变频技术及应用（三菱 第二版）课件：车床主轴变频调速控制

车床主轴变频调速控制任务

1电动机变频单向运行控制任务

2PLC、变频器控制电动机正、反转任务

3车床主轴变频调速控制系统车床主轴变频调速控制车床在金属切削机床中应用最为广泛，主要用于切削具有旋转表面的工件，如车削工件的外圆、内圆、端面、螺纹等。车床技术水平的高低及其占金属切削加工机床总拥有量的百分比，是衡量一个国家工业制造整体水平的重要标志之一。

在机械加工过程中，由于产品工艺的要求，经常对主轴或刀具的旋转提出不同的运行速度要求，这对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量，降低损耗，减少噪声有着重要的意义。变频器在这些方面有着得天独厚的优势，特别是配合PLC

控制的变频器，可以进行较为复杂的程序控制，满足机械

加工要求，实现自动加工。用变频器和PLC

对主轴进行有效

控制是当前车床技术改造中的一项重要内容。任务1

电动机变频单向运行控制学习目标1.

了解普通车床主拖动系统的基本参数。2.会根据控制要求，合理选择变频器。3.能正确安装电动机变频单向运行控制的主电路

和控制电路。4.能合理设置电动机变频单向运行控制系统中变

频器的相关参数。5.会联机调试电动机变频单向运行控制系统。车床主轴变频调速控制工作任务本任务根据车床主轴拖动系统的基本参数，合理选择变频器的容量及控制方式，实现主轴电动机连续

单方向运行控制。车床主轴变频调速控制车床主轴变频调速控制相关知识一、普通车床的结构与拖动系统1.普通车床结构普通车床的外形车床主轴变频调速控制二

、普通车床主运动的负载性质在老系列产品中，一般规定：从最低速起，以全部转速挡次的最高转速的1/3作为计算转速。随着刀具强度和切削

技术的提高，计算转速已经大为提高，通常规定：以最高转速的1/4～1/2作为计算转速，即np≈nmax/(2～4)车床主轴变频调速控制nANmaxnDNminTmin普通车床的机械特性TmaxT车床主轴变频调速控制三

、车床主轴拖动系统的基本参数1.转速挡次主轴转速共有8挡：75r/min

、120r/min

、200r/min、300r/min

、500r/min

、800r/min

、1200r/min

、2000r/min。2.电动机的主要额定数据电动机额定容量2.2kW;

额定电压380V;额定电流4.8

A;额定转速1440r/min;

过载能力2.5倍。3.控制方式由手柄的8个位置来控制4个电磁离合器的分与合，得

到齿轮的8种组合，从而得到8挡转速。序号分类名称型号规格数量备注1工具电工常用工具型号自定12仪表万用表、测速仪型号自定13设备器材三菱FR-E740系列变频器1FR-E740系列使用说明书1三相异步电动机1连接导线若干任务实施一

、任务准备实施本任务所需的实训设备及工具材料见表。车床主轴变频调速控制实训设备及工具材料车床主轴变频调速控制二

、变频器的选择1.变频器容量的选择变频器容量：SN=6.9kV·A(配用PMN=3.7kW电动机

)

。额定电流：2.

电动机的3.变频器控制方式的选择通过上述对变频器容量的计算、控制方式的选择，结合

本例，可选择UIf控制方式的变频器，型号为：FR-E740-

3.7K-CHT。车床主轴变频调速控制三

、安装外部控制电路SB1M3~KARPKA[0VQF

L1-L2—L3—KARS◎TSTFSDUo1025外部控制电路车床主轴变频调速控制操作提示接线注意事项(1)如果电源是单相交流电源，电源线接到L1

、N

端即可。电源线千万不要接到U

、V

、W

端上，否则将损坏变频器。(2)为了不影响信号传输，信号线和动力线最好分开布

线，至少分开10cm

以上。(3)为了安全起见，输入电源不要直接与变频器连接，最

好通过电磁接触器及漏电断电器或无熔丝断路器与变频器接

头相连。(4)端子SD和端子5是公共端子，请不要接地。车床主轴变频调速控制(5)接线后，零碎线头必须清除干净，否则可能造成变频

器异常、失灵和故障，必须始终保持变频器清洁。在控制台

上打孔时，请注意不要使碎片、粉末等进入变频器中。(6)长距离布线时，由于受到布线的寄生电容充电电流的

影响，会使快速响应电流限制功能降低，接于二次侧的仪器

误动作而产生故障。因此，请注意总接线长度。车床主轴变频调速控制(7)变频器和电动机间的接线距离较长时，特别是低频率

输出情况下，会由于主电路电缆的电压下降而导致电动机的

转矩下降。为使电压下降在2%以内，请选用适当型号的电

线接线。(8)运行以后，如需再次改变接线，必须在电源切断后

10

min以上，用万用表检查电压后进行，因为变频器断电后

一段时间内，电容上仍然有危险的高压电存在。参数名称参数号设定值提升转矩Pr.05%上限频率Pr.150

Hz下限频率Pr.23

Hz基准频率Pr.350

Hz加速时间Pr.75s减速时间Pr.85s电子过流保护Pr.93A(以实际使用电动机为准)加、减速基准频率Pr.2050

Hz操作模式Pr.792车床主轴变频调速控制四

、变频器参数设置功能参数表序号频率/Hz电压/V电流/A转速/(r/min)12345测量端子电压电流L1、12、L3U、V、W电动机车床主轴变频调速控制五、联机调试电压与电流记录表电动机运行情况记录表序号考核内容考核要求评分标准配分得分1电路设计能根据项目要求，正确

设计电路(1)设计电路不正确，每处扣5分(2)画图不符合标准，每处扣2分30分2参数设置能根据项目要求，正确

设置变频器参数(1)参数设置错误，每处扣5分(2)漏设参数，每处扣5分30分3接线能正确使用工具及仪表，

按照电路图准确地接线(1)元件安装不符合要求，每处扣2分(2)接线有违反电工手册相关规定的，每

处扣2分10分4调试能正确进行参数设置，

现场调试变频器的运行(1)不能正确修改参数，每处扣10分(2)不能正确调试变频器，每处扣10分30分5安全文明生产参照相关的法规，确保

人身和设备安全违反安全文明生产规程，扣5~10分备注合计教师签字：车床主轴变频调速控制任务测评

对任务实施的完成情况进行检查，并将结果填入任务测评表表

内

。任务2PLC

、

变频器控制电动机正、反转学习目标1.理解变频器输入端子的操作控制方式。2

.

掌

握PLC和变频器组合控制电动机正、反转

的控制方法。3

.

能够进行PLC

与变频器的连接和控制程序的

编制

。4.会根据功能要求设置变频器有关参数。车床主轴变频调速控制本任务将利用FX2N-32MR

可编程序控制器

(PLC)控制变频器，实现车床主轴电动机的正、反转控制。利用PLC

与变频器组合对电动机进行正、反转控制，只需利用PLC的输出端子来控制变频器的STF

、STR

两个端子即

可。车床主轴变频调速控制工作任务车床主轴变频调速控制相关知识

一、三菱

FX2N

系列PLC

介绍1.FX2N系列PLC的型号表示方法FX2N—[特殊类型输出形式(R—

继电器输出，

T—晶体管输出，

S—双向晶闸管输出)表示单元类型(M—

基本单元，E—输入/输出

混合扩展单元及扩展模块，

EX—

输入专用扩展

模

块

，EY—输出专用扩展模块)输入/输出总点数FX2N

系列PLC

的型号表示方法车床主轴变频调速控制2.FX2N系列PLC内部元器件分类及编号(1)输入继电器X0～X267(八进制)共184点(2)输出继电器Y0～Y267(八进制)共184点(3)辅助继电器M0～M1023

、M8000～M8255(十进

制)共1280点(4)数据寄存器车床主轴变频调速控制上述1280个辅助继电器可分为三种类型：1)普通型M0～M499共500点。其特点是一旦PLC

停止运行或失电，其状态无法保持，一律呈断开状态。2)保持型M500～M1023共524点。在锂电池支持下能

实现失电保持功能，一旦失电或PLC

停止运行能保持该瞬

间特有状态。3)特殊用途型M8000~M8255共256点。车床主轴变频调速控制二

、PLC基本逻辑指令1.触点串联指令(AND/ANI/ANDPIANDF)(1)AND

(与指令)。(2)ANI

(与非指令)。(3)ANDP(上升沿与指令)。a)X000X001Y000b)上升沿与指令a)

梯形图与指令表b)时序图X001Y000[END车床主轴变频调速控制LDANDPOUTENDX000X001Y00004X0003a)b)下降沿与指令a)梯形图与指令表

b)

时序图(4)ANDFX00004X000X001Y000车床主轴变频调速控制(下降沿与指令)。X001(Y000[ENDLDANDFOUTENDX000X001Y000车床主轴变频调速控制触点串联指令的使用说明：1)触点串联指令都是指单个触点串联连接的指令，串联

次数没有限制，可反复使用。2)触点串联指令的目标元件为输入继电器X、

输出继电

器Y、辅助继电器M、定时器T、计数器C和状态继电器S。车床主轴变频调速控制2.触点并联指令(OR/ORI/ORP/ORF)(1)OR为或指令。(2)ORI

为或非指令。(3)ORP为上升沿或指令。(4)ORF

下降沿或指令。触点并联指令的使用说明：1)触点并联指令都是指单个触点并联连接的指令，并联

次数没有限制，可反复使用。2)触点并联指令的目标元件为X、Y、M、T、C

和

S。车床主轴变频调速控制3.

自保持与解除(也称置位复位)指令(SET/RST)(1)SET为自保持(置位)指令。(2)RST

为解除(复位)指令。

自保持与解除指令的使用说明：1)SET指令的目标元件为Y、M、S,RST

指令的目标元件为Y

、M

、S

、T

、D

、V

、Z

。RST指令常被用来对D

、

Z

、V的内容清零，还用来复位积算定时器和计数器。2)对于同一

目标元件，SET、RST

可多次使用，顺序也

可随意，但最后执行者有效。车床主轴变频调速控制4.电路块的串、并联指令(1)ORB

为块或指令。(2)ANB为块与指令。ANB指令的使用说明：1)并联电路块串联连接时，并联电路块的开始应该用LD、LDI、LDP或LDF

指令，如图所示。2)多个并联回路块按顺序和前面的回路串联时，ANB指令的使用次数不受限制。也可连续使用ANB,

但与ORB一样，使用次数不超过8次。车床主轴变频调速控制ANBA

N

B

之

前

的

O

R

指

令X006AN

B之后的OR指令X007[ENDX003X005X006Y006并联连接的电路之间的串联(Y006OR

BANDANIORBANBOUTEND0891011X000X001X003X005X002X004车床主轴变频调速控制任务实施

一

、任务准备实施本任务所需的实训设备及工具材料见表。实训设备及工具材料序号分类名称型号规格数量备注1工具电工常用工具型号自定12仪表万用表、测速仪型号自定13设备器材计算机已安装三菱GX

Developer编程软件1变频器三菱FR-E740系列1PLC三菱FX2N系列1三相异步电动机1低压断路器DZ47-603P32A1交流接触器CJX2-12101指示灯AD16-22D

AC220V1按钮LA19-1144耗材连接导线若干输入信号输出信号名称元件代号地址名称元件代号地址变频器启动按钮SB1Xo主接触器KMYO停止按钮SB2X1工作指示灯HLY1正转启动按钮SB3X2正转输出端子STFY4反转启动按钮SB4X3反转输出端子STRY5车床主轴变频调速控制二

、分

配PLC

的输入/输出地址输入/输出地址分配表车床主轴变频调速控制三

、系统接线L2

L3QFKM◎RSTFSTRSDPLC、变频器控制电动机正、反转电路KMHLAC220VYOY1COMY4Y5COMMRPXOX1X2X3COMSB1SB2SB3

SB41025参数名称参数号设定值提升转矩Pr.05%上限频率Pr.150

Hz下限频率Pr.23

Hz基准频率Pr.350

Hz加速时间Pr.75s减速时间Pr.85s电子过流保护Pr.93A(以实际使用电动机为准)加、减速基准频率Pr.2050

H₂操作模式Pr.792车床主轴变频调速控制四

、变频器参数设置功能参数表车床主轴变频调速控制五、编制PLC程序Y⁰04X⁰03

X⁰02XO⁰1(Y005Y⁰05[ENDPLC

程序梯形图XO01X003X001(Y004X⁰00Y⁰00Y000X002车床主轴变频调速控制六、联机调试控制程序编译成功后，将程序下载到PLC

主机，并将

PLC

程序运行开关拨向“RUN”

状

态

。操作提示调试注意事项(1)绝对不能将R

、S

、T与

U

、V

、W

端子接反，否则将

损坏变频器。(2)PLC

的

Y3

、Y4

输出端子只相当于一个触点，不能接

电源，否则会烧坏PLC。(3)电动机为Y

形接法。车床主轴变频调速控制任务测评对任务实施的完成情况进行检查，并将结果填入表任务测评表序号考核内容考核要求评分标准配分得分1电路设计能根据项目要求，正确

设计电路(1)设计电路不正确，每处扣5分(2)画图不符合标准，每处扣2分30分2参数设置能根据项目要求，正确

设置变频器参数(1)参数设置错误，每处扣5分(2)漏设参数，每处扣5分20分3接线能正确使用工具及仪表，

按照电路图准确地接线(1)元件安装不符合要求，每处扣2分(2)接线有违反电工手册相关规定的，每

处扣2分10分4PLC编程能根据项目要求，正确

编制PLC控制程序(1)程序编制不正确，扣5分(2)不会上传、下载程序，扣5分10分5调试能正确进行参数设置，

现场调试变频器的运行(1)不会修改参数，每处扣5分(2)系统功能不正确，每处扣10分30分6安全文明生产参照相关的法规，确保

人身和设备安全违反安全文明生产规程，扣5~10分备注合计教师签字；任务3车床主轴变频调速控制系统学习目标1.熟悉变频器多段速控制运行方式。2.会进行调速方案的选择。3.会设计车床主轴变频调速控制系统电气原理

图。4.会根据要求设置变频器参数。5.能正确编制车床主轴变频调速控制PLC

程

序。车床主轴变频调速控制大部分车床并不需要连续调节转速，一般只要能切换若干段固定的转速即可满足要求。而几乎

所有的变频器都设置有多段转速的控制功能，只

需要控制变频器的多段速选择端子，就可以切换7

段或15段转速，避免使用昂贵的PLC

模拟量输出

模块来连续调节变频器的输出频率。本任务就是

利用变频器的多段速控制功能，实现对车床主轴的变频调速控制。车床主轴变频调速控制工作任务相关知识变频器在外部操作模式或组合操作模式3下，可以通过外接开关器件的组合通断来改变输入端子的状

态，从而实现运行频率的转换，这种控制频率的方式

称为多段速控制功能。一、7段速度控制7段速由RH

、RM

、RL通断的组合来实现。车床主轴变频调速控制速度12速度13速度14速度15ON

ON

ON

ONON

oNON

ONON

ON

ON

ON2速(中速)3速(低速)ONON5速4速ONONON速度9速

度

8ONON

ON7段速度运行

8～15段速度运行车床主轴变频调速控制时间on

ONON

ONONON

RHRM

·RL6速7速ON

ONONON

ONRHRMRLRES速度10速度11出频率/Hz1速(高速)输

出频

率

(

H

z

(时间车床主轴变频调速控制二、8～15段速度控制通过端子RH

、RM

、RL

和

RES

的通断组合就可以实现

15段速控制。8～15挡位的速度频率参数由端子Pr.232~Pr.239

进行相应的设置。车床主轴变频调速控制操作提示RES

端子操作注意事项(1)RES

端子(变频器复位)的初始值为Pr.184=“62”,

即用于变频器的复位功能。(2)RES

端子用作多段速时，需要将功能变为“15速选

择”,即更改参数Pr.184=“8”。(3)任务结束后，要及时复位相关参数为初始状态。车床主轴变频调速控制三

、变频调速拖动系统的分析1.基本数据(1)调速范围(2)转速np=300r/min即

n≤300

r/min

为恒转矩区；n≥500r/min为恒功率区。(3)各挡转速下的负载转矩(4)电动机额定转矩车床主轴变频调速控制2.调速方案的选择(1)频率调节范围限制在额定频率以下TMN>TL=63.7N·mnMN≥n₁=2000

r/min所以，

kW)

取

PN=15kW(2)频率调节范围达100Hz,一挡传动比nMN≥n₁/2=1000r/min所以

(kW)取

PMn=7.5kW车床主轴变频调速控制(3)频率调节范围达100Hz,两挡传动比nMn≥300r/min所以

(kW)

取

PMn=2.2kW车床主轴变频调速控制3.两挡传动比调速系统的计算(1)决定高速挡和低速挡的分界转速

nD=300×2=600(r/min)(2)确定系统的传动比1)低速挡的传动比λ=1440/300=4.8由于所取的λ和λ日值均与计算值不同，故表中的数据将有所调整。λ=5λH=1440/1000=1.44λH=1.5取工作区低速挡高速挡恒转矩区恒功率区恒转矩区恒功率区负载转速范围(r/min)75～300300～600600～10001000~2000工作频率范围(H₂)12.5~5050～10030~5050～100电动机转速范围(r/min)360~14401440~2880864~14401440~2880车床主轴变频调速控制拖动系统的工作区车床主轴变频调速控制(3)核算核算时所用的公式如下：1)低速挡负载的折算转矩(即折算到电动机轴上的转矩)T'x=T₁x/

入式中T'x——第

X挡转速时负载转矩的折算值，Nm;Tx——第

X挡转速时负载轴上的转矩，N·m。2)高速挡负载的折算转矩Tix=Tix/λH车床主轴变频调速控制3)电动机的过载能力Bx=Bu

、TM/T′1x式中

βx——电动机在第X

挡转速时的过载能力；PMn—

电动机的额定过载能力；TMx—

第X挡转速时的电动机转矩，Nm。转速挡12345678负载转速(r/min)7512020030050080012002000传动比51.5电动机转速(r/min)375600100015002500120018003000电动机工作频率(Hz)13213552874262.5104电动机的调频比0.260.420.71.041.740.841.252.08电动机有效转矩(N·m)14.614.614.614.08.414.611.77.0负载转矩(N

·m)63.763.763.763.738.223.915.99.55负载转矩折算值(N·m)12.712.712.712.77.6415.910.66.37带负载的过载能力2.872.872.872.872.752.32.762.75车床主轴变频调速控制根据上述公式，将计算结果列于表中。各挡转速的转矩核算结果车床主轴变频调速控制任务实施

一

、任务准备实施本任务所需的实训设备及工具材料见表。实训设备及工具材料序号分类名称型号规格数量备注1工具电工常用工具型号自定12仪表万用表、测速仪型号自定13设备器材计算机已安装三菱GX

Developer编程软件1变频器三菱FR-E740系列1PLC三菱FX2N系列1三相异步电动机1低压断路器DZ47-603P32A1交流接触器CJX2-12101指示灯AD16-22D

AC220V1按钮LA19-114两挡旋转按钮LA38-11X284耗材连接导线若干输入信号输出信号名称元件代号地址名称元件代号地址启动按钮SB1XO主接触器KMY0停止按钮SB2X1工作指示灯HLY1正转启动按钮SB3X2正转输出端子STFY4反转启动按钮SB4X3反转输出端子STRY5速度1SA1X10高速端子RHY10速度2SA2X11中速端子RMY11车床主轴变频调速控制二、分

配PLC

输入/输出地址根据控制要求编制PLC的

I/O地址分配表，见表。输入/输出地址分配表输入信号输出信号名称元件代号地址名称元件代号地址速度3SA3X12低速端子RLY12速度4SA4X13复位/多段速选择端子RESY13速度5SA5X14速度6SA6X15速度7SA7X16速度8SA8X17车床主轴变频调速控制输入/输出地址分配表三

、系统接线SBI

XOSB2

XISB3X2SB4X3SAI

X10SA2X11SA3

X12SA4X13SA5X14SA6X15SA7X16SA8X17L2

L3QFKMkM"AC220VSTFSTRRHRMRLRESSDCOMPLC、变频器8段速控制接线图车床主轴变频调速控制Y0Y1coMY4Y5Y10Y11Y12Y13COM三(uo参数名称参数号设定值操作模式Pr.793RES端子功能选择Pr.1848(15速选择)上限频率Pr.1110多段速设定(高速)Pr.413多段速设定(中速)Pr.521多段速设定(低速)Pr.635多段速设定(4速)Pr.2452多段速设定(5速)Pr.2587多段速设定(6速)Pr.2642多段速设定(7速)Pr.2762.5多段速设定(8速)Pr.232104注：调试结束后，请及时将参数恢复到出厂设置车床主轴变频调速控制四

、变频器参数设置按照表所示设置变频器参数，采用组合运行模式。

功能参数表车床主轴变频调速控制五

、编制PLC

程序xOD1XO¹X⁰12XQ13X⁰14xQ15XO16X017X⁰01PLCX⁰03X⁰02