《金属切削 机床》-第4章

4.1变频器在桥式起重机改造中的应用4.1.1概述起重机对电气传动的要求有：调速、平稳或快速启制动、大车运行纠偏和电气同步、机构协调动作、吊重止摆等，其中调速为一重要要求，起重机的自动控制等也是在调速的基础上实现的。起重机的基本结构类别和相应的各类负载特点描述如下。（1）提升机构。（2）运行机构。（3）变幅机构。（4）旋转机构。下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用4.1.2变频调速对电动机的要求目前，变频器已经发展到除非有超同步调速的要求或1∶20以上的大速比低调速要求或特低噪声要求外，一般无须选用变频专用电动机作变频系统的电动机。变频调速时，对于较理想的状态，电动机的运行特性曲线为一簇自然特性趋向的平移曲线，如图4-1所示。上一页下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用提升重物时，开始的加速过程为：a→b→c→d→e→f→g→h→i→j→k→l→m→n→o→p，快到位时的减速过程则为加速过程的逆过程，电动机工作在第I象限。放下重物时，加速过程为a′→b′→c′→d′→e′→f′→g′→h′→i′→j′→k′→l′→m′→n′→o′→p′，到位时的减速过程亦为其加速过程的逆过程，电动机工作在第Ⅲ和第Ⅳ象限。如加减速过程中频率变化较小，则图4-2中平移曲线间距很小，加减速过程中冲击很小，比较平稳。上一页下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用4.1.3变频起重机中电动机的选型起重机提升和运行机构的调速比一般不大于1∶20，且为断续工作制以下，通常接电持续率在60%以下，负载多为大惯量系统，严格意义上的变频电动机转动惯量较小，响应速度较快，可工作在比额定转速高出很多的工况条件下，这些特性均非起重机的特定要求。上一页下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用安川变频器在调度比为1∶20的范围内确保起重机上普通电动机有150%的过载力矩值。此外，起重机电动机多用于大惯量短时工作制，通常不工作时间大于或略小于工作时间。电动机在启动过程中可承受2.5倍额定电流值，远大于变频启动要求的1.5倍值，运行机构的电动机在以额定速度运行时，电动机常工作在额定功率以下，因此高频引起的1.1倍电流值可不予考虑。但若电动机要求在整个工作周期内在大于1∶4的调速比下持续运行则必须采用他冷式电动机。电流型逆变器有较强的限流功能及电能回生功能、无须附加再生用变流器，可用于大型起重机或频繁加速的起重机或工作于前级电源容量小的场合。但电流型逆变器不利于空载启动，且需单台配置变频器。上一页下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用4.1.4变频器容量选择1.提升机构提升机构平均启动转矩一般来说可为额定力矩值的1.3～1.6倍。通常对普通鼠笼电动机来讲，等额变频器仅能提供小于150%超载力矩值，为此可通过提高变频器容量（YZ型电动机）或同时提高变频器和电动机容量(Y型电动机)来获得200%的力矩值。此时变频器容量为上一页下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用重力加速度，9.81m/s2

；P为提升额定负载所需功率（kW）；ηM为电动机效率，ηM≈0.85；PCN为变频器容量（kVA）；K为系数，K=2。提升机构变频器容量依据负载功率计算，并考虑两倍的安全力矩。若用在电动机额定功率选定的基础上提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能会造成不必要的损失与麻烦。在变频器功率选定的基础上再作电流验证，公式如下。上一页下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用2.运行机构当运行电动机在300s内有小于60s的加速时间t，并且启动电流不超过变频器额定值的1.5倍时，变频器容量可按下式计算。当运行电动机在300s内电动机有大于60s加速时间tA时，变频器容量按下式取值。当认为所需变频器容量过大时，可适当延长启动时间，减少动态电流值。上一页下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用4.1.5制动单元及制动电阻的选择在采用变频器的交流调速控制系统中，电动机是通过降低变频器输出频率实现减速的。当重载快速下降时，由于重力加速度的存在，电动机的旋转速度超过变频器输出频率所对应的同步转速时，电动机处于发电制动状态，负载的机械能将被转换为电能并被反馈给变频器，变频器直流回路的电容因充电而使电压升高。为了不使因电压过高而导致变频器的过电压保护电路动作切断变频器的输出，此时可在其直流电路中设一个三极管，当电压超过一定界限时制动三极管将会导通，过剩的电能通过与之相接的制动电阻器转化为热能消耗掉，此装置即为变频器的制动单元。上一页下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用起重机械在做下降运动时，位能负载将拖动电动机反转，这时，传动机构参与制动。制动时的最大制动转矩为最大制动功率制动电阻按下式计算。上一页下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用4.1.6控制线路起重机提升控制线路图如图4-3所示，提升电动机由FR-A241E型变频器控制。平移电动机由FR-A240E型变频器控制，FR-A241E型变频器是日本三菱公司专为起重机类负载设计的专用变频器。与其他变频器不同，FR-A241E型内部有两个逆变桥，一个是普通逆变桥，完成电动机运转状态时的逆变工作；另一个则为能量回馈桥，是将电动机处于发电运行状态时所发出的电能回馈给电网。上一页下一页返回4.1变频器在桥式起重机改造中的应用电动机在不同象限工作时，两个逆变桥的工作由变频器自动切换，故FR-A241E变频器具有其他变频器所不具备的100%连续制动力矩的功能。除此之外，FR-A241E变频器所为更适应起重机类负载的要求，设计了以下特有功能。（1）接触停止控制功能。（2）基于负载的频率控制功能。（3）刹车顺序控制功能。上一页返回4.2运用变频器改造桥式起重机控制线路举例4.2.1起重机负载的特点重物下降时，电动机处于再生制动状态，其工作特性如图4-4所示。4.2.2重力负载的四象限运行1.重物上升稳态上升运行：工作点在第Ⅰ象限，其工作特性如图4-5所示。下一页返回4.2运用变频器改造桥式起重机控制线路举例2.空钩（包括轻载）下降轻载稳态下降运行：工作点在第Ⅲ象限。频率减小的过渡过程：工作点跳转到第Ⅳ象限，又转移到第Ⅲ象限，其工作特性如图4-6所示。3.重载下降重载下降稳态运行：工作点在第Ⅳ象限，其工作特性如图4-7所示。上一页下一页返回4.2运用变频器改造桥式起重机控制线路举例4.2.3变频器选型1.型号具有四象限运行特点。采用无反馈矢量控制方式，选用三菱FR-540A系列变频器。2.容量PMN＝11kW；IMN＝24.6A；选用SN＝23.6kVA（15kW）；IN＝31A。上一页下一页返回4.2运用变频器改造桥式起重机控制线路举例4.2.4变频调速系统中电动机选用为了与原有减速机安装尺寸配套,将原有YZR绕线异步电动机转子短接,电刷举起或取消。直接由变频系统进行调速。这样,电动机运行在低速时原有自冷风扇风量变小,散热能力变差,将出现温升。为此拆除原有风叶,改装恒速冷却风扇,保证电动机运行在低速时的冷却效果。绕线异步电动机与笼形异步电动机相比,其绕组的阻抗较小,因此容易发生纹波电流而引起的过电流跳闸。上一页下一页返回4.2运用变频器改造桥式起重机控制线路举例且绕线异步电动机的极数往往较大、同步转速较低,同样功率下电动机的额定电流往往较大,所以在选择变频器时要留有一定的余量。电动机和变频器接法如图4-8所示，变频器功能预置见表4-1。电动机参数的自测步骤：变频器通电；变换模式：变频器从编程模式切换成运行模式。电动机参数的自测、定预置相关功能见表4-2。上一页下一页返回4.2运用变频器改造桥式起重机控制线路举例4.2.5起升装置的防溜钩1.磁制动器的接法见图4-9，图中KM2断开时，MB仍有续流电流。2.电磁制动器的接法RUN端子：用于控制KMB，进而控制电磁铁线圈的通电。MRS端子：当限位开关动作时，用于封锁逆变管，但不跳闸。提升机变频控制电路见图4-10。上一页下一页返回4.2运用变频器改造桥式起重机控制线路举例3.变频器控制的防溜钩运行：从启动频率上升到开启频率，同时，测量电动机运行电流→确认电流已经足够→电磁铁通电，制动器开始松开→延时“松开时间”→频率上升至运行频率。停止：频率下降到制动器断电频率→电磁铁断电→频率下降到开启频率→制动器开始抱紧→延时“抱紧时间”→频率下降至0。变频器控制的防溜钩的方法如图4-11所示，图中功能码说明见表4-3。上一页下一页返回4.2运用变频器改造桥式起重机控制线路举例4.2.6应急措施举例将接触器KMD的3个主触点串联，以代替制动单元。每个触点并联电容器，以减小火花。控制每次下行时使接触器KMD得电，因为下行时电动机将处于再生制动状态。制动单元损坏后的应急措施见图4-12。上一页下一页返回4.2运用变频器改造桥式起重机控制线路举例当变频器型号、类别确定之后（确定方法以后讲述），变频器的内部参数设置过程如下。（1）设置变频器、电动机和生产机械的保护参数。（2）选择变频器的频率给定方式和操作控制方式。（3）根据控制系统设计功能、生产工艺要求和其他技术指标选择变频器的参数和功能。（4）输入电动机参数。（5）根据调试情况修改变频器参数和功能选择。上一页返回4.3车床的变频调速4.3.1车床的外形与特性低速段：为恒转矩特性。高速段：受刀具强度和床身强度的限制，只能恒功率切削。车床外形及机械特性见图4-13。4.3.2改造应用实例某意大利产SAG型精密车床，基本数据如下。（1）主轴转速：75r/min、120r/min、200r/min、300r/min、500r/min、800r/min、1200r/min、2000r/min；（2）电动机额定数据：2.2kW，5A，1420r/min。下一页返回4.3车床的变频调速（3）车床的计算转速：nD＝300r/min。即nL≤300r/min为恒转矩区；nL≥500r/min为恒功率区。（4）各挡转速下的负载转矩：负载的实际功率按2kW计算，则各挡转速下的负载转矩如表4-4所示。（5）电动机额定转矩为：上一页下一页返回4.3车床的变频调速4.3.3拖动系统的折算（1）转速的折算：（2）转矩的折算：上一页下一页返回4.3车床的变频调速4.3.4两挡传动比方案1.传动比50Hz（1420r/min）与300r/min对应，

，取λL＝5；恒转矩转速范围：nL＝0～300r/min，对应fX＝0～50Hz；恒功率转速范围：nL＝300～600r/min，对应fX＝50～100Hz。上一页下一页返回4.3车床的变频调速2.高速挡的传动比50Hz（1420r/min）与1000r/min对应

，取λH＝1.5；恒转矩转速范围：nL＝0～1000r/min，对应fX＝0～50Hz；恒功率转速范围：nL＝1000～2000r/min，对应fX＝50～100Hz。低速挡：λL＝5，相当于把电动机的转矩放大了5倍。高速挡：λH＝1.5→相当于把电动机的转矩只放大了1.5倍，两挡传动比方案见图4-14。上一页返回4.4龙门刨床的变频器改造4.4.1外形与功率特性主运动：刨台的往复运动。机械特性：v≤25m/min时为恒转矩；v＞25m/min时，受床身及刀具机械强度的影响，只能恒功率切削。传动机构：分两挡传动比：v≤45m/min时为2λ；v＞45m/min时为λ，其外形结构和功率特性如图4-15所示。下一页返回4.4龙门刨床的变频器改造刨台的往复周期：刨刀切入工件：为防止崩坏工件，应慢速切入。刨削：以刨削速度刨削，刨削速度可调。刨刀退出工件：为防止带坏工件，应慢速退出。返回：返回时属于空行程，速度应尽量地快，返回速度可调。返回低速：返回快结束时，为了减小换向时的惯性，也应低速。换向：又转为正方向切削，重复上述周期。其示意图见图4-16。上一页下一页返回4.4龙门刨床的变频器改造4.4.2关于拖动系统的容量1.直流调速特性电流反馈和转速反馈的信号，都只能作用于电枢电路，图4-17为直流调速特点示意图。2.变频调速系统的特点因为转矩信号和磁场信号在电路上并未分开，故额定频率以上和以下都可以进行矢量控制。机械特性：额定频率以上和以下都很硬，其特点如图4-18所示。上一页下一页返回4.4龙门刨床的变频器改造3.拖动系统容量直流拖动系统：额定转速须和低速挡的45r/min相对应。变频拖动系统：额定转速和低速挡的30r/min相对应即可。结论：变频拖动系统的容量只要大于直流拖动系统的2/3即可。直流和变频拖动的有效转矩见图4-19。4.4.3主电路的设计1.变频器电路变频器电路如图4-20所示，主要功能预置见表4-5。上一页下一页返回4.4龙门刨床的变频器改造刨台前进：接通FWD端子，刨台处于切削方向，切削速度的给定信号由电位器RPD1调整，从端子AI1输入。刨台后退：接通REV端子，刨台处于返回方向，返回速度的给定信号由电位器RPD2调整，从端子AI3输入。刨台步进：将端子X1预置为“正转点动”，同时预置点动频率和点动加速时间，则接通X1端子，刨台即处于步进状态。刨台步退：将端子X2预置为“反转点动”，同时预置点动频率和点动加速时间，则接通X2端子，刨台即处于步退状态。前进低速：将端子X3预置为“多挡转速1”，同时预置第一挡转速的工作频率，则同时接通X3端子和FWD端子，刨台即处于低速前进状态。上一页下一页返回4.4龙门刨床的变频器改造2.PLC控制电路工作台停止：是正常运行中的工作台停止，由按钮ST1执行。当PLC的X10得到信号后，使Y0或Y1无输出，变频器按预置的减速时间将频率下降为0Hz。紧急停机：是刨床的工作出现异常情况时，使刨台立即停住，由按钮KFD执行。当PLC的X0得到信号后，由Y11把信号传递给变频器的X8，变频器将立即停止输出（逆变管封锁），同时，向电动机绕组注入直流电流，变频器的PLC控制电路见图4-21。上一页下一页返回4.4龙门刨床的变频器改造3.紧急停机变频器跳闸：变频器因故障跳闸时，首先把逆变管封锁，同时，故障继电器触点TA－TC闭合，快速制动器将把直流电通入电动机绕组，使电动机迅速停住。紧急停机：当需要紧急停机时，变频器的X8得到外部发生故障的信号，立即把逆变管封锁，同时，故障继电器触点TA－TC闭合，快速制动器将把直流电通入电动机绕组，使电动机迅速停住。警告：切不可直接接通变频器的TA－TC实现紧急停机！当直接接通变频器的TA－TC时，变频器并未封锁逆变管，在这种情况下通入直流电流，将损坏逆变管。紧急情况的快速制动见图4-22。上一页下一页返回4.4龙门刨床的变频器改造4.4.4制动电阻和制动单元1.制动电阻值制动转矩：根据试车结果，要求：TB＝1.5TMN；制动电流

0.75IMN＝0.75×104.9＝78.7(A)；电压上限：UDH＝700(V)。制动电阻值：上一页下一页返回4.4龙门刨床的变频器改造2.自制制动电阻计算示意图如图4-23。3.容量核算运行功率：

；实际功率：PB1＝5×12＝60kW＞PB0。4.制动单元设计制动单元如图4-24所示，用接触器触点串联代替制动单元：因刨台的加、减速十分频繁，接触器寿命较短。用IGBT换下接触器触点，效果很好。上一页返回4.5变极调速电动机的变频改造4.5.1改造前状况某三相异步电动机因工艺要求需进行调速，电气方面采用的是三速变极调速。电动机参数为容量（110/75/50）kW，接法为YY/Y/Δ，转速为（1000/750/500）r/min，电流为（205/205/184）A。主电路如图4-25所示，电动机控制原理如图4-26所示。从原理图中可知电动机变极调速是通过交流接触器的相互切换来实现定子线圈的不同接法，从而改变电动机的极数来达到变速的目的。下一页返回4.5变极调速电动机的变频改造下面简单地介绍用按钮和交流接触器控制三速异步电动机运行的电路原理。（1)合上QS接通电源，电源监视器YJ和低电压监视装置DZJ得电进入监控状态。（2)合上SA，按下SB1，KA线圈得电自锁触头闭合，联锁触头断开，为停车做好准备。（3)低速启动运行：按下合闸按钮SB2→接触器KM1线圈得电→KM1触头动作→电动机M第一套定子绕组出线端U1、V1、W1（U3通过KM1常开触头与W1并接）与三相电源接通→电动机M接成△低速运行。上一页下一页返回4.5变极调速电动机的变频改造（4)低速转为中速运行：先按下分合闸按钮SB3→KM2线圈得电→KM2常闭触头断开→KM1线圈失电→KM1触头复位→电动机M失电；再次分合闸按钮SB3→KM3线圈得电→KM3触头动作→电动机M第二套定子绕组出线端U4、V4、W4与三相电源接通→电动机M接成Y形中速运行。（5)中速转为高速运行：先按下分合闸按钮SB4→KM4线圈得电→KM4常闭触头断开→KM3线圈失电→KM3触头复位→电动机M失电；再次分合闸按钮SB4→KM7线圈得电→KM7触头动作（将电动机M第一套定子绕组出线端U1、V1、W1、U3接成Y形），同时KM5线圈得电→电动机M第一套定子绕组出线端U2、V2、W2与三相电源接通→电动机M接成YY形高速运行。上一页下一页返回4.5变极调速电动机的变频改造4.5.2变频改造为了改善电动机的运行性能，满足工艺对调速精度的要求和加大节能降耗的措施，对电动机进行变频改造。变频控制原理图如图4-27所示。1.设计特点设计特点为：电动机采用变频、工频两种控制方式。变频器损坏或检修时切换到工频运行，变频与工频回路相互联锁，避免在检修时造成人身触电及设备事故的发生。上一页下一页返回4.5变极调速电动机的变频改造2.编程当KM1得电时，可进行编程，要求及编程如下。（1)要求：为了调试及现场操作方便，以及根据原题意要求有低、中、高速，要求进行多段速编程，编程后利用RH、RM、RL的开关信号进行速度调节。（2)编程及接线试运行。①全部清除（清零），具体将参数值和校准值全部初始化到出厂时的设定值。上一页下一页返回4.5变极调速电动机的变频改造②根据要求先设定Pr.79=3。③再设定Pr.4=50Hz、Pr.5=30Hz、Pr.6=10Hz、Pr.24=15Hz、Pr.25=40Hz、Pr.26=35Hz、Pr.27=8Hz。④设定后交检查无错误时可按图4-28进行接线。⑤按图4-28接好线后，先按下STF（正转）或按下STR（反转），再按下相应的按钮可进行电动机变速运行的调试，如图4-29所示。上一页下一页返回4.5变极调速电动机的变频改造高速：合上RH，则电动机按速度1（50Hz）运行；中速：合上RM，则电动机按速度2（30Hz）运行；低速：合上RL，则电动机按速度3（10Hz）运行；同时合上RM、RL，则电动机按速度4（15Hz）运行；同时合上RH、RL，则电动机按速度5（40Hz）运行；同时合上RH、RM，则电动机按速度6（35Hz）运行；上一页下一页返回4.5变极调速电动机的变频改造同时合上RH、RM、RL，则电动机按速度7（8Hz）运行。⑥调试无误后，按进行接线并将按钮接到操作现场即可。(3)现场操作箱安装。图4-28变频器故障报警铃、铃声解除转换开关、电动机转速表、电流表、电动机开、停均采用按钮。上一页返回技能训练变频器与PLC总线控制调速一、技能目标掌握变频器总线调速控制的频率给定的方式。二、知识目标

（1）掌握几种变频器典型的控制方式：U/F控制，矢量控制，直接转矩控制，了解不同控制方式的应用领域。（2）掌握变频器总线控制调速的基本过程。（3）掌握变频器的启动运行方式：从启动频率启动、先制动再启动、跟踪启动。（4）掌握加减速方式。（5）掌握停机与制动方式。下一页返回技能训练变频器与PLC总线控制调速三、技能训练步骤1.器材准备3G3MV变频器实训设备，PLC（CP1H）一台通用三相异步电动机、三相交流电源以及连接导线等。2.控制要求通过安装在CP1H上的串行端口2向地址为1的变频器发送指令，当按下和0.01相连接的按钮SB1时，使该变频器开始驱动所带的电动机以60Hz的频率开始转动；当按下和0.02相连接的按钮SB2时，使该变频器开始驱动所带的电动机以50Hz的频率开始转动；当按下和0.03相连接的按钮SB3时，电动机停止转动。对地址为2的变频器也能进行同样的操作。上一页下一页返回技能训练变频器与PLC总线控制调速3.PLC和变频器之间的接线PLC和变频器之间的连线如图4-30所示。4.变频器开关及通信参数设置从PLC看终端变频器时，将SW2的ON/OFF开关放在ON侧。上一页下一页返回技能训练变频器与PLC总线控制调速n003=2n004=6n151=4n152=0n153=1,2n154=2n155=0n156=10n157=0上一页下一页返回技能训练变频器与PLC总线控制调速5.PLC开关及通信参数设置1）CIF11DIP开关设定1：ON，2：OFF（422方式），3：OFF（422方式），4：〖DK〗（空），5：ON，6：ON。2）串口网关参数设置选“串口2”，在“通信设置”中选：“定制”波特率：9600；格式：“8，1，E”；模式：为“串口网关”。上一页下一页返回技能训练变频器与PLC总线控制调速6.通信数据及格式1）PLC的通信数据及格式Modbus-RTU简易主站用DM固定分配区域在以下的DM区域（串行端口1：D32200～D32249、串行端口2：D32300～D32349）记载了Modbus-RTU的指令。当“Modbus-RTU简易主站功能执行开关”由OFF→ON后，发送命令，应答则被保存到以下的DM区域（串行端口1：D32250～D32299、串行端口2：D32350～D32399）。具体内容见表4-7。上一页下一页返回技能训练变频器与PLC总线控制调速变频器地址为0～31，设定为0时，同时一齐发送(变频器不给响应)。3种指令编号如表4-8所示。2）变频器通信数据及格式变频器的数据有显示数据(只可写入