刨台运动的变频调速改造

    一、变频调速系统及设计要点    1．变频调速系统的构成    刨台的拖动系统采用变频调速后，主拖动系统的只需要一台异步电动机就可以了，与直流电动机调速系统相比，新系统结构变得简单多了，如图8.16所示。由专用接近开关得到的信号，接至PLC的输入端，PLC的输出端控制变频器，以调整刨台在各时间段的转速，可见，控制电路也比较简单明了。
    图8.16    刨台的变频调速系统框图    2．采用变频调速的主要优点    (1)减小了静差度。由于采用了有反馈的矢量控制，电动机调速后的力学性能很“硬”，静差度可小于3%。    (2)具有转矩限制功能。下垂特性是指在电动机严重过载时，能自动地将电流限制在一定范围内，即使堵转也能将电流限制住。新系列的变频器都具有“转矩限制”功能，十分方便。    (3)“爬行”距离容易控制。各种变频器在采用有反馈矢量控制的情况下，一般都具有“零速转矩”，即使工作频率为0Hz，也有足够大的转矩，使负载的转速为0r/min，从而可有效地控制刨台的爬行距离，使刨台不越位。    (4)节能效果可观。拖动系统的简化使附加损失大为减少，采用变频调速后，电动机的有效转矩线十分贴近负载的机械特性，进一步提高了电动机的效率，其节能效果是十分可观的。    二、刨台往复运动的控制    1．对刨台控制的要求    (1)控制程序。刨台的往复运动必须能够满足刨台的转速变化和控制要求。    (2)转速的调节。刨台的刨削率和高速返回的速率都必须能够十分方便地调节。    (3)点动功能。刨台必须能够点动，常称为“刨台步进”和“刨台步退”，以利于切削前的调整。    (4)联锁功能。    ①与横梁、刀架的联锁。刨台的往复运动与横梁的移动、刀架的运动之间必须有可靠的联锁。    ②与油泵电动机的联锁。一方面，只有在油泵正常供油的情况下，才允许进行刨台的往复运动；另一方面，如果在刨台往复运动过程中，油泵电动机因发生故障而停机，刨台将不允许在刨削中间停止运行，而必须等刨台返回至起始位置时再停止。    2．变频调速系统的控制电路    变频调速系统的控制电路如图8.17所示，其控制特点如下。
    图8.17    刨台往复运动的控制    (1)变频器的通电。当空气断路器合闸后，由按钮SB1和SB2控制接触器KM，进而控制变频器的通电与断电，并由指示灯HLM进行指示。    (2)速度调节。    ①刨台刨削速度和返回速度分别通过电位器RP1和RP2来调节。    ②刨台步进和退步的转速有变频器与之的点动频率决定。    (3)往复运动的启动。通过按钮SF2和SR2来控制，具体按哪个按钮，须根据刨台的初始位置来决定。    (4)故障处理。一旦变频器发生故障，触点KF闭合，一方面切断变频器的电源，同时指示灯HLT亮，进行报警。    (5)油泵故障处理。一旦变频器发生故障，继电器KP闭合，PLC将使刨台在往复周期结束之后停止刨台的继续运行。同时指示灯HLP亮，进行报警。    (6)停机处理。正常情况下按ST2，刨台应在一个往复周期结束之后才切断变频器的电源，如遇紧急情况，则按ST1，使整台刨床停止运行。    3．电动机的选择    (1)原刨台电动机的数据为：PMN=60kW，nMN =1800r／min。    (2)异步电动机容量的确定。由于负载的高速段具有恒功率特性，而电动机在额定频率以上也具有恒功率特性，因此，为了充分发挥电动机的潜力，电动机的工作频率应适当提高至额定频率以上，使其有效转矩如图8.18中的曲线②所示。图中，曲线①是负载的机械特性。由图可以看出，所需电动机的容量和面积OLKK′成正比，和负载实际所需功率十分接近。上述A系列龙门刨床的主运动在采用变频调速后，电动机的容量可减小为原用直流电动机的3/4，即45kW就已经足够。考虑到异步电动机在额定频率以上时，其有效转矩仍具有恒功率的特点，但在高频时其过载能力有所下降，为留有余地，选择55kW的电动机，其最高工作频率定为75Hz，如图8.18所示。
    图8.18    变频后有效转矩曲线    (3)异步电动机的选型，一般来说，以选用变频调速专用电动机为宜。当选用YVP250M-4型异步电动机，其主要额定参数：PN=55kW，IMN=105A，TMN=350.1N·m。    4．变频器的选型    (1)变频器的型号。考虑到龙门刨床本身对机械特性的硬度和动态响应能力的要求较高。近年来，龙门刨床常常与铣削或磨削兼用，两铣削和磨削时的进刀速度约只有刨削时的1%，故要求拖动系统具有良好的低速运行性能。    (2)日本安川公司生产的CIMR-G7A系列变频器，其逆变电路由于采用了三电平控制方式，因而具有以下主要优点。    ①减少了对电动机绝缘材料的冲击。    ②减少了由载波频率引起的干扰。    ③减少了漏电流。    除此之外，即使在无反馈矢量控制的情况下，也能在0.3Hz时输出转矩达到额定转矩的150%。所以选用“无反馈矢量控制”的控制方式也已经足够。当然，如果选择“有矢量控制”的控制方式，将更加完美。    5．变频器的功能预置    变频器的功能预置方法可参照CIMR-G7A系列变频器的使用手册。具体说明如下。    1) 频率给定功能    B1-01=1-控制输入端A1和A3均输入电压给定信号。    H3-05=2-当S5断开时，由输入端A1的给定信号决定变频器的输出频率；当S5闭合时，由输入端的给定信号决定变频器的输出频率。    H1-03=3-使S5成为多挡速的输入端，并实现上述功能。    H1-06=6-使S8成为点动信号输入端。    d1-17=10Hz-点动频率预置为10Hz。    2)运行指令    b1-02=1-由控制端输入指令运行。    b1-03=0.5Hz-按预置的减速时间减速并停止。    B2-2=100%-直流制动电流等于电动机的额定电流（无速度反馈时）。    E2-03=30A-直流励磁电流（有速度反馈时）。    B2-04=0.5 s-直流制动时间为0.5s。    L3-05=1-运行中的自处理功能有效。    L3-06=160%-运行中自处理的电流限值为电动机额定电流的160%。    3) 升、降速特性    (1)升、降速时间。   C1-01=0.5s-升速时间预置为5s。    C1-02=0.5s-降速时间预置为0.5s。    (2)升降速方式。    C2-01==0.5s-升速开始时的时间。    C2-02==0.5s-升速完了时的时间。    C2-03==0.5s-降速开始时的时间。    C2-04==0.5s-降速完了时的时间。    (3)升降速自处理。    L3-01=1-升速中的自处理功能有效。    L3-04=1-降速中的自处理功能有效。    (4)转矩限制功能。    L7-01=200%-正转时转矩限制为电动机额定转矩的200%。    L7-02=200%-反转时转矩限制为电动机额定转矩的200%。    L7-03=200%-正转再生状态的转矩限制为电动机额定转矩的200%。    L7-04=200%-反转再生状态的转矩限制为电动机额定转矩的200%。    (5)过载保护功能。    E2-01=150A-电动机的额定电流为150A。    L1-01=2-适用于变频专用电动机。    6．主电路其他电器的选择    (1)由变频器的额定电流IN为128A，可得空气开关的额定电流IQN。    IQN≥(1.3～1.4)×128 =166.4～179.2    IQN =170A    (2)接触器的额定电流IKN。    IKN≥128A    选IKW =160A。    (3)制动电阻与制动单元。如前所述，刨台在工作过程中，总是处于频繁的往复运行状态。未来提高工作效率、缩短辅助时间，刨台的升、降速时间应尽量短。因此，直流回路中的制动电阻与制动单元是必不可少的。    ①制动电阻的值应根据说明书选取：    RB =10Ω    ②制动电阻的容量。说明书提供的参考容量是120W，但考虑到刨头的往复运动十分频繁，故制动电阻的容量应比一般情况下的容量加大1～2挡。故选    PB=30kW