数控铣床主轴伺服系统及自动拉刀装置的设计

湖南铁道职业技术学院毕 业 设 计 题 目: XK7124经济型数控铣床主轴伺服系统及自动拉刀装置的设计系 ： 机电工程系 专 业 ： 数控维修 学生姓名： 罗勇华 班 级： 数控维修073 指导教师： 范芳红 老师 完成日期 2010 年 3 月 19日湖南铁道职业技术学院毕 业 设 计 评 阅 书1、指导教师评语：签名： 年 月 日 2、答辩委员会综合评语：经毕业设计（论文）答辩委员会综合评定成绩为： 答辩委员会主任（签字）： 年 月 日考核项目及总分具 体 内 容分值评分标准得分差及中良优设计过程20查阅资料及手册能力50233.54.55工作态度及纪律情况50233.54.55独立工作能力50233.54.55基本概念、基本理论及专业知识掌握情况50233.54.55设计结果40规定任务的完成情况100578910说明书质量1005 78910图纸及技术文档的质量150810121315设计有无独到和创新之处50233.54.55答辩情况40对设计的阐述（自述）150810121315基本理论和方法问题150810121315有关设计问题100278910班级数控维修073班学号姓名总分指 导 老 师签 名考 核 小 组 专 家 签 名毕业设计评分标准绪论 毕业设计是我们大学生在毕业前进行的一次综合性的总复习，也是一次理论联系实际的练习，是对我们所学专业知识的一次全面的检验，毕业设计是一项综合的系统的工作，它要求我们每个大学毕业生全面系统地运用专业知识，综合现场需要，科学，合理设计，因而它要求具有科学性，合理性和可操作性，毕业设计是在学习了三年数控维修专业知识以后，对所学知识的一种综合体现，把所学知识能够运用到实际机床的设计中，是在我们学完了大学基础课，技术基础课，以及大部分专业课之后进行的。毕业设计作为大学生离校前的最后一项重要工作，势必有它独特的，无法比拟的作用。通过对该机床的设计，使我认识到机床必须具备怎样的结构要求和技术要求，要满足其结构和技术要求，我们在实际运用中又应该怎样正确的操作加以保证该要求，在需要维修时，使我们了解到怎样才能正确的找出故障。本设计主要是对XK7124经济型数控铣床主轴伺服系统及自动拉刀装置的设计。就个人而言，我们应当通过这次毕业设计，得到以下能力方面的锻炼与提升。1.对机床本身的了解，加强了理论知识与实际中的统一，消除了以前对故障的轻视，调整好自己的心态面对以后的道路。2.提高自身的设计能力，加强对机床结构的分析和处理能力。3.学会怎么使用各种手册和专业资料的查询，能够迅速的查询到自己所需的正确数据，并能综合所学知识合理选择。希望通过这次设计，对自己未来从事的工作打下一定的基础，但由于能力有限，设计尚有许多不足之处，希望各位老师多多指教，感激不尽。目录第1章 设计方案第7页第2章 数控铣床的概括第7页2.1 数控机床的演变过程第7页2.2 数控铣床的概括第8页第3章 数控机床的主传动系统设计第8页3.1 对主传动系统的要求第9页3.2主轴部件第9页3.21轴承第10页3.2.2主轴的材料和热处理第11页3.23 主轴的润滑与冷却第11页3.24主轴箱第12页3.2.5传动带第12页第四章 自动拉刀装置设计第15页4.1 刀具自动夹紧机构第15页4.2 拉刀装置的工作原理第16页第五章 电气说明书第18页51系统选择：第18页5.2电机的选择第19页5.2.1交流异步伺服系统第19页5.2.2主轴功率的计算第19页5.3变频器概述及选型原则第22页5.3.1 变频器概述第22页5.3.2 变频器的选型原则第22页5.3.3EV2000变频器功能与连接第24页5.4强电设计第30页5.4.1总电源第30页5.4.2控制电源第30页5.4.3机床直流电源动力回路图第31页5.4.4 电气连接图第34页第六章 安装及调试第36页6.1系统的调试第36页6.1.1、保护级第36页6.1.2硬件的安装与连接第37页6.2 拉刀装置PLC第39页6.2.1 PLC T型图第39页6.2.2 PLC 编程第40页6.3维护及调试第40页6.3.1机床电气设备维护第40页6.3.2主轴驱动系统的调试第41页6.4操作面板及其功能第41页6.5 操作简介第46页设计心得第47页第1章 设计方案方案拟定：XK7124型数控卧式铣床属于经济型数控铣床，根据此次设计任务书的要求，我们主要设计车床的主轴系统部分与自动拉刀部分。主轴部分：包括传动部分的设计、编码器的设计选择以及控制部分的设计。拉刀部分：包括刀架设计及工作原理设计。此次设计涉及到机床的机械传动部分和电气控制部分，电气部分包括数控装置的选型、主轴伺服（驱动器的选择，主轴电机的选择）、电路图（主轴电路，控制电路，主轴系统的连接概述图等）、电气电路图；机械部分主要包括主轴传动部分，最后就是安装于调试部分，包括主轴的调试、编码器的连接与调试、主轴驱动系统的参数设置与调试等等。第2章 数控铣床的概括2.1数控机床的演变过程数控机床源于20世纪40年代末期，当时美国John.T.Parson公司提出在坐标机床上用脉冲信号控制的加工方法，这就是数控机床诞生的起点。1952年，麻省理工学院研制成功了三坐标连续控制的样机铣床，这就是世界上第一台数控机床。20世纪70年代以后，伴随微电子技术的高速发展，数控机床在经过几代更新变化中得到突飞猛进的发展，应用范围也越来越广，使机械进入了数字制造的时代。 第一代数控机床为提高生产效率不断向超高速方向发展，主轴转速可达15000R/min；进给运动移动速度60120m/min ,切削进给速度60m/min ，最高加速度10g(g为重力加速度)加工中心换刀时间减少至小于1s。主轴与刀具的接口以先例高速加工的HSK等接中为主，主轴径向跳动小于是2um，轴系不平衡度达到G0.4级。2.2数控铣床的概括定义:数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两都的加工工艺基本同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别.数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成。 铣削与车削的原理不同，铣削时刀具回转完成主运动，工件作直线（或曲线）进给。旋转的铣刀是由多个刀刃组成合而成的，因此铣削是非连续的切削过程。数控铣床有它特有的应用，对于轮廓复杂或难以控制尺寸的零件，用复杂模型描述的复杂曲线零件以及三维空间曲面类零件，需要进行多道工序加工，精度要求高的零件，如模具零件、壳体类零件。机床主轴，一般用于给机床加工提供动力，通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削工件旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。主轴电机通常有普通电机与标准主轴电机两种（与之对应的驱动装置也分为开环与闭环两种）。第3章 数控机床的主传动系统的设计机床主轴，一般用于给机床加工提供动力，通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削工件旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。主轴电机通常有普通电机与标准主轴电机两种（与之对应的驱动装置也分为开环与闭环两种）。对于XK7124的传动系统我们选择半闭环控制：半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，数控机床与输入的指令位移值进行比较，用比较的差值对机床进行控制。半闭环数控机床的工作原理图。由于反馈环内没有包含传动丝杠，数控机床其传动误差照样会影响工作台的位移精度，故称半闭环控制。半闭环控制的精度没有闭环控制高，但调试比较方便，并且具有较好的稳定性，价格较低。3.1 对主传动系统的要求1调速范围 各种不同的机床对调速范围的要求不同。多用途、通用性大的机床要求主轴的调速范围大，不但有低速大转矩功能，而且还要有较高的速度，如车削加工中心；而对于专用数控机床就不需要较大的调速范围，如数控齿轮加工机床、为汽车工业大批量产生而设计的数控钻镗床；还有些数控机床，不但要求能够加工黑色金属材料，还要加工铝合金等有色金属材料，这就要求变数范围大，且能超高速切削。一般要求能在1：1001000范围内进行恒转矩调速和1：10的恒功率调速电机的转速公式为V= （v为转速 f为频率 p为极对数 s为转差率）；2 热变形 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小的热变形是对主传动系统要求的重要指标。3主轴的旋转精度和运动精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距离前端300mm处的径向圆跳动和端面跳动值。主轴在工作速度旋转时测量上述的两项精度称为运动精度。数控机床要求有高的旋转精度和运动精度。4主轴的静刚度和抗振性 由于数控机床加工精度要求较高，主轴的转速又很高，因此对主轴的静刚度和抗振性要求较高。主轴的轴颈尺寸、轴承类型及配置方式，轴承预紧量大小，主轴组件的质量分布是否均匀及主轴组件的阻尼等对主轴组件的静刚度和抗振性都会产生影响。5 主轴组件的耐磨性 主轴组件必须有足够的耐磨性，使之能够长期保持良好的精度。凡机械摩擦的部件，如轴承、锥孔等都应有足够高的硬度，轴承处还应有良好的润滑。3.2主轴部件主轴部件是数控铣床上的重要部件之一，它带动刀具旋转完成切削，其精度、抗振性和热变形对加工质量有直接的影响。3.2.1轴承主轴轴承的选择：主轴轴承是主传动系统的重要组成部分，它的类型、结构、精度、安装、调整、润滑和冷却都会对主传动系统的工作性能产生影响。滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动条件下稳定地工作。故可以选用单列向心推力球轴承（GB29284），轴承型号为36216。这种类型的轴承既可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。将内、外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预紧。它们多用于高速主轴。为了提高轴的刚度和承载能力，多个轴承可以组合使用。有三种基本组合方式：背背组合、面对面组合和同向组合。此主轴的前支承配置三对高精度的单列向心推力球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷，前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算的预紧量由螺母来调整。后支承为一对小口相对配置的单列向心推力球轴承，它们只承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承类型和配置形式，满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求。主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。参照互换性与测量技术基础，所选36000型单列向心球轴承为D级轴承。滚动轴承的配合的国家标准GB/T27593，由于滚动轴承属于标准零件，所以轴承内圈与轴颈的配合属于基孔制的配合，轴承外圈与壳体孔的配合属于基轴制的配合。查表78，向心轴承和轴的配合及表213基孔制优先、常用配合，确定轴承内圈与轴颈的配合为H7/k6。查表79向心轴承和壳体的配合及表214基轴制优先、常用配合，确定轴承外圈与壳体孔的配合为JS7/h6。3.2.2主轴的支承 数控机床主轴的支承主要采用图1所示的三种主要形式。图1a所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。这种结构的综合刚度高，可以满足强力切削要求，是目前各类数控机床普遍采用的形式。图1b所示结构的前支承采用多个高精度向心推力球轴承，后支承采用单个向心推力球轴承。这种配置的高速性能好，但承载能力较小，适用于高速、轻载和精密数控机床。图1c所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置的径向和轴向刚度很高，可承受重载荷，但这种结构限制了主轴最高转速和精度，因而仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。 图3-1 主轴支承配置因为XK7124经济数控铣床对于精度及转速的要求不高所以可以选择：前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承这种配置。3.2.3主轴的材料和热处理主轴的材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷特点和热处理变形大小等因素来选择。主轴刚度与材质的弹性模量E有关。无论是普通钢还是合金钢其E值基本相同。因此对于一般要求的机床其主轴可用价格便宜的中碳钢、45钢，进行调质处理后硬度为2228HRC；当载荷较大或存在较大的冲击时，或者精密机床的主轴为减少热处理后变形，或者需要作轴向移动的主轴为了减少它的磨损时，则可选用合金钢。常用的合金钢有40Cr50HRC，或者用20Cr进行渗碳淬硬使硬度达到5662HRC。某些高精度机床的主轴材料则选用38CrMoAl进行氮化处理，使硬度达到8501000HV。3.2.4 主轴的润滑与冷却主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。为了尽可能减少主轴部件温升引起的热变形对机床工作进度的影响通常利用润滑油循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱件保持恒定的温度，在某些数控机床上，采用专业的冷却装置，控制主轴箱温升。有些主轴轴承用高级油润滑，每加一次油脂可以使用7-10年。对于某些主轴采用油气润滑、喷注润滑和突入滚道润滑等措施，以保持在高速时正常冷却润滑效果。3.2.5主轴箱 主轴箱的设计：为了提高主轴的刚度和便于安装，将主轴设计成阶梯圆柱形，前端外径大，后端外径小，为实现更换刀具时能自动夹紧，主轴内部设计成空心。其前端有7：24锥孔，用于装锥柄刀具，并有自动定心作用，通过摩擦将刀柄夹紧于主轴的端部，大锥度既利于定心，也便于松夹。主轴端面装有定向键，既可传递切削的转矩，又可用于刀具的周向定位。主轴外圆柱面上有前后支承轴承的配合面。主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。（1）主轴直径 主轴直径越大，其刚度越强，但使得轴承和轴上的其他零件的尺寸相应增大。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。根据实际情况确定主轴的直径为F80mm。（2）主轴内孔直径 主轴内径是用来通过刀具夹紧装置固定刀具的。主轴孔径越大，机床是使用范围越广，同时主轴部件的重量也越轻。但是孔径的大小受主轴刚度的制约。主轴孔径与主轴直径之比小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当，大于0.7时空心主轴的刚度就急剧下降。此处取其比值为0.3，则主轴内孔直径为80*0.3=24mm。主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定。主轴材料选用38CrMoAIA。3.2.6传动带传动带 传动带是以带作为中间挠性件，靠带与带轮间的摩擦力传递运动和动力。如图3-1所示，带呈环形，以一定的拉力（张紧力）F0套在一对带轮上，使带和带轮相互压紧。带传动不工作时，带两边的拉力相等，均为F0；工作时主动带1转动，带与带轮面间的摩擦力使其一边拉力加大到F1称为紧边拉力，另一边拉力减小到F2，称为松边拉力。两者之差F=F1-F2即为带的有效拉力，它等于沿带轮的接触弧上摩擦力的总合。这样，就带动从动轮2旋转了，但一定条件下，摩擦力有一定的限度，若工作阻力超过极限值、带就在轮面上打滑，传动不能正常工作。传动带的优点是：结构简单，成本低，主、从动轮的中心距离较大，工作稳定，无噪声，过载时带打滑能防止其他零件损坏。缺点是：外部尺寸大，作用在轴和轴承上的力也较大，此外V带和平带传动还有弹性滑动，不能保持恒定的传动比。图3-2V带 V带是截面为等腰梯形（或近似等腰梯形）的传动带。其两腰的夹.角为40它的结构有帘布结构与线绳结构两种。一般采用帘布结构，在载荷不大、小直径或转速较高时采用线绳结构。它们的结构如图3-2所示，伸张层与压缩层采用弹性好的胶料，易于产生弯曲变形。包布层耐磨，起保护作用。强力层承受带的拉力。V带根据截面尺寸由小到大的顺序排列，共有Y、Z、A、B、C、D、E七种。应用最多的是A、B、C三种。一般V带型号的截面尺寸和其所能传递的功率大小有关，传递的功率越大，选用的截面尺寸也越大。图3-3传动比本次设计的传动方式选用通过传送带传动的主传动，由图3-1可知a1、a2两角度相同。传动带接触圆的长度为：传动比 即：或D1:D2我们设计的传动比为：低速区为28-733r/min，高速区为733-3150r/min,低速时传动比为1：4.75；高速时传动比为1：1.1。3.3变速方式的选择机床主传动的变速方式可分为无级变速和有级变速两种。无级变速：指在一定速度(或转速)范围内能连续、任意地变速。优点：可选用最合理的切削速度，没有速度损失，生产率高；可在运转中变速，减少了辅助时间；操纵方便；传动平稳。缺点：机械式和液压式无级变速结构较复杂；电气式成本较高。有级变速：指在若干固定速度(或转速)级内不连续地变速。优点：传递功率大，变速范围大，传动比准确，工作可靠。缺点：速度不能连续变化，有速度损失，传动不够平稳。 方案选择：根据所改造成数控机床的使用要求和结构特点，本方案选择电气无级变速。第4章 自动拉刀装置的设计4.1 刀具自动夹紧机构在数控铣床上多采用气压或液压装夹刀具，常见的刀具自动夹紧机构主要由拉杆、 拉杆端部的夹头、蝶形弹簧、活塞、气缸等组成 。夹紧状态时，蝶形弹簧通过拉杆及夹头，拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合；松刀时，通过气缸活塞推动拉杆，压缩蝶形弹簧，使夹头松开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，即可拔出刀具，进行新、旧刀具的交换，新刀装入后，气缸活塞后移，新刀具又被蝶形弹簧拉紧。 需注意的是，不同的机床，其刀具自动夹紧机构结构不同，与之适应的刀柄及拉钉规格亦不同。为实现刀具在主轴上的自动装卸，主轴上必须带有刀具的自动卡紧机构，通常刀杆都是采用7：24的大锥柄和主轴锥孔配合定心，从而保证刀具回转中心每次装卡后与主轴回转中心都同轴，而且大锥度的锥柄不仅有利于定心，也为松卡带来方便。另外，主轴端面有一键块，通过它既可传递主轴的扭矩，又可用于刀具的周向定位。实现自动拉马的具体机构是由一组碟形弹簧配以一液压装置组成的。使用碟簧拉紧刀具，而用气压缸放松刀具，从而保证在工作中，即使突然断电，刀杆也不会自行松脱。4.2 拉刀装置的工作原理该拉刀装置的工作原理如图1所示，当刀具由人工送到7：24主轴锥孔后，刀柄后部的拉钉便被送入到主轴中心的拉杆的前端，当增压气缸接收到刀具已被放入主轴锥孔的信号时，增压气缸活塞推杆便向上运动，拉杆在碟形弹簧(在松刀时已被压缩处于储能状态)能量释放反作用力下，也跟着向上运动，拉杆前端的卡爪(卡爪在圆周方向等分割成6片)由于受到卡爪弹簧的紧箍力作用，而与拉杆紧紧相连，因此弹簧卡爪也跟着向上运动，卡爪末端从35mm开放的圆柱孔经过锥孔进入27mm的主轴圆柱孔，6片卡爪在27mm的主轴圆柱孔中缩小了直径，从而抱住拉钉，同时把拉钉向上拉。由于碟形弹簧力一直作用在拉杆上，所以拉钉一直被紧紧拉住(该拉力大约2万N左右)。当增压气缸接到准备取走主轴锥孔内的刀具信号时，增压气缸活塞推杆便向下运动，克服碟形弹簧反作用力，把拉杆向下推，卡爪末端从27mm圆柱孔经过内锥孔进入开放的35mm圆柱孔内，此时6片卡爪由于弹簧的作用向外扩张，就能把刀具从主轴上取走。因此我们可设计两个控制按钮来实现。图4-1 主轴自动松刀装配图 图4-2此次设计的拉刀装置的动力系统采用液压回路提供动力设计的液压回路图为下图4-3：图4-3增压回路第5章 电气部分设计5.1系统选择本机床采用德国SIEMENS的SINUMERK 802D数控系统。802D是在机床行业广泛采用的现代标准控制系统，它与SINUMERIK_611数字驱动系统和SIMATIC S7300可编程控制器一起，构成全数字控制系统，它适于各种复杂加工任务的控制，具有优于其它系统的动态品质和控制精度。由于齿轮机床的特殊性，还扩充了若干功能。例如:刀具和工件的同步传动，即所谓的电子齿轮箱(ELG),这样优化了机械的传动结构，提高了机床的精度，大大方便了用户的操作。机床进给伺服机构由NC系统控制，它包括电源模块、NCU模块、驱动模块及伺服电机。5.2主轴电机的选择5.2.1交流异步伺服系统交流异步伺服电机通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。交流异步伺服电机通常有模拟式、数字式两种方式。与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。然而交流异步伺服存在两个主要问题：一是转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。5.2.2主轴电机的计算功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削转速来计算,设即最大切削速度为500()，最大切削力 = 及 =PK式中 P电动机功率； 切削功率； 主传动系统总效率，查机床说明书,一般为0.750.85,=0.8; =（N） 切削速度=500()k进给系统功率系数，取k=0.96. =500060/60000KW=5KW P= Pc/K=5/(0.8 0.96)KW =6.510KW即主轴电机功率选择7.5KW的电机主轴电机的主参数计算： （1）最大切削力负载转矩 T=i 式中 丝杠上的最大轴向负载N 丝杠导程m。 滚珠丝杠的机械效率。预加 因滚珠丝杠螺母预加再载荷引起的附加摩擦转矩N. m 滚珠丝杠轴承的摩擦转矩N. m i 传动比 计算得 T =35.154 N.m (2) 惯量匹配 电动机轴惯量 J =m=0.00090 kg.m 滚珠丝杠的惯量 J=0.00060kg.m联轴节的惯量（查表得） J=0.0005 kg.m 负载惯量 J= J+ J+ J=0.0020 kg.m 所以电动机的惯量 J应 J J 4 J 20 J 90所以我根据上面计算的结果我决定主电机采用西门子 a c6/8000i电机其电机参数; 额定电压 220V 转速 12000rpm 额定转矩 48NM 功率 7.5kw极数 1. 极数反映出电动机的同步转速，2极同步转速是3000r/min，4极同步转速是1500r/min，6极同步转速是1000r/min,8极同步转速是750r/min。绕组的一来一去才能组成回路，也就是磁极对数，是成对出现的，极就是磁极的意思，这些绕组当通过电流时会产生磁场，相应的就会有磁极。三相交流电机每组线圈都会产生N、S磁极，每个电机每相含有的磁极个数就是极数。由于磁极是成对出现的，所以电机有2、4、6、8极之分。2. 若三相交流电的频率为50Hz,则合成磁场的同步转速为50r/s,即3000r/min.如果电动机的旋转磁场不止是一对磁极,进一步分析还可以得到同步转速n与磁场磁极对数p的关系:n=60f/p.f为频率,单位为Hz.n的单位为r/min.；ns与所接交流电的频率 (f)、电机的磁极对数(P)之间有严格的关系，nsf/P在中国，电源频率为50赫，所以二极电机的同步转速为3000转/分，四极电机的同步转速为1500转/分，余类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10以内。由此可知，交流电机（不管是同步还是异步）的转速都受电源频率的制约。因此,交流电机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率，而以往要改变电源频率是比较复杂的。所以70年代以前，在要求调速的场合，多用直流电机。随着电力电子技术的发展，交流电动机的变频调速技术已开始得到实用。5.3变频器概述及选型原则5.3.1 变频器概述变频器的产生与发展直至20世纪60年代，随着晶闸管（SCR）功率的不断增大，才使变频调速具有了现实可能性。而使变频调速器达到普及应用的阶段，则是在20世纪90年代，大功率晶体管（GTR）问世之后。到20世纪90年代，场效应晶体管的出现和不断提高，又使变频调速器在各个方面都前进了一步。可见，变频器的生产，成长和发展，是和大功率开关器件的进步密不可分。在变频器出现前同步电机无法实现调速功能，因此只能在定速传动领域使用三相交流鼠笼电机尽管调速性能不佳，但其结构坚固、经久耐用且价格低廉还是在一些性能较低的传动现场使用。5.3.2 变频器的选型原则1、根据电机的规格指标参数选择变频器。变频器在使用过程中带动的是电机，所以，变频器的选型可以从电机的角度来选择型号、规格。那首先，我们就必须先了解电机的各项规格指标参数。每台电机都有它自己出厂的铭牌，从铭牌上，我们不难找到电机的各项参数。这些参数中，我们需要了解的主要参数有：电机的额定电压、额定电流、额定频率、额定转速等。电机的额定电压：电机的额定电压一般有110V、220V、380V、690V、1140V、6kV等。我公司现生产的变频器电压等级有：220V、380V、690V、1140V。如有其它非标准的电压等级，请及时咨询生产厂家或各地办事处及经销商。 电机的额定电流：电机的额定电流根据电机的功率不同而不同。选择变频器时，变频器的额定电流应大于或等于电机的额定电流，特殊情况应将变频器功率档次放大一档。 100系列可满足0600Hz电机的需要，如需更高频率，请选用CH_150系列变频器。 电机的额定转速：电机有分为2极、4极、6极、8极等，极数越高，转速越低，同功率电流也越大。我们一般用的电机的额定转速是1500 rpm对应4极电机。变频器也是根据4极电机来设计的。2极对应3000 rpm、6极对应960 rpm、8极对应720 rpm左右。 2、根据负载特性选择变频器。如负载为恒转矩负载可选择西门子MMV/MDV,MM420/MM440 变频器，ABB公司ACS400系列变频器等；如负载为风机、泵类负载可选择西门子ECO 、MM430变频器，ABB公司ACS800系列变频器等。3、 选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10而温升会增加20左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。4 、当变频器用于控制并联的几台电机时，一定要考虑变频器到电动机的电缆的长度总和在变频器的容许范围内。如果超过规定值，要放大一档或两档来选择变频器。另外在此种情况下，变频器的控制方式只能为V/F 控制方式，并且变频器无法实现电动机的过流、过载保护，此时需在每台电动机侧加熔断器来实现保护。对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。5、 使用变频器控制高速电机时，由于高速电动机的电抗小，会产生较多的高次谐波。而这些高次谐波会使变频器的输出电流值增加。因此，选择用于高速电动机的变频器时，应比普通电动机的变频器稍大一些。变频器用于变极电动机时，应充分注意选择变频器的容量，使其最大额定电流在变频器的额定输出电流以下。另外，在运行中进行极数转换时，应先停止电动机工作，否则会造成电动机空转，恶劣时会造成变频器损坏。驱动防爆电动机时，变频器没有防爆构造，应将变频器设置在危险场所之外。6 、使用变频器驱动齿轮减速电动机时，使用范围受到齿轮转动部分润滑方式的制约。润滑油润滑时，在低速范围内没有限制；在超过额定转速以上的高速范围内，有可能发生润滑油用光的危险。因此，不要超过最高转速容许值。变频器驱动绕线转子异步电动机时，由于绕线电动机与普通的鼠笼电动机相比，绕线电动机绕组的阻抗小，因此，容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。变频器驱动同步电动机时，与工频电源相比，会降低输出容量1020，变频器的连续输出电流要大于同步电动机额定电流与同步牵入电流的标幺值的乘积。7、 对于压缩机、振动机等转矩波动大的负载和油压泵等有峰值负载情况下，如果按照电动机的额定电流或功率值选择变频器的话，有可能发生因峰值电流使过电流保护动作现象。因此，应了解工频运行情况，选择比其最大电流更大的额定输出电流的变频器。变频器驱动潜水泵电动机时，因为潜水泵电动机的额定电流比通常电动机的额定电流大， 所以选择变频器时，其额定电流要大于潜水泵电动机的额定电流。当变频器控制罗茨风机或特种风机时，由于其起动电流很大，所以选择变频器时一定要注意变频器的容量是否足够大。8、 选择变频器时，一定要注意其防护等级是否与现场的情况相匹配。否则现场的灰尘、水汽会影响变频器的长久运行。单相电动机不适用变频器驱动。在实践中，根据以上原则对变频器选型，可以提高工作效率，减少因选型不当带来的时间上和成本上的损失。5.3.3EV2000变频器功能与连接 EV2000变频器的选择依据 本次设计通过上所述的变频器选型原则以及本设计系统的功能要求。根据所用电动机的容量EV2000变频器符合本设计要求，并且满足本设计所需要的各项功能。根据所用电机容量查得变频器手册对变频器进行了选择，是否满足设计需求。EV2000变频器（55P及以下）系列额定值如下表所示。EV2000变频器（55P及以下）系列额定值列表如下变频器型号（55P及以下）（G：恒转矩负载；P：风机水泵负载）额定容（kVA）额定输入电流（A）额定输出 电流（A）适配电机（kW）EV2000-4T0055G/0075P8.5/1115.5/20.513/175.5/7.5EV2000-4T0075G/0110P11/1720.5/2617/257.5/11EV2000-4T0110G/0150P17/2126/3525/3211/15EV2000-4T0150G/0185P21/2435/38.532/3715/18.5EV2000-4T0185G1/0220P124/3038.5/46.537/4518.5/22EV2000-4T0220G1/0300P130/4046.5/6245/6022/30EV2000-4T0300G1/0370P140/5062/7660/7530/37EV2000-4T0370G1/0450P150/6076/9275/9037/45EV2000-4T0450G1/0550P160/7292/11390/11045/55表5-1在使用EV2000系列变频器时，应注意以下几点：（1）关于电动机及机械负载与工频运行比较，EV2000系列变频器为电压型变频器，输出电压是PWM波，含有一定的谐波。因此，使用时电机的温升、噪声和振动同工频运行相比略有增加。（2）恒转矩低速运行变频器驱动普通电机长期低速运行时，由于电机的散热效果变差，输出转矩额度有必要降低。如果需要以低速恒转矩长期运行，必须选用变频电机。（3）当选用适配电机时，变频器能对电机实施热保护。若电机与变频器额定容量不匹配，则务必调整保护值或采取其他保护措施，以保证电机的安全运行。（4）在50Hz以上频率运行若超过50Hz运行，除了考虑电机的振动、噪音增大外，还必须确保电机轴承及机械装置的使用速度范围。 EV2000变频器的通用规格及配线图1、EV2000变频器的通用技术规格见下表所示。EV2000变频器的通用技术规格表项目项目描述输入额定电压;频率三相，380V输440V；50Hz/60Hz充许电压工作范围电压：320V460V；电压失衡率：3；频率：5输出 额定电压380V频率0Hz650Hz过载能力G型：150额定电流1分钟，200额定电流0.5秒；P型：110额定电流1分钟；150额定电流1秒主要控制性能调制方式磁通矢量PWM调制调速范围1:100起动转矩0.50Hz时180额定转矩运行转速稳态精度0.5额定同步转速频率精度数字设定：最高频率0.01；模拟设定：最高频率0.2频率分辨率数字设定：0.01Hz；模拟设定：最高频率0.1转矩提升自动转矩提升，手动转矩提升0.130.0V/F曲线四种方式：1种用户设定V/F曲线方式和3种降转矩特性曲线方式（2.0次幂、1.7次幂、1.2次幂）加减速曲线三种方式：直线加减速、S曲线加减速及自动加减速方式；四种加减速时间，时间单位（分/秒）时间单位（分/秒）可选，最长60小时点动 点动频率范围：0.20Hz50.00Hz；点动加减速时间0.160.0秒可设，点动间隔时间可设多段速运行通过内置PLC或控制端子实现多段速运行自动节能运行根据负载情况，自动优化V/F曲线，实现节能运行自动电压调整（AVR）当电网电压变化时，能自动保持输出电压恒定自动限流对运行期间电流自动限制，防止频繁过流故障跳闸运行功能运行命令通道操作面板给定、控制端子给定、串行口给定，可通过多种方式切换频率给定通道数字给定、模拟电压给定、模拟电流给定、脉冲给定、串行口给定，可通过多种方式随时切换辅助频率给定实现灵活的辅助频率微调、频率合成脉冲输出端子050kHz的脉冲方波信号输出，可实现设定频率、输出频率等物理量的输出模拟输出端子2路模拟信号输出，分别可选0/420mA或0/210V，可实现设定频率、输出频率等物理量的输出表5-22、 EV2000基本运行配线图适用机型：EV2000-4T0185G1/0220P1EV2000-4T0450G1/0550P1基本配线图如图6-1所示。图51 EV2000变频器基本配线图变频器主回路输入输出端子及描述1、适用机型：EV2000-4T0185G1/0220P1EV2000-4T0450G1/0550P1的主回路端子图如图512所示。 图52主回路端子输入/输出图2、主回路端子描述适用机型：EV2000-4T0185G1/0220P1EV2000-4T0450G1/0550P1的主回路端子描述见下表所示。主回路端子描述表端子名称功能说明R、S、T三相交流380V输入端子P整流桥正极输出端子P1、(+)外接直流电抗器预留端子,出厂时用铜排连接(-)直流负母线输出端子U、V、W三相交流输出端子PE屏蔽接地端子表5-33、制动单元的主要功能制动动作电压可调整；制动电阻工作超时保护；散热器过热保护；模块异常报警指示；故障显示及故障继电器输出指示；制动电阻过热自动断开及继电器报警输出指示。制动单元和变频器、制动单元和制动电阻之间的接线应在5米以内，若超过5米，请使用双绞线。最大使用长度为10米4、直流电抗器主要功能EV2000-4T0750G及以上功率等级直流电抗器为标准配置，EV2000-4T0750P及以下功率等级变频器为选配件。为防护电源对变频器的影响，保护变频器和抑制高次谐波，在下列情况下，应配置直流电抗器。当给变频器供电的同一电源节点上有开关式无功补偿电容器屏或带有可控硅相控负载时，因电容器屏开关切换引起的无功瞬变致使网压突变和相控负载造成的谐波和电网波形缺口，有可能对变频器的输入整流电路造成损害；当变频器供电三相电源的不平衡度超过3时； 当要求提高变频器输入端功率因数到0.93以上时；当变频器接入大容量变压器时，变频器的输入电源回路流过的电流有可能对整流电路造成损害。一般情况下，当变频器供电电源的容量大于550KVA以上时，或者供电电源容量大于变频器容量的10倍时，变频器需要配置直流电抗器主回路配线图及功能 1、主回路配线图下图513中以端子运行命令通道为例，由K4、K5可以对运行方向进行控制，K4端为正转，K5端为反转，COM为公共端。通过K1、K2、K3的不同逻辑组合，可以按下表格选择普通运行频率和17段多段频率进行多段速度运行。53主回路配线图2、主回路功能多功能输入端子X1X8的功能丰富，可根据需要方便地选择，即通过设定F7.00F7.07的值可以分别对X1X8的功能进行定义，设定值与功能见下表所示。多段速频率运行表内容对应功能内容对应功能内容对应功能0无功能1多段频率端子12多段频率端子23多段频率端子34加减速时间端子15加减速时间端子26外部故障常开输入7外部故障常闭输入8外部复位（RESET）输入9外部正转点动输入10外部反转点动运行输入11自由停车输入12频率递增指令（UP）13频率递减指令（DN）14简易PLC暂停运行指令15加减速禁止指令16三线式运转控制17外部中断常开触点输入18外部中断常闭输入19停机直流制动输入（DB）20闭环失效21PLC失效22频率给定通道选择123频率给定通道选择224频率给定通道选择3表5-45.4强电设计5.4.1总电源本机床供电电源为三相380V（-15%+10%）/50Hz（1Hz），机床在接通总电源之前，必须指派专业电