汽车机械制造技术毕业论文卧式粗磨机电气系统改造.doc

长春汽车工业高等专科学校继续教育学院毕业论文（设计）中文题目： 卧式粗磨机电气系统改造 英文题目：Shallow Theory about Practice of Quality Improvement of Basic Management Personnel 毕业专业： 汽车机械制造技术 学生姓名： 准考证号： 指导教师： 二零一四 年 八 月独创性声明本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 长春汽车工业高等专科学校 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本论文作者完全了解 长春汽车工业高等专科学校 有关保留、使用论文的规定。特授权 长春汽车工业高等专科学校 可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。（保密的论文在解密后适用本授权说明）论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日中文摘要变频调速可以使用标准电机如不需维护的笼型电动机，可以连续调速，改变转速方向可通过电子回路改变相序实现。其优点是启动电流小，加减速度可调节，电机可以高速化和小型化，防爆容易，保护功能齐全等，随着控制技术和电力电子技术的发展，变频调速技术的应用越来越广泛。由于PLC的功能强大、使用容易、可靠性高，常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。组态软件技术作为用户可定制功能的软件平台工具，在工控机上可开发出友好的人机界面，通过PLC可以对自动化设备进行“智能化”控制。电动机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境，推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速性能和起制动平稳性能、高性能、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。关键词：变频器 电动机 节能AbstractFrequency can be used as a standard motor maintenance-cage motor, speed can be continuously changed the direction of rotation can be changed by an electronic circuit realization phase sequence. The advantage is starting current, acceleration and deceleration can be adjusted, the motor can speed and miniaturization, explosion easy, protection functions, etc., with the development of control technology and power electronics technology, the application of variable frequency technology more widely . As the function of PLCs powerful, easy to use, high reliability, is often used as a control field data collection and equipment. Configuration software technology as user-customizable features of the software platform tools on the IPC can develop user-friendly interface, you can automate device intelligent control by PLC. AC variable speed motors in todays energy-saving technology, improve the process to improve product quality and improve the environment, and promote a primary means of technological progress. Frequency of its excellent speed performance and smooth starting and braking performance, high performance, high power factor and energy-saving effect, a wide range of application and many other advantages of being at home and abroad recognized as the most promising approach speed.key word: Drive Electric motor Energy Saving目 录 第一章 卧式粗磨机电气系统改造提出原因1第二章 概述22.1粗磨机工作原理概述22.2 对卧式粗磨机改造前存在的问题分析2第三章 三相电动机变频调速33.1 变频器简介.3 3.1.1 变频器的工作原理3 3.1.2 变频器的构成与功能43.2 变频器的控制方式53.3 变频器调速的控制方式6 3.3.1 基频以下调速6 3.3.2 基频以上调速7第四章 电动机变频调速原理及方法84.1 三相异步电动机的基本原理94.2 三相异步电动机变频调速原理10第五章 硬件的选择115. 变频器的选择12第六章 改造方案的实施与成果13 6.1 设计思路13 6.2 具体实施13 6.3 成果14第七章 结束语15参考文献15致谢16第1章 卧式粗磨机电气系统改造提出原因本文针对目前的实际需要，对本厂的卧式粗磨机，三相异步电动机拖动的卡具小车进行技术改造，对原有的工作方式进行了分析与对比。对于提高产品质量、提高劳动生产率具有重要意义。另一方面，在节能减排的大环境下，节约电能是21世纪的共同话题，具有关数据统计，全世界用电量中约有60%是通过电动机来消耗的，考虑起动、过载、安全系统等原因，高效的电动机经常在低效状态下运行，采用变频器对交流异步电动机进行调速控制，可使电动机重新回到高效的运行状态，这样可节省大量的电能。发展低碳经济已成全球共识。节能能源、降低消耗，构建资源节约型、环境友好型社会已是当今社会发展的一个永恒的话题。这场绿色革命的浪潮中，节能环节是极具边际经济效益和推广价值的。相较于清洁能源在全球能源供应端较低的占比和较高的边际成本，节能仍是绿色革命中最具推广意义和边际经济效益的领域。无论是消费电子还是在工业领域，利用变频技术达到节能的目的成为人们追求的目标。在超市中，一排排的变频空调、变频风扇吸引消费者的目光；在工厂中，伺服电机、变频器现身生产线上，正为企业达到节能降耗的指标作出贡献。第二章 概述2.1粗磨机工作原理概述 卧式粗磨机的用途：我厂为一汽大众配套生产捷达车发动机缸体，为此引进两台卧式粗磨机用来对缸体进行端面毛刺磨削清理。电气系统主要采用PLC控制，由输送链条拖动缸体随行夹具，载着缸体通过两个高速旋转的砂轮磨头，对缸体的两个对称端面进行磨削加工，以清理掉缸体端面的毛刺。两台磨床工作原理基本一致，只是加工位置有所差异。这2台磨床在我车间针对06A/EA111缸体进行加工。一旦出现故障将影响全生产线的正常生产。卧式粗磨机的流程：在原位装上缸体夹具夹紧链条输送磨削横端面输送到终点吊件到另一台磨床同时输送返回另一台磨床夹具夹紧输送磨削侧端面输送到终点卸下工件到下一工序同时输送返回。2.2对卧式粗磨机改造前存在的问题分析2010年，我厂根据市场需求调整了产品结构，分别新增了EA888，050，4G6等缸体产品，试制投产后，这些产品在清理工序反映出了非常严重的问题。新产品与老产品相比，外形尺寸有所增大，端面结构复杂，毛刺突出。经过磨床加工时，由于加工端面面积增大，毛刺吃刀量增大，频繁发生卡件闷车现象，经常闷停磨头砂轮，和输送电机。每次卡件，因为都是闷停单侧砂轮，另一侧继续旋转磨削，都会磨偏造成一件废品，造成成本上的很大浪费。磨头电机电机和输送电机烧毁现象时有发生。经过分析，设备的输送链条是由一台7.5KW的异步电动机拖动缸体进行磨削加工，现在产品磨削负荷增大，原来的输送环节已经不能满足新产品的要求。也就是说这台设备没有对新产品加工的能力。而新产品已经投产，根本没有替代的加工设备。由于清理加工的设备都属于非标，专机性质，如果根据新产品新购进设备，从配套设计到交付使用，需要非常长的周期。生产根本等不起。面对眼前的现实问题，只能从原设备身上去寻求解决办法。随着我厂生产缸体品种的增加，产量的加大，由以前每月几千个缸体到现在每月3万多缸体，要求设备长时间连续工作。而且，电气控制系统要有很高的可靠性和效率，无故障运行和很好的维护性。这些要求该设备的控制系统很难达到，因此，对该设备的改造成为必然。车间作业工人采用计件工资，车间作业工人采用计件工资，并且产量由人工计数，每生产一件都采用粉笔划“正”字计数方式，不仅耽误生产也分散精力，因此提出安装计数器让工人一目了然得到车间工人的认同，省时省力。第3章 三相电动机变频调速3.1 变频器简介3.1.1 变频器的工作原理 变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。3.1.2 变频器的构成与功能结构：变频器实际上就是一个逆变器.它首先是将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.一般功率较大的变频器用可控硅.并设一个可调频率的装置.使频率在一定范围内可调.用来控制电机的转数.使转数在一定的范围内可调.变频器广泛用于交流电机的调速中.变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。 1. 整流电路整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块.2. 平波电路平波电路在整流器、整流后的直流电压中含有电源6倍频率脉动电压，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)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简单电容滤波平波电路。3. 控制电路现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成: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”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路变频器采取的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式4. 逆变电路逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120电角度的三相交流电压。功能：1、变频节能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。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。3.2变频器的控制方式转差频率控制转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。矢量控制矢量控制，也称磁场定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流 ， It1相当于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。直接转矩控制转矩控制的优越性在于 ，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，因而能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。恒转矩负载多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机，搅拌机，传送带，厂内运输电车，吊车的平移机构，吊车的提升机构和提升机等。选型时可选V/f控制方式的变频器，但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。要求控制系统具有良好的动态，静态性能由于被控对象的千差万别，性能指标要求的各不相同，变频器的选择及配置远不如上述所列几种。要做到熟练应用还应在工程实践中认真探索。变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用中根据不同的负载及不同控制要求，合理选择变频器以达到资源的最佳配置，具有重要的意义。3.3 变频调速的基本控制方式在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。对于直流电机：励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿， m 保持不变是很容易做到的。对于交流异步电机：磁通 m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。定子每相电动势 式中Eg气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；f1定子频率（Hz）；Ns定子每相绕组串联匝数；kNs基波绕组系数；m每极气隙磁通量（Wb）。由式可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。3.3.1 基频以下调速由上式可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使 即采用恒电动势频率比的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得 这是恒压频比的控制方式。但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。如图1所示。 图1 恒压频比控制特性曲线3.3.2 基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如下图所示。如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。如图2所示。 图2 异步电机变压频调速的控制特性曲线 第四章 电动机变频调速原理及方法4.1 三相异步电动机的基本原理三相绕组接通三相电源产生的磁场在空间旋转，称为旋转磁场，转速的大小由电动机极数和电源频率而定。转子在磁场中相对定子有相对运动，切割磁杨，形成感应电动势。转子铜条是短路的，有感应电流产生。转子铜条有电流，在磁场中受到力的作用。转子就会旋转起来。第一：要有旋转磁场，第二：转子转动方向与旋转磁场方向相同，第三：转子转速必须小于同步转速，否则导体不会切割磁场，无感应电流产生，无转矩，电机就要停下来，停下后，速度减慢，由于有转速差，转子又开始转动，所以只要旋转磁场存在，转子总是落后同步转速在转动。 4.2 三相异步电动机变频调速原理交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。交流异步电动机是电气传动中使用最为广泛的电动机类型。根据统计，我国异步电动机的使用容量约占拖动总容量的八成以上，因此了解异步电动机的调速原理十分重要。交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用 表示： （3-1）式中： 为三相交流电源频率，一般是50Hz； 为磁极对数。当 =1是， =3000rmin； =2时， =1500rmin。由上式可知磁极对数 越多，转速 就越慢，转子的实际转速 比磁场的同步转速 要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率 表示： （3-2）三相异步电动机的变频开环调速实验面板如图3： 图3 三相异步电动机的变频开环调速实验面板第五章 硬件的选择5.1 变频器的选择 根据我车间其他设备也使用的品牌型号。我选取了富士电机生产的FRENIC 5000G11S 型通用变频器。（比输送链条7.5KW电机大一个等级），技术资料统一，便于维护，备件统一，便于备件管理，遇到问题时可以用替换法相互替换排除故障，提高遇到问题时快速反应能力。变频器功能参数：控制特性控制方式可选样V/F控制或自动转矩提升控制(柔性PWM控制/高载波频率PwM控制)输出频率范围0.5至120Hz(启动频率0至60Hz可变)频率设定分辨率模拟输入最大设定频率的l/500(DC5V输入时)，1/1000(DCl0V，DC4至20mA输入时)数字输入0.1Hz(未满100Hz)，1Hz(100Hz以上)频率精度模拟输入最大输出频率的1%以内(2510)数字输入设定输出频率的0.5%以内(使用设定拨盘)启动转矩150%(6Hz时)，在使用自动转矩提升的情况下加/减速时间设定0，0.1至999秒(可分别设定加速和减速时间)，可选择直线型或S-型加/减速模式制动转矩再生(注1)0.2K-150%，0.4K，0.75K-100%，1.5K-50%直流制动运行频率(0-120Hz)，运行时间(010秒)，运行电压(0-15%)输入信号频率设定信号(0-5(10)VDC)；4-20mA，用拨盘进行数字设定，启动信号，出错复位，多段速选择，第二功能选择，输出停止，电流输入选择，外部热继电器输入，Pu运行/外部运行切换运行功能上下限频率设定，频率凋变运行，外部热继电器选择，瞬时掉电后重起，正反转运行保护，滑差补偿，运行模式选择，PID控制，计算机连接运行(RS-485)(注5)输出信号运行功能可以从以下几种信号中选择一种集电极开路的输出：频率到达，频率检测，过载报警，零电流检测，输出电流检测，PID上限，PID下限，PID正反作用，准备完毕，最小误差，以上信号可选择一个触点输出(1C触点，230VAC 0.3A，30VDC 0.3A)指示仪表可从输出频率和电机电流中选择一种，模拟输出(DC0-5V，lmA)保护报警功能过电流断路(正在加速，减速，恒速)，再生过电压断路(正在加速，减速，恒速)，电压不足(注2)，过负荷断路(电子过电流保护)，失速防止，散热片过热，风扇故障(注4)，PU脱落(注5)，启动时接地出错保护(注7)，外部热继电器输入(注6)，再试次数溢出，通信出错(注5)，CPU出错。环境周围温度与湿度-10十50(不结冰)，(-10+40企封闭结构规格)，90%RH以下(不结露)保存温度(注3)-20至+65周围环境屋内(应没有腐蚀气体，易燃气体，油雾，尘埃等)海拔高度，振动最高海拔，1000m以下，5.9m/S2(0.6C)以下(JIS C 0911标准)1.表中所示的制动转矩是电机本身从60Hz起减速时的平均转矩(随电机的损耗而变)，不是连续再生转矩，如果从高于基频的情况下减速,制动转矩会低于这个平均值2.当电压不足，瞬时停电时，异叙显示和输出不动作，变频器自保护。根据运行状态负荷的大小等，再次通电时，过电流保护,再生过电压保护等有可能动作第6章 改造方案实施与成果6.1设计思路通过更改PLC程序和变频器参数设定，降低大负荷工件加工时的输送速度.频率设定在工频以下(40HZ)。磨削加工后，通过变频调速实现输送链条快退（70HZ）,提高生产效率安装计数器：随着我厂生产缸体品种的增加，产量的加大，由以前每月几千个缸体到现在每月3万多缸体，人工计数不仅耽误生产也分散精力，更不精确。因此安装电子计数器，目视化显示。满足管理需求，完善设备功能。6.2具体实施第一步：变频器R.S.T端直接接至自动空气开关下端，原运行接触器取消。第二步：修改PLC程序，增加工件选择开关。选择原工件时工频输送磨削，选择大负荷工件时，利用变频器多步速度功能，E02,C06参数设定频率为40HZ，实现低速输送磨削，稳定磨削负荷。第三步：加工结束后执行快退返回。设定变频器E01,C05参数，设置为70HZ。实现快速回车，提高生产效率。第四步：变频器控制接口及PC机接口设计图（见附图）变频器参数设定 （基本频率，频率设定，端子功能）功能码参数解释设定值功能码参数解释设定值F0