变频器在镗床进给系统改造中的应用
2017-7-3 来源：变频器；直流调速系统；镗床；进给；驱动 作者：程海龙 ，王慧
摘要：针对英镗机床存在的滑枕易损坏问题，将机床的进给系统改造成由变频器驱动，提高设备稳定性，降低工人的劳动强度。
关键词：变频器；直流调速系统；镗床；进给；驱动
做为粗加工的 10 英寸铣镗 （下称：英镗） 是50 年代的陈旧设备，设备状态已不稳定，特别是滑枕走刀部分进给传动离合器经常打滑发热，甚至抱死，无法脱开，致使离合器线圈经常烧坏。由于离合器安装空间小，拆装不便，给设备维修带来很大困难。为此笔者结合变频器在其他设备上的使用效果，对英镗进给控制系统进行改造。
1.异步电动机调速原理及选择
1.1 异步电机调速原理
异步电机转动是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此，转子的转速 n必须低于定子磁场的转速 n0，两者之差称为转差：
由此可知异步电动机有以下几种调速方法：（1） 改变磁极对数 p； （2） 改变转差率 s； （3）改变频率 f （变频调速）。本次改造利用 ACS510 变频器可连续改变供电电源频率的特性，连续平滑地调节电动机转速。异步变频调速电机具有调速范围广，调速平滑性能好，机械特性较硬的优点，可以方便地实现恒转矩或恒功率调速，其调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十分相似。
1.2 异步电动机的选择
电机的“扭矩”
根据对各镗床进给系统对比分析可知，英镗的滑枕横截直径面积为 0.7 m2，德系镗铣床滑枕的横截面积为 0.2 m2，即存在一定差距。
德系镗铣床进给系统的电机功率 40 k W，转速1 500 r/min，电机的转矩 T=254.67 N·m；原英镗滑枕驱动主轴电机功率 100 k W，电机转速为 1 500 r/min，电机的转矩为 636.67 N·m，依据英镗老化程度及上述统计的机床数据，估算英镗滑枕驱转矩约为 350 N·m，由此根据滑枕电机的驱动转矩及进给电机需要的最低转速，算出电机功率为 30 k W，转速 730 r/min，最终选定 YZP250M-8，30 k W 电机。
2.变频器的控制系统
2.1 电气原理图设计
本文所选变频器的频率范围为 0～400 Hz。三相 380 V 交流电压通过断路器 QF1001 和接触器K1001 接到变频器的电源输入端 U11、V11、W11上，变频器输出电压 U2、V2、W2 接到负载电动机 M 上。QF1001 是电源总开关，有短路和过载保护作用，K1001 是送电接触器，当控制回路给出送电指令后，接触器吸合。制动电阻直接接到 R- 与R+端，在电动机制动时，会有部分能量要回馈到变频器内部，制动电阻的作用就是负责消耗这部分能量。对滑枕正反转的快速移动控制是通过K75、 K106、 K107 继电器带动辅助点实现 。 当K75 和 K106 继电器吸合时 ， 端 子 DL1、 DL2、DL3 得电，变频器作正向快速运转，当 K75 和K107 继电器吸合时，端子 DL1、DL3 得电，变频器作反向快速运转。对滑枕进给控制是通过变频器的模拟 I/O 端子排，用电位计控制 AL1 端的模拟量输入电压，改变变频电机的输出频率，调节电机速度；当 K75、K106 继电器吸合时，DL1、DL2得电，DL3 失电，电机正方向进给，通过调节RP101 调节电机正向进给速度；当 K75、K107 继电器吸合时，DL1 得电，DL2、DL3 失电，电机反方向进给，调节 RP101 调节电机反向进给速度（见图 1、图 2、表 1）。
2.2 程序和电气回路设计
由于英镗是老旧设备，为了使机床更好地启动，克服滑枕间隙大，启动冲量大，启动矩大的缺点，特设计滑枕停止反向程序，以降低启动冲量 （见图 3）。
图 1 ACS510 变频器调速原理图 1
图 2 ACS510 变频器调速原理图 2
由图 3 可知，当 SW2B 的滑枕和主轴选出按钮按下，PLC 输入点 I0.09 闭合，在其他条件均满足的条件下，ZW 快速正向 207.01 启动，205.08 中间继电器自锁，205.08 中间继电器吸合；0.8 s 后，TIM023 时间继电器吸合；TIM023 时间继电器动作，带动 ZW 快速反向继电器启动，滑枕停止反向启动；205.08 中间继电器吸合，1.6 s 后 TIM022 继电器动作，滑枕停止。
2.3 变频器参数设置
在变频器的输入项目中有些是电机基本参数，如电机的功率、额定电压、额定电流、额定转速、极数等。这些参数非常重要，将直接影响变频器中一些保护功能的正常运行，一定要根据电机的实际参数正确输入，以确保变频器的正常使用。本文所选电机参数如下：电机型号 YZP-250M-8，
表 1 输入/输出地址表
图 3 滑枕停止反向程序
电机 30 k W，额定电压 380 V，额定电流 63.4 A，电机的额定转速 730 r/min。所对应电机的变频器参数：
9901：电机语言选择，参数为 1=中文
9902：应用宏，参数为 1 标准宏
9905：电机额定电压，380 V
9906：电机额定电流，参数为 63.4 A
9907：电机额定频率，参数为 50 Hz
9908：电机的额定转速，设定参数为 730 r/min
9909：电机额定功率，参数为 30 k W
1103：给定值 1 选择，设定参数 1
1104：给定 1 最小值，参数为 0
1105：给定参数最大值，参数为 50
1201：恒速选择，参数为 3
1202，恒速 1，设定恒速 1 为 30 Hz
2101：起动功能，设定参数 1
2210：转矩提升电流，设定参数35.5 A
3.变频器常见故障排除
（1） 过流 （OVERCURRENT）表现为输出电流过大。检查和排除步骤：①电机是否过载；②加速时间是否过短 （参数 2202ACCELER TIME 1 （ 加 速 时 间 1） 和 2205ACCELER TIME 2 （加速时间 2））；③电机是否发生故障，具体检查是否电机电缆故障或接线错误。
（2） 直流过压 （DC OVERVOLT）表现为中间回路 DC 电压过高。检查和排除步骤：①输入侧的供电电源发生静态或瞬态过电压；②减速时间是否过短 （参数 2203 DECELER TIME1 （减速时间 1） 和 2206 DECELER TIME 2 （减速时间 2））；③过电压控制器是否处于正常工作状态。
（3） 过温 （DEV OVERTEMP）表现为散热器过温，温度达到或超过极限值。其中，R1～R4 ：115 ℃，R5/R6：125 ℃。检查和排除步骤：①风扇是否发生故障；②空气流通是否受阻；③散热器是否积尘；④环境温度是否过高；⑤电机负载是否过大。
（4） 短路 （SHORT CIRC）表现为短路故障。检查和排除步骤：①电机电缆或电机是否短路；②供电电源是否发生扰动。
（5） 直流欠压 （DC UNDERVOLT）表现为中间回路 DC 电压不足。检查和排除步骤：①供电电源是否缺相；②熔断器是否已熔断；③主电源是否欠压。
（6） ALI 丢失 （AI1 LOSS）表现为模拟输入 1 丢失。具体为模拟输入值小于参数 3021 AI1FLT LIMIT （AI 故障极限） 的值。检查和排除步骤：①检查模拟输入信号源及其接线；②检查参数 3021 AI1FLT LIMIT （AI 故障极限） 的设置值，并且检查 3001 AI<MIN FUNCTION（AI 故障功能）。
（7） 电机过温 （MOT TEMP）表现为电机过热，根据传动的估算或温度反馈信号。检查步骤：①检查电机是否过载；②调整用于估算的参数 （3 005 ～ 3 009）；③检查温度传感器和参数组 35 中的参数设置。
（8） 控制盘丢失 （PANEL LOSS）表现为控制盘通讯丢失，并且传动处于本地控制 （控制盘显示 LOC，本地），或者传动处于远程控制模式 （REM，远程），且起/停/方向/给定值信号来自控 制盘。检查步骤：①通讯链路和接线是否正常；②检查参数 3002 PANEL COMM ERROR（控制盘丢失故障）；③检查参数组 10 的参数：控制命令输入和参数组 11 给定选择 （传动单元运行于 REM （远程） 模式） 是否有误。
（9） 电机堵转 （MOTOR STALL）表现为电机或工艺堵转，电机运行于堵转区。检查步骤：①是否过载；②电机功率是否不够。
（10） 接地故障 （EARTH FAULT）具体表现包括在电机或电机电缆处检测到的接地故障；在传动运行或停止时都监控到接地故障；在传动停止时接地故障检测的灵敏度更高，并且能够报告发生故障的位置。检查及纠正步骤：①检查/排除进线接地故障；②确认电机电缆没有超过最大允许长度；③如果输入电源是三角形连接，而且输入功率电缆的电容很大, 则确认是否发生导致传动停止情况下的接地故障误报。如要禁止传动停止时的故障检测功能，可使用参数 3023 WIRINGFAULT （接线故障）。如要禁止所有的接地故 障检测功能，可使用参数 3017。
（11） 欠载 （UNDERLOAD）表现为电机负载低于期望值。检查负载是否被断开。
（12） 电源缺相 （SUPPLY PHASE）表现为 DC 回路的纹波电压太高。检查步骤：①主电源是否缺相；②熔断器是否熔断。
（13） 电机缺相 （MOTOR PHASE）表现为电机回路有故障或电机有缺相。检查步骤：①电机是否发生故障；②电机电缆是否发生故障；③热敏继电器是否发生故障 （如果使用）；④内部是否发生其它故障。
（14） 输出接线故障 （OUTPUT WIRING）表现为功率接线错误。当传动停止时，该故障代码监测着传动输入功率电缆和输出 功率电缆的正确连接。检查步骤：①输入电缆连接是否不正确，即电源电压是否没有接到传动输出；②如果输入功率电缆是三角形连接，而且输入功率电缆的电容比较大，则判定有可能出现接地故障误报的情况。
4 与传统调速系统对比分析
4.1 性能比较
英镗原进给部分采用 KSA23-90 A/220 V 数控直流调速系统驱动直流电机，也可以平滑而经济地调速。但是，结构复杂，维修成本高，劳动强度大。经过本次系统改造，采用变频器驱动变频电机，调速性能好，控制精度和调速的平滑性很高，调速范围广，通用性强，能满足任何工况对传动速度范围和精度的要求，能实现平滑无级变速；且电机平衡质量高，电机风扇能有效散热，可实现高速或低速长期运行。同时，变频器对变频电机保护更有效，在电机过载，外部线路出现故障时，能够及时报警，且查找排除设备故障快速、准确；降低设备大故障的发生机率。
4.2 成本比较
传统的直流调速系统控制器的造价成本大约为27 026 元 （机床的主控制系统 13 280 元；电机8746 元；零散配件 5000 元），机床电机寿命大约 5年。每年修 4 次，每次约为 1 500 元左右。变频调速控制系统的制造成本为 19 843 元 （机床主控制系统 5 510 元；电机 9 333 元；零散配件 5 000元）。改造后的进给系统使用至今没有发生故障。
5.结语
通过本次变频调速系统的改造，再次证明变频器在机床进给系统上比传统直流调速系统更有优势。本次改造重点是机床快速传动机构，对 1~7Hz 频率范围电机传动改进效果一般，可在进一步改造中通过降低齿轮啮合传动比来解决此问题，改进后，变频调速系统对机床进给系统的控制将更加完善。
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