刨台运动的变频调速改造设计.docx
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刨台运动的变频调速改造设计
天津职业技术师范大学
课程设计说明书
题目：
龙门刨台的变频调速改造
指导老师：
班级：
机检1112班
组员：
天津工程师范学院
课程设计任务书
机械工程学院机检1112班学生
课程设计课题：
刨台运动的变频调速改造设计
一、课程设计工作日自2015年1月12日至2015年1月23日
二、同组学生：
三、课程设计任务要求（包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时间、主要参考资料等）：
1、目的和意义
交流调速是一门重要的专业必修课，它具有很强的实践性。
为了加深对所学课程（模拟电子技术、数字电子技术、电机与拖动、电力电子变流技术等）的理解以及灵活应用所学知识去解决实际问题，培养学生设计实际系统的能力，特开设为期一周的课程设计。
2、具体内容
写出设计说明书，内容包括：
（1）控制系统的结构原理图；
（2）整个系统的工作原理；
（3）变频器参数设置；
（4）控制系统的硬件接线图；
（5）主要电气部件的选型计算。
3、画出一张详细的电气原理图；
4、考核方式
1．周五采用口试方式进行考核（以小组为单位），成绩按百分制评定。
其中小组分数占60%，个人成绩占40%（包括口试情况和上交材料内容）；
2．每天上午8:
30--11:
30在综合楼226房间答疑。
5、参考文献
1、陈伯时．电力拖动自动控制系统----运动控制系统（第3版）．机械工业出版社，2003
指导教师签字：
教研室主任签字：
目录
第一章：
改造方案2
第二章、刨台运动分析2
第三章：
系统各部分工作原理4
3.1接近开关4
3.2PLC5
3.2.1PLC的工作原理5
3.2.2PLC选型6
3.2.3PLC外部接线6
3.3.4PLC控制程序8
3.3变频器10
3.3.1变频器基本原理10
3.3.2变频器选型12
3.3.3变频器的接线情况12
3.3.4变频器参数设置13
3.4电气控制部分15
第四章总结16
第一章：
改造方案
我国现行生产的龙门刨床其主拖动方式以直流发电机—电动机组及晶闸管—电动机系统为主，以A系列龙门刨床为例，它采用电磁扩大机作为励磁调节器的直流发电机—电动机系统，通过调节直流电动机电压来调节输出速度，并采用两级齿轮变速箱变速的机电联合调节方法。
本设计主要目的是用异步交流电机代替直流电机，并简化控制方式[1]。
控制系统结构原理图如图1所示：
图1.控制系统的结构原理图
第二章、刨台运动分析
大多数刨床主运动为刨台频繁的往复运动，在往复一个周期中，对速度的控制有一定要求，如图2所示。
图中：
t1段表示刨台起动，刨刀切入工件的阶段，为了减小刨刀刚切入工件的瞬间，刀具所受的冲击及防止工件被崩坏，此阶段速度较低。
t2段为刨削段，刨台加速至正常的刨削速度
t3段为刨刀退出工件段，为防止边缘被崩裂，同样要求速度较低。
t4段为返回段，返回过程中，刨刀不切削工件，为节省时间，提高加工效率，返回速度应尽可能高些。
t5段为缓冲区。
返回行程即将结束，再反向到工作速度之前，为减小对传动机械的冲击，应将速度降低，之后进入下一周期。
刨台运动的机械特性曲线
与很多切削机床相同，刨台运动特性分两种情况分析。
[2]
（1）低速区
刨台运动速度较低时，此时刨刀允许的切削力由电动机最大转矩决定。
电动机确定后，即确定了低速加工时的最大切削力。
因此，在低速加工区，电动机为恒转矩输出。
（2）高速区
速度较高时，此时切削力受机械结构的强度限制，允许的最大切削力与速度成反比，因此，电动机为恒功率输出。
由此可得，主拖动系统直流电动机的运行机械特性曲线分为如图3所示两段。
第三章：
系统各部分工作原理
3.1接近开关
接近开关又称无触点接近开关，是理想的电子开关量传感器。
当金属检测体接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是一般机械式行程开关所不能相比的。
它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。
在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和自动保护环节等[1]。
本次设计共采用三个接近开关S1、S2、和S3。
它们被安装在刨床的床身上，其中S1、S2、的感应头朝向外侧面，S3的感应头朝上。
A、B是两块感应挡板、C、D为上挡板。
挡板与感应头之间距离为5mm左右。
具体结构如下图图3.1所示：
图3.1接近开关的布置
3.2PLC
3.2.1PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作[3]。
PLC的一个扫描周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
在本设计中PLC的主要作用是读取用户操作和刨台位置信号，经过程序处理后输出为变频器提供的控制信号。
由变频器控制电机拖动工作台。
3.2.2PLC选型
由于本次设计所涉及的控制部分只包含了刨台的往复运动的控制，因此对于PLC的功能及I/O口的需求相对较小，结合设计者的知识水平，故选用三菱FX2n系列中的FX2N-32MR-001。
FX2N-32MR-001有输入输出点各16个，满足设计需求的7输入5输出，外形尺寸150ｘ90ｘ87。
三菱PLC具有以下优点：
1.系统配置即固定又灵活；
2.编程简单；
3.备有可自由选择，丰富的品种；
4.令人放心的高性能；
5.高速运算；
6.使用于多种特殊用途；
7.外部机器通讯简单化；
8.共同的外部设备。
3.2.3PLC外部接线
本次设计共使用7个输入口和5个输出口。
各输入口分别对应的功能为电机启动按钮、三个接近开关、正转点动、反转点动及故障急停。
分配情况如下图图3.3所示：
图3.3PLC输入端接线
各输出口分别对应变频器的5个输入接口DI1—5，如下图图3.4所示：
图3.4PLC输出端接线
3.3.4PLC控制程序
PLC程序要实现对变频器的控制主要体现在启动停止，速度选择，正转反转上。
其中速度选择这项要求PLC能只通过X1，X2这两个口的信号变化，输出Y1、Y2、Y3、Y4共四个口的变化，输入输出的数字信号按照时间顺序有如下表3.1对应关系：
表3.plc对应关系
X1
X2
Y1
Y2
Y3
Y4
1
1
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
PLC程序梯形图如下：
3.3变频器
3.3.1变频器基本原理
变频器是利用交流电动机的同步转速随电机定子电压频率变化而变化的特性而实现电动机调速运行的装置。
变频器最早形式是用旋转变频发电机组作为可变频率电源，供给交流电动机，主要是异步电动机进行调速。
随着电力电子半导体器件的发展，静止式变频电源成为变频器的主要形式[2]。
为交流电机变频调速提供变频电源的一般都是变频器。
按主回路电路结构，变频器有交-交变频器和交-直-交变频器两种结构形式。
1、交-交变频器无中间直流环节，直接将工频交流电变换成频率、电压均可控制的交流电，又称直接式变频器。
整个系统由两组整流器组成，一组为正组整流器，一组为反组整流器，控制系统按照负载电流的极性，交替控制两组反向并联的整流器，使之轮流处于整流和逆变状态，从而获得变频变流电压，交-交变频器的电压由整流器的控制角来决定。
2、交-直-交变频器，先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。
因本课题中所用变频器为交-直-交变频器，故下面的阐述主要就交-直-交变频器进行。
交-直-交变频器其基本构成如图3.1所示，由主电路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制电路组成，各部分作用如下所述：
中间直流环节
控制指令控制指令
运行指令
图3.2交-直-交变频器的基本构成
（1）整流器电网侧的变流器是整流器，它的作用是把三相（或单相）交流电整流成直流电。
（2）逆变器负载侧的变流器为逆变器。
最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。
有规律的控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。
（3）中间直流环节由于逆变器逆变器的负载属于感性负载，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。
这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件（电容器或电抗器）来缓冲。
所以中间直流环节又称为中间直流储能环节。
（4）控制电路控制电路由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。
其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。
控制方法可以采用模拟控制或数字控制。
高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。
3.3.2变频器选型
根据前述龙门刨床直流拖动系统工作要求，对于取代直流拖动并超越直流拖动的交流变频调速来说，选择高性能可靠矢量型的变频器尤其关键。
通过查阅有关资料，深入了解国内外同类变频器，反复比较论证，选择了ABBACS510-01系列的变频器，具体型号如下
普通龙门刨床电机55KW功率，按容量2倍来看，ABBACS510-01系列-195A-4型号的变频器满足使用要求[4]。
3.3.3变频器的接线情况
变频器接入三相电网，电机连接它的三相输出，DI口接入PLC其中DI1口为启动停止，DI2口为正反向控制，DI3-5为速度选择。
接线如下图3.5所示：
3.3.4变频器参数设置
机床电控的2个数字信号SB1（左），SB2（右）为启动按钮，通过必要的联锁控制，控制变频器的DI1，DI2。
完成变频器的正反转停车的控制。
在完成外部接线后，必须对内部参数进行设定。
主要参数设定如下：
首先启动变频器将变频器语言设置为中文然后切换到本地控制。
分别设置电机的
额定电压：
（1）1001：
选择DI1FDI2R。
它的主要工能是通过数字输入DI1和DI2的四种组合00停，10正向启动，01反向启动，11停车。
1001：
停
1010：
正向
1001：
反向
1011：
停车
（2）多段速度选择主要通过DI3，DI4，DI5的数字量选择我们设定五段速度分别为:
1201:
300r/min
1202:
1000r/min
1203:
300r/min
1204:
1500r/min
1205:
300r/min
（3）加速.减速斜坡选择[5]
ABB变频器的具体调试步骤:
1.上电
2.启动数据的输入
（1）按PAR键选择语言9901汉语
（2）参数是否恢复出厂设置9903为YES或NO
（3）选择额定电压9905380v
（4）选择额定电流9906107.5A
（5）选择额定频率990755Hz
（6）选择电机额定转速99083250r/min
（7）选择电机额定功率990955Kw
（8）电机功率因数99151.35
（9）控制方式01130=本地1=外部
（10）AI101200.......100%
（11）A0101250......20MA
（12）恒速选择1201300r/min
（13）恒速112021000r/min
（14）恒速21203300r/min
（15）恒速312041500r/min
（16）恒速41205300r/min
（17）继电器输出114020
（18）继电器输出14030
（19）模拟输出1507A02赋值
（20）加减速曲线选择22010
（21）加速时间1220210S
（22）减速时间1220320S
3.4电气控制部分
本系统为满足相应的加工制造需要而设立了点动控制与长动控制两种控制方式。
在此基础上还需设置正、反转控制，因此正反转回路中必须互锁，互锁通过KA1和KA2的常闭点实现。
启动按钮为SB1和SB2，停止按钮为SB3，为防止意外，还设置了急停按钮SS。
1点动控制
点动控制时，转开关转至点动一侧，KA5为断电状态，在电机正转和电机反转的回路中的KA5常开点为常开状态，此时按下启动按钮SB1或SB2，KA1或KA2线圈得电，虽然电机能正常启动，但不能形成自锁，这样，就能通过信号的变化来给PLC信号，PLC通过程序和变频器的参数设置来实现变频器的点动控制。
2长动控制
长动控制时，旋转开关转至长动一侧，KA5为通电状态，在电机正转和电机反转回路中的KA5常开点闭合，电路实现自锁。
这是按下SB1或SB2时，电路能够为PLC提供长动信号，通过PLC程序和变频器中的参数来实现电机的长动控制。
此外，电路中的故障中继和运行中继连接变频器中的故障点和运行点，并且用该点控制指示灯来提示操作者系统的运行状态。
通过变频器的状态来指示提醒操作者电机的运行状态。
第四章总结
收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。
同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。
但是课程设计也暴露出我们专业基础的很多不足之处。
比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。
这次实践是对自己大学四年所学的一次大检阅，使我们明白自己知识还很浅薄，我们的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。
参考资料
[1]陈伯时．电力拖动自动控制系统----运动控制系统（第三版）．机械工业出版社，2003
[2]王树.变频调速系统设计与应用.北京.机械工业出版社，2005
[3]班华，李长友.运动控制系统.北京：
电子工业出版社，2012
[4]曾允文.变频调速技术基础教程.北京.机械工业出版社，2011
[5]ABB变频器使用手册.
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