變頻器數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的研究

任夢(mèng)羽 寧傳麗 鄭亞平

摘 要：在數(shù)控機(jī)床上，變頻器主要用于交流電動(dòng)機(jī)的控制，它不但起了節(jié)能和調(diào)速的作用，而且它的軟啟動(dòng)能夠保護(hù)附屬電氣設(shè)備，避免直接啟動(dòng)給機(jī)械設(shè)備造成沖擊，從而引起機(jī)械故障。因此變頻器是理想的調(diào)速和控制裝置。本文就變頻器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用及它在使用和維護(hù)中常見的問題進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：變頻器；數(shù)控機(jī)床；調(diào)速；節(jié)能；維護(hù)

1、引言

變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將把電壓、頻率固定不變的交流電變換成電壓、頻率可以改變的交流電的電能控制裝置。[1]作為能夠改變輸出頻率的設(shè)備，變頻器其主電路由整流器件、直流部分和逆變器件三部分組成。基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

整流器件作為變頻器與三相交流電相連的部分，把三相交流電變成直流電。直流部分是變頻器的信號(hào)控制部分。直流電部分取出所需的電壓，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和CPU控制器。驅(qū)動(dòng)電路用來實(shí)現(xiàn)逆變器件的驅(qū)動(dòng)，檢測(cè)電路用來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、電流和電壓的檢測(cè)，CPU控制器實(shí)現(xiàn)判斷和控制功能。而逆變器將直流電變換為所要求頻率的交流電。通過逆變器的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的驅(qū)動(dòng)，從變頻器輸出的電就變成了電壓為 380V，頻率可調(diào)的交流電，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成預(yù)想的控制工作。

2、變頻器特性及參數(shù)設(shè)置

2.1 變頻器的主要特性

變頻器通常通過控制面板的參數(shù)設(shè)定和選取，使其能夠在電控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，在數(shù)控機(jī)床的電控系統(tǒng)中變頻器的主要特點(diǎn)是：?jiǎn)?dòng)和停止時(shí)較平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，同時(shí)在調(diào)速時(shí)應(yīng)用范圍較廣。在工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的運(yùn)行，且操作簡(jiǎn)單方便，在輸出時(shí)可以滿足數(shù)控機(jī)床電動(dòng)機(jī)的性能要求[2]。

2.2 變頻器的參數(shù)設(shè)置

變頻器的參數(shù)對(duì)于變頻器的控制非常關(guān)鍵，是保證功能運(yùn)行的前提。其電動(dòng)機(jī)的額定電流、工作電壓、電機(jī)容量等參數(shù)的設(shè)置可以根據(jù)銘牌所給定的進(jìn)行設(shè)置。另外，在使用狀態(tài)顯示板時(shí)，應(yīng)注意其參數(shù)在使用時(shí)不可改變。只可以按事先設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)行，當(dāng)我們想讓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或停止或進(jìn)行正反轉(zhuǎn)時(shí)，可以在模擬輸入信號(hào)的控制下由開關(guān)量來實(shí)現(xiàn)。

3、變頻器在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用

自變頻技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的廣泛運(yùn)用開始，數(shù)控機(jī)床自身的科技技術(shù)含量便飛速提高，其智能化、數(shù)字化以及網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)也與我國當(dāng)下的數(shù)字機(jī)床應(yīng)有的相關(guān)要求相符，所以對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究就顯得很有現(xiàn)實(shí)意義。

3.1數(shù)控機(jī)床中變頻器的容量

在具體的數(shù)控機(jī)床中的變頻器選擇中，相關(guān)技術(shù)人員需要考慮數(shù)控機(jī)床電動(dòng)機(jī)的容量，以此進(jìn)行不同容量變頻器的選擇。這里需要注意的是一旦變頻器的容量相較于數(shù)控機(jī)床電動(dòng)機(jī)容量來說較小的話，就很容易出現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)行造成影響，甚至造成數(shù)控機(jī)床的損毀，而當(dāng)變頻器容量相關(guān)于數(shù)控機(jī)床電動(dòng)機(jī)容量來說較大的話則會(huì)使數(shù)控機(jī)床的諧波分量變大，造成資金浪費(fèi)的情況發(fā)生，所以在對(duì)數(shù)控機(jī)床使用的變頻器選擇中，相關(guān)技術(shù)人員必須嚴(yán)格按照以下規(guī)定進(jìn)行具體的選擇決策即通過對(duì)數(shù)控機(jī)床負(fù)載性質(zhì)的變化規(guī)律計(jì)算出負(fù)載電流大小[3]；通過負(fù)載電流計(jì)算結(jié)果，預(yù)選數(shù)控機(jī)床所使用的變頻器容量；對(duì)選擇的預(yù)選變頻器的過載能力與起動(dòng)能力進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2變頻技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的電力驅(qū)動(dòng)

在我國當(dāng)下數(shù)控機(jī)床中主要存在三種電力驅(qū)動(dòng)的類型，非別是進(jìn)給飼服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)裝式高速交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[4]。

進(jìn)給飼服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，是指數(shù)控車床中相關(guān)驅(qū)動(dòng)通過滾珠絲杠帶動(dòng)刀架運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀具工件加工的一種數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，經(jīng)過多年發(fā)展現(xiàn)已取代了直流伺服裝置。由于進(jìn)給飼服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，在對(duì)其進(jìn)行相關(guān)變頻技術(shù)的運(yùn)用中，最好采用交流變頻矢量控制技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)進(jìn)給飼服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的變頻調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)其再生制動(dòng)。

主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是一種速度與精度都較高的數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其運(yùn)行速度能夠達(dá)到15000-20000r/mm，而在我國當(dāng)下的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的變頻技術(shù)應(yīng)用中，其一般采用工“日T功率器件進(jìn)行自身的變頻調(diào)節(jié)，其能夠使主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，能夠有效的起到數(shù)控機(jī)床節(jié)電與性能保持的目的[5]。

電動(dòng)機(jī)裝式高速交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是我國現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，在我國現(xiàn)階段的數(shù)控機(jī)床中運(yùn)用的較為廣泛。電動(dòng)機(jī)裝式高速交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有機(jī)床主軸與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子合二為一的特點(diǎn)，這就使得其本身的轉(zhuǎn)數(shù)與精度較高，能夠適應(yīng)多種不同的加工需求。

4、變頻器在數(shù)控機(jī)床中故障與維修分析

在利用變頻器對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制時(shí)，變頻器在使用中需要與控制裝置相互配合，一起完成相關(guān)的控制程序。而機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)地分析故障原因并進(jìn)行維修為機(jī)床的保養(yǎng)非常重要，常見的變頻器故障現(xiàn)象如下。

4.1 變頻器過載

變頻器的過載經(jīng)常是因?yàn)榧铀贂r(shí)間短、直流制動(dòng)量過大或電網(wǎng)電壓太低等原因引起的。一般可通過延長加速時(shí)間、延長制動(dòng)時(shí)間、檢查電網(wǎng)電壓等解決故障。而電機(jī)過載是由于變頻器功率過小、電機(jī)負(fù)載過重而引起的，因此系統(tǒng)要選擇合適的變頻器以適應(yīng)電機(jī)。

4.2 欠壓、過壓

當(dāng)電壓過小或過大時(shí)，變頻器的檢測(cè)元件會(huì)自動(dòng)保護(hù)變頻器，變頻器停止工作。欠壓、過壓故障主要是因?yàn)橥獠侩娫吹墓收弦鸬?，也有少?shù)故障是檢測(cè)電路損壞引起的。如過壓有可能是因?yàn)闇p速時(shí)間太短或制動(dòng)電阻損壞造成的。遇到欠壓、過壓故障時(shí)，先檢查檢測(cè)電路是否完好，然后再對(duì)外部電源進(jìn)行檢查。

4.3 過流

當(dāng)電流過大時(shí)變頻器啟動(dòng)過流保護(hù)，變頻器停止工作。一般可從外部電器和變頻器本身分析過流故障。由外部電器引起的過流故障如下：電機(jī)負(fù)載突然增大，造成沖擊而引起過流；電機(jī)和電機(jī)電纜相間或相對(duì)地的絕緣破壞，造成匝間或相間對(duì)地短路，因而導(dǎo)致過流；當(dāng)裝有測(cè)速編碼器時(shí)，速度反饋信號(hào)丟失或非正常時(shí)，也會(huì)引起過流，這時(shí)需要檢查編碼器和其電纜。由變頻器本身引起的過流故障維修中，遇到過流故障，我們先用電流表測(cè)量變頻器輸出的電流。看輸出電流是否平衡，如果輸出不平衡，說明變頻器內(nèi)部器件有問題。變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控制線圈上需加裝防止沖擊電壓的吸收裝置，盡量縮短控制回路的配線距離，并使其與主線路分離，采用屏蔽線回路。數(shù)控機(jī)床的變頻器安裝時(shí)，由于其集成度高，整體結(jié)構(gòu)緊湊，自身散熱量較大的特點(diǎn)，對(duì)安裝環(huán)境的溫度、濕度和粉塵含量以及電網(wǎng)質(zhì)量要求較高，保證變頻器在較低的溫度狀態(tài)下運(yùn)行是延長變頻器壽命的基本要求。變頻器在使用前應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的外部條件進(jìn)行檢查，不能滿足要求時(shí)應(yīng)采取有效措施加以解決，從而杜絕外部環(huán)境對(duì)變頻器的影響。

5、總結(jié)

隨著變頻器不斷的改善和技術(shù)的不斷提高，使得其在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用越來越廣泛。變頻器的使用在一定程度上不僅節(jié)約了大量的開關(guān)元件和相關(guān)的電器元件。同時(shí)對(duì)機(jī)床加工時(shí)的精度保障和加工工件時(shí)的生產(chǎn)效率有了極大的提高。另一方面變頻器也可以改變機(jī)床的控制和驅(qū)動(dòng)方式，適應(yīng)了多種多樣的工件的生產(chǎn)，大大提高了工作效率，減少了數(shù)控機(jī)床的維修工作。

參考文獻(xiàn)：

[2] 韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 吳文龍.數(shù)控機(jī)床控制技術(shù)基礎(chǔ)——電氣控制基本常識(shí)[M].高等教育出版社.

[4] 李發(fā)海.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].清華大學(xué)出版社，2005.

[5] 王愛玲，白恩遠(yuǎn).現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.