变频器起动器的控制电路设计

时间：2026-01-23 理论教育景枫版权反馈

【摘要】：变频起动、软起动是近几年迅速发展起来的电动机起动控制技术。变频器起动、软起动是电动机起动控制技术发展的必然，作为电气工作人员应该在掌握其功能和使用外，再去学习其原理、结构，这样才是个人技术技能的飞跃，只有这样才能更好地使用它、运用它。变频器和外部控制电路之间的联系主要通过外接端子进行联系，见图4-35。变频器接受外接开关量信号的方法图4-34中输入信号电路的结构见图4-36。

变频起动、软起动是近几年迅速发展起来的电动机起动控制技术。它利用晶闸管变流技术、计算机技术、电子技术、通信技术相结合的新技术，将电源的频率、电压进行由低到高的调节，解决电动机起动过程中的硬特性，使电动机在低频率、低电压下起动，使转速由零缓慢起动，直到达到额定转速。并且在运行过程中，改变变频器的输出电压频率则可进行调速，以满足生产工艺速度调节和节能的需要。变频起动、软起动的原理和结构很复杂，理论也很深，三句两句是讲不清楚的，但是可以抛掉其原理和结构，把它就当做一台接触器—继电器构成的自耦减压起动器或频敏变阻器或星-三角起动器，不同的是它具有调频调压功能，这样就能够轻松自如地掌握它、应用它。电工技术就是这样的，每当有新设备、新元器件出现时，人们，特别是现场的工人师傅，对它们都有一个认识熟悉的过程，过一段时间后，人们自然会掌握它。同样，变频起动、软起动也是这样的。如果真想从结构原理上掌握它，就必须从二极管、晶闸管、晶体管、电子技术学起，掌握整流、逆变技术，掌握晶闸管导通角控制及其导通的频率控制，才能了解其工作原理，同时还应学习计算机技术、通信技术、接口技术等。只有这样才能掌握其原理和结构，但必须付出巨大的精力，否则是不行的。

变频器起动、软起动是电动机起动控制技术发展的必然，作为电气工作人员应该在掌握其功能和使用外，再去学习其原理、结构，这样才是个人技术技能的飞跃，只有这样才能更好地使用它、运用它。

变频器、软起动器在应用过程中一定要熟读其使用说明书，并按其提供的图样接线，加之各个厂家的产品不尽相同，用户一般不要随意变动。

1.变频器基本控制电路

（1）变频器内部控制电路框图变频器内部的控制电路框图见图4-34。

1）主控电路主要功能如下：

①接受各种信号

a.在功能预置阶段，接受对各功能的预置信号：

b.接受从键盘或外接输入端子输入的给定信号；

c.接受从外接输入端子或通信接口输入的控制信号；

d.接受从检测电路输入的检测信号；

e.接受从保护电路输入的保护执行信号等。

②进行基本运算最主要的运算包括：

a.进行矢量控制运算或其他必要的运算；

b.实时地计算出SPWM波形各切换点的时刻。

③输出计算结果

a.输出至逆变管模块的驱动电路，使逆变管按给定信号及预置要求输入SPWM电压波。

b.输出给显示器，显示当前的各种状态。

c.输出给外接输出控制端子。

d.向保护电路发出保护指令，以进行保护。

2）检测电路接受电压、电流以及模块温度等采样信号，并转换成主控电路所能接受的信号；

3）保护电路接受主控电路输入的保护指令，并实施保护。同时也直接从检测电路输入检测信号，以便对某些紧急情况实施保护。

（2）变频器和外部控制电路之间的联系主要通过外接端子进行联系，见图4-35。外接端子有两大类：

1）输入信号端子：从外部输入的各种控制信号，输入至变频器的“输入信号电路”，经输入信号电路接受后把信号传至主控电路。

图4-34 变频器内的控制电路框图

2）输出信号端子：主要有报警信号输出端子、外接测量端子、多功能状态信号输出端子等。

图4-35 变频器和外部控制端子

a）外控接线图 b）控制端子的安排

（3）变频器的外接输入端子

1）模拟量输入端，即从外部输入模拟量信号的端子，如图4-35中之端子12和C1。变频器配置的模拟量输入信号有：

①按输入信号的物理量分有电压信号：如0～+10V、0～±10V、0～+5V、0～±5V等；电流信号：如0～20mA，4～20mA等。

②按功能分有主给定信号：如主要的频率给定信号、PID控制的目标给定信号等；辅助给定信号：如叠加到主给定信号的附加信号、PID控制的反馈信号等。

2）开关量输入端接受外部输入的各种开关量信号，以便对变频器的工作状态和输出频率进行控制。主要有以下几类：

①基本控制输入端：如正转（FWD）、反转（REV）、点动（JOG）、复位（RST）等，基本控制输入端在多数变频器中是单独设立的，其功能比较固定；

②可编程输入端：端子的具体功能须通过功能预置来决定，如多挡转速控制，多挡升、降速时间控制，可编程序控制等。

（4）变频器接受外接开关量信号的方法图4-34中输入信号电路的结构见图4-36。

例如，当外接端子FWD的外控电路接通（KA1闭合）时，变频器内光耦合器的二极管部分有电流流过，其晶体管部分导通，进而控制其他器件。

外控开关器件可以是有触点的，见图4-36a；也可以是无触点的，见图4-36b。

（5）变频器的外接输出端子主要有三种类型。

1）报警输出端：当变频器因故障而跳闸时，报警输出端将动作，发出报警信号。

图4-36 输入信号电路

a）外控信号为有触点开关 b）外控信号为无触点开关

报警输出端通常都采取继电器输出，可以直接接到AC220V的电路中。见图4-37a中的MA、MB、MC和图4-37b中的RO31、RO32、RO33。

2）测量信号输出端：向外接仪表提供与运行参数成正比的测量信号。测量信号有两类：

①模拟量信号见图4-37a中的AM端和FM端和图4-37b中的AO1、AO2；

②与被测频率成正比的脉冲信号，见图4-37a中的MP—AC。

3）状态信号输出端：输出变频器的各种运行状态的信号，输出内容如：“运行”信号、“频率到达”信号、“频率检测”信号等。各输出端的具体输出内容可通过功能预置来设定，故常称为多功能输出端。

图4-37 输出信号端子

a）安川G7A变频器 b）ABB—ACS800变频器

（6）变频器输出的外接开关量信号变频器的开关量输出信号电路主要有三种类型：

1）晶体管输出型见图4-38a，输出信号为集电极开路输出，由于受到晶体管耐压的限制，只能用于直流低压电路中；

2）继电器输出型见图4-38b，输出端由继电器触点构成。由于继电器触点的耐压较高，故大多数可用在交流220V电路中；

3）晶体管双向输出型见图4-38c。

如外电路为上“+”、下“-”，则电流从端子“11”流入，经二极管D02、输出晶体管和二极管D04后到端子“CM2”。

如外电路为上“-”、下“+”，则电流从端子“CM2”流入，经二极管D01、输出晶体管和二极管D03后到端子“11”。

图4-38 输出信号电路的类型

a）晶体管输出型 b）继电器输出型 c）晶体管双向输出型

因此，双向输出型可以用在低压交流电路中。

（7）通过外接端子进行的操作变频器的操作方式需要通过功能预置来选定，见表4-2。

表4-2 操作方式的选择功能举例

（8）外接端子的基本操作功能变频器的外接输入控制端子中，有一部分端子的功能是固定的，或出厂设定中已有明确功能，也可以通过功能预置更改的。这部分输入端子称为基本操作输入端。各种变频器对基本操作输入端的设置不尽相同，见图4-39。

图4-39a是三菱FR—A540系列变频器的配置，其基本操作输入端有正转、反转、自锁、点动、自由制动、复位等。

图4-39b是瓦萨CX系列变频器的配置，其基本操作输入端有正转、反转、外部故障、复位等。

（9）变频器的点动控制

图4-39 基本操作输入端举例

a）三菱FR—A540变频器 b）瓦萨CX变频器

1）键盘控制：多数变频器的面板上有点动键（JOG键）。点动时，只需按JOG键即可，见图4-40a。点动方向、点动频率以及点动时的加、减速时间都通过功能预置来决定。

图4-40 点动控制

a）键盘控制 b）外接端子控制

2）外接输入端子控制：在多功能输入端子中，任选两个端子（如X1、X2端）作为正、反转点动信号输入端。以康沃CVF—G2系列变频器为例：

将功能码L—63（输入端子X1功能选择）预置为“5”，则该输入端即为“正转点动控制”输入端。

将功能码L—64（输入端子X2功能选择）预置为“6”，则该输入端即为“反转点动控制”输入端。

操作时，接通X1，即为正转点动控制；接通X2，即为反转点动控制。

（10）变频器的三线控制变频器和接触器控制电路相同，见图4-41a。当按下动合（常开）按钮SF时，电动机正转起动，由于EF端子具有保持（自锁）功能，松开SF后，

图4-41 三线控制

a）方式1 b）方式2（可脉冲控制）

电动机的运行状态将能继续下去；当按下动断按钮ST时，EF和COM之间的联系被切断，自锁解除，电动机将停止。这样，只需要两个按钮就可以进行电动机的起动和停止控制了。

图4-41b是自锁功能的另一种方式，其特点是可以接受脉冲信号进行控制。

自锁控制需要将控制线接到三个输入端子，故称为“三线控制”。

（11）变频器的点动控制（见图4-42）在X6中串接切换开关SA，当SA投向“R”时，X6接通，自锁功能有效。按下SF，电动机运行，松开SF，电动机继续运行；当SA投向“J”时，X6断开，自锁功能无效。按下SF，电动机运行，松开SF，电动机停止。

图4-42 点动与运行的切换电路(https://www.xing528.com)

a）继电器的切换电路 b）变频后的切换电路

（12）变频器的外接升、降速控制变频器的可编程外接端子中，可以任意选择两个端子，通过功能预置，使它们具有升、降速功能。

见图4-43，通过功能预置，使端子X1为“升速端子”，X2为“降速端子”，则：按下SB1时，变频器的输出频率上升，松开SB1，变频器的输出频率保持不变（通过预置，也可以使输出频率回复至原来的频率）。

图4-43 外接升、降速端子

a）外接升、降速端子接法 b）功能示意图

按下SB2时，变频器的输出频率下降，松开SB2，变频器的输出频率保持不变（通过预置，也可以使输出频率回复至原来的频率）。

（13）变频器升、降速端子与电位器（见图4-44）按下SB1→X1接通→频率上升。

松开SB1→X1断开→频率保持不变；

按下SB2→X2接通→频率下降；

松开SB2→X2断开→频率保持不变。

（14）变频器的多挡转速控制变频器的外接输入控制端子中，通过功能预置，可以将若干个（通常为2～4个）输入端作为多挡（3～16挡）转速控制端。其转速的切换由外接的开关器件通过改变输入端子的状态及其组合来实现，转速的挡次是按二进制的顺序排列的，故二个输入端可以组合成3或4挡（0状态不计时为3挡，0状态计入时为4挡）转速，三个输入端可以组合成7或8挡（0状态不计时为7挡，0状态计入时为8挡）转速，四个输入端可以组合成15或16挡（0状态不计时为15挡，0状态计入时为16挡）转速。

见图4-45，假设输入端子X1、X2、X3被预置为多挡转速的信号输入端，则通过继电器KA1、KA2、KA3的不同组合，可输入7挡或8挡转速信号。

图4-44 用升降速端子给定代替电位器给定

a）升降速端子给定 b）电位器给定

图4-45 变频器的多挡转速控制

由于三个端子是任选的，又由于每一个端子代表二进制数字中的一“位”。因此，在把三个端子预置为多挡转速功能时，必须注意它们的顺序。例如：

X1预置为最低位；

X2预置为中间位；

X3预置为最高位。

则转速挡次与各输入端状态之间的关系见表4-3。

表4-3 转速挡次与各输入端状态之间的关系

（15）变频器外接输入端子的预置选择功能变频器还可以通过功能预置使各输入控制端子具有选择功能见图4-46。

1）速度控制与转矩控制的选择功能：ON时为转矩控制；OFF时为速度控制。

2）PID的选择功能：ON时PID控制无效；OFF时PID控制有效。

3）直流制动指令的选择功能：ON时直流制动指令有效，电动机进行直流制动；OFF时外部无直流制动指令。

4）模拟量给定信号相加功能的选择：ON时可进行模拟量给定之间的相加；OFF时不能相加。

5）模拟量给定信号相减功能的选择：ON时可进行模拟量给定之间的相减；OFF时不能相减。

6）V/F方式时的转速反馈选择：ON时转速反馈无效；OFF时有效。

7）零伺服指令的选择功能：ON时零伺服指令有效；OFF时无效。

8）电动机的切换功能：当一台变频器控制两台不同时运行的电动机时，对被控电动机进行切换，ON时2#电动机运行；OFF时1^#电动机运行。

（16）变频器报警输出端子的功能报警输出端子的功能主要有两个方面，见图4-47。

图4-46 输入控制端子的选择功能

图4-47 报警端子的应用电路

1）切断变频器电源：图4-47中接触器KM是用来接通变频器电源的，报警输出的动断（常闭）触点“30B—30C”串联在KM的线圈电路内。为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端，应并联阻容吸收电路（图4-47中的R—C电路）。

当变频器因故障而跳闸时，触点“30B—30C”断开，KM的线圈断电，其主触点使变频器切断电源。

2）进行声光报警：声光报警电路由报警输出的动合（常开）触点“30B—30A”控制。当变频器跳闸时，触点“30B—30A”闭合，将报警指示灯HL和电笛HA接通，进行声光报警。

与此同时，继电器KA得电，其触点将声光报警电路自锁，使变频器断电后，声光报警能持续下去，直至工作人员按下SB为止。

继电器线圈和电笛线圈的两端并联阻容吸收装置，以保护触点。

（17）变频器与外接测量仪表变频器的外接模拟量输出端子主要用于测量变频器的运行数据，如输出频率、输出电流和输出电压等，见图4-48a。

变频器所提供的模拟量信号都是与被测参数成正比的低压直流电压或直流电流。用户在市场上也只能买到低压的直流电压表或直流毫安表。因此，需要进行必要的技术处理，见图4-48b。

图4-48 模拟量输出端子的应用

a）应用电路 b）仪表的处理

不同变频器的模拟量输出信号也不一样，主要有0～10V、0～20mA、0～1mA等几种，必须注意说明书中的相关说明。

如0～10V的电压表测量变频器的输出频率，假设变频器的最高频率预置为0～50Hz，则仪表的10V与50Hz相对应，只需将仪表的刻度盘作图4-48b所示的处理即可。

（18）变频器的多功能输出端子大部分变频器的多功能输出信号都是晶体管集电极开路输出的，见图4-49。主要的应用方式如下：

1）继电器方式：即由低压继电器KA接受信号。当输出端子Y1—GND导通时，KA线圈得电，其触点用以控制相关的电路。

图4-49 多功能输出端子的应用

为了保护变频器内的输出晶体管，KA线圈的两端应反向并联一个二极管VD，为线圈在断电时的反电动势提供释放回路。

2）光耦方式：即由光耦合器VHC的二极管接受信号。当输出端子Y2—GND或Y3—GND导通时，VHC的发光二极管部分得到电流而发光，其光敏晶体管部分用以控制相关的电路。

2.低压电动机变频器起动常用电路分析

（1）ZY312G变频器起动控制电路（见图4-50）

1）正常运行时，SQ-NC连接。

2）快速刹车时，SQ-NO连接。快速制动时，LS减速时间设置不宜太长，越长制动转矩越大。

3）NO、NC接外控开关，闭合运行，断开暂停。

4）OC、OE接外控输出，运行时接通、暂停时断开，电子开关运行时应小于100mA。

图4-50 ZY312G变频器起动控制电路

5）O、IN、+5接外控电位器（1～10kΩ）调速。

6）O、DI接正反转开关，断开正转，闭合反转。

7）IN与O之间可外控DC0～5V或DC0～20mA。

8）外控电压控制时，应将面板电位器放在顺时针最大处（IN与O之间可外控电压DC0～5V）（DC5V时为100Hz）。

9）电流外控控制时，应将面板电位器放在逆时针最小处（IN与O之间可外控电流DC0～20mA）（DC20mA时为100Hz）。

由图4-50可以看出，该变频器的电源是～220V，但能驱动三相电动机，这是变频器的最大特点。必须保证电源的容量大于电动机容量，一定要接在R、S上，三相电源则应接在R、S、T上。

如果不去探讨变频器的原理和结构，相比之下阅读该图要比阅读接触器—继电器起动控制电路简单了许多。

（2）施耐德变频器常用电路图该变频器分无控制接触器、有进线接触器和有出口控制接触器三种。由图4-51～图4-58可知，对于接触器的控制都有一个控制电路，这与接触器—继电器控制系统是相同的，由按钮控制。这里将其各种电路图列出，供读者参考。

可以看出，变频器正确接线后，只要接通电源，电动机便自行起动，并按设定的程序进行频率由低到高的调节，直到起动完毕；在起动过程或运行过程中，一旦出现过电流、过热、短路、低电压、超速等故障，则电动机会按设定程序停车，这些保护器件是看不到的，是由设备本身内部设定的程序完成的，这也是与接触器—继电器控制电路最大的不同之处。