1、河南工程学院毕业设计（或论文） 1 河南工程学院毕业设计（论文） 金属切削车床的变频调速系统 学生姓名：王 青 系 （部）：机械电子工程系 专 业：机电一体化 指导教师： 2008 年 05 月 23 日河南工程学院毕业设计（或论文） 2 摘 要 随着变频技术的提高，交流电动机的应用越来越广泛，采用变频调速，可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量，有利于实现生产过程的自动化，使电力拖动系统具有优良的控制性能，而且在许多生产场合具有显著的节能效果。变频调速的核心设备是变频调速器，变频器与电动机的控制配合构成了变频调速系统。传统的金 属切削车床速度控制为人工换挡，调速范围有限，调速精度低，
2、而电机始终在额定转速运行，利用效率差，齿轮箱体积庞大复杂，电器控制部分故障较多。将变频器应用于各种大型自动化生产线和机械加工中，会大大提高金属切削车床的调速系统的静态、动态性能，保证系统的安全可靠经济运行。 该系统选用三菱 FR-A500 系列变频器，采用普通继电器实现逻辑控制。主电动机可以正反转运行，速度有低、中、高三档，并具有点动微调功能。 关键词： 变频技术 电力拖动 变频器 金属切削车床的调速系统 河南工程学院毕业设计（或论文） 3 Abstract With the increased frequency technology, exchange more and more exte
3、nsive application of the motor, using Frequency Control, can improve the control precision machinery production, production efficiency and product quality, conducive to the realization of the production process automation, the electric drive system is excellent Control performance, and in many occas
4、ions have significant production of energy-saving effect. Frequency Control is the core of Frequency Control, the inverter and motor control with constitutes a Frequency Control System. The traditional metal-cutting lathe speed control for manual shifting, speed limited in scope, low-speed precision
5、, and the motor always running in the rated speed, poor efficiency, volume of large and complex gear box, electrical control of the fault more. Converter will be applied to all kinds of large-scale automated production lines and machinery processing, will greatly enhance the speed metal-cutting lath
6、e system of static, dynamic performance, and ensure safe and reliable system of economic operations. The system chosen Mitsubishi FR-A500 series inverter, a general realization of the relay logic control. Positive and the main motor can run, speed is low, middle and high third gear and have to move
7、the fine-tuning function. Key words: Inverter Technology Power Inverter Drag The Metal-cutting Lathe Speed Control System 河南工程学院毕业设计（或论文） 4 目 录 前言 . 第一章 交流变频调速器 第一节 变频器的变频与变压 . 第二节 变频器的构成与功能 . 第二章 通用变频器的介绍 第一节 通用变频器 . 一、组成与功能 . 二、变频器的主要外接电路 . 第二节 变频器主要参数简介 一、启停控制方式 . 二、与频率设定相关的参数 . 三、频率给定方式 . 四、变频器的
8、控制方式 . 五、工艺参数 . 六、变频器参数 . 七、 PID 调节功能参数 . 八、报警与故障参数 . 第三章 金属切削车床的变频调速系统 第一节 主运动的负载性质及对主拖动系统的要求 . 一、主运动的负载性质 . 二、主运动对主拖动系统的要求 . 第二节 变频调速系统的设计方案 . 河南工程学院毕业设计（或论文） 5 一、变频器的容量选择 . 二、 变频器控制方式的选择 . 三、其他器件 . 第三节、变频调速系统控制系统及其工作过程 . 一、变频器接线 . 二、继电器控制电路 . 参考文献 . 附录 . 致谢 河南工程学院毕业设计（或论文） 6 前言 机床技 术水平高低及其在金属切削加工
9、机床产量和总拥有量的百分比，是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主 要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量有着重要的作用。经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴 电机 。 通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮 (以获得更大的转
10、矩 )带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使主轴箱的结构大为简化。由于变频器的高性价比，所以变频器在车床上使用非常普遍。台达 M系列变频器以其独特的性能和优越的性价比，在数控机床的应用方面迅速崛起，已经成为目前市场上一支强大的生力军。 河南工程学院毕业设计（或论文） 7 第一章 交流变频调速器 在交流调速系统中，变频器的作用是将频率固定（通常为工频为 50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成变频连续可调（多数为 0400Hz）的三相交流电。如下图所示，变频器的输入端（ R、 S、 T）接至频率固定的三相交流电源，输出端输出的是频率在一定的范围内连续变化可调的三相交流电，接至电
11、动机 。 + 图 1.0.1 变频器的使用 第一节 变频调速器的基础知识 一、变频器的变频与变压 根据电机学原理可知，交流电动机的同步转速 n0=60f1/P 感应电电机转速 n=no(1-s)=60f1 *(1-s) /P 式中， f1 为供电频率、 P为动机极对数、 s为转差率。 由此可见，若能连续的 改变感应电动机的供电频率 f1，就可以平滑的改变电动机的同步转速和相应的电动机转速，从而实现感应电动机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。 变频调速的最大优点是：电动机从高速到低速，其转差率始终保持最小的数值，因此变频调速时，变频调速器的功率因数都很高。可见，变频调速时一种理想的调速方式。
12、但它需要特殊的变频装置供电，以实现电压和频率的协调控制。 河南工程学院毕业设计（或论文） 8 由电机学知 E1=4.4f1N1Kn1m Te=CmmI2cosa 式中， E1为气隙磁通在定子每相中的感应电动势的有效值（ V） f1为定子频率（ Hz） N1为定子每相绕组串联匝数 KN1为基波绕组系数 m为每极气隙主磁通量（ Wb） Te为电磁转矩（ N.m） Cm为转矩系数 I2为转子电流折算至定子侧的有效值 cosa 为转子电路的功率因数 三相感应电动机正常运行时，定子阻抗压降很小，因此可以忽略， 则有 U1=E1=4.44f1N1KN1m，式中 U1 为定子相的电压（ V）。 于是，主磁通
13、 m=E1/4.44f1N1KN1=U1/4.44f1N1Kn1 由于 4.44N1KN1为常数，因此感应电动势的有效值与定子供电频率和主磁通的乘积成正比，由于 U1 没有变化，因此可以 认为 E1 基本不变。现假设从额定频率 fN向下调节频率，此时主磁通将增加。若从额定频率 fN向上调节频率，此时主磁通将减少。 在关于电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通为额定值，由于磁通增加将会引起铁心过分饱和，励磁电流急剧增加，导致绕组过分发热，功率因数降低 ;磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费。而磁通减少 也会使电动机的输出转矩下降，如负载转矩仍维持不变，势必导致定、转子过电流，也
14、要产生过热，因此希望保持磁通恒定。 由此可见，只要控制好 E1 和 f1，便可达到控制磁通的目的，对此，我们只需要考 虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 1基频以下调速 由上可知，要保持主磁通不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 E1，使 E1/ f1=常数，即采用恒电动势频比控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势较高时，可以忽略定子绕组的漏阻抗压河南工程学院毕业设计（或论文） 9 降，而认为定子相电压 U1 和感应电动势的有效值 E1 大约相等，则得 U1/ f1=常数，即恒压频比控制方式。 低频时， U1 和 E1都较小，定子阻抗压降
15、所占的分量就比较显著，不能忽略。这时，可以人为地把 U1 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。 2基频以上调速 在基频以上调速时，频率可以从 f1N 往上增高，但电压 U1却不能增加得比额定电压 U1N 还要大，最多只能保持 U1=U1N。由 U1=E1 正比于 f1 与主磁通的乘积可知这将迫使磁通与频率成反比地减少，相当于直流电动机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得下图所示的感应电动机变频调速控制特性 。11恒功率调速恒转矩调速由上面的讨论可知，感应电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压、频率均可调的供 电电源，实现所谓
16、的 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)调速控制。通用变频器可以实现本平台上的基本要求。 二、变频器的构成与功能 1典型变频器的基本结构 变频器由主回路和控制回路组成。在许多场合，为了保持调速时电动机的最大转矩不变，需要维持磁通恒定，以避免电动机带负载能力降低和要大负载下过河南工程学院毕业设计（或论文） 10 电流，这就要求变频器输出电压值也要随输出频率的变化作相应调节。而需要快速反应的场合，则必须控制输出电流。此时，变频器主回路的输出电压或输出电流及频率由控制回路的控制指令进行控制 ，而控制指令由外部给定的运转指令经过某些函数关系的运算求得，整个
17、系统时开环的。而对于控制精度要求较高的场合，比如变频调速恒压供水系统电路，运算还应包括由电动机侧检测的反馈信号，此时系统时闭环的。另外，为了避免主回路过压，过流引起的损坏，还应设有保护电路。 图 1.1.1 典型的电压型变频器的基本结构 （ 1）主回路 将工频电源变成电压或电流及频率可调的交流电源来为感应电动机供电的电力变换部分为变频器的主回路。主回路由变频器、滤波回路和逆变回路三部分组成，另外，一旦电动机需要制动，需附加“制动回路”。 （ 2）控制回路 现代通用变频器都是数字控制的，微处理器是控制回路的核心，它通过输入接口电路和通讯接口取得外部信号，通过检测回路取得电压、电流、温度、转速等运行信号，根据设置的运行方式，进行 U f控制、矢量控制或直接转矩控制，间控制命令传送给 PWM 控制回路，去触发逆变器，实现变频调速。
