2.8 PLC控制的工频与变频切换电路

由于PLC和变频器的产品较多，它们的功能和接线也不尽相同，本节先举例介绍继电器控制的“工频”与“变频”切换，再介绍PLC控制的“工频”与“变频”切换，可全面了解“工频”与“变频”切换的工作原理。PLC控制与传统的继电器控制相比，有着更突出的优点。

2.8.1 工频与变频运行切换的原因

在交流变频调速控制系统中，根据工艺要求，有时需要进行“工频运行”与“变频运行”的切换。

部分机械如大型中央空调系统的冷却水泵、大型锅炉的鼓风机和引风机，港口胶带输送机系统等，在运行过程中是不允许停机的，这些设备运行过程中，变频器一旦运行异常或因故障而跳闸，为了保证生产的有序进行，其必须能够自动切换为“工频运行”，同时进行声光报警。

电动机变频运行时，当频率升到50Hz（工频）并保持长时间运行时，应将电动机切换为工频电网供电，让变频器“休息”或根据系统需要，用变频器控制其他电动机运行。

当生产不能因现场变频器维护和检修而停止时，为使变频器发挥更大的作用，选择“工频运行”。

电动机运行在工频电网供电时，若工艺变化需要进行调速运行，此时必须将电动机由“工频运行”切换到“变频运行”。

2.8.2 继电器控制切换的主电路和控制电路

由于变频器的产品较多，它们的功能不同，各接线端子也不尽相同，图2-36所示为继电器控制的工频与变频运行的主电路及控制电路。^[3]

图2-36 继电器控制的工频与变频运行的主电路和控制电路

三相工频电源通过真空断路器QF接入，主电路中各真空接触器KM₁、KM₂、KM₃的功用如下：

1）KM₁用于将电源线接至变频器的输入端。

2）KM₂用于将变频器的输出接至电动机。

3）KM₃用于将工频电源直接接至电动机。

注意，KM₂和KM₃绝对不能同时接通，否则会损坏变频器，因此KM₂和KM₃之间必须有可靠的互锁。此外，因为在工频运行时，变频器不可能对电动机进行过载保护，所以必须接入热继电器FR，用于工频运行时的过载保护。

工频与变频切换时，应先断开KM₂，使电动机脱离变频器；经适当延时再后合上KM₃，将电动机接至工频电源。

注意，KM₂和KM₃之间需要有非常可靠的互锁，经验表明，除电气互锁外，采用有机械互锁装置的接触器是必要的。同时，从KM₂断开到KM₃闭合之间的延迟时间是必要的，通常称之为“切换时间”。

2.8.3 继电器控制的工频和变频运行

切换控制电路图2-36b中，由于在切换完成后，要求变频器的报警输出信号能维持到操作人员采取措施之后，所以变频器内部控制电路的电源线T₁和S₁应接在KM₁的主触点之前。

控制电路的工作过程如下^[3]：

1.工频运行

图2-36b中，运行方式由转换开关SA选择，当SA旋至“工频”（工频运行方式）时，SA（5-7）接通，按下起动按钮SB₂，继电器KA₁得电动作：

KA₁辅助触点（1-3）闭合，KA₁自锁；

KA₁辅助触点（L-5）闭合，KM₃线圈得电动作；

KM₃主触点闭合，电动机工频起动并运行；

KM₃辅助触点（11-13）断开，防止KM₂通电。

按下停止按钮SB₁，继电器KA₁断电，KA₁辅助触点（1-3）断开，KA₁辅助触点（L-5）断开，KM₃线圈断电，电动机停止运行。

2.变频运行

图2-36b中，当变频器运行时，须将转换开关SA旋至“变频”变频运行方式时，SA（5-11）接通。

（1）变频器通电 按下起动按钮SB₂，继电器KA₁得电动作；

KA₁辅助触点（1-3）闭合，KA₁自锁；

KA₁辅助触点（L-5）闭合，KM₂线圈得电动作；

KM₂主触点闭合，将电动机接至变频器；

KM₂辅助触点（7-9）断开，防止KM₃线圈通电；

KM₂辅助触点（11-15）闭合，KM₁线圈得电；

KM₁辅助触点（19-21）闭合，允许电动机起动和运行。

（2）电动机起动 按下起动按钮SB₄，继电器KA₂得电动作：

KA₂辅助触点（变频器上FWD-COM端子）闭合，电动机起动并运行；

KA₂辅助触点（17-19）闭合，KA₂自锁；

KA₂辅助触点（L-1）闭合，在电动机停机前，防止变频器切断电源。

（3）电动机停止运行 按下停止按钮SB₃，继电器KA₂的线圈断电，KA₂辅助触点（L-1）断开，再按下停止按钮SB₁，继电器KA₁的线圈断电，KA₁辅助触点（1-3）断开，KA₁辅助触点（L-5）断开，KM₂和KM₁的线圈断电，电动机停止运行。

2.8.4 继电器控制的变频器故障切换及处理

图2-36中，当变频器发生故障时，其报警输出端子KF动作：

KF（4-N）断开，KM₂和KM₁断电，电动机脱离变频器、变频器脱离电源；

KF（6-N）闭合，时间继电器KT得电，KT（5-7）延时后闭合，KM₃主触点闭合，电动机切换至工频运行；

蜂鸣器HA鸣叫，报警指示灯HL闪烁，声光报警。

当操作人员得到报警信号后，应首先将转换开关SA切换至工频运行的位置：

SA（5-7）闭合，使电动机保持工频运行状态；

SA（5-11）断开，时间继电器KT断电，声光报警停止。

2.8.5 PLC控制的工频和变频切换图及参数

PLC控制的工频和变频切换电路接线如图2-37所示，图中主电路的真空断路器、真空接触器KM₁、KM₂、KM₃及主电路中热继电器FR的功用，还有KM₁、KM₂、KM₃的动作顺序参见2.8.2的有关说明。表2-8列举了PLC输入/输出端子的配置参数。由于变频器和PLC的产品较多，它们的功能相同，但各接线端子不尽相同，2.8节介绍的内容以及图2-37～图2-39作为介绍PLC控制的工频和变频工作原理的参考^[7]。

图2-37 PLC控制的工频与变频切换电路接线图

表2-8 PLC输入/输出端子的配置参数表

图2-37中，转换开关SA₁用于控制PLC的运行。运行方式由三位开关SA进行选择，当SA合至“工频”运行方式时，按下起动按钮，PLC将KM₃的线圈接通，电动机进入工频运行状态，按下停止按钮，电动机停止运行；当SA合至“变频”运行方式时，按下起动按钮，PLC将KM₂的线圈接通后，KM₁的线圈也随后接通，电动机进入变频运行状态，按下停止按钮，电动机停止运行。SB用于变频器发生故障后的复位。为了使KM₃和KM₂不能同时接通，除了PLC内部的软件（梯形图）中有互锁环节外，外部电路中也必须在KM₃和KM₂之间进行互锁。按下变频起动按钮的同时，PLC使中间继电器KA动作，变频器的FWD与COM接通，电动机开始升速，进入变频器运行状态；KA动作后，停止按钮将失去作用，以防止直接通过切断变频器电源使电动机停机。在变频运行中，一旦变频器因故障而跳闸，蜂鸣器HA和指示灯HL能进行声光报警。

2.8.6 PLC控制的工频运行过程和梯形图

图2-38给出了PLC控制的工频运行的梯形图。

1.工频运行

图2-37中，转换开关SA₁用于控制PLC的运行，首先将SA₁旋至“RUN（运行）”，然后将选择开关SA旋至“工频”运行方式，使输入继电器X₀动作，图2-38中X00001的常开触点闭合并保持，为工频运行做好准备。

图2-37中，按下工频起动按钮输入继电器X₂得电动作，图2-38中X00003常开触点闭合，通过变频KM₂的辅助常闭触点（Y00002）、工频停止按钮的输入继电器X₃的辅助常闭触点（X00004）、电动机热继电器X₇的常闭触点（X00008），使输出继电器Y₂的虚拟线圈（Y00003）得电动作并保持；PLC外，通过变频器KM₂的辅助常闭触点，KM₃的线圈得电动作，KM₃主触点闭合，电动机在工频电压下起动并运行。

图2-39（见2.8.7节）中，输出继电器Y₂的常闭触点（Y00003）断开，防止输出继电器Y₁的虚拟线圈（Y00002）动作，从而防止KM₂通电。

图2-37中，PLC外，KM₃辅助常闭触点断开，防止KM₂线圈通电。

2.工频停止运行

图2-37中，按下工频停止按钮ST₁，工频停止输入继电器X₃得电动作，图2-38中，X₃的常闭触点（X00004）断开，使输出继电器Y₂的虚拟线圈（Y00003）失电动作并保持；PLC外部，通过KM₂的辅助常闭触点，KM₃失电动作，KM₃主触点断开，电动机停止运行。

3.工频过载停车

如果电动机在运行中过载，热继电器常开触点FR闭合，输入继电器X₇得电动作，X₇的常闭触点（X00008）断开，使输出继电器Y₂虚拟线圈（Y00003）失电复位；PLC外部，通过KM₂的辅助常闭触点，KM₃失电复位，其主触点断开，电动机停止运行。

图2-38 PLC控制的工频运行梯形图

2.8.7 PLC控制的变频运行过程和梯形图

图2-37中，将转换开关SA₁旋至“RUN（运行）”，然后将选择开关SA旋至“变频”运行方式。图2-39所示为PLC控制的变频运行梯形图，图中，使输入继电器X₁动作，X00002的常开触点闭合并保持，为变频运行做好准备。

1.变频器通电

图2-37中，按下变频起动按钮SF₂，输入继电器X₄动作，图2-39中，X₄的X00005常开触点闭合，通过工频KM₃的辅助常闭触点（Y00003）、变频停止按钮ST₂的输入继电器X₅的常闭触点（X00006）、电动机热继电器X₇的常闭触点（X00008）、变频器故障跳闸继电器的常闭触点（X00011），使输出继电器Y₁的虚拟线圈（Y00002）动作，它的常开触点（Y00002）闭合使Y₁自锁并保持；PLC外，通过工频KM₃的辅助常闭触点，变频KM₂线圈得电动作，KM₂主触点闭合，将电动机接到变频器的输出端。此外，图2-37中，PLC外，KM₂的辅助常闭触点断开，防止KM₃通电动作；图2-38中，输出继电器Y₁的常闭触点（Y00002）断开，防止输出继电器Y₂（Y00003）动作，从而防止KM₃通电动作；另一方面，图2-39中，KM₂的辅助常开触点（Y00002）闭合，通过变频器故障跳闸继电器的常闭触点（X00011），使输出继电器Y₀的线圈（Y00001）得电动作，从而使接触器KM₁的线圈得电动作，使变频器接通电源。

2.变频运行

（1）变频起动运行

图2-39中，如前所述，由于变频器通电时，按下变频起动按钮SB₂，输入继电器X₄动作，X00005常开触点闭合，由于工频KM₃的辅助常闭触点（Y00003）闭合、变频停止按钮SB₂的输入继电器X₅的常闭触点（X00006）闭合、变频器故障跳闸继电器的常闭触点（X00011）闭合，所以，在变频电源Y0的线圈Y00001已经得电动作的前提下，输出继电器Y₃（Y00004）动作并保持。图2-37中，PLC外，变频升速继电器KA的线圈得电动作，变频器外的KA的常开触点闭合，变频器的FWD和COM接通，电动机开始升速并运行，进入变频运行阶段。

（2）变频停止运行

图2-37中，按下变频停止按钮SB₂，输入继电器X₅动作，图2-39中，X₅的常闭触点X00006动作断开，输出继电器Y₃的Y00004虚拟线圈失电复位；PLC外，变频升速继电器KA的线圈失电，变频器外的KA的常开触点复位断开，变频器的FWD和COM之间断开，电动机停止运行。

图2-39 PLC控制的变频运行梯形图

2.8.8 PLC控制的变频器故障切换及处理

1.变频器故障切换

图2-37中，如果变频器因故障跳闸，变频器故障跳闸继电器的常开触点（TA-TB）闭合，图2-39中PLC的输入继电器X10（X00011）动作，它的常闭触点（X00011）断开：一方面使变频输出继电器Y₁（Y00002）和变频升速继电器Y₃（Y00004）复位，从而输出继电器Y₀（Y00001）、KM₂和KM₁、KA也相继复位，变频器停止工作；另一方面，X10的常开触点（X00011）闭合，使输出继电器Y₄（Y00005）和Y₅（Y00006）动作并保持，蜂鸣器HA、指示灯HL工作，进行声光报警。

2.故障处理

变频器声光报警后，操作人员应立即将图2-37中的SA旋至“工频”运行位，准备工频起动。随后按下工频起动按钮SB₁，这时，图2-38中的输入继电器X₀的常开触点（X00001）闭合，工频起动按钮SB₁的常开触点（X00003）闭合：一方面使控制系统正式转入工频运行方式；另一方面，使图2-39中的Y₄（Y00005）和Y₅（Y00006）复位，停止声光报警。当变频器的故障处理完毕、重新通电后，需首先按下复位按钮SB，使X₆动作，X₆的常开触点（X00007）闭合，从而使Y₆（Y00007）动作，变频器的RESET接通，使变频器的故障状态复位。