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李方園（1973 －）
男，浙江舟山人，畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動化專業(yè)，高級工程師，長期從事于變頻器等現(xiàn)代工控產(chǎn)品的應(yīng)用與研究工作。
摘要：所謂頻率給定方式，就是調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的具體方法，也就是提供給定信號的方式。變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點，必須按照實際的需要進行選擇設(shè)置，同時也可以根據(jù)功能需要選擇不同頻率給定方式之間的疊加和切換。本文主要闡述的就是變頻器的這幾種頻率給定方式。
關(guān)鍵詞： 變頻器；頻率給定方式；鍵盤給定；模擬量
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
在使用一臺變頻器的時候，目的是通過改變變頻器的輸出頻率，即改變變頻器驅(qū)動電動機的供電頻率從而改變電動機的轉(zhuǎn)速。如何調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率呢？關(guān)鍵是必須首先向變頻器提供改變頻率的信號，這個信號，就稱之為“頻率給定信號”。所謂頻率給定方式，就是調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率的具體方法，也就是提供給定信號的方式。
變頻器常見的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤給定、接點信號給定、模擬信號給定、脈沖信號給定和通訊方式給定等。這些頻率給定方式各有優(yōu)缺點，必須按照實際的需要進行選擇設(shè)置，同時也可以根據(jù)功能需要選擇不同頻率給定方式之間的疊加和切換。
1 操作器鍵盤給定
操作器鍵盤給定是變頻器最簡單的頻率給定方式，用戶可以通過變頻器的操作器鍵盤上的電位器、數(shù)字鍵或上升下降鍵來直接改變變頻器的設(shè)定頻率。
操作器鍵盤給定的最大優(yōu)點就是簡單、方便、醒目（可選配LED數(shù)碼顯示和中文LCD液晶顯示），同時又兼具監(jiān)視功能，即能夠?qū)⒆冾l器運行時的電流、電壓、實際轉(zhuǎn)速、母線電壓等實時顯示出來。如果選擇鍵盤數(shù)字鍵或上升下降鍵給定，則由于是數(shù)字量給定，精度和分辨率非常高，其中精度可達最高頻率×±0.01%、分辨率為0.01Hz。如果選擇操作器上的電位器給定，則屬于模擬量給定，精度稍低，但由于無需像外置電位器的模擬量輸入那樣另外接線，實用性非常高。
變頻器的操作器鍵盤通常可以取下或者另外選配，再通過延長線安置在用戶操作和使用方便的地方。一般情況下，延長線可以在5米以下選用，對于距離較遠則不能簡單地加長延長線，而是必須使用遠程操作器鍵盤。
圖1所示為艾默生TD系列變頻器的遠程操作器連線示意。該遠程操作器型號為TDO-RC02，與其變頻器TD2000/2100系列操作器鍵盤的外觀、基本操作方法以及顯示風(fēng)格等基本一致。它是采用內(nèi)置RS485通訊方式實現(xiàn)遠程操作控制的，工作電壓為直流24V，在距離只有幾十米的范圍內(nèi)可以采用變頻器內(nèi)部直流電源，若超過50米以上或者變頻器內(nèi)部直流電源另有他用，可以選用10W左右的標準直流24V電源。由于采用通訊方式實現(xiàn)遠程操作控制，所以該操作器的安裝距離可以在數(shù)百米范圍內(nèi)正常工作，并且通過采用不同的通訊地址對多達32臺變頻器進行遠控操作。這些操作內(nèi)容包括正反轉(zhuǎn)運行、電動運行、停機、功能碼設(shè)置、功能碼參數(shù)查看、運行參數(shù)查看、故障復(fù)位等。
圖1 艾默生變頻器遠程操作器連線
2 接點信號給定
接點信號給定就是通過變頻器的多功能輸入端子的UP和DOWN接點來改變變頻器的設(shè)定頻率值。該接點可以外接按鈕或其他類似于按鈕的開關(guān)信號（如PLC或DCS的繼電器輸出模塊、常規(guī)中間繼電器）。具體接線可見圖2。
圖2 接點信號給定
注意以下幾點：
（1）多功能輸入端子需分別設(shè)置為UP指令或DOWN指令中的其中一個，不能重復(fù)設(shè)置，也不能只設(shè)置一個，更不能將UP/DOWN指令和保持加減速停止指令被同時分配。
（2）端子的UP/DOWN速率必須被正確設(shè)置，速率單位為Hz/s。有了正確的速率設(shè)置，即使UP上升接點一直吸合，變頻器的頻率上升也不會一下子竄到最高輸出頻率，而是按照其上升速率上升。
（3）是否斷電保持頻率功能必須設(shè)置，如設(shè)置為“斷電保持有效”時，當(dāng)變頻器電源切斷后頻率指令被記憶，接通電源運行指令再次輸入時，變頻器自動加速運行到被記憶的頻率為止。如設(shè)置“斷電保持無效”時，當(dāng)變頻器電源切斷后頻率指令不被記憶，接通電源運行指令再次輸入時，變頻器按參數(shù)數(shù)值不同運行到某一固定頻率（0Hz或其他，該參數(shù)依賴于變頻器的型號）。
圖3為接點給定的時序示意。
圖3 接點信號給定變頻器運行時序
3 模擬量給定
3.1 基本概念
模擬量給定方式即通過變頻器的模擬量端子從外部輸入模擬量信號（電流或電壓）進行給定，并通過調(diào)節(jié)模擬量的大小來改變變頻器的輸出頻率。
模擬量給定中通常采用電流或電壓信號，常見于電位器、儀表、PLC和DCS等控制回路。電流信號一般指0～20mA或4～20mA。電壓信號一般指0～10V、2～10V、0～±10V、0～5V、1～5V、0～±5V等。
電流信號在傳輸過程中，不受線路電壓降、接觸電阻及其壓降、雜散的熱電效應(yīng)以及感應(yīng)噪聲等影響，抗干擾能力較電壓信號強。但由于電流信號電路比較復(fù)雜，故在距離不遠的情況下，仍以選用電壓給定為模擬量信號居多。
變頻器通常都會有2個及以上的模擬量端子（或擴展模擬量端子），有些端子可以同時輸入電壓和電流信號（但必須通過跳線或短路塊進行區(qū)分），因此對變頻器已經(jīng)選擇好模擬量給定方式后，還必須按照以下步驟進行參數(shù)設(shè)置：
（1）選擇模擬量給定的輸入通道；
（2）選擇模擬量給定的電壓或者電流方式及其調(diào)節(jié)范圍，同時設(shè)置電壓/電流跳線，注意必須在斷電時進行操作；
（3）選擇模擬量端子多個通道之間的組合方式（疊加或者切換）；
（4）選擇模擬量端子通道的濾波參數(shù)、增益參數(shù)線性調(diào)整參數(shù)。
3.2 頻率給定曲線
所謂頻率給定曲線，就是指在模擬量給定方式下，變頻器的給定信號P與對應(yīng)的變頻器輸出頻率f（x）之間的關(guān)系曲線f（x）=f（P）。這里的給定信號P，既可以是電壓信號，也可以是電流信號，其取值范圍在10V或20mA之內(nèi)。
一般的電動機調(diào)速都是線性關(guān)系，因此頻率給定曲線可以簡單地通過定義首尾兩點的坐標（模擬量，頻率）即可確定該曲線。如下圖4a所示，定義首坐標為（Pmin，fmin）和尾坐標（Pmax，fmax），可以得到設(shè)定頻率與模擬量給定值之間的正比關(guān)系。如果在某些變頻器運行工況需要頻率與模擬量給定成反比關(guān)系的話，也可以定義首坐標為（Pmin，fmax）和尾坐標（Pmax，fmin），如圖4b。
a)正比關(guān)系 b)反比關(guān)系
圖4 頻率給定曲線
這里必須注意以下幾點：（1）如果根據(jù)頻率給定曲線計算出來的設(shè)定頻率如果超出頻率上下限范圍的話，只能取頻率上下值，因此，頻率上下限值優(yōu)先考慮。（2）在一些變頻器參數(shù)定義中，模擬量給定信號P或設(shè)定頻率f是采用百分比賦值，其百分比的定義為模擬量給定百分比P%=P/Pmax × 100％ 和設(shè)定頻率百分比f％＝f/fmax × 100％。（3）在一些變頻器參數(shù)定義中，頻率給定曲線不是直接描述出來，而是通過最大頻率、偏置頻率和頻率增益表達。
3.3 模擬量給定的濾波和增益參數(shù)
模擬量的濾波是為了保證變頻器獲得的電壓或電流信號能真實地反映實際值，消除干擾信號對頻率給定信號的影響。濾波的工作原理是數(shù)字信號處理，即數(shù)字濾波。濾波時間常數(shù)就是特指模擬量給定信號上升至穩(wěn)定值的63％所需要的時間（單位為秒）。
濾波時間的長短必須根據(jù)不同的數(shù)學(xué)模型和工況進行設(shè)置，濾波時間太短，當(dāng)變頻器顯示“給定頻率”時有可能不夠穩(wěn)定而呈閃爍狀；濾波時間太長，當(dāng)調(diào)節(jié)給定信號時，給定頻率跟隨給定信號的響應(yīng)速度會降低。一般而言，出于對抗干擾能力的考慮，需要增加濾波時間常數(shù)；處于對響應(yīng)速度快的考慮，需要降低濾波時間常數(shù)。
模擬量通道的增益參數(shù)與上面的頻率增益不一樣，后者主要是為定義頻率給定曲線的坐標值，前者則是在頻率給定曲線既定的前提下，降低或者提高模擬量通道的電壓值或者電流值。
3.4 模擬量給定的正反轉(zhuǎn)控制
一般情況下，變頻器的正反轉(zhuǎn)功能都可以通過正轉(zhuǎn)命令端子或反轉(zhuǎn)命令端子來實現(xiàn)。在模擬量給定方式下，還可以通過模擬量的正負值來控制電動機的正反轉(zhuǎn)，即正信號（0～＋10V）時電動機正轉(zhuǎn)、負信號（－10V～0）時電動機反轉(zhuǎn)。如圖5所示，10V對應(yīng)的頻率值為fmax，－10V對應(yīng)的頻率值為－fmax。
圖5 模擬量的正反轉(zhuǎn)控制和死區(qū)功能
在用模擬量控制正反轉(zhuǎn)時，零界點即0V時應(yīng)該為0Hz，但實際上真正的0Hz很難做到，且頻率值很不穩(wěn)定，在頻率0Hz附近時，常常出現(xiàn)正轉(zhuǎn)命令和反轉(zhuǎn)命令共存的現(xiàn)象，并呈“反反復(fù)復(fù)”狀。為了克服這個問題，預(yù)防反復(fù)切換現(xiàn)象，就定義在零速附近為死區(qū)，如圖28所示。
對于死區(qū)，不同類型的變頻器定義都會有所不同。一般有以下兩種：（1）線段型。如圖中所示，如定義（－1V，＋1V）為死區(qū)，則模擬量信號在（－1V，＋1V）范圍時按零輸入處理，（＋1V，＋10V）對應(yīng)（0Hz，最大頻率），（－1V，－10V）對應(yīng)（0Hz，負的最大頻率）。（2）滯環(huán)回線型。在變頻器的輸出頻率定義一個頻率死區(qū)（－fdead，＋fdead），這樣一來配合著電壓死區(qū)（－Udead，＋Udead）就圍成了滯環(huán)回線。
模擬量的正反轉(zhuǎn)控制功能還有一種就是在模擬量非雙極性功能的情況下（也就是說電壓不為負的單極性模擬量）也可以實現(xiàn)，即定義在給定信號中間的任意值作為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的零界點（相當(dāng)于原點），高于原點以上的為正轉(zhuǎn)，低于原點以下的為反轉(zhuǎn)。同理，也可以相應(yīng)設(shè)置死區(qū)功能，實現(xiàn)死區(qū)跳躍。但是，在這種情況下，卻存在一個特殊的問題，即萬一給定信號因電路接觸問題或其他原因而丟失，則變頻器的輸入端得到的信號為0V，其輸出頻率將跳變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的最大頻率，電動機將從正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)入高速反轉(zhuǎn)狀態(tài)。十分明顯，在生產(chǎn)過程中，這種情況的出項將是十分有害的，甚至有可能損壞生產(chǎn)機械。對此，變頻器設(shè)置了一個有效的“零”功能。就是說，讓變頻器的實際最小給定信號不等于0，而當(dāng)給定信號等于0時，變頻器的輸出頻率則自動降至0速。
4 脈沖給定
脈沖給定方式即通過變頻器的特定的高速開關(guān)端子從外部輸入脈沖序列信號進行頻率給定，并通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來改變變頻器的輸出頻率。
不同的變頻器對于脈沖序列輸入都有不同的定義，以安川VS G7為例：脈沖頻率為0～32KHz，低電平電壓為0.0～0.8V，高電平電壓為3.5～13.2V，占空比為30％～70％。
脈沖給定首先要定義100％時的脈沖頻率，然后就可以與模擬量給定一樣定義脈沖頻率給定曲線。該頻率給定曲線也是線性的，通過首坐標和尾坐標兩點的數(shù)值來確定。因此，其頻率給定曲線可以是正比線性關(guān)系，也可以是反比線性關(guān)系。一般而言，脈沖給定值通常用百分比來表示。
這里進行舉例說明一下脈沖給定的參數(shù)設(shè)置。現(xiàn)在有一個變頻系統(tǒng)，其需求如下：（1）使用端子輸入的脈沖信號來設(shè)置給定頻率；（2）輸入信號范圍為1KHz～20KHz；（3）要求1 KHz輸入信號對應(yīng)設(shè)定頻率為50Hz，20KHz輸入信號對應(yīng)設(shè)定頻率為5Hz。
根據(jù)上述要求，參數(shù)設(shè)置要點如下：（1）設(shè)置頻率給定方式為脈沖給定；（2）選擇多功能輸入端子為脈沖信號輸入（如脈沖信號端子固定則無需選擇，如安川VS G7的RP端子）；（3）設(shè)置脈沖最大輸入頻率為20KHz；（4）定義頻率給定曲線首坐標點的數(shù)值，即最小脈沖給定值的百分比為1 KHz÷20 KHz×100％＝5％，以及最小脈沖數(shù)對應(yīng)的頻率值50Hz；（5）定義頻率給定曲線尾坐標點的數(shù)值，即最大脈沖給定值的百分比為100％，以及最大脈沖數(shù)對應(yīng)的頻率值5Hz。具體如圖6所示。
圖6 脈沖給定曲線
5 通訊給定
5.1 基本概念
給定方式就是指上位機通過通訊口按照特定的通訊協(xié)議、特定的通訊介質(zhì)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冾l器以改變變頻器設(shè)定頻率的方式。
上位機一般指計算機（或工控機）、PLC、DCS、人機界面等主控制設(shè)備。
上位機和變頻器之間傳輸數(shù)據(jù)的方式主要有兩種：（1）串行方式。它每次只傳送二進制的一位，主要優(yōu)點是連線少，一般只有2根或3根，缺點是傳送速度較低；(2)并行方式。它每次可傳送一個完整的字符，傳送速度快，但所需的連線較多，一般需要8根或16根，成本相應(yīng)就高了許多。由于上位機與變頻器之間的距離一般不會太遠，對傳輸速度的要求也不是很高，因此在通常情況下都采用串行傳輸方式。
上位機和變頻器之間進行通訊的主要方式也有兩種：（1）異步方式。每個字符前有一個起始位，表示該字符已經(jīng)開始；當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后，設(shè)置一個奇偶校驗位進行奇偶校驗；最后，又設(shè)置一個停止位，表示該字符已經(jīng)結(jié)束。異步傳輸?shù)膬?yōu)點是靈活性好，便于處理實時性較強的串行數(shù)據(jù)；缺點是傳輸速度較低。（2）同步方式。它可以同時傳輸一個包含許多個字符的“數(shù)據(jù)塊”，只需在每個數(shù)據(jù)塊前面設(shè)置通訊雙方共同規(guī)定的同步符號“SYN字符1”和“SYN字符2”即可。同步方式的優(yōu)點是不必要在每個字符的前后設(shè)置標志符號（起始位和停止位），從而節(jié)省了時間，提高了傳輸速度；缺點是必須采用同步脈沖來協(xié)調(diào)，從而靈活性較差。
上位機和變頻器之間的傳遞方法也有兩種：（1）全雙工方式。數(shù)據(jù)在上位機和變頻器之間的發(fā)送和接收可以同時進行。（2）半雙工方式。每臺設(shè)備都只能做一件事情，或接收，或發(fā)送，而不能同時發(fā)送或接收。每次發(fā)送或接收時，都需要進行發(fā)送和接收之間的換向。
上位機和變頻器之間的傳輸速度通常用“波特率”來表示，其定義如下：每秒鐘傳送二進制位的位數(shù)，單位是bit/s。
5.2 通訊參數(shù)設(shè)置
只有設(shè)置正確的通訊參數(shù)才能確保上位機和變頻器之間的通訊正常，也才能保證通訊給定方式的準確性。通訊參數(shù)一般包含以下幾個主要內(nèi)容：
（1）波特率選擇。一般的變頻器通訊波特率可以選擇300BPS、600BPS、1200BPS、2400BPS、4800BPS、9600BPS、19200BPS、38400BPS等。
（2）數(shù)據(jù)格式。常見的數(shù)據(jù)位包括一個起始位、八個數(shù)據(jù)位、一個停止位，校驗位則可以分別設(shè)置位奇校驗、偶校驗和無校驗三種。
（3）接線方式。包括直接電纜連接RS232/RS485和調(diào)制解調(diào)器MODEM（RS232），其中設(shè)置為調(diào)制解調(diào)器MODEM（RS232）時，每當(dāng)變頻器上電時，將通過變頻器的通訊口（RS232）對調(diào)制解調(diào)器MODEM做一次初始化操作，以便調(diào)制解調(diào)器在接收到電話線路3次振鈴后自動響應(yīng)，實現(xiàn)由撥號線路組成的遠程控制線路。
（4）通訊地址。用來標志變頻器本體的地址，其中有一個為廣播地址，可以接受和執(zhí)行上位機的廣播命令，而不會應(yīng)答上位機。
（5）通訊超時檢出時間。當(dāng)通訊口信號消失后，其持續(xù)時間超過通訊超時設(shè)置后，變頻器即判斷為通訊故障。
（6）變頻器應(yīng)答延時。它指變頻器通訊口在接收并解釋執(zhí)行上位機發(fā)送過來的命令后，直到返回應(yīng)答幀給上位機所需要的延遲時間。
5.3 通訊故障及處理
通訊超時故障檢出后，變頻器將按照預(yù)先設(shè)置的動作模式進行操作。常見的動作模式有故障跳閘并停機、報警并維持現(xiàn)有頻率運行、報警并按限定頻率運行。
6 給定方式的疊加
6.1 基本概念
給定方式的疊加是指在主給定通道頻率的基礎(chǔ)上再加上輔助給定通道頻率作為變頻器的設(shè)定頻率。其疊加方式不是簡單的加法運算，還可以融合多種疊加運算公式。
圖7所示為典型的給定方式的疊加原理。F1為主給定通道頻率，F(xiàn)2為輔助給定通道頻率，F(xiàn)3為F1加上F2的和，F(xiàn)4則是F3經(jīng)比例調(diào)整后的最終設(shè)定頻率。
圖7 給定方式的疊加
6.2 疊加運算公式
不同給定方式的疊加是指在主給定通道頻率的基礎(chǔ)上再加上輔助給定通道頻率作為變頻器設(shè)定頻率。
7 給定方式的切換
給定方式的切換是指通過多功能端子的不同組合來實現(xiàn)不同給定方式之間的切換。在下面的列表1顯示中，通過多功能輸入端子X1、多功能輸入端子X2、多功能輸入端子X3不同的輸入狀態(tài)可以實現(xiàn)最多達7種給定方式之間的切換（ON表示信號接通、OFF表示信號斷開）。
表1 頻率給定方式的切換
表1中的操作器鍵盤給定1為鍵盤電位器、操作器鍵盤給定2為數(shù)字鍵盤；模擬量給定1為模擬量通道1信號、模擬量給定2為模擬量通道2信號。當(dāng)然，表3中給出的只是其中一種切換類型，具體的切換類型必須參照不同變頻器的型號和具體的參數(shù)而定。
參考文獻
[1] 李方園.變頻器行業(yè)應(yīng)用實踐[M].中國電力出版社,2006.
[2] 李方園.變頻器自動化工程實踐[M].電子工業(yè)出版社,2007.
[3] 張燕賓,胡綱衡,唐瑞球.使用變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)教程[M].機械工業(yè)出版社,2004.
[4] 吳忠智,吳加林.變頻器應(yīng)用手冊（第2版）[M].機械工業(yè)出版社,2003.
[5] 吳忠智,黃立培,吳加林.調(diào)速用變頻器及配套設(shè)備選用指南[M].機械工業(yè)出版社,2002.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號