东元Speecon-7200MA变频器在外圆磨床上的应用

    标准机械加工所使用的外圆磨床，砂轮电动机均按传统启动电路运行。电动机启动后按照额定转速运转，由于电网电压有一定的波动，砂轮和工件的摩擦负载不断变化，都会影响电动机的转速误差，标准砂轮电动机启动电路一般只有一种加工速度，难以适应不同工件大小的要求及不同的加工相对线速度，以至于所加工工件的加工精密度很难保证。因此从提高加工质量、加工效率、节约能源等方面考虑，将变频调速技术应用于外圆磨床中，可以收到满意的效果。

    机械加工行业外圆磨床所加工的产品种类繁多，工件大小尺寸不同，要求加工精度各异。相对地要求砂轮转速与主轴的线速度不同，单纯地调整主轴的转速来满足工件的加工线速度很难调整到理想状态。又由于轴杆类在加工过程中所产生的应力弯曲，在磨削过程中会产生砂轮进给的力矩不同，这样就带来砂轮输出转速/力矩不同的变化，相应地会产生振刀纹/烧糊纹等，磨削精度很难保证，由此造成生产效率低、精品率低等。

    随着电力电子技术的发展，变频调速技术越来越普及，在机械加工行业变频器的应用收到很好的效果。变频器的无级调速、软启动、恒转矩输出极大地满足了机械加工设备对恒速度/恒转矩的要求。

    1．外圆磨床加工的负载特性

    根据不同的轴杆类直径的大小，主砂轮电动机的转速等于砂轮输出的转速。磨削力的大小取决于砂轮电动机的输出转矩。在驱动工件旋转的主轴电动机的高速段，相对于砂轮输出转速不变，所加工的工件直径小，磨削进给少；加工大直径、长轴类工件时，工件旋转的电动机在低速段，砂轮进给量大，砂轮磨削力也在变大，电动机很难在恒转矩/恒速度下运行。速度的变化就产生了如振刀纹、烧糊纹、加工精度等的变化。变频调速电动机的无级调速，恒转矩输出恰能弥补上述缺陷。

    2．变频器的选择

    根据系统运行的特点，考虑满足机械加工外圆磨床的使用要求和设备投资费用等角度考虑，选用带自动转矩提升功能的通用型U/f变频器。

    以东元Speecon-7200MA系列为例，根据砂轮电动机的功率不同选用18. 5kW/15kW的变频器，以15kW为例，额定电压三相380V，输出电流32A，频率控制0.5～400Hz，速度控制0.1%，过负载能力150%/60s。具有自动转矩提升功能，柔性PWM控制，可实现更低噪声运行，多于10段的转速控制。

    3．系统的启动与调速

    外圆磨床的主砂轮电动机启动电路多采用星三角转换启动电路。用变频器取代原有电路，利用原有接触器的常开触点控制变频器的运行，考虑砂轮启动的惯性，变频器软启动时间设定为10s，停止刹车时间设定为15s，根据不同类型的砂轮启动力矩可在50%～80%之间调节设定。系统速度通过外接可调电位器调节频率，根据工件直径不同的适应速度调整，因受电动机高速时的机械强度、噪声、振动等因素的限制，电动机最高频率设定为60Hz；因低速时电动机散热效果差，考虑工件旋转的变速因素和实际最大加工工件尺寸，最低频率设定为35Hz，基准频率设定为50Hz。

    由负载特性分析可知，外圆磨床高速段为恒功率性质，低速段为恒转矩性质，且低转速时负载要求转矩大，过载能力强。对电动机基准频率以上，为保证电动机不过压，采用恒压变频调速。由电动机理论可知，当电压不变，频率增大时，电动机每极下的磁通随着频率的增大而减小；当电动机电流为额定电流时，最大允许输出转矩减小，容许输出功率不变，属恒功率调速，适用于恒功率负载。基频以下，为保证电动机每极下磁通不变，采用U/f=常数的变压变频调速，当电动机的电流为额定电流时，电动机容许输出转矩不变，属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载。但当速度较低时因电动机内阻不可忽略，若仍保持U/f为常数，则电动机转矩将减小，无法满足低速时负载要求的转矩大、过载能力强的性能，因此采用变频器的转矩自动补偿功能，选择补偿后的U/f曲线应加以修正。

    4．系统设计的注意事项

   1)磨削砂轮平衡的精度要提高：将电动机在额定转速上运行，为了减小高速时的振动，应提高电动机转子和砂轮的动平衡度，并加以校正。

   2)低速时的散热情况：因电动机为自冷风扇方式散热冷却，低速时散热条件变差，而负载转矩较大，电动机温度会增加，因此最低转速的设定以电动机表面温差不超过容许值为依据。

   3)变频调速时因变频器输出含有高次谐波，会在电动机中产生电磁噪声，因此输出端要安装零相杂信滤波器，可降低辐射干扰及感应杂信。