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1、题目：变频器在机床中的应用学生：陈孝敏学院： 安徽水利水电职业技术学院 班级：0918309专业：机电设备维修与管理 指导老师： 蒋瑾瑾摘要：机床是工作母机的总称，包括车床,铣床,模床,冲床,刨床等,由于加工材质的不同,需要不同的转速,因此采用变频调速的机会很多,主轴传动结构一般采用交流电机和伺服电机，通过带传动把运动传给主轴，从而使主轴达到一定的转速，来完成切削加工。现在经济型数控机床中，一般使用变频器做为驱动部件。本文针对数控机床和普通机床改造中对主轴传动变频调速系统的应用需求，提出了采用罗克韦尔自动化的PowerFlex4型通用低压变频器的解决和实现方案。 关键词:罗克韦尔自动化；低压变
2、频器；数控机床；主轴；驱动 Abstract: Machine is the general term for machine tools, including lathes, milling machines, mold bed, presses, planer, etc., due to processing of different materials require different speeds, so many opportunities for use of frequency control, spindle structure commonly used AC motor
3、drive and servo motor , the motion passed through the belt drive shaft, so that the spindle reaches a certain speed, to complete the cutting. Now that the economy CNC machine tools in general use the drive as the drive components. In this paper, general machine tools CNC machine tools and drive the
4、transformation of the spindle frequency control system application requirements, the paper introduces Rockwell Automations general-purpose low-voltage inverter PowerFlex4 solutions and implementations. Key words: Rockwell Automation; low frequency; NC machine tool; spindle; drive 引言：数字控制机床，简称数控机床（NC
5、，NumericalControl）,是三十年来综合应用集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，在现代机床生产中，一般采用多电机拖动，主轴和各进给系统分别由各自的电机来拖动。由于机床加工范围较广，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求机床执行部件具有不同的运动速度，因此机床的主运动应能进行调速，主轴调速系统一般采用交流主轴系统，随着变频调速技术的发展，数控机床的主轴的交流拖动，同样能够很好满足需要。主驱动电机通过皮带传动带动主轴旋转，或通过皮带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大
6、为简化。在机械制造业中，用普通机床加工复杂的零部件或具有较高精确度的批量产品时，需要熟练的技术工人手工操作来完成，这种效率低下的传统加工方式已无法满足现代制造业的需求。随着计算机技术的飞速发展，先进的加工中心和数控机床应运而生，逐渐成为主流的工具机床。广州三晶电气有限公司生产的S350系列高性能矢量型变频器以其独特的性能和优越的性价比，在加工中心和数控机床上的应用迅速崛起，现以数控系统为例，对三晶变频器的配置、系统联接、机械性能等实际应用研究介绍如下：数控机床的变频器配置：在机床的调速系统中，传统复杂的齿轮箱式分级调速方式，在数控机床中得到极大的改进，采用更为先进的变频无级调速方式。对于1.5
7、kW三相交流电动机，选配三晶高性能矢量控制S350系列，S350变频控制系统优势1、完全满足数控车床高生产率、高削切精度、高稳定性、高柔性要求。2、S350采用矢量控制模式，动态响应效果非常好，使电机主轴能高速稳定运行。3、满足复杂、不规则形状零件的高深度和高强度削切要求，在0.5HZ1HZ低频状况下，可以稳定保持150%的转矩输出。4、加减速时间0.1秒，实现无衔接式正反转运行。5、抗干扰性强，通过严格CNC综合测试，不会对系统造成任何干扰。6、稳速精度高，低速时速度变化率小，运行平滑。数控机床的变频器联接图数控机床对应用技术的要求1、电机要求通常要求用变频电机，或者普通电机加风扇以满足电机
8、在低频的散热要求、并且要求电机调速范围广。2、变频器的技术要求1）要求低频力矩大选用矢量变频器，低频时（110Hz）能出来150%额定转矩。2）转矩动态响应速度快，稳速精度高选用矢量变频器，能实现很好的动态响应效果，依据负载的变化，通过输出转矩的变化很快做出响应，从而实现转轴速度的稳定。3）减速停车速度快通常数控机床的加减速时间都是比较短的，加速时间靠变频器的性能保证，减速时间则依靠外加制动电阻或制动单元。4）进行电机参数自学习选用矢量变频器后，要达到很好的控制性能通常都需要对电机进行参数自学习，其目的是获取准确的电机内部参数，以用于矢量控制计算。参数自学习所需要的电机铭牌参数有：电机额定功率
9、、电机额定频率、电机额定转速、电机额定电压、电机额定电流。有的变频电机的铭牌上可能没标额定转速值，可以根据经验值估计一下额定转速。在进行参数自学习时，务必要在空载（电机轴上不接负载）的时候进行。只有在空载的时候才能保证自学习出来的电机参数的准确性。如果现场条件没办法进行空载运行，可以考虑用变频器出厂的电机参数试运行。5）频率指令和运行指令数控机床上使用的变频器其频率指令和运行指令都来源于CNC控制器，一般给定的的通道有两种，一种是模拟量给定，另一种是多段速给定，或者两者同时给定，以多段速优先。模拟量给定以电压型模拟量为主，也有电流型的。变频器对这两种类型的模拟量都可以采集。3、抗干扰问题变频器
10、在出厂的时候作了很好的抗干扰试验，具有很强的抗干扰能力，但变频器同时也是一个干扰源，在使用中很难避免不对其它设备进行干扰，在数控机床上最容易被干扰的设备是CNC控制器。一旦CNC控制器受干扰后，系统将不能正常工作。特别是变频器的频率指令和运行指令也可能会受到干扰，干扰严重的会造成频率指令不稳定，变频器误动作等。解决此类问题的办法是在变频器的输出线上加磁环以减少高频辐射。一般进口的CNC的抗干扰能力较强。下面以ECOM系列高性能矢量变频器在沈阳某数控机床厂的应用为例，讲述数控机床的变频调速控制技术。系统构成EACON变频器制动电阻100/520W5.5KW调速电机CNC数控系统和性能指标：5.5
11、kW数控车床，电动机参数：额定功率：5.5kW，额定频率：50Hz,额定电压：380V，额定电流：11A，额定转速：1440r/min机械传动比：1：1.5加工材料：45#钢实际测试性能指标：（进刀性能及速度）1、主轴转速：200r/min（变频器运行频率910Hz）2、主轴转速：450r/min（变频器运行频率22Hz左右）EC3000系列变频器的特点EC3000系列高性能矢量变频器采用先进磁通控制技术，电机在低速时转矩大，速度精度高，价格合理，功能齐全，具有瞬停电处理及速度跟踪再启动功能，确保系统实现连续运行机制，以保证电机运转在最高效率状态，因此，采用EC3000系列高性能矢量变频器代替
12、主轴交流伺服系统，是机床行业最佳的选择。EC3000系列变频器具有以下特点（1）采用先进的磁通控制算法，实现了真正的无速度传感器矢量控制，在控制性能上比传统的V/F控制方式有很大的改善。（2）起动转矩大，0.5Hz/150%,0Hz/180%（3）载波频率范围015KHz；可根据温度和负载的特性自适应调整（4）提供标准的010V模拟量接口，能够与大多数数控系统接口兼容，通用性强（5）过负载能力强，150%额定输出电流一分钟；（6）提供多功能的输出端子信号，例如故障输出信号，运行中信号，速度到达等输出信号，能够很好的满足系统对于主轴速度状态的监控；调试结果事实证明采用EC3000系列高性能矢量变
13、频器完全能够满足机床主轴控制的要求。ECOM采用的领先的磁通算法，即使在低转速（低频）运行下也能平稳输出150%的转矩，以满足不同零件的加工需要，完全可以取代传统的滚动轴承主轴结构，并且此主轴结构简单、紧凑、可以实现真正的无级调速。此主轴的转速由外部模拟量信号来控制输出频率，在不同的加工工艺（如；粗加工、精加工等）需要不同的转速，此时可由数控系统输出不同的模拟量电压信号给变频器，实现不同的转速，同时启停信号也由数控系统控制，提高了自动化程度、延长了刀具的使用寿命。变频器在数控机床上的应用如图所示： 2 主轴变频控制的基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为:n=(60f/p)(1-s)
14、其中P电动机的极对数，s转差率，f供电电源的频率，n电动机的转速。从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0400Hz(甚至更高频率)之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。主轴变频控制的系统构成不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。如果被加工件如图2-2所示所示形状，则由图2-2中看出，对应于工件的AB段，主轴速度维持在1000rpm，对应于BC段，电机拖动主轴成恒线速度移动，但转速却是联系
15、变化的，从而实现高精度切削主轴变频器系统构成示意在本系统中，速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流)，通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置，数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置，以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。主轴变频的基本选型目前较为简单的一类变频器是V/F控制(简称标量控制)，它就是一种电压发生模式装置，对调频过程中的电压进行给定变化模式调节，常见的有线性V/F控制(用于恒转矩)和平方V/F控制(用于风机水泵变转矩)。标量控制的弱点在于低频转矩不够(需
16、要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围1:10)，因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰，而矢量控制的变频器正逐步进行推广。所谓矢量控制，最通俗的讲，为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能，通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位，用以维持电机内部的磁通为设定值，产生所需要的转矩。矢量控制相对于标量控制而言，其优点有:(1)控制特性非常优良，可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;(2)能适应要求高速响应的场合;(3)调速范围大(1:100);(4)可进行转矩控制。当然相对于标量控制而言，矢量控制的结构复杂、计算烦琐，而且必须存贮和频繁地使用电动机的参数。矢量控
17、制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，区别在于后者具有更高的速度控制精度(万分之五)，而前者为千分之五，但是在数控车床中无速度传感器的矢量变频器的控制性能已经符合控制要求，所以这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。.无速度传感器的矢量变频器 无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出，总结各自产品的特点，它们都具有以下特点:(1)电机参数自动辩识和手动输入相结合;(2)过载能力强，如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;(3)低频高输出转矩，如150%额定转矩/1HZ;(4)各种保护齐全(通俗地讲，就是不容易炸模块)。无
18、速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性，而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。图3-1所示，为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据(电机为5.5kW/4极)。从图中可知，其在低速范围时同样可以产生强大的转矩。在实验中，我们同样将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现，前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段(如30Hz或50Hz)相同。3.3 矢量控制中的电机参数辨识由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。从图3-2的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电机除了常规的参数
19、如电机极数、额定功率、额定电流外，还有R1(定子电阻)、X11(定子漏感抗)、R2(转子电阻)、X21(转子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空载电流)。参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。图3-2 异步电动机稳定态等效电路在参数辨识中，必须注意:(1)若旋转辨识中出现过流或过压故障，可适当增减加减速时间;(2)旋转辨识只能在空载中进行;(3)如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数。专用机床的合理应用曲轴高效专用机床也有它的加工局限性，
20、只有合理应用合适的加工机床，才能发挥出曲轴加工机床的高效专用性，从而提高工序的加工效率。 1当曲轴轴颈有沉割槽时，数控内铣机床不能加工；如果曲轴轴颈轴向有沉割槽时，数控高速外铣机床和数控内铣机床均不能加工，但数控车-车拉机床能很方便地加工。 2当平衡块侧面需要加工时，数控内铣机床应当为首选机床，因为内铣刀盘外圆定位，刚性好，尤其适用于加工大型锻钢曲轴；此时不适合用数控车-车拉机床，因为在曲轴的平衡块侧面需要加工的情况下，采用数控车-车拉机床加工，平衡块侧面是断续切削，且曲轴转速又很高，在这种工况下，崩刀现象比较严重。 3当曲轴的轴颈无沉割槽，且平衡块侧面不需加工时，原则上几种机床都能加工。当加
21、工轿车曲轴时，主轴颈采用数控车-车拉机床，连杆颈采用数控高速外铣机床则应成为最佳高效加工选择；当加工大型锻钢曲轴时，则主轴颈和连杆颈均采用数控内铣机床比较合理。 曲轴可以分为体形较大的锻钢曲轴和轻量化的轿车曲轴，锻钢曲轴轴颈一般无沉割槽，且侧面需要加工，余量较大；轿车曲轴一般轴颈有沉割槽，且侧面不需要加工。因此可以得出结论：加工锻钢曲轴采用数控内铣机床，加工轿车曲轴主轴颈采用数控车-车拉机床，连杆颈采用数控高速外铣机床是比较合理的高效加工选择。变频器工作原理概述主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类1:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回
22、路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。 它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。 整流器最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。 平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单
23、的平波回路。 逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。 控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。 （1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。 （2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电
24、流等。 （3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。 （4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。 （5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。 变频器的作用变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交
25、流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。变频器的组成变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。 整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。 高容量电容存储转换后的电能。 逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。 控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。 变频器的历史变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。 20世纪60年代以后，电力电子器件普遍应用了晶闸
26、管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。 20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWMVVVF)调速的研究得到突破，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。 20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的 VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。 最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。 步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场 变频器的分类按变换的环节分类（1）交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的
27、交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。 （2）可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器； 按直流电源性质分类（1）电压型变频器电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。 （2）电流型变频器 电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选
28、用于负载电流变化较大的场合。 按主电路工作方法电压型变频器、电流型变频器 按照工作原理分类可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等； 按照开关方式分类可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器； 按照用途分类可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。 按变频器调压方法PAM变频器是一种通过改变电压源Ud 或电流源Id的幅值进行输出控制的。 PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个 脉冲波个脉冲，其等值电压为正
29、弦波，波形较平滑。 按工作原理分U/f控制变频器（VVVF控制）、SF控制变频器（转差频率控制）、VC控制变频器（Vectory Control 矢量控制) 按国际区域分类欧国产变频器；美变频器、日本变频器、韩国变频器、变频器、香港变频器 按电压等级分类高压变频器、中压变频器、低压变频器变频器节能效果变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水
30、量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。 由流体力学可知，P（功率）Q（流量）H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。所队当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40一50，从而达到节电的目的。 以上海正艺信
31、息科技有限公司生产的变频器应用到风机水泵型负载的节能的例子来说：一台离心泵电机功率为55千瓦，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16千瓦，省电48.8，当转速下降到原转速的l2时，其耗电量为6.875千瓦，省电87.5。 2、功率因数补偿节能 无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。 3、软启动节能 电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和
32、阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。节省了设备的维护费用。结束语 对于数控车床的主轴电机，使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后，具有以下显着优点:大幅度降低维护费用，甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。数控机床主轴一般交流伺服系统、进口品牌矢量控制变频器以及变频专用电机，购置费用很高；EC3000系列变频器以其独特的性能（启动电流小、调速平滑、调速范围大、节能环保、运行稳
33、定、精度高、低频转矩大、保护功能齐全、可靠性高、操作维护简便等）和优越的性价比，在数控机床的应用上迅速崛起。参考文献1. 王侃夫. 数控机床控制技术与系统M. 北京:机械工业出版社,2002.2. 杜金城. 电气变频调速设计技术M. 北京:中国电力出版社,2001.3. 高钟毓机电控制工程北京：清华大学出版社，20024 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2001.171-201.5 叶斌.电力电子应用技术.北京：清华大学出版社，2006.199-236.6阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998.7 王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2007.1-165.8 何超.交流变频调速技术.北京：北京航空航天出版社,2006.1-65.9 梁昊.最新变频器标准实施和设计.北京：电力出版社，2005.125-136.10杜金城.电气变频调速设计技术.北京：中国电力出版社，2001.195-205.