普通车床的变频调速系统设计.docx
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普通车床的变频调速系统设计
摘要
随着变频技术的提高，交流电动机的应用越来越广泛，采用变频调速，可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，有利于实现生产过程的自动化，使电力拖动系统具有优良的控制性能，而且在许多生产场合具有显著的节能效果。
变频调速的核心设备是变频调速器，变频器与电动机的控制配合构成了变频调速系统。
传统的金属切削车床速度控制为人工换档，调速范围有限，调速精度低，而电机始终在额定转速运行，利用效率差，齿轮箱体积庞大复杂，电器控制部分故障较多。
将变频器应用于各种大型自动化生产线和机械加工中，会大大提高金属切削车床的调速系统的静态、动态性能，保证系统的安全可靠经济运行。
该系统选用英威腾CHV100系列变频器，采用普通继电器实现逻辑控制。
主电动机可以正反转运行，速度有8三档，并具有点动微调功能。
关键词：
变频技术电力拖动变频器金属切削车床的变频调速系统
Abstract
Withtheincreasedfrequencytechnology,exchangemoreandmoreextensiveapplicationofthemotor,usingFrequencyControl,canimprovethecontrolprecisionmachineryproduction,productionefficiencyandproductquality,conducivetotherealizationoftheproductionprocessautomation,theelectricdrivesystemisexcellentControlperformance,andinmanyoccasionshavesignificantproductionofenergy-savingeffect.FrequencyControlisthecoreofFrequencyControl,theinverterandmotorcontrolwithconstitutesaFrequencyControlSystem.Thetraditionalmetal-cuttinglathespeedcontrolformanualshifting,speedlimitedinscope,low-speedprecision,andthemotoralwaysrunningintheratedspeed,poorefficiency,volumeoflargeandcomplexgearbox,electricalcontrolofthefaultmore.Converterwillbeappliedtoallkindsoflarge-scaleautomatedproductionlinesandmachineryprocessing,willgreatlyenhancethespeedmetal-cuttinglathesystemofstatic,dynamicperformance,andensuresafeandreliablesystemofeconomicoperations.
ThesystemchosenINVTCHV100seriesinverter,ageneralrealizationoftherelaylogiccontrol.Positiveandthemainmotorcanrun,speedislow,middleandhighthirdgearandhavetomovethefine-tuningfunction.
Keywords:
InverterTechnologyPowerInverterDragTheMetal-cutting
LatheSpeedControlSystem
目录
Abstract2
目录3
第一章交流变频调速器5
1.1变频调速器的基础知识6
1.1.1变频器的变频与变压6
1.1.2变频器的构成与功能8
第二章通用变频器的介绍9
2.1变频器的组成与功能9
2.1.1主控电路9
2.1.2面板控制器10
2.1.3外接给定与输入控制端10
2.1.4外接输出控制端10
2.2变频器的主要外接电路11
2.2.1外接主电路的结构11
2.2.2与工频切换的控制电路13
2.2.3正反转控制电路14
2.3变频器的主要参数简介15
2.3.1启停控制方式15
2.3.3频率给定方式17
2.3.5变频器参数18
2.3.6报警与故障参数19
第三章金属切削车床的变频调速系统19
3.1主运动的负载性质及对主拖动系统的要求19
3.1.1主运动的负载性质19
3.1.2主运动对主拖动系统的要求20
3.1.3系统框图20
3.2变频调速系统的设计方案20
3.2.1变频器的容量选择20
3.3变频调速系统控制系统及其工作过程21
3.3.1变频器接线22
3.3.2继电器控制电路22
结束语24
参考文献25
前言
机床技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。
车床是机床的主要品种之一，它在机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。
主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要的作用。
经济型车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能靠车床的齿轮箱中的大量齿轮啮合，然后手动变速。
而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。
目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机。
通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。
由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使主轴箱的结构大为简化。
由于变频器的高性价比，所以变频器在车床上使用非常普遍。
英威腾系列变频器以其独特的性能和优越的性价比，在机床变频调速的应用方面迅速崛起，已经成为目前市场上一支强大的生力军。
第一章交流变频调速器
在交流调速系统中，变频器的作用是将频率固定（通常为工频为50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成变频连续可调（多数为0-400Hz）的三相交流电。
如下图所示，变频器的输入端（R、S、T）接至频率固定的三相交流电源，输出端输出的是频率在一定的范围内连续变化可调的三相交流电，接至电动机
。
+
图1.1变频器的使用
1.1变频调速器的基础知识
1.1.1变频器的变频与变压
根据电机学原理可知，交流电动机的同步转速
（1-1）
感应电机负载转速
（1-2）
式中，f1为供电频率、p为电动机极对数、s为转差率。
由此可见，若能连续的改变感应电动机的供电频率f1，就可以平滑的改变电动机的同步转速和相应的电动机转速，从而实现感应电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。
变频调速的最大优点是：
电动机从高速到低速，其转差率始终保持最小的数值，因此变频调速时，变频调速器的功率因数都很高。
可见，变频调速时一种理想的调速方式。
但它需要特殊的变频装置供电，以实现电压和频率的协调控制。
由电机学知
（1-3）
（1-4）
式中，E1为气隙磁通在定子每相中的感应电动势的有效值（V）
f1为定子频率（Hz），N1为定子每相绕组串联匝数，KN1为基波绕组系数，Φm为每极气隙主磁通量（Wb），Te为电磁转矩（N.m），Cm为转矩系数，I2为转子电流折算至定子侧的有效值，cosa为转子电路的功率因数。
三相感应电动机正常运行时，定子阻抗压降很小，因此可以忽略，
则有
（1-5）
式中U1为定子相的电压（V）。
于是，主磁通
（1-6）
由于4.44N1KN1为常数，因此感应电动势的有效值与定子供电频率和主磁通的乘积成正比，由于U1没有变化，因此可以认为E1基本不变。
现假设从额定频率fN向下调节频率，此时主磁通将增加。
若从额定频率fN向上调节频率，此时主磁通将减少。
在关于电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通为额定值，由于磁通增加将会引起铁心过分饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因数降低;磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费。
而磁通减少也会使电动机的输出转矩下降，如负载转矩仍维持不变，势必导致定、转子过电流，也要产生过热，因此希望保持磁通恒定。
由此可见，只要控制好E1和f1，便可达到控制磁通的目的，对此，我们只需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。
（1）基频以下调速
由上可知，要保持主磁通不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低E1，使E1/f1=常数，即采用恒电动势频比控制方式。
然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏阻抗压降，而认为定子相电压U1和感应电动势的有效值E1大约相等，则得U1/f1=常数，即恒压频比控制方式。
低频时，U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较显著，不能忽略。
这时，可以人为地把U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。
（2）基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增高，但电压U1却不能增加得比额定电压U1N还要大，最多只能保持U1=U1N。
由U1=E1正比于f1与主磁通的乘积可知这将迫使磁通与频率成反比地减少，相当于直流电动机弱磁升速的情况。
感应电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压、频率均可调的供电电源，实现所谓的VVVF调速控制。
通用变频器可以实现本平台上的基本要求。
1.1.2变频器的构成与功能
变频器由主回路和控制回路组成。
在许多场合，为了保持调速时电动机的最大转矩不变，需要维持磁通恒定，以避免电动机带负载能力降低和要大负载下过电流，这就要求变频器输出电压值也要随输出频率的变化作相应调节。
而需要快速反应的场合，则必须控制输出电流。
此时，变频器主回路的输出电压或输出电流及频率由控制回路的控制指令进行控制，而控制指令由外部给定的运转指令经过某些函数关系的运算求得，整个系统时开环的。
而对于控制精度要求较高的场合，比如变频调速恒压供水系统电路，运算还应包括由电动机侧检测的反馈信号，此时系统时闭环的。
另外，为了避免主回路过压，过流引起的损坏，还应设有保护电路。
（1）主回路
将工频电源变成电压或电流及频率可调的交流电源来为感应电动机供电的电力变换部分为变频器的主回路。
主回路由变频器、滤波回路和逆变回路三部分组成，另外，一旦电动机需要制动，需附加“制动回路”。
（2）控制回路
现代通用变频器都是数字控制的，微处理器是控制回路的核心，它通过输入接口电路和通讯接口取得外部信号，通过检测回路取得电压、电流、温度、转速等运行信号，根据设置的运行方式，进行U／f控制、矢量控制或直接转矩控制，间控制命令传送给PWM控制回路，去触发逆变器，实现变频调速。
第二章通用变频器的介绍
2.1变频器的组成与功能
2.1.1主控电路
（1）主控电路的基本任务
1）接受各种信号：
在功能预置阶段，接受对各功能的预置信号；接受从键盘或外界输入端子输入的给定信号；接收从外接输入端子输入的控制信号；接受从电压、电流采样电路以及其他传感器输入的状态信号。
2）进行基本运算：
进行矢量控制运算或其他必要的运算；实时计算出SPWM波形各切换点的波形。
3）输出计算结果：
输出至逆变管模块的驱动电路，使逆变管按给定信号及预置要求输出SPWM电压波。
输出给显示器，显示当前的各种状态。
输出给外接输出控制端子。
（2）主控电路的其他任务
1）实现各种控制功能；
2）实施各项保护功能。
2.1.2面板控制器
操作面板由显示器和键盘输出器构成。
2.1.3外接给定与输入控制端
（1）外接给定端：
各种变频器都配有接受从外部输入给定信号的端子。
根据给定信号类别的不同，通常有电压信号给定端和电流信号给定端。
（2）外接输入控制端：
接受外部输入的各种控制信号，以便对变频器的工作状态和输出频率进行控制。
2.1.4外接输出控制端
（1）报警输出端：
通常采取继电器输出；
（2）测量信号输出端：
模拟量测量信号和数字量测量信号；
（3）状态信号输出端：
主要有运行信号、频率到达信号、频率检测信号等，各输出端的具体测量内容可通过功能预置来设置。
状态信号的输出电路通常是晶体管的集电极开路输出方式，用于直流低压电路中。
外电路可通过光电耦合管接受其信号，可直接用发光二极管来指示各种状态。
2.2变频器的主要外接电路
变频器的外接电路是变频器的接线端子和外围设备相连的电路，变频器的接线端子分为主回路端子和控制回路端子。
各变频器的主回路端子相差不大，通常用R、S、T表示交流电源的输入端，U、V、W表示变频器的输出端。
2.2.1外接主电路的结构
（1）单独控制的主电路
变频器在实际应用中，还需要和许多外接的配件一起使用，下图2.1所示为单独控制的外接主电路。
图中，QF是空气断路器，KM是接触器的主触点，UF是变频器。
图2.1变频器接入电路主电路
空气断路器的主要功能是：
1）隔离作用。
当变频器需要检修，或由于某种原因而长时间不用时，将QF切断，使变频器与电源隔离。
2）保护作用。
当变频器的输入侧发生短路故障时，进行保护。
接触器的主要功能是：
1）可通过按钮方便的控制变频器的通电与断电。
2）变频器发生故障时，可自动切断电源。
由于变频器有比较完善的过电流和过载保护功能，且空气断路器也具有过电流保护功能，因此进线侧可不必接熔断器。
又由于变频器内部具有电子热保护功能，因此在只接一台电动机的情况下，可不必接热继电器。
（2）和工频切换的主电路
图2.2变频和工频切换电路
和工频切换的必要性：
1）在供水系统中，为了减少设备的投资费用，常常采用有一台变频器来控制两台或三台水泵的方案。
其工作过程是：
首先由变频器控制一号泵，实行恒压供水，当工作频率已经达到49HZ或50HZ，而供水量尚不足时，则将一号泵切换成工频运行，再由变频器去启动二号泵。
2）某些生产机械是不允许停机的。
再“变频”运行时，当变频器因发生故障而跳闸时，需将电动机迅速切换至工频运行，使生产机械不停机。
3）用户可根据工作需要选择“工频运行”或“变频运行”。
该电路特点：
1）由于电动机具有再工频下运行的可能性，因此熔断器FU和热继电器FR是不能省略的。
2）在进行控制时，变频器的输出接触器KM2和工频接触器KM3之间必须有可靠的互锁，防止工频电源直接和变频器的输出端相接而损坏变频器。
2.2.2与工频切换的控制电路
（a）（b）
图2.3工频和变频切换电路图
（1）主电路如图2.3（a）所示，接触器KM1用于将电源接至变频器的输入端；KM2用于将变频器的输出端接至电动机；KM3用于将工频电源接至电动机，热继电器FR用于工频运行时的过载保护。
（2）控制电路如图2.3（b）所示。
对控制电路的要求是：
接触器KM2和KM3绝对不允许同时接通，互相间必须有可靠的互锁。
运行方式有三位开关SA进行选择。
当SA合至“工频运行”方式时，按下启动按钮SB2，中间继电器KA1得电吸合并自锁，其动合触点KA1（1—7）闭合，使接触器KM3得电吸合。
KM3的主触点闭合，电动机进入“工频运行”状态。
按下停止按钮SB1，中间继电器KA1和接触器KM3均失电，电动机停止运行。
当SA合至“变频运行”方式时，按下启动按钮SB2，中间继电器KA1得电吸合并自锁，其动合接触点KA1（1—7）闭合，使接触器KM2得电吸合。
KM2的主触点闭合，将电动机接至变频器的输出端。
KM2得电吸合后，其动断触点KM2（9—11）断开，使KM3失电释放，其主触点断开，电动机脱离工频电源；其动合接触点KM2（15—17）闭合，使KM1也得电吸合，其主触点闭合，将工频电源接到变频器的输入端，并允许电动机启动。
KM1的动合触点KM1（21—23）闭合，为KA2得电做准备。
按下SB4，中间继电器KA2得电吸合，其动合触点KA2（a—b）闭合，电动机开始加速，进入“变频运行”状态。
KA2动作后，其动合触点KA2（1—3）闭合，停止按钮SB1将失去作用，以防止直接通过切断变频器电源使电动机停机。
在变频运行过程中，如果变频器因故障而跳闸，则触点“PS（B—C）”断开，接触器KM2和KM1均失电，变频器和电源之间，以及电动机和变频器之间，都被切断。
与此同时，触点“PS（C—A）”闭合，一方面，由蜂鸣器HA和指示灯HL进行声光报警；同时，时间继电器KT得电，其触点KT（7—9）延时后闭合，使KM3得电吸合，电动机进入工频运行状态。
操作人员发现后，应将选择开关SA旋至“工频运行”位。
此时，声光报警停止，并使时间继电器KT断开。
2.2.3正反转控制电路
继电器控的正反转电路如图所示：
图2.4正反转控制电路图
KM是变频器通电接触器；KA1是正传控制继电器；KA2是反转控制继电器。
按钮SB2SB1用于控制接触器KM，从而控制变频器接通或切断电源；
按钮SB4SB3用于控制正转继电器KA1，从而控制电动机的正转运行和停止；
按钮SB5SB3用于控制反转继电器KA2，从而控制电动机的反转运行和停止。
正转与反转运行只有在接触器KM已经运作变频器已经通电的状态下才能运行。
与按钮SB1的动触点并联的KA1KA2的动合触点用以防止电动机在运行状态下通过KM直接停机。
2.3变频器的主要参数简介
2.3.1启停控制方式
变频器初上电时，处于待机状态。
此时其输出端子U、V、W没有电源输出，电动机处于停机状态。
若要启动变频器，使其输出预期频率的交流电源，则必须将其启动。
启动方式有以下几种：
可通过设置相关的参数进行选择，选择哪种方式应根据生产过程的控制要求和生产作业的现场条件等因素来确定，达到即满足控制要求，又能够以人为本的目的。
（1）操作面板的控制
通用的变频器均配有操作面板，其上有按键和显示器。
可以设定变频器的运行频率、监视操作命令、设定各种符号运行要求的参数和显示故障报警信息等，同时也可以利用其实的按键进行变频器的启停控制。
这种模式不需要外接其他的操作控制信号，可以直接在变频器的面板上进行远距离的操作。
一般采用面板控制方式的启停控制只有在变频器试用或者系统初期调试时使用，比较方便，但不使用与自动控制系统，用的较少。
对于台达VFD-F变频器，在选择操作面板控制方式时，则需将参数P01设定成0，由于为出厂设定值，可以不用设定。
其操作面板如下图所示：
图2.5变频器控制面板
表2.1VFD-F变频器操作面板按键功能
操作面板
功能说明
PRGM/RESET
选择正常操作模式或编程模式，在变频器运转或停机状态，按此键均有效，若变频器因异常情况而发生中断，在异常现象排除后，按此键可复位。
FWD/REV
按下此键会使电动机减速至0Hz，再以反方向开始加速至所设定的频率值。
JOG
按下此键，按着预先设定的点动频率执行点动运行。
FUNC/DATA
在正常操作模式下，按此键可显示变频器各项状态信息，如给定频率、输出频率及输出电流；在编程模式下压按此键、可显示参数内容，再压下此键可将更改过的数据写入可掉电记忆的存储器内。
RUN
启动运行键，若设定为外围端子控制，按此键无效。
STOP
停止运行键。
（2）外接端子控制方式
通用的变频器均有专门启停控制方式的外部端子，一般由外部的命令按钮或PLC的输出端子控制，适用于构成自动控制系统，用得较多。
（3）通信控制方式
目前的变频器一般都具有通信功能，通过RS485等通信链路实现PC机与变频器之间、变频器与变频器之间，以及变频器与PLC之间的数据交换，可以实现变频器的启停控制及参数设定等。
具有传输数据量大、节省导线等优点，在大型的自动化系统中应用较多。
2.3.2与频率设定相关的参数
（1）给定频率：
与频率给电信号相对应的频率称为给定频率
（2）输出频率：
即变频器实际输出的频率
（3）基本频率：
与变频器最大输出电压相对应的频率成为基本频率。
基本频率一般预置成电动机的额定频率，在我国为50Hz。
因此设定好后，基本频率是一定值，与给定信号无关。
（4）最大频率：
最大频率是与最大的给定信号相对应的频率，也是变频器允许输出的最高频率。
最大频率一般设置成等于电动机的额定频率。
设置好了最大频率，则外部频率给定信号和给定频率的对应关系就确定了。
（5）上限频率：
上限频率不同于最大频率，它和频率给定信号没有对应的关系。
上限频率应和生产机械所要求的最高转速相对应，一般不能超过最大频率。
变频器的输出频率不可能超过上限频率，因此它可以避免生产机械运行在过高的转速下。
（6）下限频率：
下限频率和生产机械所要求的的最低频率相对应。
变频器的输出频率不可能低于下限频率，有保护作用。
（7）启动频率：
启动频率即变频器启动时的开始频率。
由于在恒U/f控制方式下，在开始启动时，频率很低，电压很低，使得电动机启动转矩不足，对于较大的负载可能会造成电动机无法启动。
为了避免这一频率死区，可将启动频率设置为能够确保电动机正常启动的频率上。
但启动频率过高会造成电动机启动不平滑，对生产机械造成冲击。
需要注意的是，启动频率预置好后，小于该启动频率的运行频率将不能工作。
（8）跳跃频率：
任何机械都有一个固有振荡频率，在对机械进行无极调速时，其实际的频率也在不断的变化。
当两个频率相等时，机械将发生谐振，振荡加剧，可能损坏设备。
消除机械共振的方法很多，在变频器中，只要使其输出频率始终不经过导致谐振的频率值，就可以避免共振。
这个频率值就是跳跃频率。
（9）点动频率：
有时为了工件等的定位需要点动运行，此参数可设定点动运行速度。
2.3.3频率给定方式
所谓频率给定方式就是调节变频器输出频率的具体方法。
（1）外部模拟量给定方式
当给定信号为模拟量时，频率给定精度略低，给定信号有以下两种：
1）电压信号：
以电压大小作为给定信号，给定信号的范围一般0-10V。
2）电流信号：
以电流大小作为给定信号，给定信号的范围一般为4-20mA。
（2）数字量给定方式
即给定信号为数字量，频率给定精度高，常见的给定方式有两种：
1）操作面板给定：
即通过面板上的“加”键和“减”键来控制频率的上升和下降。
2）多挡转速控制：
在变频的外接控制端子中，通过必要的参数设置，可以将若干个输入端作为多挡转速控制端。
在变频的外接控制端子中，通过必要的参数设置，可以将8个输入端作为多档转速控制端。
根据这8个输入端子的状态（接通或断开）即位8档。
每一档可预置一个对应的工作频率。
这样电动机速度的切换就可以用外部开关通过改变外接控制端子的状态来实现。
（3）通信给定方式
有上位机通过通信接口进行设定，上位机一般为PC机或可编程控制器PLC。
2.3.4变频器的控制方式
（1）恒U/f控制
为了保证磁通为恒值，以充分发
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