节频率来控制电机的转速，为了实现整个恒压供水控制系统的手动以及自动控制，我们可以通过PLC来控制整个系统。
PLC是基于微型计算机技术的通用工业自动控制设备。由于PLC体积小、功能强、速度快、可靠性高，又具有较大的灵活性和可扩展性，目前已被应用到机械制造、冶金、化工、交通、电子、纺织、印刷、建筑等诸多领域。
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、控制单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得
2 到了非常广泛的应用。
通过变频器、PLC以及继电器等元件组成的恒压控制系统具有较高的可靠性，对外界具有较高的抗干扰能力，PLC编程通俗易懂，易于控制，所需成本低等优良特点，使得PLC变频调速恒压供水系统在日常生活用水以及工业生产用水成为可能。
恒压供水系统在无人操作的情况下，可以完成对供水管道的恒压输出，保持供水的恒压输出也就是供水流量的稳定，根据力学原理，水泵的流量与电机的转速成正比。变频恒压供水系统的基本原理是依照系统中的压力传感器对系统供水管道中的压力进行实时检测，并通过过程控制的原理将压力信号和设定值进行比较，反馈给处理器，通过执行机构变频器，来完成对泵机转速的控制，使得在外界干扰的作用下，水压及水流量能稳定在某一范围内，这就是所谓的恒压控制系统。其意义可显而易见，保障恒压供水，可以使人们日常生活及工业生产更加方便和稳定。
1.2 国内外研究现状及发展
现在社会上，随着计算机的普及以及工业技术的不断完善，使得对供水的恒压控制已经成为可能。PLC技术的不断发展以及变频器的广泛应用，也使得恒压供水系统可靠性、实用性等性能得到体现。
从查阅的资料来看，国内供水系统发展比较缓慢，最开始是通过高塔供水系统来提供生活及工业生产供水，高塔供水系统最大缺点就是供水水压不稳定，随着社会的不断发展以及工业技术的不断进步，恒压供水系统是在变频器技术不断改善的基础上发展起来的，最先由于国外生产的变频器功能的局限性，在恒压供水控制系统中，变频器仅仅作为执行机构，就是单单接收控制器信号来控制电机的转速。为了满足供水时的恒压稳定输出，变频器也随之改进，人们在变频器内部囊括了PID控制，通过外部控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。
最初由于变频器技术的不成熟，国外的恒压供水系统在设计时都采用一台变频器控制一台电机的方式，很少使用一台变频器控制多台电机组的形式，这使得整个恒压供水控制系统成本高。随着变频技术的不断改善，以及PLC技术的巩固，使得变频恒压供水系统的稳定性、可靠性的性能显著提高。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现;有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。
变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展,在国内外，专门
3 针对供水的变频器集成化越来越高，很多专用供水变频器集成了PLC 或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简明显偏高，维护成本也高于国内产品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC 或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)，的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。
1.3本课题主要研究内容
本设计是按照中小城市自来水厂为研究背景，应用变频技术、PLC技术、过程控制技术等，实现对供水系统的恒压控制。
本设计采用三菱PLC和变频器，通过PLC系统的控制和变频器的变频变压，并且利用变频器内置的PID控制器来完成恒压的闭环控制。本文主要研究内容及结构如下：
1)针对PLC及变频器技术基础展开全文，介绍PLC的发展过程及应用、PLC的基本组成、工作原理等;简单介绍了变频器，包括变频器的基本组成单元、变频器的分类及工作原理。还简单介绍了PID控制技术。
2)针对供水系统的恒压控制的设计。本次设计采用选用三菱FX2N～32MR系列的可编程控制器，变频器选用型号为三菱的FR—A540，首先通过介绍了三菱FX2N～32MR的PID控制器引入主题，通过使用PLC的编程控制、变频器的主电路对电机的控制以及变频器内部PID功能模块对供水输出水压的反馈控制，我们仅需使用两者变实现对恒压供水系统的控制。本章还介绍了供水系统的组成、PLC编程软件等的内容。
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第二章 PLC和变频器技术基础
PLC是专门应用于工业控制的一种计算机，也就是人们所说的可编程控制器，在工业控制领域，它作为整个系统的控制中心，执行逻辑、顺序、计数、定时等功能，通过模拟量和数字量的输入输出信号，来控制工业生产的正常运行。
2.1 可编程控制技术
2.1.1 可编程控制器的发展过程及应用
PLC起源于美国，在1969年，美国数设备公司成功研制出第一台可编程控制器PDP-14，由于技术的局限，该产品功能比较简单，但这是首次采用程序化的手段应用于工业控制，因此被世界公认为第一台PLC。1971年，日本从美国引进了这项技术，很快也研制出本国的第一台PLC ，被命名为DSC-18。1973年西欧国家也相继研发出他们的产品。我国可编程控制器发展较晚，是从1974开始研制，1977年才应用于工业控制领域。从20世纪70年代开始，随着电子技术的迅猛发展，PLC采用通讯微处理器的技术逐渐发展成熟，使得PLC控制功能得到进一步的增强。20世纪80年代，随着集成电路等微电子技术的发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC，使得PLC功能进一步加强，如工作速度快，抗干扰能力强、可靠性高、成本低、编程及故障检测更加灵活简单等。目前，PLC已进入成熟阶段，广泛应用于我们的日常生活领域和工业生产领域，如石油、化工、电力、建筑、汽车、环保、水力等各个行业。
2.1.2可编程控制器的组成和工作原理
可编程控制器组成包括CPU控制单元、I/O输入输出单元、内存单元、电源模块、底板或机架。
1.CPU控制单元
CPU控制单元是PLC的核心部分，CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现他们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。CPU按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，他们决定了PLC的工作速度，I/O输入输出信号点的数量及软件的容量等，因此是PLC控制规模的决定性因素。
2. I/O输入输出模块
5 PLC输入输出模块是PLC控制系统接收信号和发出信号的模块，也就是与电气回路的接口。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI)，开关量输出(DO)，模拟量输入(AI)，模拟量输出(AO)等模块。
常见的I/O信号的分类有：
开关量信号：输入输出信号按电压高低分类，有220VAC、110VAC、24VDC,按隔离方式划分，有集体管隔离和继电器隔离两种。
模拟量信号：按信号类型分，有电流型(4-20mA,0-20mA)、电压型(0-10V,0-5V,-10-10V)等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数的限制。我们在设计过程中需要根据输入输出信号点的数量以及信号类型来选择PLC的类型。
3. 编程器
编程器的作用是用来供用户进行程序的输入、编辑、调试和监视的。编程器一般分为简易型和智能型两类。简易型只能联机编程，且往往需要将梯形图转化为机器语言助记符后才能送入。而智能型编程器(又称图形编程器)，不但可以连机编程，而且还可以脱机编程。操作方便且功能强大。
4. 电源
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源(220VAC或110VAC)，直流电源(常用的为24VDC)。 可编程控制器的工作原理: PLC的工作方式与一般的计算机是不同的，它对I/O状态和用户程序作周期性的循环扫描、解释并加以执行，这一周期称为基本扫描周期，由程序长短和CPU指令执行时间所确定，一般为数十毫秒。开关控制输出方式可为继电器、晶闸管或晶体管，连续量输出可为电流或电压。
PLC工作的全过程可用图 2-1 所示的运行框图来表示。
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图 2-1 可编程控制器运行框图
2.1.3可编程控制器的分类及特点
(一)小型PLC 小型PLC 的I/O 点数一般在128 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个硬件融为一体，除了开关量I/O以外，还可以连接模拟量I/O 以及其他各种特殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术、运算数据处理和传送通讯联网以及各种应用指令。
(二)中型PLC 中型PLC 采用模块化结构，其I/O 点数一般在256～1024 点之间，I/O 的处
7 理方式除了采用一般PLC 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式即在扫描用户程序的过程中直接读输入刷新输出，它能联接各种特殊功能模块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。
(三)大型PLC 一般I/O 点数在1024 点以上的称为大型PLC，大型PLC 的软硬件功能极强，具有极强的自诊断功能、通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块可以构成三级通讯网实现工厂生产管理自动化，大型PLC 还可以采用冗余或三CPU 构成表决式系统使机器的可靠性更高。
2.2 变频器技术
变频器的产生解决了启动电流过大而损耗电机和工作电网不稳等问题，一定程度上它增加了电机的使用寿命，也起到了一定节能的效果。变频器的产生主要是变频技术和微电子技术发展的产物。变频器是通过改变电机电源频率的方式来控制电机的速度。变频器最大特点是可以改变电源的频率，通过改变频率，来实现对交流异步电机的变频调速、软启动、过流保护、过载保护、节能等功能。
2.2.1变频器的组成
变频器通常有四部分组成：整流单元、高容量电容、逆变器、控制器。 整流单元：整流单元的主要是通过变流器或者可逆变流器，将工频交流电源转换为直流电源。
高容量电容：存储转换后的电能。
逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。
控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。
2.2.2变频器工作原理
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。按照变换环节有无直流环节，变频器可分为交一交变频器和交一直一交变频器。
交一直一交变频器主电路可分三部分：
8
+三相交流电源VT1VT2VT3ZAUVT4ABVT5VT6CZBZCO-整流电路逆变电路滤波电路
图2-2交一直一交变频器主电路
1. 整流电路：交一直部分整流电路通常由二极管或是可控硅构成的桥式电路组成。根据输入电源不同，可以分为单相和三相桥式整流电路。常用的小型变频器通常为单相220V输入，而较大功率变频器通常为380V三相输入。
2. 中间环节：滤波电路
滤波电路一般可分为电感滤波电路和电容滤波电路。由于流过电感的电流不能突变，电容两端的电压不能突变，所以用电感滤波就构成电流源型变频器，用电容滤波就构成了电压源型变频器。
3. 逆变电路：直一交部分
逆变电路部分是交一直一交变频器的核心之处，其中6个三极管按其导通顺序分别用VT1~VT6表示，与三极管反向并联的二极管起续流作用。
按每个三极管的导通角度又分为120°导通型和180°导通型两种类型。 逆变电路的输出电压为阶梯波，虽然不是正弦波，却是彼此相差120°的交流电压，即实现了从直流电到交流电的逆变。输出电压的频率取决于逆变器开关器件的切换频率，达到了变频的目的。
除此之外，逆变电路还有保护半导体元件的缓冲电路，三极管也可以用门极可关断晶闸管代替。
交一交变频器是指无直流中间环节，直接将电网固定频率的恒压恒频交流电源变换成变压变频交流电源的变频器，被人们称为直接变压变频器，也称为周波变频器。
交一交变频器的基本原理如下：
在有源逆变电路中，若才用两组反向并联的可控整流电路，适当控制各组可控硅的关断和导通，就可以在负载上得到电压极性和大小都改变的直流电压。若再适当控制正反两组可控硅的切换频率，在负载两端就能得到交变的输出电压，从而实现交一交直接变频。
9 2.3 PID控制
在工业电气控制方面，按照控制方式可分为开环控制和闭环控制两种，PID控制是比例积分微分控制的简称，也是闭环控制的一种经典的控制规律。
开环控制方式是指控制装置与被控对象之间，只有顺向作用而没有反向联系的控制过程，按这种方式组成的系统称之为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响。开环控制系统可以按给定量控制方式组成，也可以按照扰动控制方式组成。
闭环控制也称为反馈控制，其控制方式是按照偏差进行控制的，其特点是不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减少或者是消除这个偏差，使被控量与期望值接近相等。按闭环控制方式组成的闭环控制系统，具有抑制任何内、外扰动对被控量产生影响的能力，有较高的控制控制精度。
闭环控制的基本框图如下：
给定值+-调节器D/A转换器被控量执行器过程A/D转换测量变送图2-3 闭环控制框图
上图是闭环控制的一个经典的闭环控制系统的框图。图中用“○”号代表比较元件，它将测量元件检测出的值与输入值进行比较，“—”号代表两者的符号相反，也就是所谓的负反馈;“+”号表示被控量与输入量的符号相同，即正反馈。信号从输入端经过调节器、执行结构等到达输出端，称为前向通道;系统输出量经过测量元件的测量变送，反馈给输入值，此段通道称之为反馈通道。
通常，闭环控制系统的外作用有两种形式，一种是系统的输入量，另一种为外界的干扰因素，即扰动量。在正常的工业生产中，扰动是不可避免的，不同的生产环境，扰动的因素也有所不同，而且它可以在整个控制系统的任何元部件进行干扰作用。也正是因为干扰因素的作用，我们才引入了闭环控制系统。
闭环控制是过程控制的一种类型。过程控制是通过通过各种检测仪表、控制仪表、电子计算机等自动化技术元件，对整个工艺生产过程进行自动检测自动控制、自动监控。对于一个过程控制系统来说，是由被控过程及过程检测仪表两部分构成的，过程控制系统主要有调节器、检测元件、调节阀、变送器等构成。对于过程控制系统的设计经验而讲，主要有两方面，一是工业过程的工艺要求，其
10 次是过程特性，设计时可以根据实际生产需求来选用相应的过程控制仪表，进而创建系统，最后通过PID参数的设定，实现对工业生产过程的最佳控制。
在选择控制器时，我们可根据过程特性来选择，若无法准确的建模或者是过程的数学建模很复杂时，可根据何种控制规律适用于何种过程特性与工艺要求来选择，常用的控制规律有比例控制(P)、比例积分控制(PI)、比例微分控制(PD)、比例积分微分控制(PID)。
1. 比例控制规律(P)：
采用比例控制规律能较快地克服扰动的影响，使得系统稳定下来，但是存在余差。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。
2. 比例积分控制(PI)
在工程设计上，比例积分控制是应用最常见的一种控制方式，其最大的特点是能消除余差，它适用于控制滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差等范畴。如某些流量、液位等要求无余差的控制系统。
3.比例微分控制(PD)
比例微分控制的特点是具有超前作用，对于具有容量滞后的控制特性，可以使用微分控制规律来改善系统的动态性能指标。因此对于控制通道的时间常数或是容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减少动态偏差等可选择使用比例微分控制，但是对于纯滞后较大，测量信号有噪声或是周期性扰动的系统，则不宜采用微分控制。
4.比例积分微分控制(PID)
比例积分微分控制是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上应用积分的作用，来消除余差，再通过微分的作用，可以提高系统的稳定性。它适用于控制系统时间常数或是容量滞后较大、控制要求高的现场。如恒压、恒温的控制等。
PID控制器参数的设定是整个控制系统的核心内容，它决定了整个系统稳定性能，参数设定主要包括PID控制器的比例系数、微分时间和积分时间。PID控制参数设定方法主要分为两大类：一是工程设定方法，主要通过工程的积累经验，直接通过在控制系统的调试中进行，由于其通俗易懂、容易掌握，被工程调试广泛应用。二是通过数学理论设定，它主要是根据数学理论模型，按照一定的数学运算规律来确定控制器的各个参数变量，这种参数计算方法一般不能直接应用到工业调试中，还需要结合现场实际情况进行调整和修改。
现场调试一般使用工程整定的方法来调节参数，主要有临界比例法、衰减法和反应曲线三种方法。临界比例法是最常见的一种设定方法。其整定步骤如下：
1) 预设定一个足够短的采样周期来让控制系统工作。
2)仅加入比例控制参数进行调节，直到控制系统对输入的阶跃响应出现临界
11 震荡现象，记下纯比例控制的放大系数和临界状态下的震荡周期
3)在一定的控制力度下，使用公式计算得到相应的PID控制器的参数。
12
第三章 恒压控制电路的设计
本次设计是为了实现对供水系统的恒压控制，通过使用PLC和变频器可以完成对恒压供水系统的设计。通过查阅资料和现场实践，本文选用三菱FX2N～32MR系列的可编程控制器，变频器选用型号为三菱的FR—A540，FR-A540变频器内置PID控制模块。压力传感器选择没什么特殊的要求，我们在此选用一般的压力表Y-100和XMT-1270数显仪实现压力的显示、检测及传送信号的功能。采用两台泵机来提供动力，使得系统稳定保障大大提高。
3.1三菱FR-A540变频器的PID功能
三菱变频器在工业应用非常广泛，在设计供/排水系统时选用三菱变频器后常会用到PID控制功能。目前所有的三菱变频器均有PID控制功能。FR-A540变频器采用矢量控制方式，使得驱动性能更加好，由于使用了智能功率模块和调制原理，使得变频器的噪声降低、抗干扰性能更高、变频器的输出波形更加稳定。同时FR-A540内部置入PID控制单元、顺序制动、变频、工频顺序切换、停电减速制动等功能，使得FR-A540变频器得到广泛的应用。
三菱变频器内部PID控制单元，通过对水压的给定值和压力检测装置的输入信号进行对比，将偏差直接传送给内部PID控制单元，按照预先设定的调节规律进行计算，得出调节信号，再直接控制变频器的输出电压和频率，实现对泵机的转速控制，进而保持整个供水系统管道的恒压控制。
控制框图如下：
给定值+-反馈值偏差变频器驱动回路电机MPID运算测量变送图3-1 PID控制框图
3.2 恒压供水系统的设计思路
根据水厂的日常生产来看，工作人员通过操作系统控制面板上的按钮以及指示灯的提示来完成对恒压供水系统的实现。为了保障整个操作系统的稳定的前提下，必须尽可能的考虑到系统操作简便易懂，安全系数高等因素。
13 本文通过手动和自动两种运行形式来实现对变频恒压供水系统的控制。手动运行方式是通过操作面板上的按钮来控制相应的设备，比如各个泵机的运行、停止等。在水厂正常运行期间，很少使用手动运行方式来控制供水的恒压输出，然而手动方式仍是必不可少的，手动运行方式的作用主要有：
1)方便调试。在整个系统正处于测试阶段，还未进入生产时，可以通过手动的运行方式来试验是否整个系统的各个环节已具备自动运行的条件。
2)有利于日后的维护、维修及保养。若出现某一电机不能正常运行或者警示灯闪烁等现象时，我们可以在手动运行的方式下进行检测、维修相应的故障设备，日后也可以对相应的设备进行保养等。
系统的自动运行方式主要是通过对输出水管的压力和设备运行状态的动态检测，从而保证管道的正常供水。通过自动启动的一键启动运行，整个系统便处于自动状态，之后整个系统无需人为的进行操作控制。启动系统时，变频器软启动其中的一台水泵，水泵开始工作，供水管道的压力逐渐上升，同时，系统中的压力检测装置将检测的水压转换成电流或是电压的形式将电信号传给变频器中的PID控制器，再经过与设定的压力参数进行比较，得到的偏差再传送给该变频器的主电路，再由变频器来改变输出频率，从而实现供水管道的恒压控制。
3.3 恒压供水系统组成设计
现今，恒压供水系统主要由变频控制系统、PLC控制系统以及PID过程控制系统三部分组成。如图3-2所示，该图为中小型恒压供水系统的整体组成。主要组成单元有电气控制柜(主要包括PLC及变频器等电控器件)、泵机、压力传感器、蓄水池、通水管道等。
电气控制柜变频器主电路PLCPID控制器反馈信号蓄水池用户用水水泵电机通水管道压力传感器图3-2 恒压供水系统组成图
电气控制柜：电气控制柜在工业现场应用非常广泛，它一定程度上保证了一些电气元件的工作环境的稳定。本设计电气控制柜主要安装PLC、变频器、接触器、继电器等元器件。电气控制柜是本设计的电气控制中心。
压力传感器：通水管道的压力作用于压力传感器上，压力传感器将检测的压
14 力值以一定的转换方式，转变为电信号，将电信号传送给控制器，起到测量、变送的功能。本设计选用压电式压力传感器，其工作原理是基于某些晶体材料的压电效应。压电效应指，某些离子型晶体电介质沿着某一个方向受力而发生机械形变(压缩或伸长)时，其内部将发生极化现象，而在其某些表面上会产生电荷，此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。当外力撤消后，又重新回到不带电状态。
泵机：泵机是整个系统的执行机构，它是供水的基础，水压可以通过泵机的转速来控制，结合变频器和PLC可以实现恒压输出的目的。
蓄水池：该设备是水厂的储水装置，是供水的保障。
通水管道：通水管道是输送用水的动脉，它是用户用水与供水厂的媒介。
3.4 恒压供水系统主电路设计
根据实际应用，恒压供水系统一般采用一台变频器控制多台泵机并联运行的控制方式，本次设计采用一台变频器对两台水泵的控制，主电路如图3-3所示。
KM1A泵机三菱变频器FR-540三相电源KM3B泵机~KM2KM4
图3-3 恒压供水系统主电路
在手动状态下，通过继电器和接触器的关断作用，可以分别对A、B泵进行变频控制和工频控制。注意的是在PLC编程设计时，手动状态下应该保证仅有一种工作状态运行，这种情况下，可以在软件上进行互锁的方式实现，或者在硬件上实现，比如通过使用接触器的常闭触点来进行关联。当自动运行的条件满足时，自动启动按钮按下，通过外部感应器件的检测变送、变频器、PLC控制器的控制执行，从而实现恒压供水正常的自动运行。
KM
1、KM2及KM
3、KM4的关断可以控制A和B泵在工频和变频之间的切换，通过PLC编程设计可以实现;接触器之间需要互锁，防止接触器同时吸合，
15 发生故障。在自动运行的情况下，通过PLC的信号给出，首先给A泵通电信号，即KM1吸合，使得变频器仅作用A泵运行，变频器逐步控制A泵电机的输入频率，直至达到设定的信号值，若输入频率达到工频时仍然没有达到设定的信号值，即一台泵机无法满足流量及压力的需求，此时要将A泵机切换到工频的控制方式，同时以变频的启动方式启动B泵机，通过B泵机的变频调速，直至达到预期值。
当用户用水量的减少时，此时若不改变泵机的工作频率，水压会升高，所以当水压升高时，需要相应的减少泵机的工作频率，通过PLC及变频器的作用，首先将B泵机运行速度逐渐降低，直至使得管道压力达到预定值，若仍无法达到预定值时，可以将B泵机电源切断，同时将A泵机进入工频运行模式，最后通过回复A泵机的变频模式来控制泵机运行，从而控制水压稳定输出。
在正常生产时，由于会出现一台泵机总是处于工作状态，然而另一台泵机处于待机状态。本设计可以通过PLC中的时间定时器来控制两台泵机在 上述情况下的运行切换。
3.5变频器设计
变频器端子接线图如下：变频器的L
1、L
2、L3端接三相电的供电端，U、V、W端为变频器的输出端，输出端的电压和频率会发生相应的改变，这主要取决于对变频器的人为设置。其次还有接入PLC的输入端和输出端的端子，主要有频率上限信号点、频率下限信号点、故障信号点、正转信号点、停止运行信号点。针对变频器中的内置PID控制模块，通过设定电位器设定，并将压力传感器检测的压力值传送给变频器
4、5号端子，两者相互比较，有内部PID控制模块处理，最终使变频器输出相应的频率和电压，与此同时变频器也会给PLC相应的信号，促使PLC做出相应的处理，PLC经过处理在将处理后的信号传送给继电器、变频器、接触器等执行机构。
16
变频器三相电源L1L2UV输出电源PLC输入X4X4X5COMPLC输出Y11Y12COMFR-A540-3.7CHL3W10254FUSUACSESTFMRSSD反馈信号压力传感器24VDC
图3-4 变频器接线图
变频器参数设定主要是在现场中根据实际情况，来进行调试确定，但参数的设定是具有一定规律的，从供水系统的特性以及泵机为平方律负载等方面来比较，变频器的参数设置主要有一下几点需要注意：
1)下限频率的设置。一般来说，转速过低，由于泵机的实际工作性质，泵机容易产生“空转”现象;再者，对于电机而言，在低频的情况下运行时间过长时，电机会发热厉害，对电机的寿命有一定的影响，所以下限频率不能太低。
2)最高频率设置。由于泵机属于平方律负载，若泵机的实际转速超过额定转速时，转矩将以平方的形式增加，使得泵机的寿命缩短，且很容易烧坏电机，因此变频器的最大输出频率不能超过泵机的额定工作频率，最高可以为泵机额定频率。
3)上限频率设置。在恒压供水系统设计中，理论上将设置的上限频率与额定工作频率相等时，即在工频下运行最好，但实际情况下，由于变频器内部往往具有转差补偿的功能，所以应该将上限频率设置的略低于额定频率。
4) PID控制器参数的设置。设置PID参数时，需要保证整个恒压控制系统稳定的条件下，来减小静态误差和提高动态响应。在调试过程中，通过对供水系统压力传感器的实际测量值的观察及分析，通过调节各参数，进而维持系统的稳定性。
17 3.6 恒压供水系统中PLC电气设计 3.6.1三菱FX2N系列PLC的概述
三菱FX2N系列PLC是高性能、高运行速度、小型化的控制装置，它也是FX系列中最高档的超小控制装置。FX系列的PLC具有无可匹及的运行速度，高级的定位控制及功能逻辑选件等优点。FX2N系列的可编程控制器的基本组成如下：
1)基本单元包括CPU、存储器、输入输出口及电源。
CPU: CPU的功能作用有接收并存储用户程序和数据;诊断电源、编程的语法错误及PLC的工作状态;接收输入输出信号，送入数据寄存器并保存;运行时顺序读取、解释、执行用户程序，完成用户程序的各种操作;将用户程序的执行结果送至输出端。FX2N系列有各种不同性能档次的CPU模块可供使用，各种CPU有各种不同的性能。
存储器：包括系统程序存储器、系统数据存储器和用户存储器。系统存储器其功能是存放系统工作程序;存放模块化应用功能子程序;存放命令解释程序;存放功能子程序的调用管理程序;存放存储系统参数。用户存储器作用是存放用户工作程序和存放工作数据。
输入输出口：包括输入单元和输出单元，输入输出单元均为带光电隔离电路。输入单元有多种辅助电源类型，有AC电源DC24V输入、DC电源DC24V输入、DC电源DC12V输入、开关量信号、模拟量信号等类型。输出单元输出方式有晶体管、晶闸管和继电器三种方式，其中晶体管输出方式为驱动直流负载，晶闸管为驱动非频繁动作的交/直流负载，继电器为驱动频繁动作的交/直流负载。
通讯及编程接口：采用RS-485或RS-422串行总线。功能有连接专用编程器(FX-20P、FX-10P);连接个人PC机，实现编程及在线监控;连接工控机，实现编程及在线监控;连接网络设备，实现远程通讯;连接打印机等计算机外设装置。
I/O扩展接口：采用并行通讯的方式。主要分为扩展I/O模块、扩展位置控制模块、扩展通讯模块、扩展模拟量控制模块。
3.6.2 PLC电气电路设计
针对电气PLC的电路设计，本文主要包括电气主控柜的设计、PLC控制器的外部端子接线设计、PLC编程设计。 1.电气控制柜设计
按照工业生产的需求以及安全生产的要求，需要对控制柜进行相应的操作和保护等设计。电气控制柜内装载了安装板，用来安装电气元件，在安装元器件时应该注意元器件的分布，尽可能将大功率大电流用电器与控制器及信号线远离，
18 在允许的条件下可以使用屏蔽措施屏蔽，工业现场非常复杂，外界干扰很难杜绝，也很难解决。通过控制柜元器件的合理布置、线路的合理分布及接地的合理应用，可以使得设计人员在现场调试更加容易快捷。下面本节先介绍一下控制柜面板，如下图3-5所示：
红灯黄灯绿灯蜂鸣器故障报警三相电源控制电源指示指示指示24V电源指示系统运行指示A泵运行指示B泵运行指示手自动控制旋钮启/停 旋钮A泵运行按钮B泵运行按钮备用按钮系统启动报警消音备用备用故障复位急停按钮图3-5 恒压控制系统电气控制柜面板
指示灯：加入故障报警指示、三相电源指示、控制电源指示、24V直流电源指示、系统运行指示、A泵运行指示、B泵运行指示。
柱形灯：有红灯、黄灯、绿灯指示，还有蜂鸣器四部分组成，通过PLC输出端子给定信号。红灯主要起到变频器故障、断电停机、延时保护等指示。黄灯主要起到A、B泵机的运行状态，黄灯闪烁一般为泵机开始运行。绿灯指示可有可无，本次设计使用绿灯来指示系统无故障可进行正常工作的指示。
控制按钮：包括带自锁的急停按钮、系统启动旋钮、手自动控制旋钮、启停旋钮、A泵机运行按钮、B泵机运行按钮、报警消音按钮、故障复位按钮。急停按钮是在出现紧急情况下，按下该按钮，此按钮由220V控制电源直接控制，一旦该按钮按下，则从硬件上直接将控制回路断电，从而将整个系统停止运行。系统启动旋钮采用钥匙旋钮，来实现对系统的开启，选用钥匙旋钮可以防止非操作人员或维修人员的误操作。手自动旋钮采用两位自锁旋钮，分为手动档和自动档，来实现系统的手自动运行。启停按钮，配合A、B泵机运行按钮来控制A、B泵的启
19 动和停止。报警消音按钮选用白色的平头按钮，用来消除蜂鸣器的噪声。故障复位选用普通的非自锁旋钮，用来在故障信号解决的情况下，恢复系统的正常运行。
电压表、电流表：用来显示主回路的电压和电流。 2.PLC外部接线设计
本设计采用FX2N～32MR的三菱PLC控制器，I/O信号点为16个数字输入量和16个数字输出量。PLC的I/O端子分配及接线设计如下：
电源FX2N-32MRCOMXOX1X2X3X4X5X6X7X10X11X12X13X14X15X16YOY1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y10Y11Y12Y13Y14Y15X1-X16为输入信号Y1-15为输出信号
图3-5 PLC的IO接线图
3.PLC编程设计
本设计采用三菱FX2N系列的PLC,需要使用相应的编程软件来对系统进行设计编程。本文采用GX Developer编程软件对三菱FX2N系列PLC进行编程。下面简单介绍编程过程。
1)首先打开编程软件GX Developer，显示如下主画面
20
2)打开工程选项，新建新工程，会弹出如下画面，选择使用的PLC系列及类型，并选择程序编写的类型，创建工程名为PLC与变频器的恒压供水系统，新工程创建完成。
3)创建完工程，点击创建新工程窗口的确定按钮，会弹出如下框图，在如下框图完成对可编程控制器的程序编程和PLC参数的修改。
21
主程序在工程项目内MAIN里编写。编写程序时应该注意程序的互锁，例如电机的正反转问题;注重保护程序的编写，大约为整个程序的30%左右，保护程序决定了日常的正常生产。在编程中应多使用中间继电器，可以使得程序简短，通俗易懂，编写程序应在保证安全的基础上尽量简捷。
22
结束语
本文通过使用三菱PLC及变频器，应用过程控制中经典的PID控制，对供水厂实现恒压供水控制。通过采用PLC的可编程控制、变频器的变频变压输出以及PID闭环控制，得到了一个精度比较高、反应比较迅速的恒压供水控制系统。该系统主要特点如下：
1)运行方式为手动模式和自动模式。
采用手自动模式来控制系统，既实现了恒压供水的自动控制，在维护维修等非正常工作的情况下，又能通过手动操作完成相应的控制。手自动模式的切换使得整个恒压供水系统操作更加灵活方便。
2)采用一台变频器控制两台泵机来实现恒压输出。
使用两台泵机调节水压，在一定程度上存在冗余的现象，但这使得供水系统更加可靠，而且对用水量的承载能力翻倍。在用水量少的情况下，通过两台泵机的轮流切换运行，可以使得整个恒压供水控制系统更加安全可靠。采用一台变频器来控制两台泵机，使得系统的设计成本降低，符合工业设计要求。 3)采用PID控制技术
PID控制是过程控制中的经典控制规律，通过对各个参数的设定，可以较精确的对供水压力进行控制。
当然，本设计内容还有很多不足之处。比如说，恒压供水系统管道破裂检测、蓄水池水位检测、通水管道阀门的控制、消防供水等都没有进行相应的设计。另外本文利用闭环控制系统中的简单PID算法来实现对恒压供水系统的设计，随着工业技术的发展，工业领域不断涌现出新型的PID控制算法，例如模糊控制算法、自适应控制算法、智能控制算法，这些先进的控制算法已经从一些高端的工业控制领域逐渐发展起来了，先进控制技术的引入可以使得恒压供水系统更加可靠稳定。除此之外，随着集成电路的发展，PLC与变频器可以集成一体，将恒压供水系统的控制机构与执行机构融为一体，只需外加一个压力检测装置，即可方便地控制供水系统的恒压输出。
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致谢
在毕业设计即将顺利完成之际，回顾整个学习过程，首先我要特别感谢我的指导老师。我的指导老师教学工作繁忙，但在我们毕业设计的各个阶段，包括从开题、外出实习到查阅资料、方案修改都给予了我们无微不至的关心和帮助。他时刻地督促我们，激励我们，使我们不断的学习成长。我的指导老师严谨的治学精神、精益求精的工作作风以及忘我的奉献精神，深深地感染和激励着我们。
毕业设计是对大学所学知识的检阅与升华。在设计过程中，遇到了很多问题，需要不断分析问题和解决问题，使我查漏补缺的同时学到了很多课本无法涉及到的知识，体会到了工程设计的复杂与艰辛，和每次突破后都会感到的兴奋。问题的解决以至毕业设计的完美结束，有我个人的努力，还有来自老师和同学们耐心的指导和帮助。在此感谢给予我帮助的同学，感谢他们仔细的为我寻找设计中的缺陷，感谢他们耐心的为我解答难题。
大学生活在师长、亲友的支持下即将划上一个句号，而对于人生而言只是一个逗号。学习仍要继续，学习之路漫长而崎岖。而我们积累的大量知识应该使我们更加沉稳和自信，相信自己可以像解决现在的问题一样解决未来的问题。在此希望即将步入社会熔炉的我们都能够百炼成钢!
最后，向本届毕业答辩委员会组织致以崇高的敬意!向担任本次本专业毕业设计评审和答辩的所有老师们表示我最衷心的感谢和美好的祝福!
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参考文献
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变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求;二是为了节约能源、降低生产成本。用户根据自己的实际工艺要求和运用场合选择不同类型的变频器。
正确选择通用型变频器对于传动控制系统能够的正常运行是非常关键的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、起动转矩等要求，充分了解变频器所驱动的负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既要满足生产工艺的要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使同用变频器不能正常运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器地线的连接也是非常重要的。
1、变频器的功能和用途
变频器和交流电机构成的可调速传动称为变频器传动，其功能用途如下。其中可能互为关联，实际上无明确分类，见下表，仅供参考。
2、使用变频器的优点
(1) 变频调速的节能
由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20%～60%，这是因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗用功率变化不大。由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的20%～30%，它们的节能就具有非常重要的意义。
对于一些在低速运行的恒转矩负载，如传送带等，变频调速也可节能。除此之外，原有调速方式耗能较大者(如绕线转子电动机等)，原有调速方式比较庞杂，效率较低者(如龙门刨床等)，采用了变频调速后，节能效果也很明显。
(2) 变频调速在电动机运行方面的优势
变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。
变频调速系统起动大都是从低速开始，频率较低。加、减速时间可以任意设定，故加、减速时间比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。
变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路。
(3) 以提高工艺水平和产品质量为目的的应用
变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以提高奇特的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。
在变频器日常维护过程中,经常遇到各种各样的问题,如外围线路问题,参数设定不良或机械故障。如果是变频器出现故障，如何去判断是哪一部分问题，在这里略作介绍。
一、静态测试
1、测试整流电路
找到变频器内部直流电源的P端和N端，将万用表调到电阻X10档，红表棒接到P，黑表棒分别依到R、S、T，应该有大约几十欧的阻值，且基本平衡。相反将黑表棒接到P端，红表棒依次接到R、S、T，有一个接近于无穷大的阻值。将红表棒接到N端，重复以上步骤，都应得到相同结果。如果有以下结果，可以判定电路已出现异常，
A.阻值三相不平衡，可以说明整流桥故障。
B.红表棒接P端时，电阻无穷大，可以断定整流桥故障或起动电阻出现故障。
2、测试逆变电路
将红表棒接到P端,黑表棒分别接U、V、W上，应该有几十欧的阻值，且各相阻值基本相同，反相应该为无穷大。将黑表棒接到N端，重复以上步骤应得到相同结果，否则可确定逆变模块故障
二、动态测试
在静态测试结果正常以后，才可进行动态测试，即上电试机。在上电前后必须注意以下几点:
1、上电之前，须确认输入电压是否有误，将
380V电源接入220V级变频器之中会出现炸机(炸电容、压敏电阻、模块等)。
2、检查变频器各接播口是否已正确连接,连接是否有松动,连接异常有时可能导致变频器出现故障,严重时会出现炸机等情况。
3、上电后检测故障显示内容,并初步断定故障及原因。
4、如未显示故障,首先检查参数是否有异常,并将参数复归后,进行空载(不接电机)情况下启动变频器,并测试U、V、W三相输出电压值。如出现缺相、三相不平衡等情况，则模块或驱动板等有故障
5、在输出电压正常(无缺相、三相平衡)的情况下，带载测试。测试时，最好是满负载测试。
三、故障判断
1、整流模块损坏
一般是由于电网电压或内部短路引起。在排除内部短路情况下，更换整流桥。在现场处理故障时，应重点检查用户电网情况，如电网电压，有无电焊机等对电网有污染的设备等。
2、逆变模块损坏
一般是由于电机或电缆损坏及驱动电路故障引起。在修复驱动电路之后，测驱动波形良好状态下，更换模块。在现场服务中更换驱动板之后，还必须注意检查马达及连接电缆。在确定无任何故障下，运行变频器。
3、上电无显示
一般是由于开关电源损坏或软充电电路损坏使直流电路无直流电引起，如启动电阻损坏，也有可能是面板损坏。
4、上电后显示过电压或欠电压
一般由于输入缺相，电路老化及电路板受潮引起。找出其电压检测电路及检测点，更换损坏的器件。 5、上电后显示过电流或接地短路
一般是由于电流检测电路损坏。如霍尔元件、运放等。
6、启动显示过电流
一般是由于驱动电路或逆变模块损坏引起。
7、空载输出电压正常,带载后显示过载或过电流
该种情况一般是由于参数设置不当或驱动电路老化,模块损伤引起。变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。
1.
整流器
，它与单相或三相交流电源相连接，产生脉动的直流电压。
2.
中间电路，有以下三种作用：
a.
使脉动的直流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用。
b.
通过开关电源为各个控制线路供电。
c.
可以配置滤波或制动装置以提高变频器性能。
3.
逆变器
，将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。
4.
控制电路
，它将信号传送给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接收来自这些部分的信号。
其主要组成部分是：输出驱动电路、操作控制电路。
主要功能是：
a.
利用信号来开关逆变器的半导体器件。
b.
提供操作变频器的各种控制信号。
c.
监视变频器的工作状态，提供保护功能。
在现场对变频器以及周边控制装置的进行操作的人员，如果对一些常见的故障情况能作出判断和处理，就能大大提高工作效率，并且避免一些不必要的损失。
为此，我们总结了一些变频器的基本故障，供大家作参考。以下检测过程无需打开变频器机壳，仅仅在外部对一些常见现象进行检测和判断。
1，
上电跳闸或变频器主电源接线端子部分出现火花。
检测办法和判断
：断开电源线，检查变频器输入端子是否短路，检查变频器中间电路直流侧端子P、N是否短路。可能原因是整流器损坏或中间电路短路。
2，
上电无显示检测办法和判断
：断开电源线，检查电源是否是否有缺相或断路情况，如果电源正常则再次上电后则检查检查变频器中间电路直流侧端子P、N是否有电压，如果上述检查正常则判断变频器内部开关电源损坏。
3，
开机运行无输出(电动机不启动)
检测办法和判断
：断开输出电机线，再次开机后观察变频器面板显示的输入频率，同时测量交流输出端子。可能原因是变频器启动参数设置或运行端子接线错误、也可能是逆变部分损坏或电动机没有正确链接到变频器。
4，
运行时“过电压”保护，变频器停止输出
检测办法和判断
：检查电网电压是否过高，或者是电机负载惯性太大并且加减速时间太短导致的制动问题，请参考第8条。
5，
运行时“过电流”保护，变频器停止输出
检测办法和判断
：电机堵转或负载过大。可以检查负载情况或适当调整变频器参数。如无法奏效则说明逆变器部分出现老化或损坏。
6，
运行时“过热”保护，变频器停止输出
检测办法和判断
：视各品牌型号的变频器配置不同，可能是环境温度过高超过了变频器允许限额，检查散热风机是否运转或是电动机过热导致保护关闭。
7，
运行时“接地”保护，变频器停止输出
检测办法和判断
：参考操作手册，检查变频器及电机是否可靠接地，或者测量电机的绝缘度是否正常。
8，
制动问题(过电压保护)
检测办法和判断
：如果电机负载确实过大并需要在短时间内停车，则需购买带有制动单元的变频器并配置相当功率的制动电阻。如果已经配置了制动功能，则可能是制动电阻损坏或制动单元检测失效。
9，
变频器内部发出腐臭般的异味
检测办法和判断
：切勿开机，很可能是变频器内部主滤波电容有破损漏液现象。
10，如判断出变频器部件损坏，则联系供应商或送交专业维修中心处理。
变频器故障分析目前人们所说的交流调速系统，主要指电子式电力变换器对交流电动机的变频调速系统。变频调速系统以其优越于直流传动的特点，在很多场合中都被作为首选的传动方案，现代变频调速基本都采用16位或32位单片机作为控制核心，从而实现全数字化控制，调速性能与直流调速基本相近，但使用变频器时，其维护工作要比直流复杂，一旦发生故障，企业的普通电气人员就很难处理，这里就变频器常见的故障分析一下故障产生的原因及处理方法。
一、参数设置类故障常用变频器在使用中，是否能满足传动系统的要求，变频器的参数设置非常重要，如果参数设置不正确，会导致变频器不能正常工作。
1、参数设置常用变频器，一般出厂时，厂家对每一个参数都有一个默认值，这些参数叫工厂值。在这些参数值的情况下，用户能以面板操作方式正常运行的，但以面板操作并不满足大多数传动系统的要求。所以，用户在正确使用变频器之前，要对变频器参数时从以下几个方面进行：
(1)确认电机参数，变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。
(2)变频器采取的控制方式，即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。
(3)设定变频器的启动方式，一般变频器在出厂时设定从面板启动，用户可以根据实际情况选择启动方式，可以用面板、外部端子、通讯方式等几种。
(4)给定信号的选择，一般变频器的频率给定也可以有多种方式，面板给定、外部给定、外部电压或电流给定、通讯方式给定，当然对于变频器的频率给定也可以是这几种方式的一种或几种方式之和。正确设置以上参数之后，变频器基本上能正常工作，如要获得更好的控制效果则只能根据实际情况修改相关参数。
2、参数设置类故障的处理一旦发生了参数设置类故障后，变频器都不能正常运行，一般可根据说明书进行修改参数。如果以上不行，最好是能够把所有参数恢复出厂值，然后按上述步骤重新设置，对于每一个公司的变频器其参数恢复方式也不相同。
二、过压类故障变频器的过电压集中表现在直流母线的支流电压上。
正常情况下，变频器直流电为三相全波整流后的平均值。若以380V线电压计算，则平均直流电压
Ud=
1.35
U线=513V。在过电压发生时，直流母线的储能电容将被充电，当电压上至760V左右时，变频器过电压保护动作。因此，变频器来说，都有一个正常的工作电压范围，当电压超过这个范围时很可能损坏变频器，
常见的过电压有两类。
1、输入交流电源过压这种情况是指输入电压超过正常范围，一般发生在节假日负载较轻，电压升高或降低而线路出现故障，此时最好断开电源，检查、处理。
2、发电类过电压这种情况出现的概率较高，主要是电机的同步转速比实际转速还高，使电动机处于发电状态，而变频器又没有安装制动单元，有两起情况可以引起这一故障。
(1)当变频器拖动大惯性负载时，其减速时间设的比较小，在减速过程中，变频器输出的速度比较快，而负载靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量回馈单元，因而变频器支流直流回路电压升高，超出保护值，出现故障，而纸机中经常发生在干燥部分，处理这种故障可以增加再生制动单元，或者修改变频器参数，把变频器减速时间设的长一些。增加再生制动单元功能包括能量消耗型，并联直流母线吸收型、能量回馈型。能量消耗型在变频器直流回路中并联一个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制功率管的通断。并联直流母线吸收型使用在多电机传动系统，这种系统往往有一台或几台电机经常工作于发电状态，产生再生能量，这些能量通过并联母线被处于电动状态的电机吸收。能量回馈型的变频器网侧变流器是可逆的，当有再生能量产生时可逆变流器就将再生能量回馈给电网。
(2)多个电动施动同一个负载时，也可能出现这一故障，主要由于没有负荷分配引起的。以两台电动机拖动一个负载为例，当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发电状态，引起故障。在纸机经常发生在榨部及网部，处理时需加负荷分配控制。可以把处于纸机传动速度链分支的变频器特性调节软一些。
三、过流故障过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。
其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。
四、过载故障过载故障包括变频过载和电机过载。
其可能是加速时间太短，直流制动量过大、电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器;如后者则要对生产机械进行检修。
五、其他故障
1、欠压说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。
2、温度过高如电动机有温度检测装置，检查电动机的散热情况;变频器温度过高，检查变频器的通风情况
二变频器的常见故障及处理方法
以下我们就lenze变频器的一些常见故障做一些探讨，供广大用户在使用和检修中作为参考:
(1)脉冲变压器损坏对于早期的如8100系列8300系列变频器，我们比较常见的故障有开关电源损坏，其中多数为脉冲变压器损坏，反映出来的现象为上电后机器无任何反应，控制端子无电压。由于脉冲变压器的骨架不容易拆开，给变压器的修复造成了一定的困难，各变频器品牌所使用脉冲变压器的参数又不尽相同，给我们的绕制也带来了一些困难，假如无配件来源，一般在这种情况下不易修复。由于此类机器市场相对较少我们就不做详细讨论。
(2)oc5故障oc5故障应该是我们在8220/8240系列变频器里面经常碰到一种故障现象。oc5为变频器过载，过载检测一般都是由霍耳传感器来完成的，通过检测uv两相的电流，再由两输入或门comos电路来判断变频器是否过载。oc5的故障点通常为传感器的损坏，以及门电路的损坏引起的，霍耳传感器容易受环境的影响，而发生工作点的漂移，门电路常由于工作电压以及输入信号的冲击而损坏。更换损坏器件应该就能够排除此类故障。
(3)输出缺相输出缺相也是我们经常会碰到的故障之一。我们都知道在缺相状态下是无法拖动三相交流异步电机的，在拖动电机的情况下还会出现过流报警，脱开电机后测量3相输出电压，往往是3相输出电压相差比较大，这时候首先应该检查功率模块是否损坏，驱动波形是否正常。在lenze8240系列变频器中经常会碰到现象是驱动电路无电压。开关电源是一个必须检查的电路，8240系列变频器与其它变频器的不同之处是驱动电源不是直接由开关电源供给的，驱动电路和开关电源之间带有隔离。所以我们还必须检查隔离变压器是否有问题。排除以上故障应该可以确定驱动电路的电源是否正常。
(4)开关电源故障在8200系列通用变频器的维修中我们会经常碰到开关电源损坏。故障点主要有功率开关管的损坏，以及开关电源控制电路的损坏。开关管的损坏较容易更换，原型号晶体管及其替换晶体管都能够买到，控制电路出现故障后修复相对比较复杂，此类型机器的控制电路元器件都是集成于绝缘陶瓷片上，不易更换，需要有一定的经验以及维修技巧。
(5)变频器散热引起的故障散热板分离散热技术也是lennze变频器的一个很大卖点，大家都知道常规变频器都是有冷却风扇散热，但有些场合使用了散热风扇后常常成为变频器的一个常见故障点。这种现象主要在纺织工厂比较多见。纺织工厂空气中的棉絮和化纤常常堵塞风扇，引起变频器故障报警。而lenze变频器的散热板分离散热技术恰恰解决了这个问题。但我们也会碰到客户在使用一段时间后出现变频器带不起重载的现象，从我们的经验分析也有可能是由于变频器的散热问题引起的，由于散热的不充分，元器件更易老化，损耗更快。一般在这种情况下，更换老化器件就能解决此问题。此外，在实际应用中我们也可以依据变频器的发光二极管的状态判断一下变频器的状态及故障，特别是在没有面板的情况下这种判断办法更方便。一般在绿灯亮，红灯灭的情况下是在控制面板的操作状态下。绿灯闪烁，红灯亮则是操作面板禁止控制。绿灯灭，红灯一秒闪烁一次，此时变频器为故障状态。
一例变频器制动单元电路及图解
一、《CDBR-4030C制动单元》主电路图
《CDBR-4030C制动单元》主电路图说
因惯性或某种原因，导致负载电机的转速大于变频器的输出转速时，此时电机由“电动”状态进入“动电”状态，使电动机暂时变成了发电机。负载电机的反发电能量，又称为再生能量。
一些特殊机械，如矿用提升机、卷扬机、高速电梯等，当电动机减速、制动或者下放负载重物时(普通大惯性负荷，减速停车过程)，因机械系统的位能和势能作用，会使变频器的实际转速有可能超过变频器的给定转速，电机绕组中的感生电流的相位超前于感生电压，出现了容性电流，而变频器逆变回路IGBT两端并联的二极管和直流回路的储能电容器，恰恰提供了这一容性电流的通路。电动机因有了容性励磁电流，进而产生励磁磁动势，电动机自励发电，向供电电源回馈能量。这是一个电动机将机械势能转变为电能回馈回电网的过程。
此再生能量由变频器的逆变电路所并联的二极管整流，馈入变频器的直流回路，使直流回路的电压由530V左右上升到
六、七百伏，甚至更高。尤其在大惯性负载需减速停车的过程中，更是频繁发生。这种急剧上升的电压，有可能对变频器主电路的储能电容和逆变模块，造成较大的电压和电流冲击甚至损坏。因而制动单元与制动电阻(又称刹车单元和刹车电阻)常成为变频器的必备件或首选辅助件。在小功率变频器中，制动单元往往集成于功率模块内，制动电阻也安装于机体内。但较大功率的变频器，则根据负载运行情况选配制动单元和制动电阻，CDBR-4030C制动单元，即是变频器的辅助配置之一。
先不管具体电路，我们可先从控制原理设想一下。所谓制动单元，就是一个电子开关(IGBT模块)，接通时将制动电阻(RB)接入变频器的直流回路，对电机的反发电能量进行快速消耗(转化为热量耗散于环境空气中)，以维持直流回路的电压在容许值以内。有一个直流电压检测电路，输出一个制动动作信号，来控制电子开关的通和断。从性能上讲，变频器直流回路电压上升到某值(如660V或680V)后，开关接通将制动电阻RB接入电路，一直至电压降至620V(或620V)以下，开关再断开，也是可行的。反正制动单元有RB的限流作用，并无烧毁的危险。若将其性能再优化一点的话，则由电压检测电路控制一个压/频(或电压/脉冲宽度)转换电路，进而控制制动单元中IGBT模块的通断。直流回路的电压较高时，制动单元工作频率高或导通周期长，电压低时，则相反。此种脉冲式制动比起直接通断式制动，性能上要优良多了。再加上对IGBT模块的过流保护和散热处理，那么这应是一款性能较为优良的制动单元电路了。
CDBR-4030C制动单元，从结构和性能上不是很优化，但实际应用的效果也还可以。内部电子开关是一只双管IGBT模块，上管的栅、射极短接未用，只用了下管，当然有些浪费，用单管的IGBT模块就可以的呀。保护电路是电子电路和机械脱扣电路的复合，厂家将空气断路器QF0内部结构进行了改造，由漏电动作脱扣改为了模块过热时的动作脱扣。温度检测和动作控制由温度继电器、Q4和KA1构成，在模块温升达75ºC时，KA1动作引发脱扣跳闸，QF1跳脱，将制动单元的电源关断，从而在一定程度上保护了IGBT模块不因过流或过热烧毁。 检测电路(见下图)的供电，是由功率电阻降压、稳压管稳压和电容滤波来取得的，为15V直流供电。
该制动单元的故障主要多发于控制供电电路，表现为降压电阻开路，稳压管击穿等;另外，因引入了变频器直流回路的530V直流高压，线路板因受潮造成绝缘下降而导致的高压放电，使大片线路的铜箔条烧毁，控制电路的集成块短路等。又因线路板全部涂覆有黑色防护漆，看不清铜箔条的连接和走向，也为检修带来了一定的不便。
电路由LM393集成运算放大器、CD4081BE四2输入与门电路和7555(NE555)时基电路等构成。控制原理简述如下：
由P、N端子引入的变频器直流回路电压，经R1至R7电阻网络的分压处理，输入到LM339的2脚，LM339的3脚接入了经由15V控制供电进一步稳压、RP1调整后的整定电压，此电压值为制动动作点整定电压。LED1兼作电源指示灯。因LM393为开路集电极输出式运放电路，故两路放大器的输出端接有R
13、R14的上拉电阻，以提供制动动作时的高电平输出。第一级放大电路为一个迟滞电压比较器(有时又称滞回比较器)，D
1、R10接成正反馈电路，提供一定的回差电压，以使整定点电压随输出而浮动，避免了在一个点上比较而使输出频繁波动。第二级放大器为典型的电压比较器的接法。实质上，运算放大器在这里是作为开关电路来使用的，中间不存在线性放大环节，而为开关量输出。两级放大电路对信号形成了倒相之倒相处理，使输出电压在高于整定电压时，电路有高电平输出。
LM393静态时为高电平输出，此高电平经D1和R10叠加到LM393的3脚上， “垫高”了制动动作整定点电压值。当2脚输入电压(如P、N间直流回路电压为660V)高于3脚电压时，1脚由高电平变为低电平;经第二级倒相处理，输出一个高电平信号给CD4081BE的1脚。同时，由于LM393的1脚变为低电平，3脚也由“垫高”了的电压值跌落为整定值。如此一来，当制动单元动作，将制动电阻接入了P、N间，从而使P、N电压由660V开始回落，一直回落到2脚电压(P、N间电压为580V)低于3脚整定电压值，电路翻转，制动信号停止输出，避免了在660V电压时，电路频繁动作导致的不稳定输出。
时基电路7555接成一个典型的多谐振荡器，输出一个固定占空比的脉冲频率电压。在LM393电压采样电路输出制动动作信号——CD4081BE的1脚为高电平时，时基电路7555输出矩形脉冲电压的高电平成分与LM393的高电平信号相与，使CD4081BE的3脚产生一个正电压的脉冲输出。此脉冲再经主/从转换开关、第二级与门开关电路相与处理后，由Q
1、Q2互补式电压跟随器做功率放大后，驱动电子开关IGBT模块。
当主/从控制开关拨到上端时，本机器作为主机，实施制动动作，并将制动命令经端子OUT+、OUT-传送给其它从机;当主/从控制开关拨至下端时，本机器即做为从机，从端子IN+、IN-接受主机来的制动信号，经光电耦合器U5将信号输入CD4081BE的6脚，据主机来的信号进行制动动作。
我在图纸上标为“此电路意欲何为”的这部分电路，让我们从电路本身出发，来揣摩一下设计者的本意，如我分析的不对，希望读者朋友能为之指正。正常状态下，当实施制动动作时，可以看出，U2输出的制动信号为矩形脉冲序列信号(此信号加到U4的1脚)，与PB端子经降压电阻加到U4的2脚的信号恰为互为倒相的矩形脉冲序列信号，在任一时刻，U4的
1、2脚总有一脚为高电平，对或非门的“有高出低特性”来说，U4的3脚总是输出低电平，Q3处于截止状态，电路实施正常的制动动作;假定输出模块一直在接通中或已经击穿，则经PB端子到U4的2脚的信号为直流低电平，与1脚的脉冲信号相或非，使有了“两低出高”的输出。经U8驱动Q3，将U2的3脚的输出信号短接到地，进而使U2的8脚也为低电平，直到将U4的
1、2脚彻底锁定为地(低)电平，则Q3持续进入饱合导通状态，将U2输出的制动信号彻底封锁。须断电才能解除这种封锁。但这种保护性封锁，对模块本身瞬态过流状态或Q
1、Q2驱动电路本身的故障，似乎是无能为力和鞭长莫及的。
使用变频器的优点
变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求;二是为了节约能源、降低生产成本。
1、 变频调速的节能
由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20%～60%，这是因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗用功率变化不大。由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的20%～30%，它们的节能就具有非常重要的意义。
2、软启动
工频状况下马达采用的是星三角降压延时启动，此时电流是电机额定电流的4—7倍，若多台大功率的电机同时启动，将对电网造成很大冲击。采用变频器后，马达只需在额定电流下就可启动，电流平滑无冲击，减少了启动电流对马达和电网的冲击，延长了电机的使用寿命。
3、减少无功功率
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是因无功功率因素的降低导致电网有功功率的降低。而使用变频器调节后由于变频器内滤波电容的使用，使得功率因素接近为1，增大了电网的有功功率。从而节省了无功功率消耗的能量。
4、方便控制，使控制系统简单化
①、变频器很容易实现电机的正、反转
②、加、减速时间及频率可任意调节
③、变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路 ④、运行平稳
⑤、可进行高速运转
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