變頻器在鏜床進給（gěi）係統改造（zào）中的應用
2017-7-3 來源：變頻器；直流調速係統；鏜床；進給；驅（qū）動 作者：程海龍 ，王慧
摘要：針對英鏜機床存在的滑枕易損壞問題，將機床的進給係統改（gǎi）造成由變頻器驅動，提高設備穩定性，降低工人的勞動強度。
關鍵詞（cí）：變頻器；直流調速係統；鏜床；進給；驅動（dòng）
做為粗加工的 10 英寸（cùn）銑鏜 （下稱：英鏜） 是50 年代的陳（chén）舊設備（bèi），設備狀態已不穩（wěn）定，特別是滑枕走刀部分進給傳（chuán）動離合器經常打滑發熱，甚至抱死，無法脫開，致使離（lí）合（hé）器線圈經常燒壞。由於離合器（qì）安（ān）裝空間小，拆裝不便，給設備維修帶來很大困難。為此筆者結合變頻器在其他設備上的使用效果，對英鏜進給控製（zhì）係統進行改造（zào）。
1.異步電動機（jī）調速原理及選擇
1.1 異步電機調速原理
異步電機轉動是由定子主磁通和轉子電流（liú）相互作用產生的。產生轉子電流的必（bì）要（yào）條件是轉子繞組切割定子磁場的（de）磁力線。因此，轉子的轉速 n必須低（dī）於定子磁場的轉速 n0，兩者之差稱為轉差：
由此可知異步電動機有以下幾種調（diào）速方法：（1） 改變磁極對數 p； （2） 改變轉差率 s； （3）改變頻率 f （變頻調速）。本次（cì）改造利（lì）用 ACS510 變頻器可連續改變供電電源頻率的特性，連續平滑地調節電動機轉速。異步變頻調（diào）速（sù）電機具（jù）有調速範圍廣，調速（sù）平滑性能好，機械特（tè）性（xìng）較（jiào）硬的優點，可以（yǐ）方便地實現恒轉矩或恒功率調速，其（qí）調速特性與直流（liú）電動機調壓調速和弱磁調速十分相似。
1.2 異步電動機的選擇
電機的“扭矩”
根據對各（gè）鏜床進給係統對比分（fèn）析可知，英鏜的滑枕橫截直徑麵積為 0.7 m2，德係鏜銑床滑枕的橫截麵積為 0.2 m2，即存在一定差距。
德係鏜銑（xǐ）床進給係統的電機功率 40 k W，轉速1 500 r/min，電機的轉矩 T=254.67 N·m；原英鏜滑枕驅（qū）動主軸電機功率 100 k W，電機轉（zhuǎn）速為 1 500 r/min，電機的轉矩為 636.67 N·m，依據英鏜老化程（chéng）度（dù）及（jí）上述統計的機床數據，估算英（yīng）鏜滑枕驅轉矩約為 350 N·m，由此根據滑枕電機的驅動（dòng）轉矩及（jí）進給電機需要的最低轉速，算出電機功率為 30 k W，轉速 730 r/min，最終選（xuǎn）定 YZP250M-8，30 k W 電機。
2.變頻器的控製係統
2.1 電氣原理圖（tú）設計
本文所選變頻（pín）器的頻率範圍為 0～400 Hz。三相 380 V 交流（liú）電壓通過斷路器 QF1001 和接觸器K1001 接到變頻器的電源輸入端 U11、V11、W11上，變頻器輸出電壓 U2、V2、W2 接到負載電動機 M 上。QF1001 是電源總開關，有短路和過載保護作（zuò）用，K1001 是送電接（jiē）觸（chù）器，當（dāng）控製（zhì）回路給出送電指令後，接觸器吸合。製動電阻直（zhí）接（jiē）接到 R- 與R+端，在電動機製動時，會有部（bù）分能量要回饋到變頻器內部，製動電阻的作用就是負責（zé）消耗這部分能量。對滑（huá）枕正反轉的快速移動控製是通過（guò）K75、 K106、 K107 繼電器帶動輔助點實現 。 當K75 和 K106 繼電器吸合時 ， 端 子（zǐ） DL1、 DL2、DL3 得電，變頻器作正向快速運（yùn）轉（zhuǎn），當 K75 和K107 繼電（diàn）器吸（xī）合時，端子 DL1、DL3 得電，變頻器作（zuò）反（fǎn）向快速運轉。對滑枕（zhěn）進給控製是（shì）通過變頻器的模擬 I/O 端子排，用電位計控製（zhì） AL1 端的模擬量輸入電壓，改變變頻電機的輸出頻率，調節電機速度；當 K75、K106 繼電器吸合時，DL1、DL2得電，DL3 失電，電機正方向（xiàng）進給，通過調節RP101 調節電機正（zhèng）向進給速度；當 K75、K107 繼電（diàn）器吸合時，DL1 得電，DL2、DL3 失電，電機反方向進給（gěi），調節 RP101 調節電（diàn）機反向進（jìn）給速（sù）度（見圖（tú） 1、圖 2、表 1）。
2.2 程序和電氣回路設計（jì）
由（yóu）於英鏜是老舊設備，為了使機床更好地啟動，克服滑枕間隙大（dà），啟動衝量大，啟動矩（jǔ）大的缺點，特設計滑枕停止反向程序，以降低啟動衝量 （見（jiàn）圖 3）。
圖 1 ACS510 變頻器調速（sù）原理圖 1
圖 2 ACS510 變頻器（qì）調（diào）速原理圖 2
由圖（tú） 3 可知，當 SW2B 的滑枕和主軸選出按鈕按下（xià），PLC 輸（shū）入點 I0.09 閉合，在其他條件均滿足的條件下，ZW 快（kuài）速正向 207.01 啟動，205.08 中間繼電器自鎖，205.08 中間繼電器吸合；0.8 s 後，TIM023 時（shí）間繼電（diàn）器吸合；TIM023 時間繼電（diàn）器動作，帶動 ZW 快速反向繼電（diàn）器啟動（dòng），滑枕停止反向啟動；205.08 中間繼電器吸合，1.6 s 後（hòu） TIM022 繼（jì）電器動作，滑枕停止。
2.3 變頻（pín）器參數設置（zhì）
在（zài）變頻器的輸入項目中有些是電機基本參（cān）數，如電機的功率、額定電（diàn）壓（yā）、額定電流、額定（dìng）轉速、極數（shù）等。這些參數非常重要，將直接（jiē）影響變（biàn）頻（pín）器中（zhōng）一些保護功能的正常運行，一定要根據電機的實際參（cān）數正確輸入，以確保變頻器的正常使用。本文所選（xuǎn）電機參數如下：電機型號 YZP-250M-8，
表 1 輸入/輸出地（dì）址表
圖 3 滑枕停止反向（xiàng）程序
電機 30 k W，額定（dìng）電壓 380 V，額定電流 63.4 A，電機的額定轉速 730 r/min。所對應電機的變頻器（qì）參數：
9901：電機語（yǔ）言選擇，參數為 1=中文
9902：應用宏，參數為 1 標準宏
9905：電機額定電壓，380 V
9906：電機額定電流，參數（shù）為 63.4 A
9907：電機額定頻率（lǜ），參數為 50 Hz
9908：電機的額定（dìng）轉速，設定參數為 730 r/min
9909：電機額定功率，參數為 30 k W
1103：給（gěi）定值 1 選擇，設定參數 1
1104：給定 1 最小值，參數為 0
1105：給定參（cān）數最大（dà）值，參數為 50
1201：恒速選擇，參數（shù）為（wéi） 3
1202，恒速（sù） 1，設（shè）定恒（héng）速 1 為 30 Hz
2101：起動功能，設定參數 1
2210：轉矩提升電流，設定參數35.5 A
3.變頻器常見故障排除（chú）
（1） 過流 （OVERCURRENT）表現為輸（shū）出（chū）電流過大。檢查和排除步驟：①電機是否過載；②加速時間（jiān）是否（fǒu）過短 （參數 2202ACCELER TIME 1 （ 加 速（sù） 時 間 1） 和 2205ACCELER TIME 2 （加速時間 2））；③電機是否發生故障，具體（tǐ）檢查是否電機電纜故障（zhàng）或接線錯（cuò）誤。
（2） 直流過壓 （DC OVERVOLT）表現為中間回路 DC 電壓過高。檢查和排除步驟：①輸入側的供電電（diàn）源發生靜（jìng）態或瞬（shùn）態過電壓；②減速時間是否（fǒu）過短 （參數 2203 DECELER TIME1 （減速時間 1） 和 2206 DECELER TIME 2 （減速時間 2））；③過（guò）電壓控製器是（shì）否處於正（zhèng）常（cháng）工作狀態。
（3） 過溫 （DEV OVERTEMP）表現為散熱器過溫（wēn），溫度達到（dào）或超過極限值。其中，R1～R4 ：115 ℃，R5/R6：125 ℃。檢查和（hé）排除步驟：①風扇是否發生故障；②空氣流通是否受阻（zǔ）；③散熱器是否積（jī）塵；④環（huán）境溫度是否（fǒu）過高；⑤電機負載是否過大。
（4） 短路 （SHORT CIRC）表（biǎo）現為短路故障。檢查（chá）和排除步驟：①電機電纜或電機是否短路；②供電電源是否發生（shēng）擾動。
（5） 直流欠（qiàn）壓 （DC UNDERVOLT）表現為（wéi）中間回路 DC 電壓不足（zú）。檢查和排除步驟：①供（gòng）電電源是否缺相；②熔斷器是否已（yǐ）熔斷；③主電（diàn）源是否欠壓。
（6） ALI 丟失 （AI1 LOSS）表現為模擬輸入 1 丟（diū）失。具體為（wéi）模擬輸入值小於參數 3021 AI1FLT LIMIT （AI 故障極限） 的（de）值。檢查和排除步驟（zhòu）：①檢查模擬輸入（rù）信號源及其接線；②檢查參數 3021 AI1FLT LIMIT （AI 故障極限） 的設置值（zhí），並且檢查 3001 AI<MIN FUNCTION（AI 故障（zhàng）功能）。
（7） 電機（jī）過溫 （MOT TEMP）表現為電機過熱，根據傳動的估算或溫度反饋信（xìn）號。檢查步驟：①檢查電機是否過載；②調整用於估算的參數 （3 005 ～ 3 009）；③檢查溫度傳感器（qì）和參數（shù）組 35 中的參數（shù）設置。
（8） 控製盤丟失 （PANEL LOSS）表現為控製盤通訊丟（diū）失，並且傳（chuán）動處於本地控製 （控製（zhì）盤顯示 LOC，本（běn）地（dì）），或者傳動處於遠程控製模式 （REM，遠程（chéng）），且起/停（tíng）/方向/給定值信號來（lái）自控 製盤。檢（jiǎn）查（chá）步驟：①通訊鏈路和接線是否正常；②檢查參數 3002 PANEL COMM ERROR（控製盤丟失故（gù）障）；③檢查參數組 10 的參數：控（kòng）製命令輸入和參數組 11 給定選擇 （傳動單元運行於 REM （遠程） 模式） 是否有誤。
（9） 電機堵轉（zhuǎn） （MOTOR STALL）表現為電機或工藝堵轉，電機運（yùn）行於堵轉區。檢查步驟：①是否過載；②電機功率是否不夠。
（10） 接地故障 （EARTH FAULT）具體表現包括在電機或電機電（diàn）纜處檢測（cè）到的接地故障；在傳動運行或（huò）停止時（shí）都監控到接地故障；在傳動停止時接地故障檢測的靈敏（mǐn）度更高，並且能夠報（bào）告發生故障的位置。檢查及糾正步驟：①檢查/排除進線接地故障；②確認電機（jī）電纜沒（méi）有（yǒu）超過最大允許長度；③如果輸入電源是三角形連接，而（ér）且輸入功率電纜的（de）電容很（hěn）大, 則確認是否發生導致傳動停止情況下的接地故障誤報。如要禁止傳動停止（zhǐ）時的故障（zhàng）檢測功（gōng）能，可使用（yòng）參數 3023 WIRINGFAULT （接線故障（zhàng））。如要禁（jìn）止所有的接地故 障檢測功能，可使用參數 3017。
（11） 欠載 （UNDERLOAD）表現為電（diàn）機負載低於期望值。檢查負載是否被斷開。
（12） 電源缺相 （SUPPLY PHASE）表現為 DC 回路的紋波電壓太高（gāo）。檢查步驟：①主電（diàn）源是否缺相；②熔斷器是否熔斷。
（13） 電機（jī）缺相 （MOTOR PHASE）表現為電機回路有故障或電機有缺相。檢查步驟：①電機（jī）是否發生故障；②電機電纜是否（fǒu）發生故障；③熱敏繼電器是否發生故障 （如果使用）；④內部是否發生其它故障。
（14） 輸出接線故障 （OUTPUT WIRING）表現（xiàn）為功率接線錯誤。當傳動停止時，該故障代碼監測著傳動輸入功率電纜和輸出 功率電纜的正確連接。檢查步驟：①輸入電纜連接是否不正確，即電源電壓（yā）是否沒有接到傳動輸出；②如果輸入功（gōng）率電纜是（shì）三角形連接，而且輸入功率電（diàn）纜的電容比較大，則判定有可能出現（xiàn）接地故障誤報的情況。
4 與傳統調（diào）速係統（tǒng）對比分析
4.1 性能比較
英鏜（táng）原進給部（bù）分采用 KSA23-90 A/220 V 數控直（zhí）流調速係統驅動直流電機，也可以平滑而經濟地調速。但是，結構複雜，維修成本高，勞（láo）動強度（dù）大（dà）。經過本（běn）次係統（tǒng）改造，采用變頻器驅動（dòng）變頻電機，調速（sù）性能好，控製精度和調速的平滑性很（hěn）高，調速（sù）範圍廣，通用性強，能（néng）滿足任何工況對傳動速度範圍和精度的要求（qiú），能實現平滑無級變速；且電機平衡質量高，電機風扇能有效散熱，可實現高速或低速長期運行。同時，變頻器對變頻電機（jī）保護更有效（xiào），在電機過載，外部線路出現故障時，能夠及時（shí）報警，且查找排除設備（bèi）故障快速、準確；降低設備大故（gù）障的發生機率。
4.2 成本比較
傳統的直流調速係統控（kòng）製器的造價成本大約（yuē）為27 026 元 （機床的主（zhǔ）控製係統 13 280 元；電機8746 元；零散配件 5000 元），機床電機壽（shòu）命大約 5年（nián）。每（měi）年修 4 次，每次約為 1 500 元左右（yòu）。變頻調速控製係統的（de）製造成本為 19 843 元（yuán） （機床主控（kòng）製係統 5 510 元；電機 9 333 元；零散（sàn）配件（jiàn） 5 000元）。改造後的進（jìn）給係統使用（yòng）至今沒有發生故障。
5.結（jié）語
通過本次變頻調速係統的改造，再次證明變頻器在機床進給係統上比傳統直流（liú）調速係（xì）統更有優勢。本次改（gǎi）造重點是機床快（kuài）速傳動機構，對 1~7Hz 頻（pín）率範圍電機傳動改進效果一（yī）般，可在進一步改造中通過降低齒（chǐ）輪齧合傳動比（bǐ）來解（jiě）決此（cǐ）問題，改進後，變頻調（diào）速係統對機床進給係統的控製（zhì）將更加完善。
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