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(dòng)系統(tǒng)的要求。它通過對(duì)交流電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行。
關(guān)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(jī)械化自動(dòng)化程度很高的大型機(jī)床。龍門刨床的動(dòng)力及控制回路比較復(fù)雜，尤其是刨床工作臺(tái)主拖動(dòng)系統(tǒng)完全依靠電氣自動(dòng)化控制來執(zhí)行的。B2010A龍門刨床的主拖動(dòng)采用最初50年代的A-G-M調(diào)速系統(tǒng)，即電機(jī)擴(kuò)大機(jī)——-
直流發(fā)電機(jī)——-直流電動(dòng)機(jī)組系統(tǒng)。如圖一所示。采用機(jī)械速比2:1和電氣調(diào)速范圍為10:1的機(jī)電聯(lián)合調(diào)速系統(tǒng)。
圖1 A-G-M調(diào)速系統(tǒng)圖
龍門刨床對(duì)電力拖動(dòng)的技術(shù)要求——-龍門刨床是頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械，它的工作方式為循環(huán)方式。前進(jìn)行程是切削行程；后退行程是不作切削的，只讓工作臺(tái)駛回為下一步切削作準(zhǔn)備。運(yùn)動(dòng)示意圖如圖二所示。實(shí)際工作中為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，輕載后退的速度要大于前進(jìn)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(tǒng)具備：
＊ 工作臺(tái)主拖動(dòng)具有比較寬的調(diào)速范圍和較硬的機(jī)械特性；
＊ 工作臺(tái)前進(jìn)切削和后退的過程中運(yùn)行平穩(wěn)，不振蕩，速度能單獨(dú)地作無級(jí)調(diào)整，無須停車；
＊ 運(yùn)行方向的改變要迅速、平滑、沖擊力小、動(dòng)作反應(yīng)快；
＊ 在低速范圍內(nèi)切削力基本保持恒定狀態(tài)，靜差度小于3%；
＊ 前進(jìn)與后退行程的末尾工作臺(tái)自動(dòng)減速，反向準(zhǔn)確；
＊ 傳動(dòng)效率高，耗電量小；
＊ 控制系統(tǒng)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(diào)速CD段進(jìn)行前進(jìn)切削，之后運(yùn)行到設(shè)定行程開始減速為ef段，再經(jīng)過換向行程控制，工作臺(tái)由前進(jìn)減速迅速制動(dòng)并快速反向運(yùn)行可調(diào)hi速度段后退，再后退至減速換向切換到前進(jìn)行程。形成一個(gè)循環(huán)工作周期。
以上簡略敘述B2010A直流拖動(dòng)系統(tǒng)過程，有助于對(duì)它的性能特點(diǎn)和工作情況能進(jìn)步了解。
二、龍門
刨床拖動(dòng)系統(tǒng)的演變
1．原系統(tǒng)存在的主要缺陷
我們知道龍門刨床這種A-G-M調(diào)速系統(tǒng)，它具有占地面積大、噪聲污染嚴(yán)重、尤其交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)浪費(fèi)電能很嚴(yán)重。從工作情況來看，直流電動(dòng)機(jī)的功率并沒有得到充分利用，并且維護(hù)保養(yǎng)較困難。目前許多在使用該系統(tǒng)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(dòng)機(jī)機(jī)組（V-M調(diào)速系統(tǒng)）。該系統(tǒng)低速時(shí)損耗大、功率因數(shù)低、對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，而使用的還是直流電動(dòng)機(jī)，維護(hù)保養(yǎng)困難的問題還是沒有解決。
3．飛躍
隨著科技進(jìn)步，在電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)方面有了飛速發(fā)展，以及矢量控制技術(shù)的完善，使得變頻調(diào)速技術(shù)日新月異，并且變頻調(diào)速發(fā)展空間愈加寬廣，涉及領(lǐng)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(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，龍門刨床的拖動(dòng)方式在向變頻調(diào)速的方向轉(zhuǎn)移，國外已有很多成功應(yīng)用的實(shí)例。
三、EMERSON變頻器應(yīng)用在B2010A龍門刨床上
1．選型
根據(jù)前述龍門刨床直流拖動(dòng)系統(tǒng)工作要求，對(duì)于取代直流拖動(dòng)并超越直流拖動(dòng)的交流變頻調(diào)速來說，選擇高性能可靠矢量型的變頻器尤其關(guān)鍵。通過查閱有關(guān)資料及請(qǐng)教有關(guān)資深學(xué)者（對(duì)此深表感謝），加之深入了解國內(nèi)外同類變頻器，反復(fù)比較論證，我們從性價(jià)比上選擇了美國EMERSON公司出產(chǎn)的高性能矢量控制變頻器——-TD3000系列產(chǎn)品。TD3000系列變頻器在性能上完全符合B2010A型龍門刨床拖動(dòng)系統(tǒng)的要求。它通過對(duì)交流電機(jī)磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流的解耦控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的控制精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)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(jù)我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中確實(shí)感到TD3000矢量控制變頻器穩(wěn)定可靠，對(duì)于象龍門刨床這種從安全可靠性要求很高的大型設(shè)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(chǎn)的高品質(zhì)、多功能、低噪音的矢量控制通用變頻器。具有電機(jī)參數(shù)自動(dòng)調(diào)諧、零伺服控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制在線切換、轉(zhuǎn)速跟蹤、內(nèi)置PLC、內(nèi)置PID控制器、編碼器和給定及反饋信號(hào)斷線監(jiān)測(cè)、掉載保護(hù)、內(nèi)置PG接口、故障信號(hào)追憶、28種故障監(jiān)控、豐富的I/O端子和多達(dá)十種的速度設(shè)定方式，能滿足各類負(fù)荷對(duì)傳動(dòng)控制的要求。
TD3000系列變頻器的優(yōu)越性能主要體現(xiàn)在：
＊ 有速度傳感器矢量控制，調(diào)速范圍為1：1000，穩(wěn)態(tài)控制精度0.05%；
＊ 低頻啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩10-100rpm時(shí),200%額定轉(zhuǎn)矩；
＊ 啟動(dòng)預(yù)勵(lì)磁,加快矢量控制快速響應(yīng)；
＊ 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)小于150ms；
＊ 零伺服鎖定功能,可以保持零速時(shí)150%的轉(zhuǎn)矩輸出;
＊ 可靠的轉(zhuǎn)矩限定，防止頻繁跳閘；
＊ 功能豐富的對(duì)話式操作面板，全系列LCD+LED顯示中英文可選；
＊ 參數(shù)的上傳拷貝和下傳復(fù)寫功能；
＊ 功能強(qiáng)大的后臺(tái)調(diào)試監(jiān)控軟件，可通過內(nèi)置RS485接口組網(wǎng)監(jiān)控。
電機(jī)、變頻系統(tǒng)選型：
1）主拖動(dòng)：55KW交流變頻電機(jī)，TD3000-4T0750G變頻器；
2）垂直刀架：1.5KW交流電機(jī)，TD1000-4T0022G變頻器；
3）左刀架：1.5KW交流電機(jī)，TD1000-4T0022G變頻器；
4）右刀架：1.5KW交流電機(jī)，TD1000-4T0022G變頻器
5）主拖動(dòng)制動(dòng)單元：兩臺(tái)TDB-4C01-0300制動(dòng)單元，兩只10Ω、10KW制動(dòng)電阻。
2．控制原理
（1） 工作臺(tái)主拖動(dòng)用EMERSON TD3000變頻器驅(qū)動(dòng)變頻調(diào)速電機(jī),電機(jī)為中科院研制生產(chǎn)。該電機(jī)采用AUTOCAD輔助設(shè)計(jì)，充分考慮了正弦脈寬調(diào)制技術(shù)和矢量控制變頻器的特點(diǎn)，低頻時(shí)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，恒力矩調(diào)速范圍寬，代替A-G-M系統(tǒng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。由于我們針對(duì)的山東煤礦萊蕪機(jī)械廠B2010A型龍門刨床，機(jī)械上基本上不動(dòng),沒有增加銑削功能,如果橫梁垂直刀架機(jī)械剛性足，可以在機(jī)械上改造,配刨、銑變速箱來實(shí)現(xiàn)銑削功能。通過調(diào)試實(shí)現(xiàn)了機(jī)械刨削速度范圍3-80米/分，無級(jí)調(diào)速；速度還可降至1米/分左右，進(jìn)行磨削加工。
（2） 工作臺(tái)換向采用制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻，制動(dòng)速度快，從應(yīng)用來看，TD3000變頻器在頻繁換向過程中速度降低快，動(dòng)力制動(dòng)迅速，由于換向時(shí)工作時(shí)間短，為抑制泵升電壓，采用了制動(dòng)電阻進(jìn)行能量釋放。
（3） 電氣控制系統(tǒng)采用由我們?nèi)R蕪鳳普自控有限公司自行研制的XH-120
PLC可編程控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)主拖動(dòng)
變頻器及整個(gè)機(jī)床的電氣控制。優(yōu)點(diǎn)是控功能強(qiáng)、速度快、易維護(hù)、便于改變程序。并且根據(jù)工藝情況編制故障，面板顯示運(yùn)行狀態(tài)、查找故障點(diǎn)簡單。
（4） 工作臺(tái)的減速、換向控制采用龍門刨床高可靠性電子組合開關(guān)，無機(jī)械磨損、壽命長、無故障工作時(shí)間在一萬小時(shí)以上，全密封、無維修、可防止使用中鐵屑引起誤動(dòng)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(yīng)用
我們?cè)谡{(diào)試變頻器過程中，重點(diǎn)針對(duì)工作臺(tái)頻繁換向、快速響應(yīng)等問題對(duì)于變頻器參數(shù)作了調(diào)整，僅舉幾例加以說明。
1．注意變頻器與電機(jī)的自調(diào)諧過程：在選擇矢量控制方式第一次運(yùn)行前，一定要進(jìn)行電機(jī)的自動(dòng)調(diào)諧工作，以便獲得被控電機(jī)的準(zhǔn)確電氣參數(shù)。這種過程相當(dāng)于對(duì)負(fù)載電動(dòng)機(jī)自動(dòng)地進(jìn)行一次"等效電路參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)" ，力求達(dá)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(yùn)行等嚴(yán)重惡劣條件造成在運(yùn)動(dòng)中工作臺(tái)慣性大，勢(shì)必會(huì)在減速與反向過程中會(huì)向原方向作一定距離的慣性運(yùn)動(dòng)。所以認(rèn)真調(diào)整TD3000變頻器的有關(guān)參數(shù)，一定要準(zhǔn)確控制加減速時(shí)間及制動(dòng)的投入方式，否則將會(huì)出現(xiàn)越位等故障。
3．換向運(yùn)行的快速響應(yīng)：應(yīng)用TD3000變頻器在工作臺(tái)拖動(dòng)換向上要精心調(diào)整轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，使之適應(yīng)工作要求，當(dāng)比例增益P和積分時(shí)間I參數(shù)選取不當(dāng)時(shí)，可能會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生振蕩或產(chǎn)生減速過電壓故障。這一點(diǎn)需要根據(jù)實(shí)際情況來調(diào)整。
4．使電機(jī)獲得更好的起動(dòng)性能：我們?cè)谡{(diào)試過程中，將電機(jī)預(yù)勵(lì)磁功能參數(shù)作了調(diào)整，起動(dòng)方式、起動(dòng)頻率、正反轉(zhuǎn)死區(qū)、脈沖編碼器等參數(shù)作了調(diào)整，使之具有更好的響應(yīng)速度。
五、應(yīng)用情況及效果
根據(jù)應(yīng)用，我們可以得出如下比較：
1．工作方式：
在B2010A改造前，工作時(shí)，直流發(fā)電機(jī)組一直處于運(yùn)行狀態(tài)，特別是在工作間隙、測(cè)量工件時(shí)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(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)才消耗能量，并且在輕載時(shí)變頻器自動(dòng)節(jié)能。
2．進(jìn)線電流：
在改造前，大刨切削45號(hào)鋼坯時(shí)，吃刀深度10 mm，進(jìn)刀量為1 mm，檢測(cè)進(jìn)線電流為50A。改造后，同樣加工條件下，進(jìn)線電流僅為15.5A。
3．環(huán)境改善：
改造前，發(fā)電機(jī)組工作時(shí)噪音嚴(yán)重，可達(dá)80dB。改造后，檢測(cè)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(jī)組占地面積大，現(xiàn)在改造后僅為原來的10%。
5．機(jī)床維修：
改造前，機(jī)床維修量大，并且難以修理，特別是勵(lì)磁發(fā)電機(jī)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(jī)床運(yùn)行：
改造前，由于原B2010A機(jī)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(jìn)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(yīng)。
7．節(jié)電效益：
測(cè)量進(jìn)線，按有功功率來算，每天二班倒，工作15小時(shí)，每月平均生產(chǎn)26天，電費(fèi)成本在0.7元，全年可節(jié)約電費(fèi)73500.34元，僅此一項(xiàng)一年左右時(shí)間即可
