西门子变频器在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就是PLC工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的主要依据。PLC及有关设备应是集成的、标准的，按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则选型所选用PLC应是在相关工业领域有投运业绩、成熟可靠的系统，PLC的系统硬件、软件配置及功能应与装置规模和控制要求相适应。熟悉可编程序控制器、功能表图及有关的编程语言有利于缩短编程时间，因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。
一、输入输出（I/O）点数的估算
I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展
余量后，作为输入输出点数估算数据。实际订货时，还需根据制造厂商PLC的产品特点，对输入输出点数进行圆整。
二、存储器容量的估算
西门子变频器存储器容量是可编程序控制器本身能提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了不同公式，大体上都是按数字量I/O点数的10～15倍，加上模拟I/O点数的100倍，以此数为内存的总字数（16位为一个字），另外再按此数的25%考虑余量。
三、控制功能的选择
该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。
(一)运算功能
简单PLC的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通PLC的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型PLC中还有模拟量的PID运算和其他高级运算功能。随着开放系统的出现，目前在PLC中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。设计选型时应从实际应用的要求出发，合理选用所需的运算功能。大多数应用场合，只需要逻辑运算和计时计数功能，有些应用需要数据传送和比较，当用于模拟量检测和控制时，才使用代数运算，数值转换和PID运算等。要显示数据时需要译码和编码等运算。
(二)控制功能
西门子变频器控制功能包括PID控制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。PLC主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高PLC的处理速度和节省存储器容量。例如采用PID控制单元、高速计数器、带速度补偿的模拟单元、ASC码转换单元等。
(三)通信功能
大中型PLC系统应支持多种现场总线和标准通信协议（如TCP/IP），需要时应能与工厂管理网（TCP/IP）相连接。通信协议应符合ISO/IEEE通信标准，应是开放的通信网络。
PLC系统的通信接口应包括串行和并行通信接口（RS2232C/422A/423/485）、RIO通信口、工业以太网、常用DCS接口等；大中型PLC通信总线（含接口设备和电缆）应1：1冗余配置，通信总线应符合**标准，通信距离应满足装置实际要求。
PLC系统的通信网络中，上级的网络通信速率应大于1Mbps，通信负荷不大于60%。PLC系统的通信网络主要形式有下列几种形式：1）PC为主站，多台同型号PLC为从站，组成简易PLC网络；2）1台PLC为主站，其他同型号PLC为从站，构成主从式PLC网络；3）PLC网络通过特定网络接口连接到大型DCS中作为DCS的子网；4）专用PLC网络（各厂商的专用PLC通信网络）。
为减轻CPU通信任务，根据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的（如点对点、现场总线、工业以太网）通信处理器。
(四)编程功能
离线编程方式：PLC和编程器公用一个CPU，编程器在编程模式时，CPU只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编程后，编程器切换到运行模式，CPU对现场设备进行控制，不能进行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线编程方式：CPU和编程器有各自的CPU，主机CPU负责现场控制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型PLC中常采用。
西门子变频器五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST）两种文本语言。选用的编程语言应遵守其标准（IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如C，Basic等，以满足特殊控制场合的控制要求。
(五)诊断功能
PLC的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件对PLC内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对PLC的CPU与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力的要求，并影响平均维修时间。
(六)处理速度
PLC采用扫描方式工作。从实时性要求来看，处理速度应越快越好，如果信号持续时间小于扫描时间，则PLC将扫描不到该信号，造成信号数据的丢失。
处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前，PLC接点的响应快、速度高，每条二进制指令执行时间约0.2～0.4Ls，因此能适应控制要求高、相应要求快的应用需要。扫描周期（处理器扫描周期）应满足：小型PLC的扫描时间不大于0.5ms/K；大中型PLC的扫描时间不大于0.2ms/K。
四、机型的选择
(一)PLC的类型
PLC按结构分为整体型和模块型两类，按应用环境分为现场安装和控制室安装两类；按CPU字长分为1位、4位、8位、16位、32位、64位等。从应用角度出发，通常可按控制功能或输入输出点数选型。
西门子变频器整体型PLC的I/O点数固定，因此用户选择的余地较小，用于小型控制系统；模块型PLC提供多种I/O卡件或插卡，因此用户可较合理地选择和配置控制系统的I/O点数，功能扩展方便灵活，一般用于大中型控制系统。
(二)输入输出模块的选择
输入输出模块的选择应考虑与应用要求的统一。例如对输入模块，应考虑信号电平、信号传输距离、信号隔离、信号供电方式等应用要求。对输出模块，应考虑选用的输出模块类型，通常继电器输出模块具有价格低、使用电压范围广、寿命短、响应时间较长等特点；可控硅输出模块适用于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能力较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应用要求应一致。
可根据应用要求，合理选用智能型输入输出模块，以便提高控制水平和降低应用成本。
考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。
(三)电源的选择
PLC的供电电源，除了引进设备时同时引进PLC应根据产品说明书要求设计和选用外，一般PLC的供电电源应设计选用220VAC电源，与国内电网电压一致。重要的应用场合，应采用不间断电源或稳压电源供电。
如果PLC本身带有可使用电源时，应核对提供的电流是否满足应用要求，否则应设计外接供电电源。为防止外部高压电源因误操作而引入PLC，对输入和输出信号的隔离是必要的，有时也可采用简单的二极管或熔丝管隔离。
(四)存储器的选择
西门子变频器由于计算机集成芯片技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为**应用项目的正常投运，一般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点至少选8K存储器选择。需要复杂控制功能时，应选择容量更大，档次更高的存储器。
(五)冗余功能的选择
1．控制单元的冗余
(1)重要的过程单元：CPU（包括存储器）及电源均应1B1冗余。
(2)在需要时也可选用PLC硬件与热备软件构成的热备冗余系统、2重化或3重化冗余容错系统等。

2．I/O接口单元的冗余
(1)控制回路的多点I/O卡应冗余配置。
(2)重要检测点的多点I/O卡可冗余配置。3）根据需要对重要的I/O信号，可选用2重化或3重化的I/O接口单元。
(六)经济性的考虑
选择PLC时，应考虑性能价格比。考虑经济性时，应同时考虑应用的可扩展性、可操作性、投入产出比等因素，进行比较和兼顾，较终选出较满意的产品。
西门子变频器输入输出点数对价格有直接影响。每增加一块输入输出卡件就需增加一定的费用。当点数增加到某一数值后，相应的存储器容量、机架、母板等也要相应增加，因此，点数的增加对CPU选用、存储器容量、控制功能范围等选择都有影响。在估算和选用时应充分考虑，使整个控制系统有较合理的性能价格比。

（责任编辑: 佚名）

消除上述同步调制的缺点，可以采用异步调制方式。即在逆变器的整个变频范围内，载波比N不是一个常数。一般在改变调制波频率fr时保持三角波频率fc不变，因而改变了低频时的载波比，这样逆变器输出电压每个周期内PWM脉冲数可随输出频率的降低而增加，相应可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。但异步调制方式在改善低频工作性能的同时，又失去了同步调制的优点。当载波比N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是3的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。
在SPWM逆变器中，三角波电压频率fc与调制波电压频率（即逆变器的输出频率）fr之比N=fc/fr称为载波比，也称为调制比。根据载波比的变化与否，PWM调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式三种。
    载波比N等于常数时称同步调制方式。同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的SPWM脉冲数是一定的。其优点是在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格**逆变器输出三相波形之间具有120°相位移的对称关系。缺点是当逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWM脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。
单极性控制方式波形如图4-19所示，载波uc在调制信号波ur的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。当调制信号为正弦波时，在ur和uc的交点时刻控制晶体管VT3或VT4的通断。具体为：在ur的正半周，VT1保持导通，当ur>uc时使VT4导通，负载电压uo=Ud，当ur<uc时使VT4关断，uo=0；在ur的负半周，VT1关断，VT2保持导通，当ur<uc时，使VT3导通，uo=-Ud，当ur>uc时使VT3关断，uo=0。这样就得到了SPWM波形。图中虚线uof表示uo中的基波分量。像这种在ur的正半周期内三角波载波只在一个方向变化，所得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。
  全桥逆变电路可看作两个半桥逆变电路的组合。电路原理如图4-15(a)所示。直流电压Ud接有大电容C，使电源电压稳定。电路中的4个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对，工作时，设t2时刻之前VT1、VT4导通，负载上的电压极性为左正右负，负载电流io由左向右。t2时刻给VT1、VT4关断信号，给VT2、VT3导通信号，则VT1、VT4关断，但电感性负载中的电流io方向不能突变，于是VD2、VD3导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。当t3时刻io降至零时，VD2、VD3截止，VT2、VT3导通，io开始反向。同样，在t4时刻给VT2、VT3关断信号，给VT1、VT4导通信号后，VT2、VT3关断，io方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。t5时刻io降至零时，VD1、VD4截止，VT1、VT4导通，io反向。如此反复循环，两对交替各导通180°。其输出电压uo和负载电流io如图4-15(b)所示。
    经数学分析或实际测试，均可得出基波幅值Uolm和基波有效值Uol分别为
利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电动机的再生电能的方式称为动力制动或再生制动。制动电路可以是制动电阻或制动单元，图4-12所示为制动电路的原理图。制动电路介于整流器和逆变器之间，图中的制动单元包括晶体管VTB、二极管VDB和制动电阻RB。如果回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接于H、G两点上的外接制动电阻REB。当电动机制动时，能量经逆变器回馈到直流侧，使直流侧滤波电容上的电压升高，当该值**过设定值时，即自动给VTB施加基较信号，使之导通，将RB(REB)与电容器并联，则存储于电容中的再生能量经RB(REB)消耗掉。已选购动力制动单元的变频器，可以通过特定功能码进行设定。大多数变频器的软件中预置了这类功能。此外，图4-12中的VTB、VDB，一般设置在变频器箱体内。新型IPM模块，甚至将制动用IGBT集成在其中。制动电阻一般置于柜外，无论是动力制动单元或是制动电阻，在订货时均需向厂家特别注明，是作为选购件提供给用户的。
假设三相全控桥带的是电阻负载，现在分析α=60°时的电压波形。
    电源相电压交点1为VT1的α起算点，过该点60°触发电路同时向VT1与VT6送出窄脉冲，于是VT1与VT6同时被触发导通，输出整流电压uo=μRS。经过60°电角度uRS波形已降到零，但此时触发电路又立即同时触发VT1与VT2导通。VT2的导通，使VT6受反压而被关断。于是输出整流电压uo=uRT波形。其余依次类推，如图4-6所示。
α=60°时的电压波形
    图4-6    α=60°时的电压波形
    α为其他角度的电压波形请读者自行分析。
    三相桥式可控整流电路所带负载为电感性时，输出电压平均值可用下式计算：
整流桥路在任何时刻共阴极组和共阳极组各有一只晶闸管同时导通，必须对应该导通的一对晶闸管同时给出触发脉冲，为此可用以下两种触发方式：
    1)采用单宽脉冲触发，使每一个触发脉冲的宽度大于60°而小于120°，这样在相隔60°要换相时，即后一个脉冲出现的时刻，**个脉冲还未消失，因此在任何换相点均能同时触发相邻两只晶闸管。例如，在触发VT2时，由于VT1的触发脉冲ωt2还未消失，故VT2与VT1同时被触发导通。
    2)采用双窄脉冲触发，如图4-5所示，在触发某一相晶闸管时，触发电路能同时给**相晶闸管补发一个脉冲（称辅助脉冲）。例如：在送出1号脉冲触发VT1的同时，对VT6也送出6′号辅助脉冲，这样VT1与VT6就能同时被触发导通；在送出2号脉冲触发VT2的同时，对VT1也送出1′号辅助脉冲，这样VT2与VT1就能同时被触通。其余各管依次被触发导通，**任一时刻有两管同时工作。双窄脉冲的触发电路虽然较复杂，但它可以减少触发电路的输出功率，缩小脉冲变压器的铁心体积，故这种触发方式用得较多。
整流电路的功能是将交流电转换为直流电。整流电路按使用的元器件不同分为两种类型，即不可控整流电路和可控整流电路。
    不可控整流电路使用的元件为功率二极管，不可控整流电路按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。下面对变频器中应用较多的三相整流电路的工作原理加以说明。
    图4-2所示为三相桥式整流电路，为分析电路工作原理方便，艾特贸易小编以电阻负载为例。
三相桥式整流电路
    图4-2    三相桥式整流电路
    三相桥式整流电路共有6只整流二极管，其中VD1、VD3、VD5 3只管子的阴极连接在一起，称为共阴极组；VD4、VD6、VD2 3只管子的阳极连接在一起，称为共阳极组。
    三相对称交流电源uR、uS、uT的波形如图4-3(a)所示，分别接在R、S、T端。共阴极组的二极管哪一个阳极电位较高，哪只二极管优先导通；共阳极组的二极管哪一个阴极电位较低，哪只二极管优先导通。同一个时间内只有2只二极管导通，即共阴极组的阳极电位较高的二极管和共阳极组的阴极电位较低的二极管构成导通回路，其余4只二极管承受反向电压而截止。在三相交流电压自然换相点换流导通。
    把三相交流电压波形在一个周期内六等分，如图4-3(a)中t1、t2、…、t6所示。在0~t1期间，电压uT>uR>uS，因此电路中T点电位较高；S点电位较低，于是二极管VD5、VD6先导通，电流的通路是T→VD5→RL→VD6→S，忽略二极管正向压降，负载电阻RL上得到电压uo=uTS。二极管VD5导通后，使VD1、VD3阴极电位为uT，承受反向电压截止。同理，VD6导通，二极管VD4、VD2也截止。
    在自然换相点t1稍后，电压uR>uT>uS，于是二极管VD5与VD1换流，VD5截止，VD1导通，VD6仍旧导通，即在t1~t2期间，二极管VD6、VD1导通，其余截止，电流通路是R→VD1→RL→VD6→S，负载电阻RL上的电压uo=uRS。
    在自然换相点t2稍后，电压uR>uS>uT，即在t2~ t3期间，二极管VD1、VD2导通，其余截止，电流通路是R→VD1→RL→VD2→T，负载电阻RL上的电压uo=uRT。
    依此类推，得到电压波形如图4-3(b)所示。二极管导通的顺序为：( VD5、VD6)→(VD1、VD6)→( VD1、VD2)→(VD2、VD3)→(VD3、VD4)→( VD4、VD5)→(VD5、VD6)，共阴极组3只二极管VD1、VD3、VD5在t1、t3、t5换流导通；共阳极组3只二极管VD2、VD4、VD6在t2、t4、t6换流导通。一个周期内，每只二极管导通1/3周期，即导通角为120°，负载电阻RL两端电压uo等于变压器二次绕组线电压的包络值，极性始终是上正下负。
电磁式仪表构造：由①线圈、②铁心和③指针构成。
    电磁式仪表原理：被测电流通入线圈后产生磁场，把铁心吸入，使指针偏转。
    电磁式电压表：线圈匝数很多，接近于纯电感电路。
    测量低频电压：频率低时感抗小，在相同的电压下电流大，故指针读数偏大。
充电特点：因为电感性负载也要对滤波电容器充、放电，而输出频率与输入频率不相等，导致输入侧对电容器充电的有序性被破坏。
    放电特点：因为输出电流是正弦波，故各脉波对负载的放电电流不均等。
    输入电流：三相输入电流不平衡。
输出电流与负载：因为：1）电动机的电磁转矩总是和负载转矩相平衡的。
    2)电磁转矩与转子电流及磁通的乘积成正比。
    3)变频运行时，要求磁通保持不变。
    所以，变频器的输出电流取决于负载转矩的大小。
    输出电流与频率：因为：无论输出频率多大，转矩平衡的规律永远存在。
    所以，变频器的输出电流与频率无关。
    载波频率的影响：载波频率的高低，决定了逆变管交替导通的次数，也就决定了死区的多少。死区是不工作的时间，故死区的多少将影响变频器的输出电压。
    载波频率低：死区个数少，输出电压高。
    载波频率高：死区个数多，输出电压低。
    常用逆变器件：绝缘栅晶体管，代号：IGBT。
    IGBT的结构：1）主体部分和功率晶体管相同，有集电极c和发射较E。
    2)控制较G的结构和绝缘栅场效应管相同，属于电压控制器件。
    IGBT的特点：1）驱动功率很小，提高变频器效率。
    2)工作频率高，可达20kHz。
频器的功能是将工频(50Hz或60Hz)交流电源转换成频率可变的交流电源提供给电动机，通过改变交流电源的频率来对电动机进行调速控制。变频器种类很多，主要可分为两类：交-直-交型变频器和交-交型变频器。
    交-直-交型变频器利用电路先将工频电源转换成直流电源，再将直流电源转换成频率可变的交流电源，然后提供给电动机，通过调节输出电源的频率来改变电动机的转速。交-直-交型变频器的典型结构如图1所示。
电路结构：由4个开关器件V1、V2、V3、V4组成桥式电路。
    前半周期：令V1、V2接通，V3、V4关断，则负载电流由a流向b，负载所得电压uab为“+”。
    后半周期：令V1、V2关断，V3、V4接通，则负载电流由b流向a，负载所得电压uab为“-”。
    两组交替：以V1、V2为一组，V3、V4为另一组，不断交替，则负载
    电流是交变电流，而负载所得电压便是交变电压uab。
交-交型变频器利用电路直接将工频电源转换成频率可变的交流电源并提供给电动机，通过调节输出电源的频率来改变电动机的转速。交-交型变频器的结构如图1所示。从图中可以看出，交-交型变频器与交-直-交型变频器的主电路不同，它采用交-交变频电路直接将工频电源转换成频率可调的交流电源的方式进行变频调速。
    交-交变频电路一般只能将输入交流电频率降低输出，而工频电源频率本来就低，所以交-交型变频器的调速范围很窄。另外这种变频器要采用大量的晶闸管等电力电子器件，导致装置体积大、成本高，故交-交型变频器使用远没有交-直-交型变频器广泛，因此本文主要介绍交-直-交型变频器。
   2000年美国密执根大学的彭方正博士提出了一种电压自平衡的多电平拓扑，它不需要借助附加的电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平结构，传统的二极管钳位式和电容钳位式电路拓扑也可以由它简化和发展而来。
    高压大容量多电平电路的一个技术难点就是中心电压的控制问题。对于三电平及以上电平数的拓扑，如果中心电压控制的不好，是不能有效的应用于大容量的电能变换场合的。对于以上几种拓扑结构，电压**三电平时，或者是需要隔离的直流电流，或者是需要增加一个复杂的电路结构来帮助维持中点电压的平衡。这种新的拓扑结构具有电压自平衡的功能，对于各种逆变器控制策略和负载情况，都能有效的控制中点电压。
M级自平衡多电平结构的单相拓扑
    图10-17    M级自平衡多电平结构的单相拓扑
    图10-17为M级自平衡多电平结构单相的拓扑。图10-18为五电平P2逆变器结构。由图可知，它是由一个两电平的相电路(a two-level phase leg)组成的多电平结构，又叫做P2多级逆变器。下面以图10-18电平电路为例，具体介绍它的原理和电路分析。
电流源型变频器是由直流电流源逆变输出交流电流波形如图10-1所示。当交流输出为正弦波时，幅值、频率和相位可控。由于线电流ioa、iob和ioc具有较高的di/dt，在感性负载的应用场合，其交流端应连接容性滤波器，可产生近似正弦波，符合负载所需电压。可应用于对电压波形要求较高的中压工业应用领域。为了准确地触发功率开关管的通断，要做到：
    1)交流侧呈容性，不会出现短路，如图10-1所示。任何时候上臂开关(S1、S3或S5)之一和下臂开关(S4、S6或S2)之一导通。
三相电流源逆变器电路
    图10-1    三相电流源逆变器电路
    2)直流母线不能开路。三相CSI中有9个有效状态，表10-1中状态7、8、9产生零交流线电流，此时直流环节电流经开关S1和S4、S3和S6或S5和S2续流。表10-1中状态1～6产生非零交流输出线电流。为了产生一组给定交流线电流波形，逆变器必须从一个状态变到另一个状态，因此得到由ii、0、-ii等离散值构成的线电流。选择状态是为了产生给定的波形，这由调制技术**只使用有效的状态来实现。
    表10-1    三相电流逆变器的开关状态