一，龍門銑床直流調(diào)速系統(tǒng)進行改造的必要性

　　我廠用于道岔加工的龍門銑床調(diào)速系統(tǒng)采用三相半控橋不可逆直流拖動，分為工作臺，左主軸和右主軸三個進給方向。這臺機床的電控系統(tǒng)運行已有13年，直流調(diào)速插板已嚴重老化，加之插板之間的連接線多，由導(dǎo)線虛接造成的故障日漸增多，維修成本不斷上升。此臺龍門銑床的調(diào)速系統(tǒng)急待改造。

　　近年來，交流變頻調(diào)速傳動的發(fā)展日新月異，它的優(yōu)異的調(diào)速性能已能取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)。

　　而且，隨著電子元器件的發(fā)展，變頻器的價格不斷降低，性價比不斷上升，也給它的應(yīng)用提供了日益廣闊的市場。我們詳細分析比較了直流調(diào)速系統(tǒng)與交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點，采用變頻器改造原調(diào)速系統(tǒng)，可帶來以下好處。

　　1簡化控制線路

　　變頻器的使用極為方便，可通過其外圍的少數(shù)幾個控制端子進行全范圍控制。變頻器內(nèi)部有完善的保護措施，無需在其外圍線路中設(shè)計各種保護電路。由于變頻器的正反轉(zhuǎn)運行是通過控制端子來改變逆變器的輸出相位來實現(xiàn)，因此可比原直流調(diào)速系統(tǒng)減少兩個大型直流接觸器。采用具有無速度傳感器的矢量控制變頻器后，還可以去掉用作轉(zhuǎn)速反饋的速度傳感器，使控制線路大為簡化。

　　2可以采用標準籠型異步電機

　　采用籠型異步電機可以充分發(fā)揮它堅固耐用，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便，價格低廉的優(yōu)勢，避免直流電機定期更換，維護電刷和換向器的麻煩。

　　3調(diào)試方便

　　變頻器的各種運行參數(shù)調(diào)試通過智能化鍵盤和顯示器來完成，設(shè)置方便，更改靈活，調(diào)試時間短。

　　傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試涉及到觸發(fā)脈沖相位調(diào)整，放大板PI整定，轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)試等多項參數(shù)的綜合統(tǒng)調(diào)，調(diào)試難度大，調(diào)試時間長，且不易達到最優(yōu)控制。

　　二，變頻器的選擇

　　1異步電機在變頻調(diào)速時的機械特性

　　目前幾種典型的變頻器控制方法的機械特性。

　　簡介如下：（1）基頻以下恒壓頻比控制（U1/1=恒值）

　　異步電機在恒壓頻比控制下調(diào)速時，其機械特#31#應(yīng)用交流機床電器2000No.5性基本上是上下平行移動的，恒壓頻比調(diào)速時，異步電機的最大轉(zhuǎn)矩Temax隨著1的降低而減小，1很低時，Temax很小。

　　（2）基頻以下恒Eg/1控制

　　可以推導(dǎo)出恒Eg/1控制時的機械特性方程式恒Eg/1控制的實現(xiàn)，是在恒U1/1控制的基礎(chǔ)上，恰當?shù)靥岣遀1，補償定子阻抗的壓降，維持了Eg/1為恒值，Eg/1比調(diào)速的機械特性調(diào)速的機械特性由圖3可以看出，恒Eg/1控制時異步電機的最大轉(zhuǎn)矩Temax恒定不變，這正是恒Eg/1控制優(yōu)于恒U1/1控制的地方。

　?。?）基頻以下恒Er/1控制

　　如果在調(diào)頻控制中，保持Er/1恒定，這時的機械特性Te=f（s）為一條直線，（4）基頻以上保持Pd=常數(shù)的恒功率控制在基頻以上變頻調(diào)速時，由于電壓U1=U1n不變，當1提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機械特性上移，其基本形狀相似，它屬于弱磁恒功率調(diào)速。

　　綜上所述，調(diào)頻控制根據(jù)不同的控制方法，就可得到不同類型的機械特性。

　　基頻以下恒壓頻比控制方式，在控制系統(tǒng)構(gòu)成上是最簡單的一種控制方式，調(diào)整因素少，不選擇電動機，通用性良好。它適用于調(diào)整范圍不大或風(fēng)機，泵類等轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小的負載，節(jié)能效果顯著。

　　基頻以下恒Eg/1控制方式（即低速轉(zhuǎn)矩提升）

　　的低速起動能力得到改善，從而比恒U1/1控制方式擴大了調(diào)速范圍。它適用于調(diào)速范圍不太大但要求帶負載低速起動的應(yīng)用場合，可用一臺變頻器控制多臺電動機。

　　基頻以下恒Er/1的控制方式，即矢量控制，它的控制特性比其他控制方式格外優(yōu)越，其速度控制精度和瞬態(tài)響應(yīng)指標達到或超過直流電機的水平。

　　它適用于要求從極低速到高速的寬廣調(diào)速范圍的應(yīng)用場合，并適用于要求快速響應(yīng)，頻繁急加減速運轉(zhuǎn)和四象限運轉(zhuǎn)的用途。它主要用于取代直流電機調(diào)速傳動的應(yīng)用場合，但它的價格也較其他類型的貴。

　　基頻以上恒功率控制方式，適用于負載隨轉(zhuǎn)速升高而減小的應(yīng)用場合，例如機床主軸的傳動，卷揚機等。

　　2根據(jù)負載特性，選取適當控制方式的變頻器

　　我們這次改造的對象是機床的進給機構(gòu)，工作臺進給和左，右主軸進給均屬于恒轉(zhuǎn)矩負載，它的轉(zhuǎn)矩速度特性如圖6所示。原來的直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍D=50，要達到50：1的調(diào)速比，就必須選用帶有矢量控制功能的工程型高性能變頻器。

　　異步電機的矢量控制就是像他勵直流電機控制一樣，將電機定子的輸入電流分解成產(chǎn)生磁通的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量，分別進行獨立而瞬時的控制，同時將二者合成后的定子電流供給電動機。因為以矢量控制決定變頻器的輸出頻率，所以需要檢測電動機的轉(zhuǎn)速。這是轉(zhuǎn)差型矢量控制，隨著控制理論的發(fā)展和數(shù)字信號處理器（DSP）的應(yīng)用，不用速度傳感器只用異步電動機三根線控制%即無速度傳感器矢量控制也實現(xiàn)了實用化，它的系統(tǒng)框圖如圖8所示。

　　目前，市場上出售的無速度傳感器矢量控制變頻器的調(diào)速范圍可達到100：1.無速度傳感器矢量控制是通過轉(zhuǎn)矩電流的變化量的積分運算來推算電機的轉(zhuǎn)速，勢必會帶來推算誤差。如果要求進一步提高調(diào)速范圍和精度，就要選用帶速度傳感器的矢量控制。目前，市場上出售的帶速度傳感器矢量控制的變頻器的調(diào)速范圍可達到1000：1.普通籠型電機上安裝速度傳感器不但增加了工藝難度，而且加大了技改成本?？紤]到，無速度傳感器矢量控制變頻器的主要技術(shù)指標已能滿足原機床的設(shè)計要求，所以我們選擇了春日KVFZ4110型無速度傳感器矢量控制變頻器，它的幾項主要技術(shù)指標如下：（1）調(diào)速范圍無速度傳感器矢量控制100：1（2）起動轉(zhuǎn)矩1Hz時150%額定轉(zhuǎn)矩（3）頻率精度最高頻率的01%三，變頻器及其周邊設(shè)備的容量計算

　　1變頻器容量計算

　　在變頻器容量計算前，要確定拖動負載的電動#33#應(yīng)用交流機床電器2000No.5機容量。由于有原直流電機作依據(jù)，我們不必進行詳細的轉(zhuǎn)矩換算，只需選擇與原直流電機容量相對應(yīng)的籠型電機容量。由于工作臺拖動電機容量均大于左，右主軸進給電機容量，所以變頻器容量的計算以工作臺電機為依據(jù)。

　　原工作臺直流電機參數(shù)為：PN=10kW，nN= 1000r/min.查電機手冊，與原直流電機數(shù)據(jù)對應(yīng)的籠型電機數(shù)據(jù)為：型號Y160L-6，功率PN=11kW，轉(zhuǎn)速nN=970r/min，額定電流IN=246A.變頻器連續(xù)運行的場合，其額定輸出電流IINV&11Imax式中IINV為變頻器額定輸出電流，Imax為電動機實際最大電流。

　　根據(jù)我們原來測試的數(shù)據(jù)換算，工作臺進給的最大負載轉(zhuǎn)矩為81Nm，換算到Y(jié)160L-6電機上的最大負載電流Imax19A，代入上式則有IINV&11（19=209A即所需變頻器的額定輸出電流必須大于209A.查春日變頻器手冊，選擇KVFZ4110型，它的額定電流為24A，滿足以上要求。

　　由于KVFZ4110型變頻器不帶標準制動電阻，所以還需要根據(jù)系統(tǒng)情況計算選用合適的阻值與容量。查春日變頻器設(shè)計手冊，制動電阻選100%制動轉(zhuǎn)矩時的標準配置62，4kW. 2變頻器低速運行的特點及對策

　　常規(guī)設(shè)計的自冷式異步電機在額定工況下及規(guī)定的環(huán)境濕度范圍內(nèi)，是不會超過額定溫升的，但處于變頻調(diào)速系統(tǒng)中，情況就有所不同。自冷式異步電機在20Hz以下運行時，轉(zhuǎn)子風(fēng)葉的散熱能力變差，再如果在恒轉(zhuǎn)矩負載條件下長期運行，勢必造成電機溫升增加，使調(diào)速系統(tǒng)的特性變壞。所以，當自冷式異步電機在低頻運行并拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，必須采取強制冷卻措施，改善電機的散熱能力，保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　四，PLC在變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

　　1PLC硬件配置

　　這次改造中，PLC選用日本立石公司的模塊式C200H，CPU單元為CPU01-E，存儲器選4K E 2 PROM型號ME431，兩個輸入單元均為16點的ID212，三個輸出單元分別為12點的OC222，8點的OC221，獨立接點8點的OC224. 2變頻器控制部分的PLC程序設(shè)計

　　龍門銑床的工作臺進給，左主軸進給和右主軸進給，通過切換變頻器輸出側(cè)的接觸器來實現(xiàn)，如果在變頻器正常輸出時切換輸出側(cè)的接觸器，將會在接觸器觸點斷開的瞬間產(chǎn)生很高的過電壓而極易損壞變頻器中的逆變器件。因此，切換變頻器輸出側(cè)的接觸器一定要等到所控制的電機完全停止以后，才能安全切換。下面詳細分析如何用PLC程序來實現(xiàn)變頻器輸出側(cè)電機的安全切換。

　　我們先來分析變頻器輸出切換保護部分PLC程序中使用的下降沿微分指令（DIFD）。當進給方向選擇開關(guān)SA3從工作臺進給切換到左主軸進給時，0009由ON變?yōu)镺FF，同時，0010由OFF變?yōu)镺N.此時，內(nèi)部輔助繼電器4500在一個掃描周期內(nèi)ON，而4501保持OFF狀態(tài)不變。

　　如果在變頻器正常輸出的情況下，進給方向選擇開關(guān)SA3切換，三個內(nèi)部輔助繼電器4500，4501和4502之中必定有一個在一個掃描周期內(nèi)由OFF變?yōu)镺N，繼電器3007變?yōu)镺N并保持2秒（TIM002的設(shè)定時間必須大于變頻器的制動時間）后變?yōu)镺FF.在SA3切換時，由于變頻器在正常輸出，則繼電器3100，3101中必有一個為ON，繼電器3008也為ON.在SA3切換的瞬間，由于繼電器3007，3008都為ON狀態(tài)，繼電器3012變?yōu)镺N，它切斷變頻器的輸入進給信號，變頻器開始制動停止。在SA3切換信號消失2秒后，此時變頻器已停止輸出，繼電器3007，3008由ON變?yōu)镺FF，出現(xiàn)下降沿信號，繼電器4503在一個掃描周期內(nèi)ON，切斷變頻器輸出側(cè)的接觸器，使電機切換到所需的進給方向。

　　如果在變頻器停止輸出時，SA3切換，由于繼電器3008為OFF，繼電器3013會在SA3切換的瞬間在一個掃描周期內(nèi)ON，從而把變頻器輸出側(cè)的接觸器立即切換到所需的進給方向。

　　變頻器出現(xiàn)異常時，通過它內(nèi)部的報警繼電器驅(qū)動控制柜上的報警指示燈HL1，使HL1連續(xù)閃爍，提示操作人員變頻器出現(xiàn)異常，必須立即停機檢修。

　　變頻器報警延時05秒后，切斷輸入側(cè)的接觸器KM10，使出現(xiàn)故障的變頻器脫離電源，以免故障進一步擴大。

　　五，變頻器和PLC的安裝與接線

　　1變頻器和PLC的安裝

　　變頻器和PLC要求的安裝環(huán)境溫度為-10）~ +50）?？刂乒駜?nèi)的發(fā)熱元器件有變壓器，接觸器，變頻器及其制動電阻等，為了降低這些大發(fā)熱量器件而致的柜內(nèi)溫升，可采用兩種方法。一是加大控制柜的尺寸，二是增加柜內(nèi)的換氣風(fēng)量。方法一勢必造成控制柜體笨重，增加金屬用料，不經(jīng)濟；方法二只增加一臺成本較低的換氣風(fēng)扇，較為經(jīng)濟。變頻器在控制柜內(nèi)安裝時，應(yīng)盡量靠近柜內(nèi)頂部的換氣風(fēng)扇，讓從柜下部進入的冷空氣全部通過熱源部分。

　　對于以數(shù)字電路為主構(gòu)成的PLC來說，工作靈敏度高，很容易受到各種外來電磁干擾，引起誤動作。目前市場上出售的變頻器多采用PWM控制，它的輸出電流中含有多種諧波，是強電磁干擾源。

　　為了防止變頻器對PLC的干擾，PLC的安裝應(yīng)盡量遠離變頻器，并且它們的安全保護接地，屏蔽接地均應(yīng)采取單點接地。

　　變頻器和PLC周圍的控制回路的接觸器，繼電器的線圈，觸點在開閉時，會因電流急劇變化而產(chǎn)生很強的電磁干擾，有時會使變頻器和PLC的控制回路，外部設(shè)備產(chǎn)生誤動作，需要在這種干擾源的線圈，觸點兩端加裝浪涌吸收電路。

　　變頻器和PLC安裝于高濕度的場所，常發(fā)生絕緣劣化和金屬部分腐蝕。如果受場所限制，不得已用于高濕度場所，必須加裝除濕裝置，防止變頻器和PLC停止工作時的結(jié)露。

　　在有振動的場所安裝時，在振源側(cè)需采取減小振動的措施，而在變頻器和PLC側(cè)加裝隔振器或防振橡膠。

　　2變頻器和PLC的配線

　?。?）變頻器主回路

　　變頻器無速度傳感器矢量控制運算要用電機的定子電阻，而數(shù)據(jù)的獲得是由變頻器的參數(shù)自檢測程序來完成的。如果按常規(guī)的導(dǎo)線發(fā)熱校驗選擇電機的配線，必然在長距離供電時，把線路電阻加入到了參數(shù)自檢測出的定子電阻數(shù)據(jù)中，引起變頻器的控制精度下降，達不到設(shè)計要求。所以，變頻器輸出回路的導(dǎo)線應(yīng)在常規(guī)發(fā)熱校驗選擇的基礎(chǔ)上再加大1~2級截面等級。

　?。?）控制回路

　　變頻器和PLC的控制信號為微弱的電壓，電流信號，所以與主回路不同，對于導(dǎo)線的選擇和敷設(shè)要增加抗干擾的對策和規(guī)程。

　　由于變頻器的輸出回路是強電磁干擾源，因此，變頻器和PLC控制回路的配線不能與變頻器主回路配線在同一根鐵管或同一配線槽內(nèi)敷設(shè)。為了進一步提高抗干擾效果，還應(yīng)采用10mm 2的絕緣屏蔽導(dǎo)線。絕緣屏蔽導(dǎo)線的接地應(yīng)在變頻器和PLC側(cè)進行單點接地，使用專用的接地端子，不與其他的接地端子共用。電磁感應(yīng)干擾的大小與電線的長度成比例，所以要盡可能地以最短線路敷設(shè)。

　　六，變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試

　　1通電前的檢查

　　在變頻調(diào)速系統(tǒng)安裝好之后，就可以進行調(diào)試和運行。當然在控制系統(tǒng)通電之前，必須進行必要的檢查。

　?。?）變頻器外圍接線檢查

　　在檢查變頻器外圍接線的過程中，應(yīng)重點注意以下幾方面的問題：電源線應(yīng)與R，S，T端子連接，絕對不能連至#36#機床電器2000No.5應(yīng)用交流U，V，W端子上；+端子之間，外露導(dǎo)電部分不能有短路，接地現(xiàn)象；，接地端子應(yīng)良好接地；端子，連接器的螺釘要緊固；。電機要與機械裝置安全脫離。

　?。?）PLC控制部分接線檢查

　　PLC控制部分的檢查應(yīng)注意以下幾個問題：PLC的供給220V電源進線是否正確；+PLC的輸入單元的+24V電源接線要正確，絕對不能混入220V強電；，PLC的輸出單元負載側(cè)不能存在繼電器動作后的短路現(xiàn)象；PLC輸出單元所帶的負載供給220V電源接線是否正確。

　　2變頻器系統(tǒng)功能設(shè)定

　　變頻器在出廠時，所有的功能碼都已設(shè)定了。

　　但是，龍門銑床調(diào)速系統(tǒng)的要求與變頻器的工廠設(shè)定值不盡相同，有一些重要功能參數(shù)需重新設(shè)定。

　?。?）控制模式選擇（功能碼F01）：設(shè)定為矢量控制方式。

　　（2）電機額定電壓（功能碼F03）：380V.（3）電機額定電流（功能碼F04）：246A.（4）電機額定頻率（功能碼F05）：50Hz.（5）電機額定轉(zhuǎn)速（功能碼F06）：970r/min.（6）最高頻率（功能碼F08）：50Hz；因為機床的進給機構(gòu)屬恒轉(zhuǎn)矩負載，所以電機只能在額定頻率以下的恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)使用。

　　（7）失速電平設(shè)置（功能碼F46）：150%；在矢量控制方式下，該參數(shù)設(shè)置表示變頻器輸出最大電流限幅值，為了獲得大的輸出轉(zhuǎn)矩，應(yīng)將該參數(shù)設(shè)為較大值。

　　（8）過負荷報警水平（功能碼F71）：110%.（9）過負荷報警延遲時間（功能碼F70）：3s.（10）電源投入再啟動（功能碼F75）：OFF.（11）自動調(diào)諧（功能碼F07）：在上述參數(shù)設(shè)定后，將F07設(shè)定為RUN，等待約5秒鐘。變頻器會自動測定電機內(nèi)部參數(shù)，用以完成矢量運算及控制。

　　如果自動測試中發(fā)生異常報警，請參閱變頻器說明書解決。

　?。?2）加減速時間的設(shè)定：加減速時間可用計算方法求得，若實際有困難時，也可采用以下方法。先將加減速時間都設(shè)定為較大值，在變頻器試運行后，關(guān)掉失速電平功能，再逐步減小設(shè)定值，以變頻器不發(fā)生報警為最佳設(shè)定值。加減速時間設(shè)定完后，失速電平功能恢復(fù)為ON狀態(tài)。

　　3試運行

　　變頻器系統(tǒng)功能參數(shù)設(shè)定完后，就可試運行。

　　用操作盤上的速度給定電位器設(shè)定5Hz左右的低頻率，再按下正，反轉(zhuǎn)按鈕，觀察電機轉(zhuǎn)向是否正確，電機運轉(zhuǎn)是否平穩(wěn)，加減速是否平滑。電機空載運轉(zhuǎn)幾分鐘后，如無異常情況，再依次在10，20，35，50Hz等幾個頻率點運行。試運行正常以后，變頻器調(diào)速系統(tǒng)才可投入正式運行。

　　4PLC程序調(diào)試在變頻器最佳加減速時間確定后，要重新設(shè)定圖10所示變頻器輸出切換保護部分PLC程序中的TIM002和TIM003的時間常數(shù)。這兩個定時器的設(shè)定值相等，但必須稍大于變頻器的最佳減速時間。

　　PLC程序試運行前，先將編程器上的狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至MONITOR（監(jiān)控）位。在監(jiān)控狀態(tài)下，可進行PLC運行狀態(tài)的監(jiān)視，觸點的強制ON/OFF，定時器/計數(shù)器的設(shè)定值或當前值的變更等。

　　七，結(jié)束語

　　本文詳細分析了變頻器的控制特性，提出了無速度傳感器矢量控制變頻調(diào)速取代直流調(diào)速的可行性，給出了變頻器及其周邊設(shè)備的選型計算公式，并把PLC靈活引入變頻器控制系統(tǒng)。經(jīng)過一年多的實際運行，該變頻調(diào)速系統(tǒng)不但調(diào)速的各項性能指標達到原直流調(diào)速水平，而且線路大為簡化，再加上變頻器和PLC完善的故障診斷功能，使可靠性，可維修性得到大幅度提高。