变频及基础技术 3

数控车床主轴变频调速控制课题二190191任务1

PLC与变频器控制电动机正反转任务2变频器制动、保护和显示控制任务3数控车床主轴变频控制任务1PLC与变频器控制电动机正反转192学习目标1.熟悉用PLC控制变频器的三种方式。2.掌握用PLC和变频器组合控制电动机正、反转的方法。3.能进行PLC与变频器的连接和控制程序的编制。4.能根据功能要求设置变频器的有关参数。5.能独立完成PLC与变频器联机控制系统的安装与调试。193任务引入PLC作为传统继电器的替代产品，广泛应用于工业控制的各个领域，尤其在自动控制系统中，很多情况下都是采用PLC和变频器配合使用。由PLC提供控制信号或通断指令来控制变频器的运转以及高低频率的输出，达到控制生产、提高产品质量的目的。本任务将利用西门子S7－200SMART可编程序控制器控制变频器，实现电动机的正、反转，并利用外接电位器实现0~10V模拟量调速。PLC控制变频器原理图如下图所示。194195PLC控制变频器原理图一、利用PLC的开关量输入/输出模块控制变频器变频器的输入信号中包括对运行/停止、正转/反转、点动等运行状态进行操作的开关型指令信号。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件与PLC相连，得到运行状态指令。PLC的开关量信号与变频器连接图如图所示。相关知识196197PLC的开关量信号与变频器连接图当PLC晶体管输出端子与变频器输入控制端子进行连接时，如果需要外接24V直流电源，正确的连接方法如图所示。198正确的连接方法（外接24V直流电源时）二、利用PLC模拟量输出模块控制变频器变频器中存在一些数值型指令信号的输入，可分为数字输入和模拟输入两种。由于接口电路因输入信号而异，因此，必须根据变频器的输入阻抗选择PLC的输出模块。PLC与变频器之间的连接（模拟量信号）如图所示。199PLC与变频器之间的连接（模拟量信号）三、利用PLC通信端口控制变频器利用PLC通信端口控制变频器是一种常见的工业自动化控制方式，变频器与PLC的通信方式主要有以下几种。1.串行通信串行通信是变频器和PLC之间最常用的通信方式之一。它通过数据线在设备之间传输数据。串行通信的优点是结构简单、可靠性高和成本低。然而，串行通信的传输速度相对较慢，不适合大数据量的传输。2002.以太网通信随着技术的发展，以太网通信在变频器和PLC通信中越来越常见。它利用标准的以太网电缆和交换机进行数据传输。以太网通信的优点是高速、稳定性和可扩展性好。和串行通信相比，以太网通信支持更大的数据量和更远的传输距离。然而，它需要更多的硬件和布线，因此成本相对较高。2013.PROFINET和Ethernet/IP通信PROFINET和Ethernet/IP是工业以太网协议，专为工业环境设计。它们提供了高速、实时的数据传输，并支持多种设备在同一网络上通信。这些协议通常需要专用的硬件和软件，因此成本相对较高，但其可靠性高、性能好。2024.现场总线通信现场总线通信的优点是可靠性高、实时性好，主要用于工业自动化系统，但可能需要特定的硬件和软件支持。5.点对点通信在某些情况下，变频器和PLC可能直接通过点对点的方式进行通信，不需要额外的网络或中介设备。点对点通信通常在两个设备非常接近且数据传输量较小的情况下使用。点对点通信的优点是结构简单、成本低。然而，它不适合大规模或复杂的系统。203任务2变频器制动、保护和显示控制204学习目标1.熟悉变频器的制动方式及原理。2.熟悉变频器的保护和显示功能。3.掌握G120变频器数字量、模拟量输出端子的使用方法。4.能进行变频器制动、保护和显示控制电路的安装与调试。205任务引入变频器作为电气自动化控制系统中的一个重要的控制单元，它不仅具有基本的控制功能，还具有完善的制动、保护和显示功能，这些功能在自动化程度较高的电气控制系统中显得尤为重要。本任务将完成如图所示变频器制动、保护和显示控制电路的安装与调试。206207变频器制动、保护和显示控制电路变频器制动、保护和显示电路在变频器端子DCP与R2之间（或R1与R2之间）外接制动电阻。数字量输出端子外接控制电路，实现了变频器电源的控制。模拟量输出端子外接电压表，以监测变频器运行时模拟量输出端的电压值。208一、变频器的制动方式及原理1.变频器的减速特性（1）减速时间变频器输出频率从基本频率

fb

下降至0所需要的时间，或者变频器输出频率从最高频率

fmax

下降至0所需要的时间，称为减速时间。相关知识209（2）减速方式变频器的减速方式主要有线性减速和S形减速方式等，如图所示。210变频器的减速方式a）线性减速方式b）S形减速方式2.变频器的停车方式变频器停车是指将电动机的转速降至0的操作，G120变频器支持的停车方式见下表。211G120变频器支持的停车方式3.变频器的制动方式（1）能耗制动（电阻制动）电动机在减速和停机过程中产生的再生电能通过变频器直流回路中的制动电阻和制动单元进行消耗，实现变频器的快速停车，这种制动方式称为能耗制动。能耗制动除了需要一个制动电阻，还需要一个制动单元，制动单元决定制动电阻是否工作。如图所示为小功率变频器内置能耗制动电路的工作原理。212小功率变频器内置能耗制动电路的工作原理G120变频器能耗制动相关参数设置见下表。213G120变频器能耗制动相关参数设置（2）回馈制动回馈制动是变频器专门加设回馈制动单元，当电动机处于再生制动状态时，将再生电能逆变为与电网同频率、同相位的交流电回送电网，从而实现制动。回馈制动多用于卷扬机、起重机等机械设备的制动，不但节省了能源，还增大了制动转矩。214G120变频器V/F控制方式回馈制动（P1300<20）相关参数设置见下表。G120变频器矢量控制方式回馈制动（P1300≥20）相关参数设置见下表。215G120变频器V/F控制方式回馈制动（P1300<20）相关参数设置G120变频器矢量控制方式回馈制动（P1300≥20）相关参数设置（3）直流制动直流制动是当变频器输出频率接近0，电动机转速降低到一定数值时，由变频器向异步电动机定子绕组中通入直流电，形成静止磁场，转动着的转子切割该静止磁场而产生制动转矩，使电动机迅速停止。直流制动主要用于准确停车与防止电动机启动前由于外界因素引起的不规则旋转（风机类负载），多用在离心机、锯床、磨床等机械设备中，在带悬挂负载的应用中不允许使用直流制动。216通用变频器中对直流制动功能的控制主要是通过设置直流制动起始频率

fDB

、直流制动电压

UDB

和直流制动时间tDB

来实现的。直流制动波形如图所示。217直流制动波形（4）复合制动复合制动是变频器以设置的减速时间使电动机制动并为输出电流叠加直流。复合制动波形如图所示。218复合制动波形复合制动只能用在V/F控制中，不能和捕捉重启、直流制动及矢量控制功能组合使用。G120变频器复合制动相关参数见下表。219G120变频器复合制动相关参数二、变频器的保护1.变频器自身的保护由于变频器大量使用了各种半导体器件，要想保证变频器长期稳定工作，必须保证各器件工作在其允许的条件下，超出允许条件则必须使变频器停止工作，并发出报警信号，严重者甚至跳闸断电，待异常情况消失后才能重新开始工作。常见的变频器自身的保护见下表。220221常见的变频器自身的保护变频器的温度主要由环境温度、随输出电流上升的电阻损耗、随脉冲频率上升的开关耗损等因素决定。变频器通过三种方式监控其温度：I2t监控（报警A07805、故障F0005）、功率模块芯片温度的测量（报警A05006、故障F0024）及功率模块散热器温度的测量（报警A05000、故障F0004）。变频器对热过载的响应参数见下表。222223变频器对热过载的响应参数2.电动机的温度保护（1）通过外接温度传感器进行保护为防止电动机过热损坏，将电动机的温度传感器连接到G120变频器的端子14、15上，常用的温度传感器有PTC温度传感器、KTY温度传感器和温度开关，相应的接线如图所示。224G120变频器与温度传感器的接线a）PTC温度传感器b）KTY温度传感器c）温度开关1）PTC温度传感器。当PTC温度传感器的电阻值>1650Ω时，变频器判定电动机过热并根据P0610的设置进行响应；当PTC温度传感器的电阻值<20Ω时，变频器判定电动机短路并发出报警信息A07015，报警持续时间超过100ms时，变频器发出故障信息F07016并停车。2）KTY温度传感器。通过KTY温度传感器可监控电动机温度和传感器本身是否断线或短路。3）温度开关。G120变频器可以连接双金属片温度开关，当温度升高到一定数值时温度开关动作，即常闭触点断开、常开触点闭合。225（2）通过电动机热模型计算电动机温度进行保护感应电动机的热模型是由定子铁芯、定子绕组和转子组成的，电动机热模型同时计算转子与定子绕组内的温度，并通过变频器一系列的参数计算出电动机的温度。与感应电动机热模型相关的参数见下表。226与感应电动机热模型相关的参数227与感应电动机热模型相关的参数3.电动机的过流保护在矢量控制中，可以通过转矩限幅的方式将电动机电流始终保持在设定的范围内。如果使用V/F控制，则无法设置转矩限值。使用V/F控制时，可以通过限制输出频率和电动机输出电压来防止电动机过载。在G120变频器中，通过IMAX控制器实现这一功能。当变频器检测到电动机过流时，会激活IMAX控制器，用于限制输出频率和电动机输出电压。228三、变频器的显示1.发光二极管显示变频器配置的发光二极管主要用于状态显示和单位显示。（1）状态显示状态显示即显示变频器当前的工作状态。（2）单位显示单位显示即显示变频器当前显示屏上参数所对应的单位。2292.数据显示屏显示每个变频器的操作面板上都带有LED显示屏或LCD显示屏，显示屏有单行和多行之分，显示的内容也会随变频器状态的不同而不同。（1）运行数据显示运行数据显示用于当变频器处于运行状态时，显示变频器的各种运行数据。（2）功能代码显示功能代码显示用于当变频器处于编辑状态时，显示变频器各个功能参数代码及设定值，此时可以根据需要对参数进行修改。230（3）故障原因代码显示故障原因代码显示用于当变频器发生故障而跳闸时，显示故障原因代码，主要有两种显示方法，一种是用缩写的英文字母表示，另一种是用代码表示，见下表。231故障原因代码显示方法四、G120变频器数字量输出端子（DO）G120变频器数字量输出端子有DO0、DO1、DO2，如图所示，各端子对应的参数：DO0对应P0730，DO1对应P0731，DO2对应P0732。要设置或修改数字量输出端子的功能，必须将数字量输出端子的参数与选中的二进制互联输出（BO）端子的信号实现功能关联。变频器部分二进制互联输出（BO）信号及其含义见下表。232233G120变频器数字量输出端子234变频器部分二进制互联输出（BO）信号及其含义235变频器部分二进制互联输出（BO）信号及其含义五、G120变频器模拟量输出端子（AO）G120变频器根据型号不同提供了两个模拟量输出端子AO0和AO1。使用模拟量输出端子时，首先设置模拟量输出类型，然后确定模拟量输出端子的功能，最后调整定标曲线。如图所示是AO通道功能参数互联图。236AO通道功能参数互联图1.设置模拟量输出类型G120变频器的模拟量输出类型有电流输出类型和电压输出类型，通过P0776设置模拟量输出类型，模拟量输出类型的参数见下表。237模拟量输出类型的参数2.确定模拟量输出端子的功能确定模拟量输出端子的功能，只需要将选择的模拟量输出端子的参数与模拟量互联输出端子CO的参数相连，即可确定模拟量输出端子的功能。变频器部分模拟量互联输出参数见下表。238变频器部分模拟量互联输出参数3.调整定标曲线修改P0776的数值就意味着修改模拟量输出的类型，变频器会自动调整模拟量输出的定标。线性的定标曲线由两个点（P0777，P0778）和（P0779，P0780）确定。电压类型和电流类型定标曲线分别如图所示。模拟量输出AO0通道的定标参数为P0777[0]~P0780[0]；模拟量输出AO1通道的定标参数为P0777[1]~P0780[1]。定标曲线参数含义见下表。239240电压类型定标曲线电流类型定标曲线241定标曲线参数含义任务3数控车床主轴变频控制242学习目标1.了解数控机床对主轴驱动变频系统的要求。2.了解数控机床对通用变频器的技术要求。3.了解FANUC0iMate数控系统主轴相关的接口。4.能独立完成数控车床主轴变频控制。243任务引入数控车床的主轴驱动系统是大功率执行机构，其主轴主运动通常是主轴的旋转运动，通过主轴的回转与进给轴的进给，实现刀具与工件快速地相对切削运动。它的性能直接决定了加工工件的表面质量。目前，大部分的数控车床均采用变频主轴，即“数控系统+变频器+感应（异步）电动机”的电气组成形式，如图所示。本任务将完成数控车床主轴变频控制，其控制线路图如图所示。244245数控车床主轴电气组成形式数控车床主轴变频控制线路图一、数控机床对主轴驱动变频系统的要求1.足够宽的调速范围由于加工刀具、被加工材质以及对零件加工要求不同，为保证在任何情况下，数控机床都能得到最佳切削条件，这就要求传动系统必须具有足够宽的调速范围。同时，在不同转速下，对于传动系统又有具体的要求：高速下，要求速度稳定，尽可能提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽；低速下，要求提供大转矩输出，以满足重切削的要求。相关知识2462.较高的速度控制精度和良好的加/减速性能为保证各种机床的加工精度和表面粗糙度，以及完成攻螺纹等一些特殊的高级加工，一般要求传动系统具有较高的速度控制精度，并且要求加/减速时间短，有良好的快速响应特性，由负载变化引起的动态降速小。若动态降速大，会严重影响加工精度和表面粗糙度。3.精确的准停功能和角度分度控制在加工中心自动更换刀具，一个接一个地完成各种不同的加工任务，这就需要对主轴做高精度停止定位控制，这是一种伺服动作。在车削中心，要求主轴具有旋转进给轴的功能，完成任意角度分度控制，这时主轴坐标有了进给坐标的位置控制功能，称为

C

轴控制。247二、数控机床对通用变频器的技术要求1.低频力矩大选用矢量变频器，低频时（1~10Hz）矢量变频器能输出150%的额定转矩。2.转矩动态响应速度快，稳速精度高选用矢量变频器，以实现良好的动态响应效果。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。2483.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控制。4.对电动机参数进行自学选用矢量变频器后，要达到很好的控制性能通常需要对电动机进行参数自学，其目的是获取准确的电动机内部参数，以用于矢量控制计算。参数自学所需要的电动机铭牌参数有额定功率、额定频率、额定转速、额定电压和额定电流。有的变频器电动机的铭牌上没有标出额定转速，可以根据经验值估计额定转速。在进行参数自学时，务必要在空载（电动机轴上不接负载）时进行。只有在空载时进行，才能保证自学出来的电动机参数的准确性。2495.支持多类型的给定方式数控机床上使用的变频器频率指令和运行指令都源于CNC（计算机数控）控制器。一般给定的通道有两种，一种是模拟量给定，另一种是多段速给定