变频调速 教学课件 ppt 作者 陈立香主编 1_第五章　变频器在金属切削机床中的应用

陈立香 主编,变频调速,本章应知,本章应会,1.熟悉金属切削机床的系统构成及调速要求。 2.掌握变频器对金属切削机床调速改造的设置方法，理解相关参数意义。,1.掌握应用变频器对刨床拖动系统进行改造的方法。 2.掌握变频器对车床主轴调速系统的改造的方法。,第五章 变频器在金属切削机床中的应用,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,一、卧式车床构造与拖动系统 1.卧式车床构造 卧式车床的外形如图51所示，主要部件有：,图5-1 卧式车床的外形 1头架 2尾架 3刀架 4主轴变速箱 5进给箱,(1)头架 用于固定工件。 (2)尾架 用于顶住工件，是固定工件用的辅助部件。 (3)刀架 用于固定车刀。 (4)主轴变速箱 用于调节主轴的转速(即工件的转速)。 (5)进给箱 在自动进给时，用于和齿轮箱配合，控制刀具的进给运动。 2.车床的拖动系统 卧式车床的拖动系统主要包括以下两种运动： (1)主运动 车床的主轴带动工件的旋转运动是卧式车床的主运动，带动主轴旋转的拖动系统为主拖动系统。,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,(2)进给运动 车床的进给运动是刀架作横向或纵向的直线运动。 3.对主拖动系统的要求 1)由于有车削螺纹的需要，要求主拖动系统能够正、反转。 2)为了便于在安装工件时的调整，要求具有点动功能。 二、变频调速拖动系统的分析 1.基本数据 某型号精密车床，原拖动系统采用电磁离合器配合齿轮箱进行调速。,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,(1)基本数据 1)主轴转速共分75rmin、120rmin、200rmin、300rmin、500rmin、800rmin、1200rmin、2000rmin 8挡。 2)电动机额定功率2.2kW。 3)电动机额定转速1440rmin。 (2)主要计算数据 1)调速范围： D=2000/75=2667 2)计算转速：,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,nL=300rmin 3)各挡转速下的负载转矩：负载的实际功率按2kW计算，则各挡转速下负载转矩的计算结果见表5-1。,表5-1 各挡转速下的负载转矩,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,图5-2 额定频率以下的机床机械特性,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,4)电动机额定转矩： TMN=9550×22/1440N·m=146N·m 2.调速方案的选择 (1)频率调节范围限制在额定频率以下 如图5-2所示，车床的机械特性如曲线1所示，电动机的有效转矩线如曲线2所示。 TMNTL=637N·m,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,(2)频率调节范围达100Hz，一挡传动比 因为车床的大部分机械特性属于恒功率性质，而电动机在额定频率以上的有效转矩线也具有恒功率性质，因此，从充分利用电动机的潜能出发，将电动机的最高工作频率增大为100Hz。,图5-3 二倍频以下的机床机械特性,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,(3)频率调节范围达100Hz，两挡传动比 这时，电动机折算到负载轴上的机械特性如图中的曲线4和曲线4所示。,图5-4 两挡传动比的机床机械特性,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,3.两挡传动比调速系统的计算 (1)决定高速挡和低速挡的分界转速 nD=300×2r/min (2)确定系统的传动比 1)低速挡的传动比： L=1440/300,表5-2 拖动系统的工作区,2)高速挡的传动比：,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,H=1440/1000 (3)核算 1)低速挡负载的折算转矩(即折算到电动机轴上的转矩)： TLX=TLX/L（51） 2)高速挡负载的折算转矩： TLX=TLX/H（52） 3)电动机的过载能力： X=MNTMX/TLX（53）,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,表5-3 各挡转速的转矩核算结果,三、利用变频器对车床主运动拖动系统进行改造 1.变频器的容量选择 考虑到车床在低速车削毛坯时，常常出现较大的过载现象，且过载时间有可能超过1min。,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,2.变频器控制方式的选择 (1)Uf控制方式 车床除了在车削毛坯时，负荷大小有较大变化外，以后的车削过程中，负荷的变化通常是很小的。 (2)无反馈矢量控制方式 新系列变频器在无反馈矢量控制方式下，已经能够做到在0.5Hz时稳定运行，所以，完全可以满足卧式车床主拖动系统的要求。,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,(3)有反馈矢量控制方式 有反馈矢量控制方式虽然是运行性能最为完善的一种控制方式，但由于需要增加编码器等转速反馈环节，不但增加了费用，而且编码器的安装也比较麻烦。 目前，国产变频器大多只有Uf控制功能，但在价格和售后服务等方面有一定优势，可以作为首选对象；大部分进口变频器的矢量控制功能都是既可以无反馈、也可以有反馈的；但也有的变频器只配置了无反馈控制方式，如日本日立公司生产的SJ300系列变频器。,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,图5-5 无级调速频率给定,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,3.变频器的频率给定 变频器的频率给定方式可以有多种，可根据具体情况进行选择。 (1)无级调速频率给定 从调速的角度看，采用无级调速方案不但增加了转速的选择性，且电路也比较简单，是一种理想的方案。 但在进行无级调速时，必须注意：当采用两挡传动比时，存在着一个电动机的有效转矩线小于负载机械特性的区域，如图54所示。,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,图5-6 分段调速频率给定,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,(2)分段调速频率给定 由于该车床原有的调速装置是由一个手柄旋转9个位置(包括0位)控制4个电磁离合器来进行调速的。 (3)利用PLC进行分段调速频率给定 如果车床由于还需要进行较为复杂的程序控制而应用了可编程序控制器(PLC)，则分段调速频率给定可通过PLC结合变频器的多挡转速功能来实现，如图5-7所示。,图5-7 利用PLC进行分段调速频率给定,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,4.变频调速系统的控制电路 (1)控制电路 通过前面的分析，本车床主拖动系统采用外接电位器调速的控制电路如图5-8所示。,图5-8 车床变频调速的控制电路 a)变频器电路 b)控制电路,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,(2)主要器件的选择 1)断路器QF：因IQN(1.31.4)IN=(1.31.4)×9A=11.712.6A，故选IQN=20A。 2)接触器KM：因IKNIN=9A，故选IKN=10A。 3)调速电位器：选2k2W电位器或10k1W的多圈电位器。 四、技能训练 1.按照控制要求安装电路 按照图58所示，装接变频器电路和有关控制电路。 2.对变频器的功能进行设置,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,按照控制要求，要对下列功能参数进行预置。 (1)基本频率与最高频率 1)基本频率：在额定电压下，基本频率预置为50Hz。 2)最高频率：当给定信号达到最大时，对应的最高频率预置为100Hz。 (2)Uf预置方法 使车床运行在最低速挡，按最大切削量切削最大直径的工件，逐渐加大Uf，直至能够正常切削，然后退刀，观察空载时是否因过电流而跳闸。 (3)升、降速时间 考虑到车削螺纹的需要，将升、降速时间预置为1s。,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,(4)电动机的过载保护 由于所选变频器容量加大了一挡，故必须准确预置电子式热保护装置的参数。 I=×100%=48/90×100%=53 (5)点动频率 根据用户要求，将点动频率预置为5Hz。 3.系统调试 结合实际情况进行现场调试，根据控制要求进行适当修改，以满足车床主拖动系统的控制要求。 4.成绩评定 成绩评定见表54。,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,表5-4 评分表,第一节 变频器在车床主运动拖动系统中的应用,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,一、原拖动系统存在的问题,图5-9 龙门刨床刨台G-M拖动系统 MD直流电动机 G1直流发电机 M1交流电动机 GE励磁发电机 AMD交磁放大机,图5-10 刨台变频调速系统框图,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,二、龙门刨床的工作台运动 1.龙门刨床的基本结构 龙门刨床主要用来加工机床床身、箱体、横梁、立柱、导轨等大型机件的水平面、垂直面、倾斜面以及导轨面等，是重要的工作母机之一。,图5-11 龙门刨床结构 1床身 2刨台 3横梁 4左右垂直刀架 5左右侧刀架 6立柱 7龙门顶,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,(1)床身 是一个箱形体，上有V形和U形导轨，用于安置工作台。 (2)刨台 也叫工作台，用于安置工件。 (3)横梁 用于安置垂直刀架。 (4)左右垂直刀架 安装在横梁上，可沿水平方向移动，刨刀也可沿刀架本身的导轨垂直移动。 (5)左右侧刀架 安装在立柱上，可上、下移动。 (6)立柱 用于安装横梁及刀架。 (7)龙门顶 用于紧固立柱。 2.龙门刨床的刨台运动,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,龙门刨床的刨削过程是工件(安置在刨台上)与刨刀之间作相对运动的过程。 (1)刨台运动的往复周期 刨台运动一个周期主要有5个时段，即切入工件时段t1、正常切削时段t2、退出工件时段t3、高速返回时段t4和缓冲时段t5，如图5-12所示。,图5-12 刨台的往复运动,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,(2)刨台的调速 以A系列龙门刨床为例，其最低刨削速度是4.5mmin，最高刨削速度是90m/min，调速范围为20。 为了提高电动机的工作效率，龙门刨床采取两级齿轮变速箱变速的机电联合调速方法。 (3)刨台运动的负荷性质 刨台的计算速度是25mmin。 1)切削速度vQ25mmin。,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,图5-13 刨台运动的机械特性,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,(4)刨台对电动机机械特性的要求 龙门刨床在刨削过程中，由于工件表面不平、工件材质不均匀，以及工件内部存在砂眼等原因，负载转矩可能发生变化。 将负载变化引起的转速变化nM与最低速时的理想空载转速nOL之比称为静差率s，即 (5)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每个往复周期的速度变化和控制程序。 2)速度的调节：刨台的刨削速度和高速返回的速度都必须能够十分方便地进行调节。,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,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： 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。 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。,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,三、刨台变频调速 1.变频调速系统的组成及控制原理 刨台变频调速系统的控制电路如图514所示。,图5-14 刨台变频调速,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,(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)刨台的刨削速度和返回速度分别通过电位器RP1和RP2来调节。 2)刨台步进和步退的速度由变频器预置的点动频率决定。 (3)往返运动的起动 通过按钮SF2和SR2来控制，具体按哪个按钮，需根据刨台的初始位置来决定。,第二节 变频器在龙门刨床拖动系统中的应用,(4)故障处理 一旦变频器发生故障，触点K