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图2-4 变频器内部结构图

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从图2-4中可以看出，主要组成部分包括一下几个方面：

① 电路单元

主电路单元包括整流器和逆变器两个主要功率变换单位，电网电压由输入端（L1，L2，L3）接入变频器，经整流器整流成直流电压，然后由逆变器变成电压和频率可调的交流电压，从输出端（U，V，W）输出到三相交流异步电动机。 ② 驱动控制单元

驱动控制单元主要作用是产生逆变器开关管的驱动信号，受中央处理单元控制 ③ 中央处理器

中央处理器用来处理各种外部控制信号、内部检测信号以及用户对变频器的参数设定信号等，然后对变频器进行控制，是变频器的控制中心。

④ 保护与报警单元

主要通过对变频器的电压、电流、温度等信号的检测，出现异常或故障时候，该单元将改变或关断逆变器的驱动信号，使变频器停止工作，实现对变频器的自我保护。

⑤ 参数设定与监视单元

该单元主要由操作面板组成，用于对变频器的参数设定和监视变频器当前的运行状态

(2) 西门子MM420变频器的基本原理

变频器可以分为四个部分，如图2-5所示。通用变频器由主电路和控制回路组成。给三相交流异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为主电路。主电路包括整流器、中间直流环节（又称平波回路）、逆变器。

整流器平波电路逆变器M控制电路

图2-5 变频器简化结构图

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① 整流器

它的作用是把工频电源变换成直流电源。 ② 平波回路（中间直流环节）

由于逆变器的负载为三相交流异步电动机，属于感性负载。无论三相交流异步电动机处于电动状态还是发电状态，起始功率因数总不会等于1。因此，在中间直流环节和三相交流异步电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件—电容器或电感器来缓冲，所以中间直流环节实际上是中间储能环节。

③ 逆变器

与整流器的作用相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率。逆变器的结构形式是利用6个半导体开关器件组成的三相桥式逆变器电路。通过有规律的控制逆变器中主开关的导通和断开，可以得到任意频率的三相交流输出波形。

④ 控制回路

控制回路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路，驱动电路和制动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制，以及完成各种保护功能。控制方式有模拟控制或数字控制。

（3）西门子MM420变频器的开关器件

该变频器里开关器件主要为IGBT（绝缘栅双极晶体管），是20世纪80年代中期发展起来的一种新型复合型器件，它集MOSFET和GTR的优点于一身，具有输入阻抗高、开关速度快、通态压降低、阻断电压高、承受电流大以及驱动电路简单等优点。

（4） 西门子MM420变频器的控制方式

该变频器的控制方式为U/F控制，U/F控制上面已经有所介绍，该控制方式的变频器结构比较简单，成本较低，机械特性硬度较好，能够满足一般传动的平滑调速的要求。但是这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子阻抗压降的影响较为明显，使最大输出转矩减小，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。

2.2. 系统功能分析

本次设计就是基于PLC的变频器调速系统。将现在应用最广泛的PLC和变频器

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综合起来主要功能实现了变压变频调速。电机的正反转，加减速以及快速制动等。因此，该系统必须具备以下三个主体部分：控制运算部分、执行和反馈部分。控制运算主要由PLC和变频器来完成；执行元件为变频器和电机；反馈部分主要为速度反馈。

2.3. 设计方案的确定

2.3.1. 变频调速的控制方式及选定

开环控制是最简单的一种控制方式，它所具有的特点是，控制量与被控制量之间只有前向通路而没有反向通路。这种控制方式的特点是控制作用的传递具有单向性。由于开环控制结构简单，调整方便，成本低。在国民经济各部门均有采用。因此，本系统采用开环控制系统。 2.3.2. PLC的选择

本系统选用的是西门子公司生产的SIMATIC S7-200系列小型PLC，可用于代替继电器的简单控制场合，也可用于复杂的自动化控制系统。由于它极强的的通信功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其功能。

S7-200的可靠性高，可以用梯形图语句表功能块图三种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便，内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由端口模式通信功能，最大可以扩展到248点数字量I/O或35路模拟量I/O，最多有30多KB的程序和数据存储空间。

根据以上所述以及设计要求决定选用的具体型号是CPU224 AC/DC/RLY的S7-200的PLC。 2.3.3. 变频器的选择

正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时至关重要的，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、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，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满足生产工艺要求，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，往往会使通用变频器不能正常的运行、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，变频器的地线的连接也是

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非常重要的。

变频器在调速系统中的优点：

1．控制电机的启动电流；2．降低电力线路的电压波动；3．启动时需要的功率更低；4．可控的加速功能；5．可调的运行速度；6．可调的转矩极限；7．受控的停止方式；8．节能；9．可逆运行控制；10．减少机械传动部件。

在本系统中，选用了由西门子生产的通用变频器MM420。变频器MM420 具有良好的人机交互界面，其BOP控制面板具体如下图2-6所示。

图2-6 BOP控制面板和相关按键的作用

2.3.4. 电动机的选择

在变频电机中，电动机类型选择的原则是，在满足工作机械对于拖动系统要求的前提下，所选电动机应尽可能结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉。因此，在选用电动机种类时，若机械工作对拖动系统无过高要求，应优先选用三相交流异步电动机。

在三相交流异步电动机中，笼型异步电动机结构简单，运行最可靠，维护最方便，对起动性能无过高要求的调速系统，应优先考虑。在电机工作中起动、制动比较频繁，为提高生产率，又要求电动机具有较大的起动、制动转矩以缩短起动制动时间，同时还有一定的调速要求，所以本设计采用笼型异步电动机，其参数为：

型号：WDJ26；电压：380V；接法：三角形接法；转速：1430r/min; 功率：40W电流：0.2A；频率：50HZ；绝缘等级：E。

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