變頻器在鏜床進(jìn)給系統(tǒng)改造中的應(yīng)用
2017-7-3 來源：變頻器；直流調(diào)速系統(tǒng)；鏜床；進(jìn)給；驅(qū)動(dòng) 作者：程海龍 ，王慧
摘要：針對英鏜機(jī)床存在的滑枕易損壞問題，將機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)改造成由變頻器驅(qū)動(dòng)，提高設(shè)備穩(wěn)定性，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞：變頻器；直流調(diào)速系統(tǒng)；鏜床；進(jìn)給；驅(qū)動(dòng)
做為粗加工的 10 英寸銑鏜 （下稱：英鏜） 是50 年代的陳舊設(shè)備，設(shè)備狀態(tài)已不穩(wěn)定，特別是滑枕走刀部分進(jìn)給傳動(dòng)離合器經(jīng)常打滑發(fā)熱，甚至抱死，無法脫開，致使離合器線圈經(jīng)常燒壞。由于離合器安裝空間小，拆裝不便，給設(shè)備維修帶來很大困難。為此筆者結(jié)合變頻器在其他設(shè)備上的使用效果，對英鏜進(jìn)給控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。
1.異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理及選擇
1.1 異步電機(jī)調(diào)速原理
異步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的。產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場的磁力線。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n必須低于定子磁場的轉(zhuǎn)速 n0，兩者之差稱為轉(zhuǎn)差：
由此可知異步電動(dòng)機(jī)有以下幾種調(diào)速方法：（1） 改變磁極對數(shù) p； （2） 改變轉(zhuǎn)差率 s； （3）改變頻率 f （變頻調(diào)速）。本次改造利用 ACS510 變頻器可連續(xù)改變供電電源頻率的特性，連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。異步變頻調(diào)速電機(jī)具有調(diào)速范圍廣，調(diào)速平滑性能好，機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，其調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似。
1.2 異步電動(dòng)機(jī)的選擇
電機(jī)的“扭矩”
根據(jù)對各鏜床進(jìn)給系統(tǒng)對比分析可知，英鏜的滑枕橫截直徑面積為 0.7 m2，德系鏜銑床滑枕的橫截面積為 0.2 m2，即存在一定差距。
德系鏜銑床進(jìn)給系統(tǒng)的電機(jī)功率 40 k W，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 T=254.67 N·m；原英鏜滑枕驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)功率 100 k W，電機(jī)轉(zhuǎn)速為 1 500 r/min，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為 636.67 N·m，依據(jù)英鏜老化程度及上述統(tǒng)計(jì)的機(jī)床數(shù)據(jù)，估算英鏜滑枕驅(qū)轉(zhuǎn)矩約為 350 N·m，由此根據(jù)滑枕電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩及進(jìn)給電機(jī)需要的最低轉(zhuǎn)速，算出電機(jī)功率為 30 k W，轉(zhuǎn)速 730 r/min，最終選定 YZP250M-8，30 k W 電機(jī)。
2.變頻器的控制系統(tǒng)
2.1 電氣原理圖設(shè)計(jì)
本文所選變頻器的頻率范圍為 0～400 Hz。三相 380 V 交流電壓通過斷路器 QF1001 和接觸器K1001 接到變頻器的電源輸入端 U11、V11、W11上，變頻器輸出電壓 U2、V2、W2 接到負(fù)載電動(dòng)機(jī) M 上。QF1001 是電源總開關(guān)，有短路和過載保護(hù)作用，K1001 是送電接觸器，當(dāng)控制回路給出送電指令后，接觸器吸合。制動(dòng)電阻直接接到 R- 與R+端，在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，會(huì)有部分能量要回饋到變頻器內(nèi)部，制動(dòng)電阻的作用就是負(fù)責(zé)消耗這部分能量。對滑枕正反轉(zhuǎn)的快速移動(dòng)控制是通過K75、 K106、 K107 繼電器帶動(dòng)輔助點(diǎn)實(shí)現(xiàn) 。 當(dāng)K75 和 K106 繼電器吸合時(shí) ， 端 子 DL1、 DL2、DL3 得電，變頻器作正向快速運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng) K75 和K107 繼電器吸合時(shí)，端子 DL1、DL3 得電，變頻器作反向快速運(yùn)轉(zhuǎn)。對滑枕進(jìn)給控制是通過變頻器的模擬 I/O 端子排，用電位計(jì)控制 AL1 端的模擬量輸入電壓，改變變頻電機(jī)的輸出頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)速度；當(dāng) K75、K106 繼電器吸合時(shí)，DL1、DL2得電，DL3 失電，電機(jī)正方向進(jìn)給，通過調(diào)節(jié)RP101 調(diào)節(jié)電機(jī)正向進(jìn)給速度；當(dāng) K75、K107 繼電器吸合時(shí)，DL1 得電，DL2、DL3 失電，電機(jī)反方向進(jìn)給，調(diào)節(jié) RP101 調(diào)節(jié)電機(jī)反向進(jìn)給速度（見圖 1、圖 2、表 1）。
2.2 程序和電氣回路設(shè)計(jì)
由于英鏜是老舊設(shè)備，為了使機(jī)床更好地啟動(dòng)，克服滑枕間隙大，啟動(dòng)沖量大，啟動(dòng)矩大的缺點(diǎn)，特設(shè)計(jì)滑枕停止反向程序，以降低啟動(dòng)沖量 （見圖 3）。
圖 1 ACS510 變頻器調(diào)速原理圖 1
圖 2 ACS510 變頻器調(diào)速原理圖 2
由圖 3 可知，當(dāng) SW2B 的滑枕和主軸選出按鈕按下，PLC 輸入點(diǎn) I0.09 閉合，在其他條件均滿足的條件下，ZW 快速正向 207.01 啟動(dòng)，205.08 中間繼電器自鎖，205.08 中間繼電器吸合；0.8 s 后，TIM023 時(shí)間繼電器吸合；TIM023 時(shí)間繼電器動(dòng)作，帶動(dòng) ZW 快速反向繼電器啟動(dòng)，滑枕停止反向啟動(dòng)；205.08 中間繼電器吸合，1.6 s 后 TIM022 繼電器動(dòng)作，滑枕停止。
2.3 變頻器參數(shù)設(shè)置
在變頻器的輸入項(xiàng)目中有些是電機(jī)基本參數(shù)，如電機(jī)的功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、極數(shù)等。這些參數(shù)非常重要，將直接影響變頻器中一些保護(hù)功能的正常運(yùn)行，一定要根據(jù)電機(jī)的實(shí)際參數(shù)正確輸入，以確保變頻器的正常使用。本文所選電機(jī)參數(shù)如下：電機(jī)型號(hào) YZP-250M-8，
表 1 輸入/輸出地址表
圖 3 滑枕停止反向程序
電機(jī) 30 k W，額定電壓 380 V，額定電流 63.4 A，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速 730 r/min。所對應(yīng)電機(jī)的變頻器參數(shù)：
9901：電機(jī)語言選擇，參數(shù)為 1=中文
9902：應(yīng)用宏，參數(shù)為 1 標(biāo)準(zhǔn)宏
9905：電機(jī)額定電壓，380 V
9906：電機(jī)額定電流，參數(shù)為 63.4 A
9907：電機(jī)額定頻率，參數(shù)為 50 Hz
9908：電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，設(shè)定參數(shù)為 730 r/min
9909：電機(jī)額定功率，參數(shù)為 30 k W
1103：給定值 1 選擇，設(shè)定參數(shù) 1
1104：給定 1 最小值，參數(shù)為 0
1105：給定參數(shù)最大值，參數(shù)為 50
1201：恒速選擇，參數(shù)為 3
1202，恒速 1，設(shè)定恒速 1 為 30 Hz
2101：起動(dòng)功能，設(shè)定參數(shù) 1
2210：轉(zhuǎn)矩提升電流，設(shè)定參數(shù)35.5 A
3.變頻器常見故障排除
（1） 過流 （OVERCURRENT）表現(xiàn)為輸出電流過大。檢查和排除步驟：①電機(jī)是否過載；②加速時(shí)間是否過短 （參數(shù) 2202ACCELER TIME 1 （ 加 速 時(shí) 間 1） 和 2205ACCELER TIME 2 （加速時(shí)間 2））；③電機(jī)是否發(fā)生故障，具體檢查是否電機(jī)電纜故障或接線錯(cuò)誤。
（2） 直流過壓 （DC OVERVOLT）表現(xiàn)為中間回路 DC 電壓過高。檢查和排除步驟：①輸入側(cè)的供電電源發(fā)生靜態(tài)或瞬態(tài)過電壓；②減速時(shí)間是否過短 （參數(shù) 2203 DECELER TIME1 （減速時(shí)間 1） 和 2206 DECELER TIME 2 （減速時(shí)間 2））；③過電壓控制器是否處于正常工作狀態(tài)。
（3） 過溫 （DEV OVERTEMP）表現(xiàn)為散熱器過溫，溫度達(dá)到或超過極限值。其中，R1～R4 ：115 ℃，R5/R6：125 ℃。檢查和排除步驟：①風(fēng)扇是否發(fā)生故障；②空氣流通是否受阻；③散熱器是否積塵；④環(huán)境溫度是否過高；⑤電機(jī)負(fù)載是否過大。
（4） 短路 （SHORT CIRC）表現(xiàn)為短路故障。檢查和排除步驟：①電機(jī)電纜或電機(jī)是否短路；②供電電源是否發(fā)生擾動(dòng)。
（5） 直流欠壓 （DC UNDERVOLT）表現(xiàn)為中間回路 DC 電壓不足。檢查和排除步驟：①供電電源是否缺相；②熔斷器是否已熔斷；③主電源是否欠壓。
（6） ALI 丟失 （AI1 LOSS）表現(xiàn)為模擬輸入 1 丟失。具體為模擬輸入值小于參數(shù) 3021 AI1FLT LIMIT （AI 故障極限） 的值。檢查和排除步驟：①檢查模擬輸入信號(hào)源及其接線；②檢查參數(shù) 3021 AI1FLT LIMIT （AI 故障極限） 的設(shè)置值，并且檢查 3001 AI<MIN FUNCTION（AI 故障功能）。
（7） 電機(jī)過溫 （MOT TEMP）表現(xiàn)為電機(jī)過熱，根據(jù)傳動(dòng)的估算或溫度反饋信號(hào)。檢查步驟：①檢查電機(jī)是否過載；②調(diào)整用于估算的參數(shù) （3 005 ～ 3 009）；③檢查溫度傳感器和參數(shù)組 35 中的參數(shù)設(shè)置。
（8） 控制盤丟失 （PANEL LOSS）表現(xiàn)為控制盤通訊丟失，并且傳動(dòng)處于本地控制 （控制盤顯示 LOC，本地），或者傳動(dòng)處于遠(yuǎn)程控制模式 （REM，遠(yuǎn)程），且起/停/方向/給定值信號(hào)來自控 制盤。檢查步驟：①通訊鏈路和接線是否正常；②檢查參數(shù) 3002 PANEL COMM ERROR（控制盤丟失故障）；③檢查參數(shù)組 10 的參數(shù)：控制命令輸入和參數(shù)組 11 給定選擇 （傳動(dòng)單元運(yùn)行于 REM （遠(yuǎn)程） 模式） 是否有誤。
（9） 電機(jī)堵轉(zhuǎn) （MOTOR STALL）表現(xiàn)為電機(jī)或工藝堵轉(zhuǎn)，電機(jī)運(yùn)行于堵轉(zhuǎn)區(qū)。檢查步驟：①是否過載；②電機(jī)功率是否不夠。
（10） 接地故障 （EARTH FAULT）具體表現(xiàn)包括在電機(jī)或電機(jī)電纜處檢測到的接地故障；在傳動(dòng)運(yùn)行或停止時(shí)都監(jiān)控到接地故障；在傳動(dòng)停止時(shí)接地故障檢測的靈敏度更高，并且能夠報(bào)告發(fā)生故障的位置。檢查及糾正步驟：①檢查/排除進(jìn)線接地故障；②確認(rèn)電機(jī)電纜沒有超過最大允許長度；③如果輸入電源是三角形連接，而且輸入功率電纜的電容很大, 則確認(rèn)是否發(fā)生導(dǎo)致傳動(dòng)停止情況下的接地故障誤報(bào)。如要禁止傳動(dòng)停止時(shí)的故障檢測功能，可使用參數(shù) 3023 WIRINGFAULT （接線故障）。如要禁止所有的接地故 障檢測功能，可使用參數(shù) 3017。
（11） 欠載 （UNDERLOAD）表現(xiàn)為電機(jī)負(fù)載低于期望值。檢查負(fù)載是否被斷開。
（12） 電源缺相 （SUPPLY PHASE）表現(xiàn)為 DC 回路的紋波電壓太高。檢查步驟：①主電源是否缺相；②熔斷器是否熔斷。
（13） 電機(jī)缺相 （MOTOR PHASE）表現(xiàn)為電機(jī)回路有故障或電機(jī)有缺相。檢查步驟：①電機(jī)是否發(fā)生故障；②電機(jī)電纜是否發(fā)生故障；③熱敏繼電器是否發(fā)生故障 （如果使用）；④內(nèi)部是否發(fā)生其它故障。
（14） 輸出接線故障 （OUTPUT WIRING）表現(xiàn)為功率接線錯(cuò)誤。當(dāng)傳動(dòng)停止時(shí)，該故障代碼監(jiān)測著傳動(dòng)輸入功率電纜和輸出 功率電纜的正確連接。檢查步驟：①輸入電纜連接是否不正確，即電源電壓是否沒有接到傳動(dòng)輸出；②如果輸入功率電纜是三角形連接，而且輸入功率電纜的電容比較大，則判定有可能出現(xiàn)接地故障誤報(bào)的情況。
4 與傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)對比分析
4.1 性能比較
英鏜原進(jìn)給部分采用 KSA23-90 A/220 V 數(shù)控直流調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，也可以平滑而經(jīng)濟(jì)地調(diào)速。但是，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修成本高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。經(jīng)過本次系統(tǒng)改造，采用變頻器驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)，調(diào)速性能好，控制精度和調(diào)速的平滑性很高，調(diào)速范圍廣，通用性強(qiáng)，能滿足任何工況對傳動(dòng)速度范圍和精度的要求，能實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)變速；且電機(jī)平衡質(zhì)量高，電機(jī)風(fēng)扇能有效散熱，可實(shí)現(xiàn)高速或低速長期運(yùn)行。同時(shí)，變頻器對變頻電機(jī)保護(hù)更有效，在電機(jī)過載，外部線路出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)報(bào)警，且查找排除設(shè)備故障快速、準(zhǔn)確；降低設(shè)備大故障的發(fā)生機(jī)率。
4.2 成本比較
傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)控制器的造價(jià)成本大約為27 026 元 （機(jī)床的主控制系統(tǒng) 13 280 元；電機(jī)8746 元；零散配件 5000 元），機(jī)床電機(jī)壽命大約 5年。每年修 4 次，每次約為 1 500 元左右。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的制造成本為 19 843 元 （機(jī)床主控制系統(tǒng) 5 510 元；電機(jī) 9 333 元；零散配件 5 000元）。改造后的進(jìn)給系統(tǒng)使用至今沒有發(fā)生故障。
5.結(jié)語
通過本次變頻調(diào)速系統(tǒng)的改造，再次證明變頻器在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)上比傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)更有優(yōu)勢。本次改造重點(diǎn)是機(jī)床快速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，對 1~7Hz 頻率范圍電機(jī)傳動(dòng)改進(jìn)效果一般，可在進(jìn)一步改造中通過降低齒輪嚙合傳動(dòng)比來解決此問題，改進(jìn)后，變頻調(diào)速系統(tǒng)對機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的控制將更加完善。
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