普通车床的变频调速系统改造设计.doc

目录摘要4第一章交流变频调速器41.1变频调速器的基础知识41.1.1变频器的变频与变压51.1.2变频器的构成与功能6第二章通用变频器的介绍72.1变频器的组成与功能72.1.1主控电路82.1.2面板控制器82.1.3外接给定与输入控制端82.2变频器的主要外接电路82.2.1外接主电路的结构92.2.2正反转控制电路122.3变频器的主要参数简介132.3.1启停控制方式132.3.2与频率设定相关的参数132.3.3频率给定方式142.3.4变频器的控制方式142.3.5变频器参数142.3.6PID调节功能参数142.3.7报警与故障参数15第三章金属切削车床的变频系统153.1主运动的负载性质及对主拖动系统的要求153.1.1主运动的负载性质153.1.2主运动对主拖动系统的要求163.1.3电气原理图：163.1.4硬件接线图：173.2变频调速系统的设计方案183.2.1变频器的容量选择183.2.2变频器控制方式的选择183.3变频器调速控制系统及其工作过程193.3.1变频器接线193.3.2继电器控制电路20结束语21参考文献22附表一22附表二22摘要随着变频技术的提高，交流电动机的应用越来越广泛，采用变频调速，可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，有利于实现生产过程的自动化，使电力拖动系统具有优良的控制性能，而且在许多生产场合具有显著的节能效果。变频调速的核心设备是变频调速器，变频器与电动机的控制配合构成了变频调速系统。传统的金属切削车床速度控制为人工换挡，调速范围有限，调速精度低，而电机始终在额定转速运行，利用效率差，齿轮箱体积庞大复杂，电器控制部分故障较多。将变频器应用于各种大型自动化生产线和机械加工中，会大大提高金属切削车床的调速系统的静态、动态性能，保证系统的安全可靠经济运行。该系统选用三菱FR-A500系列变频器，采用普通继电器实现逻辑控制。主电动机可以正反转运行，速度有低、中、高三档，并具有点动微调功能。关键词：变频技术 电力拖动 变频器 金属切削车床的变频调速系统第一章 交流变频调速器在交流调速系统中，变频器的作用是将频率固定（通常为工频为50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成变频连续可调（多数为0-400Hz）的三相交流电。如下图所示，变频器的输入端（R、S、T）接至频率固定的三相交流电源，输出端输出的是频率在一定的范围内连续变化可调的三相交流电，接至电动机。图1.1变频器的使用1.1 变频调速器的基础知识1.1.1 变频器的变频与变压根据电机学原理可知，交流电动机的同步转速 (1-1)感应电机负载转速 (1-2)式中，f1为供电频率、p为电动机极对数、s为转差率。由此可见，若能连续的改变感应电动机的供电频率f1，就可以平滑的改变电动机的同步转速和相应的电动机转速，从而实现感应电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。变频调速的最大优点是：电动机从高速到低速，其转差率始终保持最小的数值，因此变频调速时，变频调速器的功率因数都很高。可见，变频调速时一种理想的调速方式。但它需要特殊的变频装置供电，以实现电压和频率的协调控制。由电机学知（1-3）（1-4）式中，E1为气隙磁通在定子每相中的感应电动势的有效值（V），f1为定子频率（Hz）,KN1为定子每相绕组串联匝数，KN1为基波绕组系数，m为每极气隙主磁通量（Wb），Te为电磁转矩（N.m），Cm为转矩系数，I2为转子电流折算至定子侧的有效值，cosa为转子电路的功率因数。三相感应电动机正常运行时，定子阻抗压降很小，因此可以忽略，则有（1-5）式中U1为定子相的电压（V）。于是，主磁通（1-6）由于4.44N1KN1为常数，因此感应电动势的有效值与定子供电频率和主磁通的乘积成正比，由于U1没有变化，因此可以认为E1基本不变。现假设从额定频率fN向下调节频率，此时主磁通将增加。若从额定频率fN向上调节频率，此时主磁通将减少。 在关于电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通为额定值，由于磁通增加将会引起铁心过分饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因数降低磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费。而磁通减少 也会使电动机的输出转矩下降，如负载转矩仍维持不变，势必导致定、转子过电流，也要产生过热，因此希望保持磁通恒定。由此可见，只要控制好E1和f1，便可达到控制磁通的目的，对此，我们只需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。(1)基频以下调速由上可知，要保持主磁通不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低E1，使E1/f1常数，即采用恒电动势频比控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏阻抗压降，而认为定子相电压U1和感应电动势的有效值E1大约相等，则得U1/f1常数，即恒压频比控制方式。低频时，U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能忽略。这时，可以人为地把U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。(2)基频以上调速在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压U1却不能增加得比额定电压U1N还要大，最多只能保持U1=U1N。由U1=E1正比于f1与主磁通的乘积可知这将迫使磁通与频率成反比地减少，相当于直流电动机弱磁升速的情况。1.1.2 变频器的构成与功能变频器由主回路和控制回路组成。在许多场合，为了保持调速时电动机的最大转矩不变，需要维持磁通恒定，以避免电动机带负载能力降低和大负载下过电流，这就要求变频器输出电压值也要随输出频率的变化作相应调节。而需要快速反应的场合，则必须控制输出电流。此时，变频器主回路的输出电压或输出电流及频率由控制回路的控制指令进行控制，而控制指令由外部给定的运转指令经过某些函数关系的运算求得，整个系统时开环的。而对于控制精度要求较高的场合，比如变频调速恒压供水系统电路，运算还应包括由电动机侧检测的反馈信号，此时系统时闭环的。另外，为了避免主回路过压，过流引起的损坏，还应设有保护电路。图1.1.1典型的电压型变频器的基本结构（1）主回路将工频电源变成电压或电流及频率可调的交流电源来为感应电动机供电的电力变换部分为变频器的主回路。主回路由变频器、滤波回路和逆变回路三部分组成，另外，一旦电动机需要制动，需附加“制动回路”。（2）控制回路现代通用变频器都是数字控制的，微处理器是控制回路的核心，它通过输入接口电路和通讯接口取得外部信号，通过检测回路取得电压、电流、温度、转速等运行信号，根据设置的运行方式，进行Uf控制、矢量控制或直接转矩控制，间控制命令传送给PWM控制回路，去触发逆变器，实现变频调速。控制回路向变频器主回路提供多种控制信号。控制回路包括：决定Uf控制的频率电压“运算回路”，主回路的“电压电流”检测回路、电动机的“速度检测回路”，根据运算结果生成相应的PWM脉冲并进行隔离和放大的“PWM生成及驱动回路”，以及变频器和电动机的“保护回路”。第二章 通用变频器的介绍2.1 变频器的组成与功能2.1.1 主控电路（1）主控电路的基本任务1）接受各种信号：在功能预置阶段，接受对各功能的预置信号；接受从键盘或外界输入端子输入的给定信号；接收从外接输入端子输入的控制信号；接受从电压、电流采样电路以及其他传感器输入的状态信号。2）进行基本运算：进行矢量控制运算或其他必要的运算；实时计算出SPWM波形各切换点的波形。3）输出计算结果：输出至逆变管模块的驱动电路，使逆变管按给定信号及预置要求输出 SPWM 电压波。输出给显示器，显示当前的各种状态。输出给外接输出控制端子。（2）主控电路的其他任务1）实现各种控制功能；2）实施各项保护功能。2.1.2 面板控制器 操作面板由显示器和键盘输出器构成。2.1.3 外接给定与输入控制端（1）外接给定端：各种变频器都配有接受从外部输入给定信号的端子。根据给定信号类别的不同，通常有电压信号给定端和电流信号给定端。（2）外接输入控制端：接受外部输入的各种控制信号，以便对变频器的工作状态和输出频率进行控制。2.1.4 外接输出控制端（1）报警输出端：通常采取继电器输出；（2）测量信号输出端：模拟量测量信号和数字量测量信号；（3）状态信号输出端：主要有运行信号、频率到达信号、频率检测信号等，各输出端的具体测量内容可通过功能预置来设置。状态信号的输出电路通常是晶体管的集电极开路输出方式，用于直流低压电路中。外电路可通过光电耦合管接受其信号，可直接用发光二极管来指示各种状态。2.2 变频器的主要外接电路 变频器的外接电路是变频器的接线端子和外围设备相连的电路，变频器的接线端子分为主回路端子和控制回路端子。各变频器的主回路端子相差不大，通常用 R、S、T表示交流电源的输入端，U、V、W 表示变频器的输出端。2.2.1 外接主电路的结构（1）单独控制的主电路变频器在实际应用中，还需要和许多外接的配件一起使用，下图2.1所示为单独控制的外接主电路。图中，QF是空气断路器，KM是接触器的主触点，UF是变频器。图2.1变频器接入电路主电路空气断路器的主要功能是： 1）隔离作用。当变频器需要检修，或由于某种原因而长时间不用时，将 QF切断，使变频器与电源隔离。 2）保护作用。当变频器的输入侧发生短路故障时，进行保护。选取原则：IQN(1.31.4)IN 接触器的主要功能是： 1）可通过按钮方便的控制变频器的通电与断电。 2）变频器发生故障时，可自动切断电源。由于变频器有比较完善的过电流和过载保护功能，且空气断路器也具有过电流保护功能，因此进线侧可不必接熔断器。又由于变频器内部具有电子热保护功能，因此在只接一台电动机的情况下，可不必接热继电器。选取原则：IKN1.5IN继电器控制的切换电路（a）主电路（b）控制电路2.2.2继电器控制的切换电路（1）主电路如图(a)所示，接触器KM1用于将电源接至变频器的输入端；KM2用于将变频器的输出端接至电动机；KM3用于将工频电源接至电动机，热继电器FR用于工频运行时的过载保护。（2）控制电路如图(b)所示。对控制电路的要求是：接触器KM2和KM3绝对不允许同时接通，互相间必须有可靠的互锁。运行方式有三位开关SA进行选择。 当SA合至“工频运行”方式时，按下启动按钮SB2，中间继电器KA1得电吸合并自锁，其动合触点KA1（17）闭合，使接触器KM3得电吸合。KM3的主触点闭合，电动机进入“工频运行”状态。按下停止按钮SB1，中间继电器KA1和接触器KM3均失电，电动机停止运行。 当SA合至“变频运行”方式时，按下启动按钮SB2，中间继电器KA1得电吸合并自锁，其动合接触点KA1（17）闭合，使接触器KM2得电吸合。KM2的主触点闭合，将电动机接至变频器的输出端。KM2得电吸合后，其动断触点KM2(911)断开，使KM3失电释放，其主触点断开，电动机脱离工频电源；其动合接触点KM2（1517）闭合，使KM1也得电吸合，其主触点闭合，将工频电源接到变频器的输入端，并允许电动机启动。KM1的动合触点KM1（2123）闭合，为KA2得电做准备。按下SB4，中间继电器KA2得电吸合，其动合触点KA2（ab）闭合，电动机开始加速，进入“变频运行”状态。KA2动作后，其动合触点KA2(13)闭合，停止按钮SB1将失去作用，以防止直接通过切断变频器电源使电动机停机。在变频运行过程中，如果变频器因故障而跳闸，则触点“PS(BC)”断开，接触器KM2和KM1均失电，变频器和电源之间，以及电动机和变频器之间，都被切断。与此同时，触点“PS(CA)”闭合，一方面，由蜂鸣器HA和指示灯HL进行声光报警；同时，时间继电器KT得电，其触点KT（79）延时后闭合，使KM3得电吸合，电动机进入工频运行状态。操作人员发现后，应将选择开关SA旋至“工频运行”位。此时，声光报警停止，并使时间继电器KT断开。2.2.2 正反转控制电路继电器控的正反转电路如图所示：图2.4正反转控制电路图KM是变频器通电接触器；KA1是正传控制继电器；KA2是反转控制继电器。按钮SB2 SB1用于控制接触器 KM，从而控制变频器接通或切断电源；按钮SB4 SB3用于控制正转继电器KA1，从而控制电动机的正转运行和停止；按钮SB5 SB3用于控制反转继电器KA2，从而控制电动机的反转运行和停止。正转与反转运行只有在接触器KM已经运作变频器已经通电的状态下才能运行。与按钮SB1的动触点并联的KA1 KA2的动合触点用以防止电动机在运行状态下通过KM直接停机。2.3 变频器的主要参数简介2.3.1 启停控制方式变频器初上电时，处于待机状态。此时其输出端子U、V、W没有电源输出，电动机处于停机状态。若要启动变频器，使其输出预期频率的交流电源，则必须将其启动。启动方式有以下几种：可通过设置相关的参数进行选择，选择哪种方式应根据生产过程的控制要求和生产作业的现场条件等因素来确定，达到即满足控制要求，又能够以人为本的目的。2.3.2 与频率设定相关的参数（1）给定频率：与频率给电信号相对应的频率称为给定频率。（2）输出频率：即变频器实际输出的频率。（3）基本频率：与变频器最大输出电压相对应的频率成为基本频率。（4）最大频率：最大频率是与最大的给定信号相对应的频率，也是变频器允许输出的最高频率。（5）上限频率：上限频率不同于最大频率，它和频率给定信号没有对应的关系。（6）下限频率：下限频率和生产机械所要求的最低频率相对应。变频器的输出频率不可能低于下限频率，有保护作用。（7）启动频率：启动频率即变频器启动时的开始频率。（8）跳跃频率：任何机械都有一个固有振荡频率，在对机械进行无极调速时，其实际的频率也在不断的变化。当两个频率相等时，机械将发生谐振，振荡加剧，可能损坏设备。（9）点动频率：有时为了工件等的定位需要点动运行，此参数可设定点动运行速度。2.3.3 频率给定方式所谓频率给定方式就是调节变频器输出频率的具体方法。外部模拟量给定方式数字量给定方式2.3.4 变频器的控制方式（1）恒U/f控制（2）矢量控制2.3.5 变频器参数（1）死区时间：在变频器逆变电路部分，为了防止同一相上下桥臂两个功率开关器件同时导通，从而发生桥臂直通现象，要设置死区时间。死区时间的大小与开关器件关断时间有关，死区时间太小，有方式桥臂直通的危险，太大则会影响输出波形的质量。一般使用出厂值即可。（2）载波频率：载波频率高低影响电动机运行的噪声大小和变频器的开关损耗。变频器运行时若对噪声抑制要求不高，可选用较低的载波频率，这将有利于减少变频器的开关损耗金额降低射频干扰发射的强度。一般使用出厂值即可。2.3.6 PID调节功能参数大多变频器都自带有PID调节功能，有的变频器是需要附加选件才能具有该项功能。变频器如进行PID控制，需要对相关参数进行设定。PID是闭环控制系统对被调量的给定值和时间值之间的偏差进行调节的一种控制规律，其全称是比例积分微分控制器，其调节的目标是使被调量的时间值跟踪给定值。此控制器的=需要调节三个参数，即比例增益（P）、积分时间（I）和微分时间（D）。比例增益（P）越大，系统响应越快，稳态误差越小，但可能引起系统不稳定。积分时间（I）越小，到达给定值就越快，但也容易引起振荡，积分作用一般使输出响应滞后。微分时间（D）越大，反馈的微小变化就会引起较大的响应，微分作用一般使输出响应超前。各参数的取值要根据实际的被控对象的特点来设定。在使用变频器中的PID功能时，除了上的P、I两个参数外（一般微分环节不用），还要指定给定信号和反馈信号接收端子，以及设定反馈信号的滤波时间常数等。2.3.7 报警与故障参数在通用变频器中，故障保护与报警功能是很完善的，比如过流、过载、过压、欠压保护等，这为用户提供很大的方便。通过故障报警提示信息，可以帮助用户找到故障原因，自动消除故障。当然如果由于使用上重大错误而引起的变频器毁灭性损坏，变频器自身的保护措施也是无能为力的。第三章 金属切削车床的变频系统金属切削车床的种类很多，主要有车床、铣床、磨床和刨床等。金属切削机床的基本运动是切削运动，即工件与刀具之间的相对运动。切削运动主要由主运动和进给运动组成。金属切削机床的主运动都要求调速，并且调速的范围往往较大。但主运动的调速一般都在停机的情况下进行，在切削过程中是不进行调速的。这里主要介绍CM6132型卧式车床，它是车床中应用最广泛的一种，它可以完成车削外圆内孔、端面、钻孔、铰孔、切槽切断、螺纹及成形表面等加工工序。车床在加工工件时，随着工件材料和材质的不同，需选择合适的主轴转速及进给速度，需提供主轴的正反转，需提供切削时的对刀具的冷却润滑功能等，这都需要控制电路发挥作用。3.1 主运动的负载性质及对主拖动系统的要求3.1.1 主运动的负载性质（1）低速段在刀具耐用程度一定的情况下，允许的进刀量与切削速度成反比。但进刀量又受到刀具和工件的强度等因素的限制。实际上任何机床在低速段的进刀量都是一定的。因此，低速段的最大切削力并无变化，其负载转矩是相同的，属于恒转矩调速范围。（2）高速段在高速段，受刀具耐用程度和机床床身机械强度的限制，速度越高，允许的进刀量越小。即在高速段，转速越高，负载转矩越小，但切削功率保持相同，属于恒功率区。3.1.2 主运动对主拖动系统的要求（1）车床的主轴带动工件的旋转运动是普通车床的主运动，带动主轴旋转的拖动系统为主拖动系统。由于切削螺纹的需要，要求主拖动系统能够正反转。（2）车床的进给运动是刀架作横向或纵向的直线运动。由于在切削螺纹时，刀架的移动速度必须和工件的旋转速度相配合，因此大多数中小型车床的进给运动通常是有主电动机经进给传动链而拖动的。（3）为了便于安装工件时的调整，要求具有点动功能。3.1.3 电气原理图：主电路分析：由图可以看出，三相交流电由自动空气开关QF引入，QF同时为主电机提供过载、短路、欠电压保护。M1为主轴电动机，容量4.5KW,M1由接触器KM1、KM2控制正反转，熔断器FU1是电动机M2、M3的短路保护，电动机M2由中间继电器KA控制，M2的容量为0.125KW,电动机M3由转换开关SA2控制，该控制电路没有控制变压器，控制电路直接供380V交流电。控制电路分析：当转换开关SA1处于0位置时，继电器KA得电并实现自锁，主运动变速装置由液压泵M2先行启动，在这种情况下，将SA1打向位置1或位置2将导致接触器KM1或KM2线圈得电，实现对主电动机的正反转控制，主电动机正常工作时候，SA1将一直处于位置1或位置2，即SA1是断开的，若电源电压降低过多或突然消失的时候，KA释放，它们的动合辅助触头断开，接触器KM1、KM2全部释放，电源电压恢复以后，KA也不会得电，接触器KM1、KM2也就不可能得电，因此电动机不会自行启动，由此可知，本电路中，继电器KA的作用是保证液压泵电动机M2和主电动机M1的顺序启动，并将实现对电动机的零压和欠压保护，将转换开关SA1触头打向0位置，则接触器KM1、KM2失电，它们的动合辅助触头断开。导致时间继电器KT断电，它们的动断辅助触头闭合，导致电磁离合器YC得电。VC整流电路提供直流电，产生自动，到达时间继电器KT的整定时间时，KT断电延时断开触头断开，YC、VC断电，自动接触。照明电路的电源，由照明变压器TC的二次输出48V的电压供电，转换开关SA3为照明灯通断开关，HL1为电源指示灯，HL2为主轴变速指示灯，它们由变压器的二次输出6V电压供电。该机床的9级速度是利用液压机构操作两组液压拨叉进行改变，变速时只需转动变速手柄，液压变压阀移到相应的位置定位，并且压向位置开关SQ1、SQ2。因此指示灯HL2灯亮，表示变速完成，可以进行正常启动，如果滑移齿轮未啮合好则指示灯HL2不亮，此时应将主轴转动一下，使齿轮正常啮合。3.1.4 硬件接线图：3.2 变频调速系统的设计方案3.2.1 变频器的容量选择：变频器连续运转时所需的变频器容量应满足式中：负载所要求的电动机的输出功率； y电动机的效率（通常为0.85）； 电动机的功率因数（通常约为0.95）； 电动机的电压，V； 电动机的电流，A； k电流波形修正参数； 变频器的额定容量，kVA; 变频器的额定电流，A。3.2.2 变频器控制方式的选择在通用变频器中，在控制方式方面，有些抵档变频器可能只具有恒U/f控制，而不具有高性能的矢量控制或直接转矩控制。因此在选择变频器时，必须要关注这个参数。对于车床切削系统，除了在车削毛坯时负载大小有较大变化外，以后的切削过程中，负载的变化通常是很小的。因此，一般而言选择恒U/f控制方式是能够满足要求的。但由于恒U/f控制存在低速区转速不足的缺点，在低速切削时，效果可能不尽人意。而矢量控制已经能够做到低速时转矩充足，运行稳定，而且由于实现了无速度传感器矢量控制，不需要额外增加硬件成本，虽然变频器价格要高些，但综合来说无传感器矢量控制是一种最佳的选择。选好了变频器的容量和控制方式，然后选择一个口碑好的品牌，变频器基本就确定了。其他器件： 空气断路器：额定电流一般取变频器额定电流的1.3-1.4倍。 交流接触器：额定电流一般取比变频器的额定电流稍高一些即可。 中间继电器：根据实际控制系统的复杂程度，简单的可用普通的继电器。3.3 变频器调速控制系统及其工作过程 该系统选用三菱变频调速器FR-A500，采用普通继电器实现逻辑控制。主电动机可以正反转运行，速度有低、中、高三档，并具有点动微调功能。3.3.1 变频器接线下图1-3区为变频器接线图。STF、STR分别为变频器的正转、反转控制端。RL、RM、RH、JOG为变频器的数字量控制端，其功能可设定。在此RL、RM、RH设定为固定频率给定端子，JOG设定为点动运行控制端子。A、C为变频器故障总报警输出端子，为继电器输出类型。变频调速系统控制电路如下图所示：变频器调速系统控制电路图3.3.2 继电器控制电路 上图的4-9区为继电器控制电路。图中，电动机的正反转和停止分别有按钮开关SB4、SB5、SB3控制。点动运行由按钮SB6控制。按钮SB1、SB2控制变频器的上电、失电。KA1、KA2、KA3分别为控制电动机正转、反转、点动运行的中间继电器。KA4为变频器故障报警中间继电器。不难看出，电动机正转、反转运转只有在变频器接通电源后才能进行；变频器只有在正反转都不工作时才能切断电源；一旦发生故障报警，设备必须重新上电，才能解除故障自锁。变频器的参数设定参数功能参数号设定值设定功能3段速设定Pr.450 Hz高速3段速设定Pr.530 Hz中速3段速设定Pr.610 Hz速点动频率Pr.155 Hz操作模式选择Pr.792启动有外部端子控制电动机容量Pr.804.5Kw选择矢量控制模式电动机极数Pr.814选择矢量控制模式电动机额定电流Pr.99.42A选择矢