楊杰

摘 要：本文在分析變頻器特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了用交流變頻調(diào)速取代直流調(diào)速的問題。分析了變頻器控制方法，給出變頻器及其周邊設(shè)備的選型計(jì)算。概述變頻調(diào)速在龍門銑床改造中的應(yīng)用，以及在變頻器和PLC安裝中應(yīng)注意的一些問題，最后介紹變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試情況。

關(guān)鍵詞：龍門銑床 變頻器 技術(shù)改造

中圖分類號(hào)：TG54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）07（a）-0117-02

龍門銑床是工業(yè)部門加工較大型工件的主要設(shè)備，其電氣控制系統(tǒng)包括：工作臺(tái)的主傳動(dòng)和進(jìn)給機(jī)構(gòu)的邏輯時(shí)序控制兩大部分。傳統(tǒng)龍門銑床的主傳動(dòng)一般采用直流可逆拖動(dòng)或固定速的交流電機(jī)拖動(dòng)方式，而邏輯時(shí)序控制普遍采用繼電接觸器實(shí)現(xiàn)。

某廠用于機(jī)械零件加工的龍門銑床調(diào)速系統(tǒng)，原來采用三相半控橋不可逆直流拖動(dòng)，分工作臺(tái)、左主軸和右主軸三個(gè)進(jìn)給方向。該設(shè)備已經(jīng)運(yùn)行了三十多年，電氣系統(tǒng)存在嚴(yán)重老化現(xiàn)象，設(shè)備精度降低，調(diào)速性差，由于采用繼電器邏輯控制系統(tǒng)線路復(fù)雜且故障率高。因此采用變頻器和PLC對(duì)該龍門銑床進(jìn)行數(shù)控改造，提高加工精度，延長其工作壽命，不失一種投入少，見效快的方法。

1 變頻調(diào)速的特點(diǎn)

目前變頻調(diào)速器已全部采用了數(shù)字化技術(shù)，并且日趨小型化、高可靠性和高精度。從應(yīng)用角度看，其不僅具有顯著的節(jié)電性能，而且還具有如下的優(yōu)良性能。

（1）高速響應(yīng)、低噪聲、大范圍、高精度平滑無級(jí)調(diào)速。

（2）體積小、重量輕、可掛墻安裝，占地面積小。

（3）保護(hù)功能完善，能自診斷顯示故障所在，維護(hù)簡便。

（4）操作方便、簡單。

（5）內(nèi)設(shè)功能多，可滿足不同工藝要求。

（6）具有通用的外部接口端子，可同計(jì)算機(jī)、PLC聯(lián)機(jī)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

（7）軟起動(dòng)、軟停機(jī)，具有電流限定和轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制。

（8）電動(dòng)機(jī)直接在線起動(dòng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，減小對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的沖擊，并具有轉(zhuǎn)矩提升功能，節(jié)省軟起動(dòng)裝置。

（9）功率因數(shù)高，節(jié)省電容補(bǔ)償裝置。

（10）與鼠籠式；轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)結(jié)合，使調(diào)速系統(tǒng)維護(hù)更加簡單經(jīng)濟(jì)。

此外，用變頻器來改變切削速度，選擇經(jīng)濟(jì)效益最佳的切削速度。速度選擇好之后，用改變皮帶輪直徑和（或）更換電機(jī)的方法來改變切削速度，既經(jīng)濟(jì)又方便，是機(jī)械加工行業(yè)提高加工質(zhì)量、降低加工成本的一種行之有效的方法。

變頻調(diào)速的缺點(diǎn)。

（1）從目前看，變頻器的初投資太高，是應(yīng)用于調(diào)速節(jié)能中的主要障礙。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品成本逐步提高，其應(yīng)用前景日益廣闊。

（2）因變頻器輸出的電流或電壓的波形為非正弦波而產(chǎn)生的高次諧波，對(duì)電動(dòng)機(jī)及電源會(huì)產(chǎn)生種種不良影響。若采用PWM型變頻器或采用多重化技術(shù)的電流型變頻器，則這個(gè)問題可以得到大大的改善。

2 變頻器的選型

龍門銑床技術(shù)改造的對(duì)象是進(jìn)給機(jī)構(gòu)，其工作臺(tái)進(jìn)給和左、右主軸進(jìn)給均屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。原來的直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍D=50，改造后的變頻調(diào)速系統(tǒng)要達(dá)到50∶1的調(diào)速比，必須選用帶有矢量控制功能的高性能通用變頻器。

考慮到普通籠型電機(jī)安裝速度傳感器，不但增加工藝難度，而且加大了技術(shù)成本，而無速度傳感器矢量控制變頻器的主要技術(shù)指標(biāo)，已基本能滿足技改的設(shè)計(jì)要求，所以初步?jīng)Q定選用日本春日KVFZ4110型無速度傳感器矢量控制變頻器。該型號(hào)變頻器的幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）調(diào)速范圍。無速度傳感器矢量控制調(diào)速范圍為100∶1。

（2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。1 Hz時(shí)150%額定轉(zhuǎn)矩。

（3）頻率精度。頻率精度為最高頻率的0.1%。

3 變頻器容量計(jì)算

在異步電動(dòng)機(jī)確定后，通常應(yīng)根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的額定電流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值（最大值）來選擇變頻器。當(dāng)運(yùn)行方式不同時(shí)，變頻器容量的計(jì)算方式和選擇方法不同，變頻器應(yīng)滿足的條件也不一樣。選擇變頻器容量時(shí)，變頻器的額定電流是一個(gè)關(guān)鍵量，變頻器的容量應(yīng)按運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大工作電流來選擇。

在變頻器容量計(jì)算前，要確定拖動(dòng)負(fù)載的電機(jī)容量。由于有原直流電機(jī)作參考依據(jù)，所以不必進(jìn)行詳細(xì)的轉(zhuǎn)矩?fù)Q算，只需選擇與原直流電機(jī)容量相對(duì)應(yīng)的籠型電機(jī)容量即可。

由于工作臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)容量均大于左、右主軸進(jìn)給電機(jī)容量，所以變頻器容量的計(jì)算以工作臺(tái)的電機(jī)為主要依據(jù)。原工作臺(tái)直流電機(jī)參數(shù)為：PN=10 kW，nN=1000 r/min。通過查電機(jī)手冊(cè)，與原直流電機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的籠型電機(jī)數(shù)據(jù)為：電機(jī)型號(hào)YL60L--6，額定功率PN=11 kW，轉(zhuǎn)速nN=970r/min，額定電流IN=24.6 A。

變頻器連續(xù)運(yùn)行時(shí)，其額定輸出電流IINV應(yīng)大于或等于電動(dòng)機(jī)實(shí)際最大電流的1.1倍。根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)換算，工作臺(tái)進(jìn)給的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩為81 Nm，換算到Y(jié)L60L-6電機(jī)上的最大負(fù)載電流Imax≈19A，這樣，變頻器的額定輸出電流應(yīng)大于或等于1.1×19=20.9 A。查春日變頻器手冊(cè)，KVFZ4110

型額定電流為24 A，能滿足上述要求。

此外，由于KVFZ4110型變頻器不帶標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)電阻，所以還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，選擇合適阻值和容量的制動(dòng)電阻。查春日變頻器手冊(cè)，制動(dòng)電阻選100%制動(dòng)轉(zhuǎn)矩時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)配置62 Ω，4 kW。

4 變頻器的連接

由于繼電器和接觸器觸點(diǎn)的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于PLC軟觸點(diǎn)壽命，因此本次技去掉所有繼電器和接觸器，選用日本歐姆龍的模塊式PLC—C200H。使各液壓電磁閥、計(jì)數(shù)器、延時(shí)器等控制均由PLC完成。實(shí)現(xiàn)兩銑床動(dòng)作基本達(dá)到無觸點(diǎn)控制，故障率低并給維修帶來極大方便。

技改設(shè)計(jì)中選用PLC的CPU單元為CPU01—E。存儲(chǔ)器選4k容量EEPROM，型號(hào)為ME431，兩個(gè)輸入單元均為16點(diǎn)的ID212，三個(gè)輸出單元分別為12點(diǎn)的OC222，8點(diǎn)的OC221，獨(dú)立接點(diǎn)8點(diǎn)的OC224，有一定的預(yù)留空間。變頻器的接線原理圖和PLC部分程序如（圖1）和（圖2）所示。

由圖1可以看出，龍門銑床的工作臺(tái)進(jìn)給、左主軸進(jìn)給和右主軸進(jìn)給，是通過控制變頻器輸出側(cè)的接觸器來實(shí)現(xiàn)的。如果在變頻器正常輸出時(shí)切換輸出側(cè)的接觸器，將會(huì)在接觸器觸點(diǎn)斷開的瞬間產(chǎn)生很高的過電壓，這樣很容易損壞變頻器中的逆變器件。因此，切換變頻器輸出側(cè)的接觸器，一定要等到所控制的電機(jī)完全停止以后才能進(jìn)行。

5 試運(yùn)行及PLC調(diào)試

變頻器系統(tǒng)功能參數(shù)設(shè)定完后，可試運(yùn)行。用操作盤上的速度給定電位器設(shè)定5 Hz左右的低頻率，再按下正、反轉(zhuǎn)按鈕，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)向是否正確，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)，加減速是否平滑。電機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘后，如無異常情況，再依次選擇10 Hz、20 Hz、

35 Hz、50 Hz等幾個(gè)頻率點(diǎn)試運(yùn)行。試運(yùn)行正常以后，變頻器調(diào)速系統(tǒng)即可投入正式運(yùn)行。

然后將PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安裝好了以后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)總調(diào)試了。在檢查接線等無差錯(cuò)后，先對(duì)各單元環(huán)節(jié)分別進(jìn)行調(diào)試，然后再按系統(tǒng)動(dòng)作順序，模擬輸入控制信號(hào)，逐步進(jìn)行調(diào)試，并投入運(yùn)行考驗(yàn)。

6 結(jié)語

該龍門銑床的技術(shù)改造，應(yīng)用了具有先進(jìn)水平的技術(shù)（PLC與變頻器調(diào)速系統(tǒng)），從而取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果，解決了直流系統(tǒng)低速段振蕩的老大難問題。對(duì)繼電器控制系統(tǒng)既簡單易懂，且操作方便，程序便于修改，判斷故障明確直觀，提高了工作效率。通過走訪用戶，認(rèn)為性能穩(wěn)定，調(diào)速功能好，基本上無故障率，而維修人員擺脫了經(jīng)常修直流電機(jī)的繁重勞動(dòng)。此次技術(shù)改造積累了一定的經(jīng)驗(yàn)與方法，具有較好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

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