摘要：艾默生TD3000系列變頻器在性能上完全符合B2010A型龍門刨床拖動系統的要求。它通過對交流電機磁通電流和轉矩電流的解耦控制，實現了轉矩的快速響應和準確控制，能以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行。 關鍵詞：艾默生變頻器 龍門刨床 一、B2010A龍門刨床工況概述 龍門刨床是機械化自動化程度很高的大型機床。龍門刨床的動力及控制回路比較復雜，尤其是刨床工作臺主拖動系統完全依靠電氣自動化控制來執(zhí)行的。B2010A龍門刨床的主拖動采用最初50年代的A-G-M調速系統，即電機擴大機——-直流發(fā)電機——-直流電動機組系統。如圖一所示。采用機械速比2:1和電氣調速范圍為10:1的機電聯合調速系統。 龍門刨床對電力拖動的技術要求——-龍門刨床是頻繁往復運動的生產機械，它的工作方式為循環(huán)方式。前進行程是切削行程；后退行程是不作切削的，只讓工作臺駛回為下一步切削作準備。運動示意圖如圖二所示。實際工作中為了提高勞動生產效率，輕載后退的速度要大于前進切削速度。由于不同的金屬材料和不同的加工工藝，必須要求控制系統具備： ＊ 工作臺主拖動具有比較寬的調速范圍和較硬的機械特性； ＊ 工作臺前進切削和后退的過程中運行平穩(wěn)，不振蕩，速度能單獨地作無級調整，無須停車； ＊ 運行方向的改變要迅速、平滑、沖擊力小、動作反應快； ＊ 在低速范圍內切削力基本保持恒定狀態(tài)，靜差度小于3%； ＊ 前進與后退行程的末尾工作臺自動減速，反向準確； ＊ 傳動效率高，耗電量小； ＊ 控制系統簡單，可靠安全，易于維修保養(yǎng)； 如圖二中，ab段（約12-15米/分）為刀具慢速切入工件，而后增加到可調速CD段進行前進切削，之后運行到設定行程開始減速為ef段，再經過換向行程控制，工作臺由前進減速迅速制動并快速反向運行可調hi速度段后退，再后退至減速換向切換到前進行程。形成一個循環(huán)工作周期。 以上簡略敘述B2010A直流拖動系統過程，有助于對它的性能特點和工作情況能進步了解。 二、龍門刨床拖動系統的演變 1． 原系統存在的主要缺陷 我們知道龍門刨床這種A-G-M調速系統，它具有占地面積大、噪聲污染嚴重、尤其交流電動機拖動發(fā)電機浪費電能很嚴重。從工作情況來看，直流電動機的功率并沒有得到充分利用，并且維護保養(yǎng)較困難。目前許多在使用該系統工作的廠家都在想辦法解決以上問題。 2． 演變 從70年代至目前有極少部分采用晶閘管——-直流電動機機組（V-M調速系統）。該系統低速時損耗大、功率因數低、對電網污染嚴重，而使用的還是直流電動機，維護保養(yǎng)困難的問題還是沒有解決。 3． 飛躍 隨著科技進步，在電力電子技術和微電子技術方面有了飛速發(fā)展，以及矢量控制技術的完善，使得變頻調速技術日新月異，并且變頻調速發(fā)展空間愈加寬廣，涉及領域之多，其優(yōu)越性為眾所周知。為此廣大科技工作者致力于交流變頻調速技術的應用，龍門刨床的拖動方式在向變頻調速的方向轉移，國外已有很多成功應用的實例。 三、EMERSON變頻器應用在B2010A龍門刨床上 1、選型 根據前述龍門刨床直流拖動系統工作要求，對于取代直流拖動并超越直流拖動的交流變頻調速來說，選擇高性能可靠矢量型的變頻器尤其關鍵。通過查閱有關資料及請教有關資深學者（對此深表感謝），加之深入了解國內外同類變頻器，反復比較論證，我們從性價比上選擇了美國EMERSON公司出產的高性能矢量控制變頻器——-TD3000系列產品。TD3000系列變頻器在性能上完全符合B2010A型龍門刨床拖動系統的要求。它通過對交流電機磁通電流和轉矩電流的解耦控制，實現了轉矩的快速響應和準確控制，能以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行；而且我們還采用了有速度傳感器PG反饋矢量控制方式。根據我們在實際應用中確實感到TD3000矢量控制變頻器穩(wěn)定可靠，對于象龍門刨床這種從安全可靠性要求很高的大型設備，選用該矢量控制型變頻器非常合適。TD3000系列變頻器是美國EMERSON公司自主開發(fā)生產的高品質、多功能、低噪音的矢量控制通用變頻器。具有電機參數自動調諧、零伺服控制、速度控制和轉矩控制在線切換、轉速跟蹤、內置PLC、內置PID控制器、編碼器和給定及反饋信號斷線監(jiān)測、掉載保護、內置PG接口、故障信號追憶、28種故障監(jiān)控、豐富的I/O端子和多達十種的速度設定方式，能滿足各類負荷對傳動控制的要求。 TD3000系列變頻器的優(yōu)越性能主要體現在： ＊ 有速度傳感器矢量控制，調速范圍為1：1000，穩(wěn)態(tài)控制精度0.05%； ＊ 低頻啟動轉矩10-100rpm時,200%額定轉矩； ＊ 啟動預勵磁,加快矢量控制快速響應； ＊ 動態(tài)轉矩響應小于150ms； ＊ 零伺服鎖定功能,可以保持零速時150%的轉矩輸出; ＊ 可靠的轉矩限定，防止頻繁跳閘； ＊ 功能豐富的對話式操作面板，全系列LCD+LED顯示中英文可選； ＊ 參數的上傳拷貝和下傳復寫功能； ＊ 功能強大的后臺調試監(jiān)控軟件，可通過內置RS485接口組網監(jiān)控。 電機、變頻系統選型： 1） 主拖動：55KW交流變頻電機，TD3000-4T0750G變頻器； 2） 垂直刀架：1.5KW交流電機，TD1000-4T0022G變頻器； 3） 左刀架：1.5KW交流電機，TD1000-4T0022G變頻器； 4） 右刀架：1.5KW交流電機，TD1000-4T0022G變頻器 5） 主拖動制動單元：兩臺TDB-4C01-0300制動單元，兩只10Ω、10KW制動電阻。 2. 控制原理 （1） 工作臺主拖動用EMERSON TD3000變頻器驅動變頻調速電機,電機為中科院研制生產。該電機采用AUTOCAD輔助設計，充分考慮了正弦脈寬調制技術和矢量控制變頻器的特點，低頻時轉速平穩(wěn)，無爬行現象，恒力矩調速范圍寬，代替A-G-M系統機組實現無級調速。由于我們針對的山東煤礦萊蕪機械廠B2010A型龍門刨床，機械上基本上不動,沒有增加銑削功能,如果橫梁垂直刀架機械剛性足，可以在機械上改造,配刨、銑變速箱來實現銑削功能。通過調試實現了機械刨削速度范圍3-80米/分，無級調速；速度還可降至1米/分左右，進行磨削加工。 （2） 工作臺換向采用制動單元及制動電阻，制動速度快，從應用來看，TD3000變頻器在頻繁換向過程中速度降低快，動力制動迅速，由于換向時工作時間短，為抑制泵升電壓，采用了制動電阻進行能量釋放。 （3） 電氣控制系統采用由我們萊蕪鳳普自控有限公司自行研制的XH-120PLC可編程控制器來實現對主拖動變頻器及整個機床的電氣控制。優(yōu)點是控功能強、速度快、易維護、便于改變程序。并且根據工藝情況編制故障，面板顯示運行狀態(tài)、查找故障點簡單。 （4） 工作臺的減速、換向控制采用龍門刨床高可靠性電子組合開關，無機械磨損、壽命長、無故障工作時間在一萬小時以上，全密封、無維修、可防止使用中鐵屑引起誤動作。 3、龍門刨床簡要電氣.控制框圖 （如圖三） 四、EMERSON變頻器的特性應用 我們在調試變頻器過程中，重點針對工作臺頻繁換向、快速響應等問題對于變頻器參數作了調整，僅舉幾例加以說明。 1、 注意變頻器與電機的自調諧過程：在選擇矢量控制方式第一次運行前，一定要進行電機的自動調諧工作，以便獲得被控電機的準確電氣參數。這種過程相當于對負載電動機自動地進行一次"等效電路參數測定實驗" ，力求達到精確矢量控制。 2、 避免爬行：我們知道由于加工切削量不同、 工件重量不等、行程不一、高速運行等嚴重惡劣條件造成在運動中工作臺慣性大，勢必會在減速與反向過程中會向原方向作一定距離的慣性運動。所以認真調整TD3000變頻器的有關參數，一定要準確控制加減速時間及制動的投入方式，否則將會出現越位等故障。 3、 換向運行的快速響應：應用TD3000變頻器在工作臺拖動換向上要精心調整轉速調節(jié)器，使之適應工作要求，當比例增益P和積分時間I參數選取不當時，可能會在系統中產生振蕩或產生減速過電壓故障。這一點需要根據實際情況來調整。 4、 使電機獲得更好的起動性能：我們在調試過程中，將電機預勵磁功能參數作了調整，起動方式、起動頻率、正反轉死區(qū)、脈沖編碼器等參數作了調整，使之具有更好的響應速度。 五．應用情況及效果 根據應用，我們可以得出如下比較： 1． 工作方式： 在B2010A改造前，工作時，直流發(fā)電機組一直處于運行狀態(tài)，特別是在工作間隙、測量工件時等，白白消耗大量的空載能量。改造后，龍門刨床只是在工作臺運動時才消耗能量，并且在輕載時變頻器自動節(jié)能。 2． 進線電流： 在改造前，大刨切削45號鋼坯時，吃刀深度10 mm，進刀量為1 mm，檢測進線電流為50A。改造后，同樣加工條件下，進線電流僅為15.5A。 3． 環(huán)境改善： 改造前，發(fā)電機組工作時噪音嚴重，可達80dB。改造后，檢測噪音為70dB，大大改善了工作環(huán)境，利于操作工人的身心健康。 4． 占地面積： 改造前，機組占地面積大，現在改造后僅為原來的10%。 5． 機床維修： 改造前，機床維修量大，并且難以修理，特別是勵磁發(fā)電機不發(fā)電故障。改造后，由于變頻器控制柜集中，基本上不出大的故障。 6． 機床運行： 改造前，由于原B2010A機床年久失修，各處性能大不如最初，換向慣性大。改造后，采用了先進的矢量控制，從性能、穩(wěn)定性上超過原來，換向慣性小，反向快速響應。 7． 節(jié)電效益： 測量進線，按有功功率來算，每天二班倒，工作15小時，每月平均生產26天，電費成本在0.7元，全年可節(jié)約電費73500.34元，僅此一項一年左右時間即可收回投資。