西门子MM440变频器调速电路实例：拖动给水泵

本系统采用MICROMASTER440系列变频器，具有两路模拟量输入和内置PID的调节功能，通过变频器、水压、流量检测控制装置，PLC构成自动恒压给水系统。在设计中应用模拟量信号输入1，作为水的压力反馈信号（4～20mA），模拟量信号输入2，作为主给定信号（0～20mA）。通过I/O端子起、停及观察变频器的工作状态，并启用变频器内部的PID控制功能，可提高了控制精度，减少了外部故障点，并充分发挥了MM440系列变频器的PID及模拟量输入功能，系统原理如图4-44所示。

图4-44 系统原理图

变频器的主要参数设置

（1）电动机及控制参数 电动机及控制参数设置见表4-13。

表4-13 电动机及控制参数设置

（2）模拟量I/O参数 模拟量I/O参数设置见表4-14。

表4-14 模拟量I/O参数设置

（3）数字量I/O参数 数字量I/O参数设置见表4-15。

表4-15 数字量I/O参数设置

（4）PID参数PID参数设置见表4-16。

表4-16 PID参数设置

MM440内置PI调节器可实现闭环控制，一旦PI调节器使能（P2200＝1），PI调节器将调节电动机的电源频率来使PI调节器设定值和反馈值的偏差减少，通过不断比较反馈和给定来确定电动机所需要的频率。通常频率给定（P1000选择）和斜坡时间（P1120～P1121）自动取消，但最小和最大输出频率（P1080～P1082）设定保持有效。

PI调节器使能用参数P2200控制，PI调节器使能时应设为1。也可以用一个开关量输入（或另外的BiCo功能）来使能PI调节器，例如：PI调节器用DIN2来使能，设置P0702＝99，P2200＝722.1。这样变频器不运行时，允许用户在频率控制和PI调节器控制之间切换。PI控制器需要一个反馈信号来监控系统的运行，在大多数的场合，这需要一个模拟量的检测元件。

传感器信号和PI控制器输出的关系必须事先定义，P2271参数有两种设置：0、1。两者的不同在于：对于一个正偏差信号（反馈低于给定），PI控制器是升高输出频率还是降低输出频率。

PI控制器通过比较实际反馈信号和系统预期设定来控制变频器的频率，系统预期被定义为给定，用户可通过参数P2253来选择给定源。MM440只有一个模拟量输入口，且大多数情况下此口已作为反馈信号，所以通常给定只能使用内部设定。用“固定PI给定”或“键盘给定”（电动电位器），应该注意的是给定值是％值而不是Hz，而变频器运行频率是由PI的给定和反馈的差决定（当PI控制器有效时）。

①P2253＝2224固定给定：这种方法允许用户用P2201到P2207定义7个给定，通常可以用开关量输入来切换，P2201描述了切换的方法。

②P2253＝2250键盘（电动电位器）给定：这种方式允许用户在P2240中设定一个固定值，并可通过BOP或其他方式来升高或减低给定（如：开关量输入P0702＝13升高；P0702＝14降低）。

当PI控制器用参数P2200使能后，普通斜坡上升和下降时间（P1120和P1121）被旁路。PI有自己的斜坡上升和下降时间：P2257和P2258来决定PI给定的变化。上升时间P2257：当PI给定改变或加上一个运行命令时将有效。下降时间P2258：只当PI给定改变时将有效。当OFF1和OFF3有效时，斜坡下降时间将由P1121和P1135来响应。

可以通过调整比例增益P参数P2280和积分时间I参数P2285，使PI控制器适合过程控制的要求。过程控制的需求决定了响应的最佳特性，快速恢复的响应伴随着大超调。调节P参数和I参数可以得到不同的响应。

当优化调试一个过程控制时，应用示波器来监视反馈信号，观察系统的响应曲线。模拟量输出可用作P0771＝2266（滤波后的反馈信号）。大多数情况下，在没有PI斜坡时间（P2257＝P2258＝0.0S）的情况下，用一个小的PI给定阶跃（1％～10％）来试验系统的响应。一旦理想的响应确定下来，再设定合适的斜坡时间。

应在小比例（例如P2280＝0.20）下调整I参数，直到系统稳定。通常，通过PI参数调整可以实现稳定的控制。如果系统容易受到冲击扰动，不要将P参数设置值大于0.50。

（5）PID调试方法 在完成“快速调试”和电动机参数自动识别后，可由操作器或端子控制变频器运行。在设定PID有效（即P2200＝1）之前，必须先带负载进行开环小给定运行。这时应注意电动机和负载是否正常、标定反馈模拟量输入通道（系数和极性）。(www.xing528.com)

然后设定PID有效（即P2200＝1），将I积分参数（P2285）设置为0。在观察压力表或输出频率表的同时，缓慢逐渐的从小到大调整P比例参数（P2280）值。调整过程中，参数值每加大一次，都要观察变频器是否以达到稳态；变频器稳定运行时，压力是否稳定（设否振荡、波动）。当变频器稳定运行、压力开始波动时，记下此时的P参数值A。将A值除以3，结果写入P2280参数中。同理，在观察压力表或输出频率表的同时，缓慢逐渐的从小到大调整I积分参数（P2285）值。当变频器稳定运行、压力开始波动时，记下此时的I参数值B。将B值除以2，结果写入P2285参数中。

在调整PID调节器PI参数时，不要进行电动机切换操作。推荐先将压力给定（PID的给定值）设定在一个预定值，保证变频器运行于40Hz左右，这时进行上述调整。等PI参数完成调整后，在将压力给定设置到正常需要值，完成电动机分级切换程序调整。

（6）控制方式选择 变频器提供的控制方式有U/f控制、矢量控制、力矩控制。U/f控制中有线性U/f控制、抛物线特性U/f控制。将变频器参数P1300设为0，变频器工作于线性U/f控制方式，将使调速时的磁通与励磁电流基本不变。适用于工作转速不在低频段的一般恒转矩调速对象。

将P1300设为2，变频器工作于抛物线特性U/f控制方式，这种方式适用于水泵类负载。这类负载的轴功率近似地与转速的3次方成正比。其转矩近似地与转速的平方成正比。对于这种负载，如果变频器的U/f特性是线性关系，则低速时电动机的可用转矩远大于负载转矩，从而造成功率因数和效率的严重下降。为了适应这种负载的需要，使电压随着输出频率的减小以平方关系减小，从而减小电动机的磁通和励磁电流，使功率因数保持在适当的范围内。

可以进一步通过设置参数使U/f控制曲线适合负载特性，将P1312在0～250之间设置合适的值，具有起动提升功能。将低频时的输出电压相对于线性的U/f曲线作适当的提高，以补偿在低频时定子电阻引起的压降导致电动机转矩减小的问题。适用于大起动转矩的调速对象。

采用变频器U/f控制方式驱动电动机时，在某些频率段，电动机的电流、转速会发生振荡，严重时系统无法运行，甚至在加速过程中出现过电流保护，使得电动机不能正常起动，在电动机轻载或转矩惯量较小时更为严重。可以根据系统出现振荡的频率点，在U/f曲线上设置跳转点及跳转频带宽度。当电动机加速时可以自动跳过这些频率段，保证系统能够正常运行。从P1091～P1094可以设定4个不同的跳转点，设置P1101确定跳转频带宽度。

有些负载在特定的频率下需要电动机提供特定的转矩，用可编程的U/f控制，对应设置变频器参数即可得到所需控制曲线。设置P1320、P1322、P1324确定可编程的U/f特性频率坐标，对应的P1321、P1323、P1325为可编程的U/f特性电压坐标。

参数P1300设置为20，变频器工作于矢量控制。这种控制相对完善，调速范围宽，低速范围起动力矩高，精度高达0.01％，响应很快，高精度调速都采用SVPWM矢量控制方式。

参数P1300设置为22，变频器工作于矢量转矩控制。这种控制方式是目前国际上最先进的控制方式，其他方式是模拟直流电动机的参数，进行保角变换而进行调节控制的，矢量转矩控制是直接取交流电动机参数进行控制，控制简单，精确度高。

（7）快速调试 在使用变频器驱动电动机前，必须进行快速调试。将参数P0010设为1、P3900设为1，变频器即进行快速调试，快速调试完成后，进行了必要的电动机数据的计算，并将其他所有的参数恢复到它们的缺省设置值。在矢量或转矩控制方式下，为了正确地实现控制，非常重要的一点是，必须正确地向变频器输入电动机的数据，而且，电动机数据的自动检测参数P1910必须在电动机处于常温时进行。当使能这一功能（P1910＝1）时，会产生一个报警信号A0541，给予警告，在接着发出ON命令时，立即开始电动机参数的自动检测。

（8）加减速时间调整 加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间，减速时间是指从最大频率下降到0所需时间。加速时间和减速时间选择的合理与否，对电动机的起动、停止、运行及调速系统的响应速度都有重大的影响。加速时间设置的约束是将电流限制在过电流范围内，不应使过电流保护装置动作。电动机在减速运转期间，变频器将处于再生发电制动状态。传动系统中所储存的机械能转换为电能，并通过逆变器将电能回馈到直流侧。回馈的电能将导致中间回路的储能电容器两端电压上升。因此，减速时间设置的约束是防止直流电路电压过高。加减速时间计算公式为

加速时间

t_a＝（j_m＋j_l）n/9.56（M_ma－M_l） （4-2）

减速时间

t_b＝（j_m＋j_l）n/9.56（M_mb－M_l） （4-3）

式中 j_m——电动机的惯量；

j_l——负载惯量；

n——额定转速；

M_ma——电动机驱动转矩；

M_mb——电动机制动转矩；

M_l——负载转矩。

加减速时间可根据公式算出来，也可用简易试验方法进行设置。首先，使拖动系统以额定转速运行（工频运行），然后切断电源，使拖动系统处于自由制动状态，用秒表计算其转速从额定转速下降到停止所需要的时间。加减速时间可首先按自由制动时间的1/2～1/3进行预置。通过起、停电动机观察有无过电流、过电压报警，调整加减速时间设定值，以运转中不发生报警为原则，重复操作几次，便可确定出最佳加减速时间。

（9）转动惯量设置 电动机与负载转动惯量的设置往往被忽视，认为加减速时间的正确设置可保证系统正常工作。其实，转动惯量设置不当会使得系统振荡，调速精度也会受到影响。转动惯量

j＝M/dω/dt （4-4）

式中：M为额定转矩。

电动机与负载转动惯量的获得方法一样，让变频器工作频率在合适的值。分别让电动机空载和带载运行，读出参数P0333额定转矩和P0345电动机的起动时间，再将变频器工作频率换算成对应的角速度，代入公式，计算得出电动机与负载转动惯量。设置参数P0341（电动机的惯量）与参数P0342（驱动装置总惯量/电动机惯量的比值），这样变频器就能更好的运行。