趙宏霞，魏東坡

（1.德州亞太集團(tuán)有限公司，山東 德州 253000；2.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

數(shù)控車床中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)探析

趙宏霞1，魏東坡2

（1.德州亞太集團(tuán)有限公司，山東 德州 253000；2.山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

文章闡述了變頻調(diào)速技術(shù)自身特征以及基本原理，探析了數(shù)控車床對變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用。

數(shù)控車床；變頻調(diào)速技術(shù)；應(yīng)用

數(shù)控車床技術(shù)主要是對數(shù)字控制操作的工作母體總稱，該車床上集合了機(jī)械制造技術(shù)、功率電子技術(shù)以及微電子技術(shù)等各種技術(shù)為一體，兼?zhèn)淞烁咝?、高精度以及高柔性的自動化生產(chǎn)設(shè)備。在數(shù)控車床上應(yīng)用上了變頻調(diào)速技術(shù)之后，提高了數(shù)控車床的制造能力。因此，探究變頻調(diào)速技術(shù)在數(shù)控車床的應(yīng)用具有實用價值。

1 變頻調(diào)速特征以及基本原理

（1）變頻調(diào)速特征。在數(shù)控車床的主軸上，其車床的主軸控制裝置都是采用了交流變頻器對交流主軸電機(jī)進(jìn)行控制，這種控制方式具有速度穩(wěn)定性高、調(diào)速范圍寬、過載能力強(qiáng)以及加減速時間比較短，同時還有振動小、噪聲低以及壽命長等各種特征。

（2）主軸變頻調(diào)控的基本原理。從異步電動機(jī)理論上能夠得到，主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：

N=(60f1/p)(1-s)=n0-Δn （1）

如果不計定子阻抗的壓降，那么異步電動機(jī)的定子電路電壓平衡方程是：

U1=E1=4.44f1N1ΦmΚw1 （2）

該式子中的P表示電動機(jī)極對數(shù)；S表示轉(zhuǎn)差率；f1表示供電電源頻率；n0表示同步轉(zhuǎn)速；U1表示定子繞組的相電壓；E1表示定子繞組的感應(yīng)電動勢；Φm表示表示每極對氣隙磁通。

從（1）式中就能夠看出，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率成正比，一旦改變了頻率就能夠平滑調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。從變頻器角度來看，頻率調(diào)節(jié)范圍比較寬，能夠在0～400Hz間進(jìn)行任意調(diào)節(jié)。所以主軸電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍比較寬。

從（2）式中就能夠看出，一旦頻率變化之時不但影響電機(jī)運(yùn)行速度，同樣也會影響到電機(jī)的內(nèi)部磁通量與各個部分磁路的磁通密度變化。改變電源的頻率能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速調(diào)速，同樣會導(dǎo)致氣隙磁通量發(fā)生變化，影響電機(jī)性能。當(dāng)進(jìn)行變頻調(diào)速之時，改變電源頻率之時就會改變電源電壓，確保氣隙磁通量不變，電機(jī)就能夠得到良好運(yùn)行性能，就能夠有效的實現(xiàn)變頻調(diào)速功能。

2 數(shù)控車床中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)

2.1 應(yīng)用變頻調(diào)速進(jìn)行控制原因

應(yīng)用變頻調(diào)速進(jìn)行控制的主要原因，主要體現(xiàn)在以下5個方面：

（1）變頻調(diào)速產(chǎn)品技術(shù)成熟，性能可靠，被廣泛使用在異步電動機(jī)的控制系統(tǒng)中。

（2）通過變頻器中外接控制端子，能夠體現(xiàn)出運(yùn)行狀態(tài)時輸出端子及可編碼功能。能夠依據(jù)被控對象與控制方式差異靈活設(shè)定與選擇，略掉了中間轉(zhuǎn)換控制。

（3）啟停電動機(jī)的時間以及電流能夠進(jìn)行手動編碼或者自動設(shè)置完成，降低原來方式中的起動電流比較大，機(jī)械沖擊比較大。

（4）當(dāng)主電路進(jìn)行相序切換時就采用變頻器的內(nèi)部集成電路完成控制，同時還要設(shè)置電動機(jī)轉(zhuǎn)速在制動后能夠自動解除，防止因操作不當(dāng)大電路流入電動機(jī)。

（5）變頻器能夠自動彌補(bǔ)電網(wǎng)中電壓波動，能夠設(shè)置來電繼續(xù)加工和自動延時關(guān)機(jī)等各種功能，實現(xiàn)自動化過程。

2.2 變頻調(diào)速器

變頻調(diào)速器就是運(yùn)用電力半導(dǎo)體器件具有的通斷作用，把工頻電源轉(zhuǎn)換成另一個頻率電能控制裝置，能夠把電網(wǎng)中的恒壓及恒頻交流電轉(zhuǎn)變成變頻變壓的交流電。數(shù)控車床中應(yīng)用變頻調(diào)速就是為了提升調(diào)速特性，讓被調(diào)交流電機(jī)處于低轉(zhuǎn)差率運(yùn)行，有效降低了轉(zhuǎn)子損耗及起動電流的沖擊，確保了系統(tǒng)以及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，并且這種運(yùn)行模式精度高、調(diào)速范圍較寬及速度的穩(wěn)定性好。在應(yīng)用中變頻器選用及容量選擇非常重要。

（1）變頻器的選用。①選擇變頻器類型。數(shù)控車床中使用變頻調(diào)速技術(shù)，出了考慮到了靜態(tài)速度精度、調(diào)速范圍、負(fù)載情況以及起動轉(zhuǎn)矩之外，還要考慮控制方式。如今數(shù)控車床上所用變頻調(diào)速主要有矢量控制與標(biāo)量控制兩種，標(biāo)量控制是低頻時其轉(zhuǎn)矩不夠，速度穩(wěn)定性差；所以這種控制方式已經(jīng)逐漸被淘汰，因此矢量控制正被大量推廣。矢量控制就是讓鼠籠式異步電動機(jī)如直流電機(jī)具備較高的運(yùn)行性能及控制性能，且經(jīng)過控制變頻器所輸出電流大小、相配位以及頻率，通過電流來維持電動機(jī)內(nèi)部磁通的設(shè)定值而產(chǎn)生出所需轉(zhuǎn)矩。這種控制方式非常優(yōu)良，就能夠適應(yīng)高速響應(yīng)場合要求，調(diào)速范圍較大，還能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。②功率選定。系統(tǒng)效率即為變頻器和電機(jī)效率之乘積，因此要實現(xiàn)系統(tǒng)最佳效率必需要二者均具備較高效率。所以一般情況下，就要確保變頻器功率和電機(jī)的功率值接近，才能夠讓變頻器處于高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦電機(jī)頻繁啟動及制動，或者重載啟動，就應(yīng)該選用大一級變頻器，確保變頻器安全、長時間運(yùn)行。③選擇變頻器容量。選擇變頻器容量是一個比較重要、復(fù)雜的問題，就需要考慮到變頻器和電動機(jī)二者容量的匹配，如果變頻器容量偏小必然會影響電機(jī)的輸出力矩，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，乃至損壞裝置。如果容量偏大，必然會增大電流諧波分量，增大設(shè)備的投資。

選擇變頻容量分成三步驟；①了解負(fù)載的性質(zhì)及變化規(guī)律，計算負(fù)載電流大小或者負(fù)載電流圖，I=f(t)；②要預(yù)選變頻器的容量；③對變頻器進(jìn)行校驗預(yù)選，還可能校驗過載能力及起動能力。如果均能通過，就選定了預(yù)選變頻器容量，否則就要返回到第二步重新進(jìn)行，一直到通過。當(dāng)然只有滿足生產(chǎn)的機(jī)械要求下還要考慮容量大小，容量越小才越經(jīng)濟(jì)。

（2）連接變頻器方式及速度控制。在數(shù)控車床中連接變頻器的方法如圖1所示：

圖1 變頻器的控制示意圖

該連接模式分為了部分，①數(shù)控裝置的變頻器之間正反轉(zhuǎn)信號；②數(shù)控裝置傳遞給變頻器頻率或者速度信號；③變頻器傳遞給數(shù)控裝置的故障等各種狀態(tài)信號。變頻器操作及反饋都是通過數(shù)控面板編程與顯示的。

速度調(diào)控且是調(diào)速時，就是經(jīng)過數(shù)控裝置至變頻器模擬通道傳遞速度信號，并且經(jīng)過變頻器內(nèi)部設(shè)置的輸入信號和設(shè)定頻率的特性曲線，數(shù)控裝置就能夠便利的自由控制主軸速度。變頻調(diào)速特性曲線主要包含了電壓（電流）信號，正（反）作用以及單（雙）極性各種配置，有效滿足了數(shù)控車床的自由調(diào)速、正反轉(zhuǎn)以及變速切削要求。所以應(yīng)用變頻調(diào)速更為便利和準(zhǔn)確，只需要將所需轉(zhuǎn)速直接輸入到數(shù)控面板上，就能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，實現(xiàn)恒線性的切削要求。

2.3 變頻電機(jī)

（1）變頻電機(jī)特征。變頻電機(jī)就是針對三相異步電動機(jī)中各種缺陷，針對電磁和結(jié)構(gòu)方面做的特別設(shè)計。這種電機(jī)具備啟動扭矩大、過載能力強(qiáng)，當(dāng)臨界轉(zhuǎn)差率靠近1時就會直接啟動，其調(diào)速范圍比較寬，振動小、效率高以及噪聲低等各種特征。相比普通電機(jī)該電機(jī)可靠性更好，更安全，解決普通電動機(jī)啟動之時存在過載能力差、啟動扭矩不足等各種缺陷。

（2）確定變頻電機(jī)的類型及功率。選擇變頻電機(jī)和普通電機(jī)基本相似，選擇時就要依據(jù)負(fù)載性質(zhì)與生產(chǎn)工藝對電機(jī)起動、反轉(zhuǎn)、制動以及調(diào)速等各種要求，其轉(zhuǎn)速和功率以及扭矩關(guān)系如圖2所示。主軸的轉(zhuǎn)速nj之時由主軸傳遞所有功率時最低轉(zhuǎn)速。

圖2 轉(zhuǎn)速和扭矩及功率關(guān)系

從該轉(zhuǎn)速到主軸中最高轉(zhuǎn)速均能夠傳遞全部功率，且扭矩則隨著轉(zhuǎn)速增加而減低，即為恒功率的工作范圍。當(dāng)?shù)陀诹薾j之時各級的速度扭矩不變，即為該機(jī)床上最大的傳遞扭矩，轉(zhuǎn)速提高必然增加功率，即為恒扭矩的工作范圍。所以選擇電動機(jī)類型之時就要確定出基本轉(zhuǎn)速以及最高轉(zhuǎn)速，把基本轉(zhuǎn)速換成基本頻率，比如如今許多數(shù)控車床中將基頻定位了50Hz或者60Hz，并在該基點上，按主軸最高轉(zhuǎn)速計算最高速的頻率，確定出變頻調(diào)速范圍。功率確定相對簡單，所選功率只需要比普通車床小即可，或者依照同類產(chǎn)品比較確定出電動機(jī)功率。

3 結(jié)語

在數(shù)控車床中應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，有效簡化主傳動機(jī)械機(jī)構(gòu)，確保主軸最佳的運(yùn)行特性，有效實現(xiàn)了高效率切削與較高加工精度，確保低速與高速下輸出較大力矩。因此，該技術(shù)必然在數(shù)控車床中廣泛應(yīng)用。

An Investigation into the Application of Variable Frequency Speed Control Technology in NC Lathe

ZHAO Hong-xia1,WEI Dong-po2
(1.Dezhou Yatai Group Co.,LTD.,Dezhou Shandong,253000 China;2.Shandong Huayu Institute of Technology, Dezhou,Shandong,253000 China)

This paper expounded the characteristics and basic principle of variable frequency speed regulation technology,investigated the application ofvariable frequency speed control technology in numerical control lathe.

NC lathe;variable frequency speed control technology;application

TG659

A

2095-980X（2015）04-0013-02

2015-02-15

趙宏霞（1978-），女，吉林吉林人，工程師，主要研究方向：機(jī)電一體化。