中頻變頻器驅動高速電主軸時的故障分析與處理

簡立明,雷小紅

(1.湖南衡陽財經工業職業技術學院,湖南 衡陽 421002;2.湖南衡陽紡織機械廠,湖南 衡陽 421007)

某紡機專用軸承制造廠,大量使用電主軸(俗稱“磨頭”)最高轉速為60 000 r/min的高速磨床MZ204、SI50、3MZ146。當時德國采用旋轉變頻機組(異步電動機-中頻機組)給高速電主軸供電,旋轉變頻機組有體積大、效率低、噪聲大、精度差、難維修等許多缺陷。目前變頻技術已發展成熟,采用中頻交流靜止變頻器驅動高速電主軸,能大大降低磨床的能耗、料耗,而且能提高其工藝性能、改善工作條件。我們在課題項目實施過程中,對變頻器選型、調試與運行維護時遇到了一些問題,本文簡單介紹這些問題及其分析、處理過程。

1 變頻器的容量選擇問題

1.1 故障現象

在SI50、MZ204、3MZ146等高速磨床電主軸電源驅動裝置改造初期選擇變頻器時,出現如下故障:3MZ146電主軸參數230 V/1.5 kW,選用春日KVFG-H422ER。根據變頻器說明書,KVFGH422ER的配用電動機容量可達2.2 kW。在調試過程中,頻繁出現恒速過流報警OC-1,并跳閘。而且隨使用時間增長,報警跳閘日益頻繁。

1.2 排查、分析原因

將變頻器設置為顯示電流,觀察到電主軸在啟動過程中,變頻器顯示電流達11 A;啟動完成后,隨機床外接電源電壓的波動、負載的波動,變頻器的運行電流也波動。結合觀察情況進行分析,電主軸在啟動時電流大,另外,電源電壓不穩定,電主軸在加工過程中偶有負載波動,而變頻器的過載能力相對電動機而言相當小,選擇KVFG-H422ER,配用電動機容量可達2.2 kW,雖然已比電主軸的功率(1.5 kW)大,該型號變頻器的額定電流有時還小于電主軸的最大運行電流,所以易過流報警跳閘,此問題無法依靠調整變頻器的參數而解決,只有換容量更大的變頻器。

1.3 處理措施及結論

換用容量大兩級的KVFC-H440ER,經參數調整,試運行,能正常驅動。

在選擇變頻器的容量時,不能盲目地按變頻器說明書中“配用電動機容量”來選擇,必須保證變頻器的額定電流大于電動機的最大運行電流。要做到此,必須做好以下2方面的工作。

1)要認真對照變頻器和電動機的額定電流,并且要對負載的輕重估算后再作選擇。我國通用的Y系列三相籠型異步電動機常用規格的額定電流與幾種較典型的變頻器額定電流的對照情況見表1。

表1 電動機與對應變頻器的電流Tab.1 Electric motor and corresponding frequency transformer current

2)注意測量電動機的最大運行電流。對于電動機而言,只要電動機的溫升不超過額定溫升,短時間(幾min～幾十min)的過載是允許的。但變頻器的過載能力卻很弱,通常是 150%,1 min。變頻調速系統中,若電動機可能過載,選擇變頻器時應加大容量。

2 參數設置問題

所有變頻器的每個參數都有出廠值,但對于絕大多數傳動系統而言,出廠值并不能滿足具體的工藝控制要求,往往需要從多方面進行修改。如果變頻器參數設置不正確,輕者控制效果不好,重者系統不能正常運行。以下是春日KVFG系列中頻變頻器在驅動高速電主軸過程中因參數設置不當造成的一些現象及排除經過。

2.1 基本頻率(簡稱基頻)設置問題

SI50隨機的電主軸是意大利研制的,電主軸相對機床而言屬于易損件,因采購困難、費用高,該廠最終自己仿制了結構、功能相似的電主軸。采用中頻變頻器之前,高速磨床的電主軸有多種規格,其中有230 V/1.5 kW。

2.1.1 故障現象

在對一臺SI50進行改造時,設置參數完后試運行,約1 h,電主軸發出異味。

2.1.2 排查、分析原因

用500 V搖表測電主軸繞組對外殼的絕緣幾乎為0,說明絕緣已損壞。經檢查知,電工忽略了對基頻F02的修改,其出廠值=50 Hz。而工藝要求運行頻率=1 000 Hz。主電路見圖1;變頻器的U/f曲線見圖2。圖2中曲線1為利用轉矩提升功能的U/f曲線;曲線2為未用轉矩提升功能的U/f曲線;fb為基頻;100%為與輸入電壓對應的最大輸出電壓。變頻器的型號約定見圖3。

圖1 SI50中變頻器的主電路Fig.1 Main circuit of the frequency transformer used in SI50

圖2 變頻器的U/fFig.2 U/f of the frequency transformer

圖3 變頻器的型號約定Fig.3 Frequency transfo rmer ty pe arranges

由變頻器的原理及圖2可知,變頻器的輸出電壓由3個因素決定:變頻器的輸入電壓、基頻、運行頻率;變頻器的輸出電壓有 2種情況:1)fout＜fb,則Uout＜380 V,Uout與 fout成線性關系;2)fout≥fb,則Uout=380 V。由此可知,當 fout=1000 Hz＞fb,所以Uout=380 V大于電主軸的Ue,使電主軸超壓運行,時間長導致絕緣損壞。

2.1.3 處理措施及結論

更換一臺電主軸,將基頻F02修改大于1000 Hz,先不接電主軸,讓變頻器輸出1 000 Hz空載運行,查看其輸出電壓。基頻的設置難以一步到位,經多次調整,直到查看到運行頻率=1 000 Hz時,輸出電壓等于或略小于電主軸的額定電壓(230 V),才讓變頻器帶電主軸運行。經處理后正常運行。

調試時,應先空載觀察各種運行參數,特別要確保在變頻調速系統的所有調速范圍內,變頻器輸出的電壓都不能超過所驅動電動機的額定電壓,否則將損壞電動機的絕緣。例如:改造一臺MZ204時,其電主軸350 V,3 kW,工藝要求運行頻率650 Hz,將基頻設置為710 Hz時滿足要求。

2.2 轉矩提升功能的設置問題

當我們使用變頻器時,如果遇到報警號OC-1,加速中過流。首先會適當延長加速時間,其次,會利用手動轉矩提升功能。春日KVFC、KVFG系列不僅設計有轉矩提升功能,而且提升的程度還可以通過設置參數F10的值進行16種選擇。特別提示,F10的值并非越大越好,太大也會引起過流報警跳閘。例如:在改造一臺 3MZ146時,F10設置為H-7時,OC-1加速中過流的故障現象沒有改善,把 F10設置為 H-6時,運行正常。圖2中B1的值因提升程度不同而異,具體地說,因參數F10的設置值不同而異,表2為春日KVFC,KVFG系列 F10設置值對應的0 Hz時的提升電壓(用額定輸出電壓的百分數表示)。

表2 提升電壓Fig.2 Lifting voltage

2.3 電源電壓波動造成有時停機

變頻器用于工業現場時,如果輸入電壓波動下降幅度達到一定值,變頻器一般在幾s內就停止輸出。如果瞬停再啟動功能無效,假如電源只是幾s的波動后馬上又恢復正常,電動機還在運轉,但變頻器卻停止運行,導致不必要的停機,影響生產。該廠特軸分公司因為有大量德國進口設備,建廠時,考慮了大型穩壓電源,用于該車間的變頻器未出現瞬停現象。而軸承分公司建于1978年,設備多,無穩壓電源。用于該公司的多臺變頻器時多次出現瞬停現象。增設穩壓電源投入太大不現實。于是考慮修改參數。春日KVFC,KVFG系列與瞬停相關的參數F110,將其由出廠值OFF改為5 s后,變頻器運行正常。

2.4 變頻器的輸出頻率與給定頻率不一致

改造SI50,MZ204,3MZ146共計100多臺,全部采用直接給定頻率方式,設置參數F01的值即可。只有一臺MZ204,設F01=1 000 Hz,測量工件時發現光潔度不好,分析可能是電主軸速度偏低造成的,查看 outf時顯示 980 Hz,將參數F22由出廠值100%改為105%,顯示頻率正常,工件質量正常。

3 中頻變頻器臨時用于低頻設備應急的問題

我們有2次試圖用中頻變頻器臨時代替低頻變頻器以應急,第1次,低速磨床MS1080導輪所用的變頻器損壞,因為生產急需,用一臺除頻率以外其他參數滿足要求的丹佛斯VLT-5004試圖替代。進行參數設置時,易出現加速過流,經反復調試,能正常運行,但使用約1周,變頻器損壞。第2次,另一臺低速磨床MS1080的變頻器損壞,試圖用庫存的VLT-2008應急,運行不到2周,變頻器損壞。由此得知中頻變頻器不能用于低頻設備,哪怕只是臨時的應急。

4 結論

本文介紹的較嚴重或較少見的問題,有些問題看似簡單,但如果發生,損失較大。希望我們的粗淺經驗能給同行一定的幫助。

[1]西安春日電氣有限公司.春日變頻調速器用戶手冊[Z].2009.

[2]韓安榮.通用變頻器及其應用[M].第2版.北京:機械工業出版社,2007.

[3]張燕賓.變頻調速460問[M].北京:機械工業出版社,2006.

[4]呂汀,石紅梅.變頻技術原理與應用[M].第2版.北京:機械工業出版社,2008.

[5]西德高頻魔頭說明書(譯本)[Z].天津市科技資料翻譯室,1965.

[6]si50自動內圓磨床使用說明書(譯本)[Z].天津市科技資料翻譯室,1965.