下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
（1） 交流变频方式
交流变频的原理是把 220 V交流市电转换为直流电源，为变频器提供工作电压，然后再将直流电“逆变”成脉动的交流电，并把它送到脉冲功率放大器（逆变器）中进行放大，再去驱动压缩机电动机。脉冲功率放大器是由多个大功率晶体管组成的，常被称为功率模块。同时，功率模块受微处理器送来的PWM信号的控制，输出频率可变的交流电压，使压缩机的转速随电压频率的变化而相应改变，这样就实现了微处理器对压缩机转速的控制和调节，如图 1-97 所示。
图 1-97 交流变频电路结构方框图
采用交流变频方式的空调器压缩机必须使用三相感应电动机才能通过改变压缩机供电的频率来控制它的转速。变频压缩机的电动机必须与控制驱动电路相对应。典型的变频电路如图 1-98 所示。
图 1-98 典型的变频电路
在变频过程中，为了使空调器的制冷或制热能力与负荷相适应，控制系统将根据检测到的室温和设定温度的差值，通过微处理器运算，产生控制运转频率变化的信号。这个频率可变的运转控制信号通过逆变器产生脉冲状的模拟三相交流电压，并将该电压加到压缩机的三相感应电动机上，使压缩机的转速发生变化，从而控制压缩机的排量，调节空调器的制冷量或制热量。
（2） 直流变频方式
直流变频空调器同样是把交流市电转换为直流电，并送至功率模块，功率模块同样受微处理器指令的控制，所不同的是压缩机电动机采用直流无刷电动机，驱动信号仍然是三相变频驱动信号，以驱动压缩机运行，控制压缩机的排量。
直流变频空调器的控制电路也有两种控制方式，即PWM方式和PAM方式，这两种方式的电路结构方框图分别如图 1-99 和图 1-100 所示。
在图 1-99 所示电路中，整流电路输出的直流电压基本不变，变频器功率模块的输出电压幅度恒定，控制脉冲的宽度受微处理器控制。
图 1-99 PWM方式的电路结构方框图
在图 1-100 所示电路中，整流输出路中增加了一个开关晶体管，通过对该开关晶体管的控制可以改变整流电路输出的直流电压幅度，这种电路被称为功率因数校正电路，它输出的电压可以在 140～390 V之间变化。这样变频器输出的脉冲电压不但脉宽可变，而且幅度可变。
图 1-100 PAM方式的电路结构方框图
变频空调器的控制系统采用新型微处理器，其电路结构方框图如图 1-101 所示。从图中可以看出，变频空调器的室内机和室外机中都设有独立的微处理器控制电路，两个控制电路之间由电源线和信号线连接，完成供电和相互交换信息（室内机、室外机的通信），控制室内机和室外机各部件协调工作。
图 1-101 变频空调器新型微处理器的电路结构方框图
变频空调器工作时，室内机微处理器收到遥控器发出的人工指令信号，以及各路传感元件送来的检测信号，包括室内温度信号、室内热交换器温度信号（管温信号）、室内机风扇电动机转速的反馈信号等。室内机微处理器接收到上述信号后便发出控制指令，其中包括室内机风扇电动机转速控制信号、压缩机运转频率控制信号、显示部分的控制信号（主要用于故障诊断）和室外机传送信息用的串行数字信号等。
同时，室外机内微处理器收到来自室内机的串行数字信号及各种检测信号，包括电流传感信号、电子膨胀阀出口温度信号、吸气管温度信号、排气管温度信号、室外温度信号、室外热交换器温度信号等。室外机微处理器根据接收到的上述信号，经运算后发出控制指令，控制室外机风扇电动机的转速控制信号、压缩机运转的控制信号、四通电磁阀的切换信号、电子膨胀阀制冷剂流量控制信号等。
变频器是依托于变频技术进行工业化生产而开发的产品。在工业日益发展的今天，变频器已经成为改造传统产业、改善工艺流程，提高生产自动化水平、提高产品质量、推动技术进步的重要手段，广泛应用于工业自动化的各个领域。
变频器的作用是改变电动机驱动电流的频率和幅值，进而改变其旋转磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机的组合，替代了大部分原先只能用直流电动机完成的工作，缩小了体积，降低了故障发生的机率，使传动技术发展到新阶段。
变频器能够广泛应用，因其具有以下常见的 3 种功能。
（1） 功率因数补偿功能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低会导致电网有功功率的降低，使大量的无功电能消耗在线路当中，设备的效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部设置了功率因数补偿电路（滤波电容器的作用），从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
（2） 软启动功能
电动机硬启动会对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动产生的大电流和震动时对相关零部件（挡板和阀门）的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备（阀门）的使用寿命，节省了设备的维护费用。
（3） 节能功能
在变频器工作提高效率的情况下，要保证安全生产的可靠性。各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的余量。当电动机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩会增加有功功率的消耗，这会造成电能的浪费，变频器的使用可以克服这种问题。
图 1-102 所示是FR—D740 型变频器的电路结构原理图。由图可见，该变频器将主体电路部分制成了一个独立的电路单元，它可以应用到很多的电动机驱动系统中，只需要连接一下外围电路，这样使设计和应用变得很简单，完全不需要设计变频器的内部电路，给应用提供了极大的方便。该变频器各主要端子的功能如表 1-1 所列。
图 1-102 FR—D740 型变频器的电路结构原理图
表 1-1 变频器各个端子的含义及功能
（续表）
图 1-103 所示为变频器主电路端子排与电动机及电源的连接示意图。将电源线分别连接在主电路端子排的交流输入端R/L1、S/L2、T/L3 上，再将电动机的U、V、W端分别连接在主电路端子排的变频器输出端U、V、W端。图中的短路片只有在连接直流电抗器时，才可拆下。
图 1-103 变频器主电路端子排与电动机及电源连接示意图
PLC的英文全称为Programmable Logic Controller，即可编程控制器。PLC是在继电器、接触器控制和计算机技术的基础上，逐渐发展起来的以微处理器为核心，集微电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术为一体，以工业自动化控制为目标的新型控制装置。PLC具有通用性强、使用方便、适用范围广、可靠性高、编程简单、抗干扰能力强、易于扩展等特点，在建材、电力、机械制造、化工、交通运输等行业有着广泛的应用。典型PLC的实物外形如图 1-104 所示。
图 1-104 典型PLC的实物外形
相比较而言，采用PLC进行控制管理，省略掉了许多接触器和继电器，控制按钮也采用触摸屏方式，线路连接更加简化，各输入、输出设备都通过相应的I/O接口连接，图 1-105 所示为十分典型的采用PLC的控制系统连接示意图。若整个控制过程需要改造，只需将编制程序重新输入到PLC内部，输入、输出部件直接通过I/O接口即可实现增减。无论是系统的连接、控制，还是改造、维护，都十分简便。
例如，采用继电器进行控制的三相交流感应电动机控制电路如图 1-106 所示。
图 1-105 采用PLC的控制系统连接示意图
图 1-106 采用PLC进行控制的三相交流感应电动机控制电路
（1） PLC的基本组成
PLC属于精密的电子设备，从功能电路上讲，主要是由输入电路、运算控制电路、输出电路等构成的。输入电路的作用是将被控对象的各种控制信息及操作命令转换成PLC输入信号，然后送给运算控制电路部分；运算控制电路以内部的CPU为核心，按照用户设定的程序对输入信息进行处理，然后由输出电路输出控制信号，这个过程实现算术运算和逻辑运算等多种处理功能；输出电路由PLC输出接口和外部被控负载构成，CPU完成的运算结果由PLC输出接口提供给被控负载。其中，输入部分和输出部分都具备人机对话功能。
不同的电路功能需要借助不同的电路和内部程序协作完成，图 1-107 所示为典型PLC电路结构及协同工作原理示意图。
图 1-107 典型PLC的电路结构及协同工作原理示意图
PLC的硬件电路主要是由CPU模块、存储器、编程接口、电源模块、基本I/O接口电路等 5 部分组成的。
CPU模块是PLC的核心，CPU的性能决定了PLC的整体性能。不同的PLC配有不同的CPU，主要承担着将外部输入信号的状态写入输入存储器中，然后将处理结果送到输出映像寄存器中。CPU常用的微处理器有通用微处理器、单片微处理器和位片式微处理器。
存储器主要是存储用户程序，由只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM）两大部分构成。系统程序存放在ROM中，用户程序和中间运算数据存放在RAM中。编程接口通过编程电缆与编程设备（计算机）连接，电脑通过编程电缆对PLC进行编程、调试、监视、试验和记录。
基本I/O接口电路可以分为PLC输入电路和PLC输出电路两种，现场输入设备将输入信号送入PLC输入电路，经PLC内部CPU处理后，由PLC输出电路输出送给外部设备。
PLC内部配有一个专用开关式稳压电源，为PLC内部电路提供多路工作电压。
PLC软件系统和硬件电路共同构成PLC系统的整体。PLC软件系统又可分为系统程序和用户程序两大类。
系统程序是由PLC制造厂商设计编写的，用户不能直接读写和更改，一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。
用户程序是用户根据控制要求，按系统程序允许的编程规则，用厂家提供的编程语言编写的程序。
（2） PLC的工作原理
PLC是一种以微处理器为核心的数字运算操作的电子系统装置，是专门为大中型工业用户现场的操作管理而设计，它采用可编程序的存储器，用以在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时/计数和算术运算等操作指令，并通过数字式或模拟式的输入、输出接口，控制各种类型的机械或生产过程。PLC的整机工作原理示意图如图 1-108 所示。
图 1-108 PLC的整机工作原理示意图
其中，CPU（中央处理器）是PLC的控制核心，它主要由控制器、运算器和寄存器三部分构成。通过数据总线、控制总线和地址总线与I/O接口相连。
PLC的程序是由工程技术人员通过编程设备（简称编程器）输入的。目前，PLC 的编程有两种方式：一种是通过PLC手持式编程器编写程序，然后传送到PLC内。另一种是利用PLC通信接口（I/O接口）上的RS232 串口与计算机相连，然后，通过计算机上专门的PLC编程软件向PLC内部输入程序。
编程器或计算机输入的程序输入到PLC内部，存放在PLC的存储器中。通常，PLC的存储器分为系统程序存储器、用户程序存储器和工作数据存储器。
用户编写的程序主要存放在用户程序存储器中，系统程序存储器中主要用于存放系统管理程序、系统监控程序及对用户编制程序进行编译处理的解释程序。
当用户编写的程序存入后，CPU会向存储器发出控制指令，从系统程序存储器中调用解释程序将用户编写的程序进行进一步的编译，使之成为PLC认可的编译程序。
存储器中的工作数据存储器是用来存储工作过程中的指令信息和数据的。通过控制及传感部件发出的状态信息和控制指令通过输入接口（I/O接口）送入到存储器的工作数据存储器中。在CPU控制器的控制下，这些数据信息会从工作数据存储器中调入CPU的寄存器，与PLC认可的编译程序结合，由运算器进行数据分析、运算和处理。最终，将运算结果或控制指令通过输出接口传送给继电器、电磁阀、指示灯、蜂鸣器、电磁线圈、电动机等外部设备及功能部件。这些外部设备及功能部件即会执行相应的工作。
在整个工作过程中，PLC中的电源始终为各部分电路提供工作所需的电压。确保PLC工作的顺利进行。
由此可见，PLC作为全新型的工业控制装置，有效的将传感控制技术、计算机控制技术和通信技术融合在一起，用软件编程逻辑代替了硬件布线逻辑，拓展了功能、提升了效率、增强了系统的控制能力和抗干扰能力，并有效的降低了故障发生的几率。目前，以成为工业自动化发展不可缺少的实用技术核心。