變頻器在鏜床進給系統改造中的應用
2017-7-3 來源：變頻器；直流調速系統；鏜床；進給；驅動 作者：程海龍 ，王慧
摘要：針對英鏜機床存在的滑枕易損壞問題，將機床的進給系統改造成由變頻器驅動，提高設備穩定性，降低工人的勞動強度。
關鍵詞：變頻器；直流調速系統；鏜床；進給；驅動
做為粗加工的 10 英寸銑鏜 （下稱：英鏜） 是50 年代的陳舊設備，設備狀態已不穩定，特別是滑枕走刀部分進給傳動離合器經常打滑發熱，甚至抱死，無法脫開，致使離合器線圈經常燒壞。由于離合器安裝空間小，拆裝不便，給設備維修帶來很大困難。為此筆者結合變頻器在其他設備上的使用效果，對英鏜進給控制系統進行改造。
1.異步電動機調速原理及選擇
1.1 異步電機調速原理
異步電機轉動是由定子主磁通和轉子電流相互作用產生的。產生轉子電流的必要條件是轉子繞組切割定子磁場的磁力線。因此，轉子的轉速 n必須低于定子磁場的轉速 n0，兩者之差稱為轉差：
由此可知異步電動機有以下幾種調速方法：（1） 改變磁極對數 p； （2） 改變轉差率 s； （3）改變頻率 f （變頻調速）。本次改造利用 ACS510 變頻器可連續改變供電電源頻率的特性，連續平滑地調節電動機轉速。異步變頻調速電機具有調速范圍廣，調速平滑性能好，機械特性較硬的優點，可以方便地實現恒轉矩或恒功率調速，其調速特性與直流電動機調壓調速和弱磁調速十分相似。
1.2 異步電動機的選擇
電機的“扭矩”
根據對各鏜床進給系統對比分析可知，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。
德系鏜銑床進給系統的電機功率 40 k W，轉速1 500 r/min，電機的轉矩 T=254.67 N·m；原英鏜滑枕驅動主軸電機功率 100 k W，電機轉速為 1 500 r/min，電機的轉矩為 636.67 N·m，依據英鏜老化程度及上述統計的機床數據，估算英鏜滑枕驅轉矩約為 350 N·m，由此根據滑枕電機的驅動轉矩及進給電機需要的最低轉速，算出電機功率為 30 k W，轉速 730 r/min，最終選定 YZP250M-8，30 k W 電機。
2.變頻器的控制系統
2.1 電氣原理圖設計
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 接到負載電動機 M 上。QF1001 是電源總開關，有短路和過載保護作用，K1001 是送電接觸器，當控制回路給出送電指令后，接觸器吸合。制動電阻直接接到 R- 與R+端，在電動機制動時，會有部分能量要回饋到變頻器內部，制動電阻的作用就是負責消耗這部分能量。對滑枕正反轉的快速移動控制是通過K75、 K106、 K107 繼電器帶動輔助點實現 。 當K75 和 K106 繼電器吸合時 ， 端 子 DL1、 DL2、DL3 得電，變頻器作正向快速運轉，當 K75 和K107 繼電器吸合時，端子 DL1、DL3 得電，變頻器作反向快速運轉。對滑枕進給控制是通過變頻器的模擬 I/O 端子排，用電位計控制 AL1 端的模擬量輸入電壓，改變變頻電機的輸出頻率，調節電機速度；當 K75、K106 繼電器吸合時，DL1、DL2得電，DL3 失電，電機正方向進給，通過調節RP101 調節電機正向進給速度；當 K75、K107 繼電器吸合時，DL1 得電，DL2、DL3 失電，電機反方向進給，調節 RP101 調節電機反向進給速度（見圖 1、圖 2、表 1）。
2.2 程序和電氣回路設計
由于英鏜是老舊設備，為了使機床更好地啟動，克服滑枕間隙大，啟動沖量大，啟動矩大的缺點，特設計滑枕停止反向程序，以降低啟動沖量 （見圖 3）。
圖 1 ACS510 變頻器調速原理圖 1
圖 2 ACS510 變頻器調速原理圖 2
由圖 3 可知，當 SW2B 的滑枕和主軸選出按鈕按下，PLC 輸入點 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，205.08 中間繼電器自鎖，205.08 中間繼電器吸合；0.8 s 后，TIM023 時間繼電器吸合；TIM023 時間繼電器動作，帶動 ZW 快速反向繼電器啟動，滑枕停止反向啟動；205.08 中間繼電器吸合，1.6 s 后 TIM022 繼電器動作，滑枕停止。
2.3 變頻器參數設置
在變頻器的輸入項目中有些是電機基本參數，如電機的功率、額定電壓、額定電流、額定轉速、極數等。這些參數非常重要，將直接影響變頻器中一些保護功能的正常運行，一定要根據電機的實際參數正確輸入，以確保變頻器的正常使用。本文所選電機參數如下：電機型號 YZP-250M-8，
表 1 輸入/輸出地址表
圖 3 滑枕停止反向程序
電機 30 k W，額定電壓 380 V，額定電流 63.4 A，電機的額定轉速 730 r/min。所對應電機的變頻器參數：
9901：電機語言選擇，參數為 1=中文
9902：應用宏，參數為 1 標準宏
9905：電機額定電壓，380 V
9906：電機額定電流，參數為 63.4 A
9907：電機額定頻率，參數為 50 Hz
9908：電機的額定轉速，設定參數為 730 r/min
9909：電機額定功率，參數為 30 k W
1103：給定值 1 選擇，設定參數 1
1104：給定 1 最小值，參數為 0
1105：給定參數最大值，參數為 50
1201：恒速選擇，參數為 3
1202，恒速 1，設定恒速 1 為 30 Hz
2101：起動功能，設定參數 1
2210：轉矩提升電流，設定參數35.5 A
3.變頻器常見故障排除
（1） 過流 （OVERCURRENT）表現為輸出電流過大。檢查和排除步驟：①電機是否過載；②加速時間是否過短 （參數 2202ACCELER TIME 1 （ 加 速 時 間 1） 和 2205ACCELER TIME 2 （加速時間 2））；③電機是否發生故障，具體檢查是否電機電纜故障或接線錯誤。
（2） 直流過壓 （DC OVERVOLT）表現為中間回路 DC 電壓過高。檢查和排除步驟：①輸入側的供電電源發生靜態或瞬態過電壓；②減速時間是否過短 （參數 2203 DECELER TIME1 （減速時間 1） 和 2206 DECELER TIME 2 （減速時間 2））；③過電壓控制器是否處于正常工作狀態。
（3） 過溫 （DEV OVERTEMP）表現為散熱器過溫，溫度達到或超過極限值。其中，R1～R4 ：115 ℃，R5/R6：125 ℃。檢查和排除步驟：①風扇是否發生故障；②空氣流通是否受阻；③散熱器是否積塵；④環境溫度是否過高；⑤電機負載是否過大。
（4） 短路 （SHORT CIRC）表現為短路故障。檢查和排除步驟：①電機電纜或電機是否短路；②供電電源是否發生擾動。
（5） 直流欠壓 （DC UNDERVOLT）表現為中間回路 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）表現為模擬輸入 1 丟失。具體為模擬輸入值小于參數 3021 AI1FLT LIMIT （AI 故障極限） 的值。檢查和排除步驟：①檢查模擬輸入信號源及其接線；②檢查參數 3021 AI1FLT LIMIT （AI 故障極限） 的設置值，并且檢查 3001 AI<MIN FUNCTION（AI 故障功能）。
（7） 電機過溫 （MOT TEMP）表現為電機過熱，根據傳動的估算或溫度反饋信號。檢查步驟：①檢查電機是否過載；②調整用于估算的參數 （3 005 ～ 3 009）；③檢查溫度傳感器和參數組 35 中的參數設置。
（8） 控制盤丟失 （PANEL LOSS）表現為控制盤通訊丟失，并且傳動處于本地控制 （控制盤顯示 LOC，本地），或者傳動處于遠程控制模式 （REM，遠程），且起/停/方向/給定值信號來自控 制盤。檢查步驟：①通訊鏈路和接線是否正常；②檢查參數 3002 PANEL COMM ERROR（控制盤丟失故障）；③檢查參數組 10 的參數：控制命令輸入和參數組 11 給定選擇 （傳動單元運行于 REM （遠程） 模式） 是否有誤。
（9） 電機堵轉 （MOTOR STALL）表現為電機或工藝堵轉，電機運行于堵轉區。檢查步驟：①是否過載；②電機功率是否不夠。
（10） 接地故障 （EARTH FAULT）具體表現包括在電機或電機電纜處檢測到的接地故障；在傳動運行或停止時都監控到接地故障；在傳動停止時接地故障檢測的靈敏度更高，并且能夠報告發生故障的位置。檢查及糾正步驟：①檢查/排除進線接地故障；②確認電機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, 則確認是否發生導致傳動停止情況下的接地故障誤報。如要禁止傳動停止時的故障檢測功能，可使用參數 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 3017。
（11） 欠載 （UNDERLOAD）表現為電機負載低于期望值。檢查負載是否被斷開。
（12） 電源缺相 （SUPPLY PHASE）表現為 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） 電機缺相 （MOTOR PHASE）表現為電機回路有故障或電機有缺相。檢查步驟：①電機是否發生故障；②電機電纜是否發生故障；③熱敏繼電器是否發生故障 （如果使用）；④內部是否發生其它故障。
（14） 輸出接線故障 （OUTPUT WIRING）表現為功率接線錯誤。當傳動停止時，該故障代碼監測著傳動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，則判定有可能出現接地故障誤報的情況。
4 與傳統調速系統對比分析
4.1 性能比較
英鏜原進給部分采用 KSA23-90 A/220 V 數控直流調速系統驅動直流電機，也可以平滑而經濟地調速。但是，結構復雜，維修成本高，勞動強度大。經過本次系統改造，采用變頻器驅動變頻電機，調速性能好，控制精度和調速的平滑性很高，調速范圍廣，通用性強，能滿足任何工況對傳動速度范圍和精度的要求，能實現平滑無級變速；且電機平衡質量高，電機風扇能有效散熱，可實現高速或低速長期運行。同時，變頻器對變頻電機保護更有效，在電機過載，外部線路出現故障時，能夠及時報警，且查找排除設備故障快速、準確；降低設備大故障的發生機率。
4.2 成本比較
傳統的直流調速系統控制器的造價成本大約為27 026 元 （機床的主控制系統 13 280 元；電機8746 元；零散配件 5000 元），機床電機壽命大約 5年。每年修 4 次，每次約為 1 500 元左右。變頻調速控制系統的制造成本為 19 843 元 （機床主控制系統 5 510 元；電機 9 333 元；零散配件 5 000元）。改造后的進給系統使用至今沒有發生故障。
5.結語
通過本次變頻調速系統的改造，再次證明變頻器在機床進給系統上比傳統直流調速系統更有優勢。本次改造重點是機床快速傳動機構，對 1~7Hz 頻率范圍電機傳動改進效果一般，可在進一步改造中通過降低齒輪嚙合傳動比來解決此問題，改進后，變頻調速系統對機床進給系統的控制將更加完善。
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