變頻器在龍門銑床改造中的應用

楊杰

摘 要：本文在分析變頻器特點的基礎上，提出了用交流變頻調速取代直流調速的問題。分析了變頻器控制方法，給出變頻器及其周邊設備的選型計算。概述變頻調速在龍門銑床改造中的應用，以及在變頻器和PLC安裝中應注意的一些問題，最后介紹變頻調速系統的調試情況。

關鍵詞：龍門銑床 變頻器 技術改造

中圖分類號：TG54 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）07（a）-0117-02

龍門銑床是工業部門加工較大型工件的主要設備，其電氣控制系統包括：工作臺的主傳動和進給機構的邏輯時序控制兩大部分。傳統龍門銑床的主傳動一般采用直流可逆拖動或固定速的交流電機拖動方式，而邏輯時序控制普遍采用繼電接觸器實現。

某廠用于機械零件加工的龍門銑床調速系統，原來采用三相半控橋不可逆直流拖動，分工作臺、左主軸和右主軸三個進給方向。該設備已經運行了三十多年，電氣系統存在嚴重老化現象，設備精度降低，調速性差，由于采用繼電器邏輯控制系統線路復雜且故障率高。因此采用變頻器和PLC對該龍門銑床進行數控改造，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 變頻調速的特點

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

（1）高速響應、低噪聲、大范圍、高精度平滑無級調速。

（2）體積小、重量輕、可掛墻安裝，占地面積小。

（3）保護功能完善，能自診斷顯示故障所在，維護簡便。

（4）操作方便、簡單。

（5）內設功能多，可滿足不同工藝要求。

（6）具有通用的外部接口端子，可同計算機、PLC聯機，便于實現自動控制。

（7）軟起動、軟停機，具有電流限定和轉差補償控制。

（8）電動機直接在線起動，起動轉矩大，起動電流小，減小對電網和設備的沖擊，并具有轉矩提升功能，節省軟起動裝置。

（9）功率因數高，節省電容補償裝置。

（10）與鼠籠式；轉子電動機結合，使調速系統維護更加簡單經濟。

此外，用變頻器來改變切削速度，選擇經濟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）更換電機的方法來改變切削速度，既經濟又方便，是機械加工行業提高加工質量、降低加工成本的一種行之有效的方法。

變頻調速的缺點。

（1）從目前看，變頻器的初投資太高，是應用于調速節能中的主要障礙。但隨著電子技術的發展，產品成本逐步提高，其應用前景日益廣闊。

（2）因變頻器輸出的電流或電壓的波形為非正弦波而產生的高次諧波，對電動機及電源會產生種種不良影響。若采用PWM型變頻器或采用多重化技術的電流型變頻器，則這個問題可以得到大大的改善。

2 變頻器的選型

龍門銑床技術改造的對象是進給機構，其工作臺進給和左、右主軸進給均屬于恒轉矩負載。原來的直流調速系統的調速范圍D=50，改造后的變頻調速系統要達到50∶1的調速比，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安裝速度傳感器，不但增加工藝難度，而且加大了技術成本，而無速度傳感器矢量控制變頻器的主要技術指標，已基本能滿足技改的設計要求，所以初步決定選用日本春日KVFZ4110型無速度傳感器矢量控制變頻器。該型號變頻器的幾項主要技術指標如下。

（1）調速范圍。無速度傳感器矢量控制調速范圍為100∶1。

（2）起動轉矩。1 Hz時150%額定轉矩。

（3）頻率精度。頻率精度為最高頻率的0.1%。

3 變頻器容量計算

在異步電動機確定后，通常應根據異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器。當運行方式不同時，變頻器容量的計算方式和選擇方法不同，變頻器應滿足的條件也不一樣。選擇變頻器容量時，變頻器的額定電流是一個關鍵量，變頻器的容量應按運行過程中可能出現的最大工作電流來選擇。

在變頻器容量計算前，要確定拖動負載的電機容量。由于有原直流電機作參考依據，所以不必進行詳細的轉矩換算，只需選擇與原直流電機容量相對應的籠型電機容量即可。

由于工作臺拖動電機容量均大于左、右主軸進給電機容量，所以變頻器容量的計算以工作臺的電機為主要依據。原工作臺直流電機參數為：PN=10 kW，nN=1000 r/min。通過查電機手冊，與原直流電機數據對應的籠型電機數據為：電機型號YL60L--6，額定功率PN=11 kW，轉速nN=970r/min，額定電流IN=24.6 A。

變頻器連續運行時，其額定輸出電流IINV應大于或等于電動機實際最大電流的1.1倍。根據測試的數據換算，工作臺進給的最大負載轉矩為81 Nm，換算到YL60L-6電機上的最大負載電流Imax≈19A，這樣，變頻器的額定輸出電流應大于或等于1.1×19=20.9 A。查春日變頻器手冊，KVFZ4110

型額定電流為24 A，能滿足上述要求。

此外，由于KVFZ4110型變頻器不帶標準制動電阻，所以還需要根據實際情況進行計算，選擇合適阻值和容量的制動電阻。查春日變頻器手冊，制動電阻選100%制動轉矩時的標準配置62 Ω，4 kW。

4 變頻器的連接

由于繼電器和接觸器觸點的使用壽命遠遠短于PLC軟觸點壽命，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、計數器、延時器等控制均由PLC完成。實現兩銑床動作基本達到無觸點控制，故障率低并給維修帶來極大方便。

技改設計中選用PLC的CPU單元為CPU01—E。存儲器選4k容量EEPROM，型號為ME431，兩個輸入單元均為16點的ID212，三個輸出單元分別為12點的OC222，8點的OC221，獨立接點8點的OC224，有一定的預留空間。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，龍門銑床的工作臺進給、左主軸進給和右主軸進給，是通過控制變頻器輸出側的接觸器來實現的。如果在變頻器正常輸出時切換輸出側的接觸器，將會在接觸器觸點斷開的瞬間產生很高的過電壓，這樣很容易損壞變頻器中的逆變器件。因此，切換變頻器輸出側的接觸器，一定要等到所控制的電機完全停止以后才能進行。

5 試運行及PLC調試

變頻器系統功能參數設定完后，可試運行。用操作盤上的速度給定電位器設定5 Hz左右的低頻率，再按下正、反轉按鈕，觀察電機轉向是否正確，電機運轉是否平穩，加減速是否平滑。電機空載運轉幾分鐘后，如無異常情況，再依次選擇10 Hz、20 Hz、

35 Hz、50 Hz等幾個頻率點試運行。試運行正常以后，變頻器調速系統即可投入正式運行。

然后將PLC控制系統設計和安裝好了以后，就可以進行系統總調試了。在檢查接線等無差錯后，先對各單元環節分別進行調試，然后再按系統動作順序，模擬輸入控制信號，逐步進行調試，并投入運行考驗。

6 結語

該龍門銑床的技術改造，應用了具有先進水平的技術（PLC與變頻器調速系統），從而取得了良好的經濟效果，解決了直流系統低速段振蕩的老大難問題。對繼電器控制系統既簡單易懂，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，認為性能穩定，調速功能好，基本上無故障率，而維修人員擺脫了經常修直流電機的繁重勞動。此次技術改造積累了一定的經驗與方法，具有較好的推廣和應用價值。

參考文獻

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