變頻器和PLC在9米龍門(mén)銑床中的應(yīng)用（2）
3.3 根據(jù)負(fù)載特性選取適當(dāng)控制方式的變頻器
這次改造的對(duì)象是9m龍門(mén)銑床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)進(jìn)給和左、右主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)均屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，它的轉(zhuǎn)矩速度特性如圖1所示。原來(lái)的直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍D=50，要達(dá)到50：1的調(diào)速比就必須選用帶有矢量控制功能的高性能變頻器。
佳工機(jī)電網(wǎng)
異步電機(jī)的矢量控制就是摸擬他勵(lì)直流電機(jī)的控制原理，首先經(jīng)過(guò)3/2坐標(biāo)變換將電機(jī)定子的輸人電流分解成產(chǎn)生磁通的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量，分別進(jìn)行獨(dú)立瞬時(shí)的控制，經(jīng)過(guò)2／3坐標(biāo)變換，再將二者合成后轉(zhuǎn)換的三相定子電流供給電機(jī)。隨著控制理論得發(fā)展和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用，不用速度傳感器“只用異步電機(jī)三根線(xiàn)控制”即無(wú)速度傳感器矢量控制也實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。目前，市場(chǎng)上出售的無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器的調(diào)速范圍可達(dá)到100：1。無(wú)速度傳感器矢量控制是通過(guò)轉(zhuǎn)矩電流的變化量的積分運(yùn)算來(lái)推算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)推算的誤差。如果要求進(jìn)一步提高調(diào)速范圍和精度，就要選用帶速度傳感器的矢量控制。目前，市場(chǎng)上出售的帶速度傳感器矢量控制變頻器的調(diào)速范圍可達(dá)1000 ：1。
普通籠型電機(jī)安裝速度傳感器不但增加工藝難度，而且加大了技改成本。由于無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器的主要技術(shù)指標(biāo)已能滿(mǎn)足原機(jī)床的設(shè)計(jì)要求，所以選擇了富士FRENIC5000G 11 S型低噪音、高性能、多功能變頻器，它的幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：
（1）調(diào)速范圍：無(wú)速度傳感器矢量控制100：1；
（2）啟動(dòng)力矩：0.5Hz時(shí)200%額定轉(zhuǎn)矩（動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制）；
（3）頻率精度：最高輸出頻率的±0.2％以下。
由于G11S變頻器提供第1電機(jī)和第2電機(jī)切換功能，且第2電機(jī)也有類(lèi)似第1電機(jī)的功能參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)（動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制），因此利用該功能將工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)設(shè)置為第1電機(jī)（動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制模式），左、右主軸進(jìn)給電機(jī)設(shè)置為第2電機(jī)（動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制模式）。變頻調(diào)速部分電氣原理圖如圖2所示。
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4 變頻器及其周邊設(shè)備的容量計(jì)算
4.1 變頻器容量計(jì)算
在變頻器容量計(jì)算之前，要確定拖動(dòng)負(fù)載的電動(dòng)機(jī)容量。由于有原直流電機(jī)作依據(jù)，我們不必進(jìn)行詳細(xì)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算。由于工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)容量（11kW）大于左、右主軸進(jìn)給電機(jī)容量（均為1.5kW），所以變頻器容量的計(jì)算以工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)為依據(jù)。
工作臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)交流電機(jī)參數(shù)為：型號(hào)，Y160M-4；功率，Pn=llkW；轉(zhuǎn)速，ne=1460r/min；額定電流，In=22．6A.
變頻器連續(xù)運(yùn)行的場(chǎng)合，其額定輸出電流：
佳工機(jī)電網(wǎng) （1）
式中：Ilnv為變頻器額定輸出電流，Imax為電動(dòng)機(jī)實(shí)際最大電流。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)，工作臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)電機(jī)的最大負(fù)載電流Imax≈26A，代人上式（1)則有：Ilnv ≥1.1×26=28.6A，即變頻器的額定輸出電流必須大于28.6A。查富士FRN-GI IS變頻器手冊(cè)，選擇FRN15G11S-4CX型，它的額定輸出電流為30A，滿(mǎn)足式（1）的要求。4.2再生能量的處理
當(dāng)采用變頻器傳動(dòng)的工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)急減速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。變頻器逆變器中的六個(gè)回饋二極管將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲(chǔ)能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)中間直流回路電容電壓升到保護(hù)極限值后變頻器將過(guò)電壓跳閘。
在高性能的工程型變頻器中，對(duì)連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。
（1）動(dòng)力制動(dòng)
在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過(guò)電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉；
（2）采用再生整流器方式
將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱(chēng)為回饋制動(dòng)。動(dòng)力制動(dòng)方式控制簡(jiǎn)單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動(dòng)。回饋制動(dòng)方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)制動(dòng)，但控制復(fù)雜、成本較高。
考慮到節(jié)省技改投資、提高設(shè)備的可維修性和可靠性，采用動(dòng)力制動(dòng)方式。關(guān)于各機(jī)構(gòu)采用動(dòng)力制動(dòng)方式后的元器件選用和計(jì)算，可參閱，限于篇幅，此不贅述。
按照制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻選型、計(jì)算公式進(jìn)行換算，變頻器FRN15G11S-4CX配用1臺(tái)富士公司的BU3-220-4型制動(dòng)單元和1臺(tái)DB15-4型制動(dòng)電阻，其技術(shù)參數(shù)：最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩150%，100%制動(dòng)轉(zhuǎn)矩連續(xù)制動(dòng)l0s，PBR=7.5kw，PRcont=0.375kW（100秒鐘工作周期）。
4.3 變頻器低速運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)及對(duì)策
常規(guī)設(shè)計(jì)的自冷式異步電機(jī)在額定工況下及規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，是不會(huì)超過(guò)額定溫升的，但處于變頻調(diào)速系統(tǒng)中，情況就有所不同。自冷式異步電機(jī)在20 Hz以下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子風(fēng)葉的冷卻能力下降，再如果在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，勢(shì)必造成電機(jī)溫升增加，使調(diào)速系統(tǒng)的特性變壞。所以，當(dāng)自冷式異步電機(jī)在低頻運(yùn)行并且拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，必須采取強(qiáng)制冷卻措施，改善電機(jī)的散熱能力，保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
5 PLC在變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
5.1 PLC硬件配置
這次改造中，PLC選用日本歐姆龍公司的模塊式C200H，CPU單元為CPU01-E，存儲(chǔ)器選4kB EEPROM，型號(hào)為ME431，兩個(gè)輸人單元均為16點(diǎn)的ID212，三個(gè)輸出單元分別為12點(diǎn)的OC222，8點(diǎn)的OC221，獨(dú)立接點(diǎn)8點(diǎn)的OC224。
5.2 變頻器控制部分的PLC程序設(shè)計(jì)
龍門(mén)銑床的工作臺(tái)進(jìn)給、左主軸進(jìn)給和右主軸進(jìn)給，通過(guò)切換變頻器輸出側(cè)的接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。如果在變頻器正常輸出時(shí)切換輸出側(cè)的接觸器，將會(huì)在接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)的瞬間產(chǎn)生很高的過(guò)電壓而極易損壞變頻器中的電子器件。因此，切換變頻器輸出側(cè)的接觸器一定要等到所控制的電機(jī)完全停止以后，才能完全切換。下面詳細(xì)分析如何用PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器輸出側(cè)電機(jī)的完全切換。
佳工機(jī)電網(wǎng)
首先分析變頻器輸出切換保護(hù)部分PLC程序，如圖3所示中所用的下降沿微分指令（DIED）。當(dāng)進(jìn)給方向選擇開(kāi)關(guān)SA3從工作臺(tái)進(jìn)給切換到左主軸進(jìn)給時(shí)，0009由ON變成OFF，同時(shí)，0010由OFF變?yōu)镺N。此時(shí)，內(nèi)部輔助繼電器4500在一個(gè)掃描周期內(nèi)ON，而4501保持OFF狀態(tài)不變。如果在變頻器正常輸出的情況下，進(jìn)給方向選擇開(kāi)關(guān)SA3切換，3個(gè)內(nèi)部輔助繼電器4500,4501和4502三中必定有一個(gè)掃描周期內(nèi)由OFF變?yōu)镺N，繼電器3007變?yōu)镺N并保持2s(TIM002的設(shè)定時(shí)間必須大于變頻器的制動(dòng)時(shí)間）后變?yōu)镺FF。在SA3切換時(shí)，由于變頻器在正常輸出，則繼電器3100，3101中必有一個(gè)為ON，繼電器3008也為ON。在SA3切換的瞬間，由于繼電器3007，3008都為ON狀態(tài)，繼電器3012變?yōu)镺N，它切斷變頻器的輸出進(jìn)給信號(hào)，變頻器開(kāi)始制動(dòng)停止。在SA3切換信號(hào)消失2s后，此時(shí)變頻器已停止輸出，繼電器3007，3008由ON變?yōu)镺FF，出現(xiàn)下沿信號(hào)，繼電器4503在一個(gè)掃描周期內(nèi)ON，切斷變頻器輸出側(cè)的接觸器，使電機(jī)切換到所需的進(jìn)給方向。如果在變頻器停止輸出時(shí)，SA3切換，由于繼電器3008為OFF，繼電器3013會(huì)在SA3切換的瞬間在一個(gè)掃描周期內(nèi)ON，從而把變頻器輸出側(cè)的接觸器立即切換到所需的進(jìn)給方向。
變頻器出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)它內(nèi)部的報(bào)警繼電器驅(qū)動(dòng)控制柜上的報(bào)警指示燈HLl，使HL1連續(xù)閃爍，指示操作人員變頻器出現(xiàn)異常，必須立即停機(jī)檢修。變頻器報(bào)警延時(shí)0.5s后，切斷輸人側(cè)的接觸器KM2，使出現(xiàn)故障的變頻器脫離電源，以免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。
變頻器輸出切換保護(hù)部分的PLC程序，限于篇幅，此不贅述。
6 變頻器和PLC的安裝和接線(xiàn)
6.1 變頻器和PLC的安裝
變頻器和PLC的安裝度為-10℃至50℃。控制柜內(nèi)的發(fā)熱元器件有變壓器、接觸器、變壓器及其制動(dòng)電阻等，為了降低這些大發(fā)熱量器件而致的柜內(nèi)溫升，可采用兩種方法。一是加大控制柜的尺寸，二是增加柜內(nèi)的換器風(fēng)量。方法一必造成控制電柜體笨重，增加金屬用料，不經(jīng)濟(jì)；方法二只增加一臺(tái)成本較低的換氣風(fēng)扇，較為經(jīng)濟(jì)。變頻器在控制柜內(nèi)安裝時(shí)，應(yīng)盡量靠近柜內(nèi)頂部的換氣扇，讓從電柜下部進(jìn)入的冷空氣全部通過(guò)熱源部分。
對(duì)此以數(shù)字電路為主構(gòu)成的PLC來(lái)說(shuō)，工作靈敏度高，很容易受到各種外來(lái)電磁干擾，引起誤動(dòng)作。目前市場(chǎng)上出售的變頻器多采用PWM控制，它的輸出電流中含有多種諧波，是強(qiáng)電磁干擾源。為了防止變頻器對(duì)PLC的干擾，PLC的安裝應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器，并且它們的安全保護(hù)接地，屏障接地均應(yīng)采取單點(diǎn)接地。
變頻器和PL C周?chē)目刂苹芈返慕佑|器，繼電器的線(xiàn)圈、觸點(diǎn)在開(kāi)閉時(shí)，會(huì)因電流急劇變化而產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，有時(shí)會(huì)使變頻器和PLC的控制回路，外部沒(méi)有產(chǎn)生誤動(dòng)作，需要在這種干擾源的線(xiàn)圈，觸點(diǎn)兩端加裝浪涌吸收電路。
變頻器和PLC安裝于高濕度的場(chǎng)所，常發(fā)生絕緣劣化和金屬部分腐蝕。如果受場(chǎng)所限制，不得已用于高濕度場(chǎng)所，必須加裝除濕裝置，防止變頻器和PLC停止工作時(shí)的結(jié)露。
在有振動(dòng)的場(chǎng)所安裝時(shí)，在振源側(cè)需采取減少振動(dòng)的措施，而在變頻器和PLC側(cè)加裝隔振器或防振橡膠。
6.2 變頻器和PLC的配線(xiàn)
（1）變頻器主回路
變頻器無(wú)速度傳感器矢量控制運(yùn)行要用電機(jī)的定子電阻，而數(shù)據(jù)的獲得是由變頻器的參數(shù)自檢測(cè)程序來(lái)完成的。如果按常規(guī)的導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱校驗(yàn)選擇電機(jī)的配線(xiàn)，必然在長(zhǎng)距離供電時(shí)，把線(xiàn)路電陰加入到了參數(shù)自檢測(cè)出的定子電阻數(shù)據(jù)中，引起變頻器的控制精度下降，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。所以，變頻器輸出回路的導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)在常規(guī)發(fā)熱校驗(yàn)的基礎(chǔ)上再加大1-2級(jí)截面等級(jí)。
（2）控制回路
變頻器和PLC的控制信號(hào)為微弱的電壓、電流信號(hào)，所以與主回路不同，對(duì)于變頻器的輸出回路是強(qiáng)電磁干擾源，因此，變頻器和PLC控制回路的配線(xiàn)不能與變頻器主回路配線(xiàn)在同一根鐵管或同一配線(xiàn)槽內(nèi)敷設(shè)。為了進(jìn)一步提高抗干擾效果，還應(yīng)采用1.0m2絕緣屏蔽導(dǎo)線(xiàn)。絕緣屏蔽導(dǎo)線(xiàn)的接地應(yīng)在變頻器和PLC側(cè)進(jìn)行單點(diǎn)接地，使用專(zhuān)用的接地端子，不與其它的接地端子共用。電磁感應(yīng)干擾的大小與電線(xiàn)的長(zhǎng)度成比例，所以要盡可能地以最短的線(xiàn)路敷設(shè)。
7 系統(tǒng)調(diào)試
7.1 通電前的檢查
（1）變頻器外圍接線(xiàn)檢查
在變頻器外圍接線(xiàn)檢查中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：
·電源線(xiàn)應(yīng)與R、S、T端子連接，絕對(duì)不能連至U、V、W端子上；
·端子之間，外露導(dǎo)電部分有無(wú)短路、接地現(xiàn)象；
·接地端子必須良好接地；
·端子、連接器的螺釘是否緊固；
·電機(jī)是否與機(jī)械裝置安全脫離。
（2）PLC外圍接線(xiàn)檢查
變頻器控制系統(tǒng)PLC外圍接線(xiàn)檢查應(yīng)著重檢查以下幾個(gè)方面：
·PLC的220V供給電源接線(xiàn)是否正確；
·PLC輸入單元的＋24V電源接線(xiàn)是否正確，絕對(duì)不能混人220V強(qiáng)電；
·PLC輸出單元不能存在短路隱患；
·PLC輸出單元所帶負(fù)載的電源接線(xiàn)是否正確。
7.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)功能參數(shù)設(shè)置
變頻器在出廠(chǎng)時(shí)，所有的功能碼都已設(shè)置了。但是，龍門(mén)銑床調(diào)速系統(tǒng)的要求與工廠(chǎng)設(shè)定值不盡相同，所以，一些重要的功能參數(shù)需要重新設(shè)定。
（1）工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)Ml的功能參數(shù)設(shè)置
·加速時(shí)間1（功能碼F07)：1s；
·減速時(shí)間1（功能碼F08）：Is；
·電子熱繼電器1的OL設(shè)定值（功能碼F11）：23A；
·轉(zhuǎn)矩矢量控制1（功能碼F42）：1；
·Ml參數(shù)--極對(duì)數(shù)（功能碼POl）：4；
·容量（功能碼P02）：11kW；
·額定電流（功能碼P03）：22.6A；
·空載電流（功能碼P06）：4.2A。
在上述參數(shù)設(shè)定完后，將功能碼P04（電機(jī)參數(shù)自整定）設(shè)定為1，等大約5s，變頻器會(huì)自動(dòng)測(cè)試工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)并保存。如果在測(cè)試中發(fā)生異常報(bào)警，請(qǐng)參閱變頻器用戶(hù)手冊(cè)予以解決。
(2）左、右主軸進(jìn)給電機(jī)M2的功能參數(shù)設(shè)置
·電子熱繼電器2的OL設(shè)定值（功能碼A07)：3.7A；
·轉(zhuǎn)矩矢量控制2（功能碼A09）：1；
·M2參數(shù)--極數(shù)（功能碼A10）：4；
·容量（功能碼All）：1.5kW；
·額定電流（功能碼A12）：3.7A；
·空載電流（功能碼A15）：1.4A。
在上述參數(shù)設(shè)定完后，將功能碼A13（電機(jī)參數(shù)自整定）設(shè)定為1，等大約5s，變頻器會(huì)自動(dòng)測(cè)試工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)并保存。如果在測(cè)試中發(fā)生異常報(bào)警，請(qǐng)參閱變頻器用戶(hù)手冊(cè)予以解決。
(3)公用功能參數(shù)設(shè)置
·Xl端子功能選擇（功能碼E01）：9；外部報(bào)警，Xl端子串人變頻器外圍的制動(dòng)單元和制動(dòng)電陰的熱敏開(kāi)關(guān)，當(dāng)它們發(fā)生故障時(shí)變頻器立即報(bào)警停止；
·X2端子功能選擇（功能碼E02）：12；電機(jī)2／電機(jī)1選擇；
·頻率設(shè)定1（功能碼FO1）：1；
·運(yùn)行操作（功能碼F02）：I。
(4)加、減速時(shí)間的設(shè)定
加減速時(shí)間可用計(jì)算的方法求得，如果實(shí)際計(jì)算有困難時(shí)，可采用以下方法。先將加減速時(shí)間設(shè)定成較大值，關(guān)掉失速電平功能，再逐次減小加減速時(shí)間設(shè)定值，以變頻器不發(fā)生報(bào)警時(shí)的設(shè)定值為最佳。即便是根據(jù)計(jì)算求得的設(shè)定值，也要利用變頻器的報(bào)警功能進(jìn)行最終確認(rèn)。變頻器加減速時(shí)間設(shè)定完后，失速電平功能要恢復(fù)成ON狀態(tài)。
7.3 PLC控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定
在變頻器最佳減速時(shí)間確定后，要重新設(shè)定圖3所示變頻器輸出切換保護(hù)部分PLC程序中的TIM002、TIM003的時(shí)間常數(shù)。這2個(gè)定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)設(shè)定值相等，但必須大于變頻器的減速時(shí)間。
7.4 試運(yùn)行
變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能參數(shù)設(shè)定完后，就可進(jìn)行系統(tǒng)試運(yùn)行。先用操作盤(pán)上的速度給定電位器設(shè)定大約5Hz的低頻，按下正、反轉(zhuǎn)按鈕，讓工作臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘。注意觀(guān)察電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向是否正確，轉(zhuǎn)速是否平穩(wěn)，溫升是否正常，加減速是否平滑等。再繼續(xù)在10、20、35、50Hz等頻率點(diǎn)試運(yùn)行。如果試運(yùn)行正常，變頻調(diào)速系統(tǒng)就可投人正式運(yùn)行。
8 結(jié)束語(yǔ)
本文詳細(xì)分析了變頻器的控制特性，提出了無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器取代直流調(diào)速的可行性，給出了變頻器及其周邊設(shè)備的選型計(jì)算公式，并把PLC靈活引人變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)兩年多的實(shí)際運(yùn)行證明，PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，不但線(xiàn)路大為簡(jiǎn)化，而且各項(xiàng)調(diào)速性能達(dá)到原直流調(diào)速水平，再加上變頻器和PLC完善的故障診斷功能，使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性、可維修性得到大幅度提高。(end)
這次改造的對(duì)象是9m龍門(mén)銑床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)進(jìn)給和左、右主軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)均屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，它的轉(zhuǎn)矩速度特性如圖1所示。原來(lái)的直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍D=50，要達(dá)到50：1的調(diào)速比就必須選用帶有矢量控制功能的高性能變頻器。
佳工機(jī)電網(wǎng)
異步電機(jī)的矢量控制就是摸擬他勵(lì)直流電機(jī)的控制原理，首先經(jīng)過(guò)3/2坐標(biāo)變換將電機(jī)定子的輸人電流分解成產(chǎn)生磁通的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量，分別進(jìn)行獨(dú)立瞬時(shí)的控制，經(jīng)過(guò)2／3坐標(biāo)變換，再將二者合成后轉(zhuǎn)換的三相定子電流供給電機(jī)。隨著控制理論得發(fā)展和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用，不用速度傳感器“只用異步電機(jī)三根線(xiàn)控制”即無(wú)速度傳感器矢量控制也實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化。目前，市場(chǎng)上出售的無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器的調(diào)速范圍可達(dá)到100：1。無(wú)速度傳感器矢量控制是通過(guò)轉(zhuǎn)矩電流的變化量的積分運(yùn)算來(lái)推算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，勢(shì)必會(huì)帶來(lái)推算的誤差。如果要求進(jìn)一步提高調(diào)速范圍和精度，就要選用帶速度傳感器的矢量控制。目前，市場(chǎng)上出售的帶速度傳感器矢量控制變頻器的調(diào)速范圍可達(dá)1000 ：1。
普通籠型電機(jī)安裝速度傳感器不但增加工藝難度，而且加大了技改成本。由于無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器的主要技術(shù)指標(biāo)已能滿(mǎn)足原機(jī)床的設(shè)計(jì)要求，所以選擇了富士FRENIC5000G 11 S型低噪音、高性能、多功能變頻器，它的幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：
（1）調(diào)速范圍：無(wú)速度傳感器矢量控制100：1；
（2）啟動(dòng)力矩：0.5Hz時(shí)200%額定轉(zhuǎn)矩（動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制）；
（3）頻率精度：最高輸出頻率的±0.2％以下。
由于G11S變頻器提供第1電機(jī)和第2電機(jī)切換功能，且第2電機(jī)也有類(lèi)似第1電機(jī)的功能參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)（動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制），因此利用該功能將工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)設(shè)置為第1電機(jī)（動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制模式），左、右主軸進(jìn)給電機(jī)設(shè)置為第2電機(jī)（動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制模式）。變頻調(diào)速部分電氣原理圖如圖2所示。
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4 變頻器及其周邊設(shè)備的容量計(jì)算
4.1 變頻器容量計(jì)算
在變頻器容量計(jì)算之前，要確定拖動(dòng)負(fù)載的電動(dòng)機(jī)容量。由于有原直流電機(jī)作依據(jù)，我們不必進(jìn)行詳細(xì)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算。由于工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)容量（11kW）大于左、右主軸進(jìn)給電機(jī)容量（均為1.5kW），所以變頻器容量的計(jì)算以工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)為依據(jù)。
工作臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)交流電機(jī)參數(shù)為：型號(hào)，Y160M-4；功率，Pn=llkW；轉(zhuǎn)速，ne=1460r/min；額定電流，In=22．6A.
變頻器連續(xù)運(yùn)行的場(chǎng)合，其額定輸出電流：
佳工機(jī)電網(wǎng) （1）
式中：Ilnv為變頻器額定輸出電流，Imax為電動(dòng)機(jī)實(shí)際最大電流。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)，工作臺(tái)進(jìn)給傳動(dòng)電機(jī)的最大負(fù)載電流Imax≈26A，代人上式（1)則有：Ilnv ≥1.1×26=28.6A，即變頻器的額定輸出電流必須大于28.6A。查富士FRN-GI IS變頻器手冊(cè)，選擇FRN15G11S-4CX型，它的額定輸出電流為30A，滿(mǎn)足式（1）的要求。4.2再生能量的處理
當(dāng)采用變頻器傳動(dòng)的工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)急減速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。變頻器逆變器中的六個(gè)回饋二極管將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲(chǔ)能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)中間直流回路電容電壓升到保護(hù)極限值后變頻器將過(guò)電壓跳閘。
在高性能的工程型變頻器中，對(duì)連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。
（1）動(dòng)力制動(dòng)
在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過(guò)電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉；
（2）采用再生整流器方式
將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱(chēng)為回饋制動(dòng)。動(dòng)力制動(dòng)方式控制簡(jiǎn)單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動(dòng)。回饋制動(dòng)方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)制動(dòng)，但控制復(fù)雜、成本較高。
考慮到節(jié)省技改投資、提高設(shè)備的可維修性和可靠性，采用動(dòng)力制動(dòng)方式。關(guān)于各機(jī)構(gòu)采用動(dòng)力制動(dòng)方式后的元器件選用和計(jì)算，可參閱，限于篇幅，此不贅述。
按照制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻選型、計(jì)算公式進(jìn)行換算，變頻器FRN15G11S-4CX配用1臺(tái)富士公司的BU3-220-4型制動(dòng)單元和1臺(tái)DB15-4型制動(dòng)電阻，其技術(shù)參數(shù)：最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩150%，100%制動(dòng)轉(zhuǎn)矩連續(xù)制動(dòng)l0s，PBR=7.5kw，PRcont=0.375kW（100秒鐘工作周期）。
4.3 變頻器低速運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)及對(duì)策
常規(guī)設(shè)計(jì)的自冷式異步電機(jī)在額定工況下及規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)，是不會(huì)超過(guò)額定溫升的，但處于變頻調(diào)速系統(tǒng)中，情況就有所不同。自冷式異步電機(jī)在20 Hz以下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子風(fēng)葉的冷卻能力下降，再如果在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，勢(shì)必造成電機(jī)溫升增加，使調(diào)速系統(tǒng)的特性變壞。所以，當(dāng)自冷式異步電機(jī)在低頻運(yùn)行并且拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，必須采取強(qiáng)制冷卻措施，改善電機(jī)的散熱能力，保證變頻調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
5 PLC在變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
5.1 PLC硬件配置
這次改造中，PLC選用日本歐姆龍公司的模塊式C200H，CPU單元為CPU01-E，存儲(chǔ)器選4kB EEPROM，型號(hào)為ME431，兩個(gè)輸人單元均為16點(diǎn)的ID212，三個(gè)輸出單元分別為12點(diǎn)的OC222，8點(diǎn)的OC221，獨(dú)立接點(diǎn)8點(diǎn)的OC224。
5.2 變頻器控制部分的PLC程序設(shè)計(jì)
龍門(mén)銑床的工作臺(tái)進(jìn)給、左主軸進(jìn)給和右主軸進(jìn)給，通過(guò)切換變頻器輸出側(cè)的接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。如果在變頻器正常輸出時(shí)切換輸出側(cè)的接觸器，將會(huì)在接觸器觸點(diǎn)斷開(kāi)的瞬間產(chǎn)生很高的過(guò)電壓而極易損壞變頻器中的電子器件。因此，切換變頻器輸出側(cè)的接觸器一定要等到所控制的電機(jī)完全停止以后，才能完全切換。下面詳細(xì)分析如何用PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器輸出側(cè)電機(jī)的完全切換。
佳工機(jī)電網(wǎng)
首先分析變頻器輸出切換保護(hù)部分PLC程序，如圖3所示中所用的下降沿微分指令（DIED）。當(dāng)進(jìn)給方向選擇開(kāi)關(guān)SA3從工作臺(tái)進(jìn)給切換到左主軸進(jìn)給時(shí)，0009由ON變成OFF，同時(shí)，0010由OFF變?yōu)镺N。此時(shí)，內(nèi)部輔助繼電器4500在一個(gè)掃描周期內(nèi)ON，而4501保持OFF狀態(tài)不變。如果在變頻器正常輸出的情況下，進(jìn)給方向選擇開(kāi)關(guān)SA3切換，3個(gè)內(nèi)部輔助繼電器4500,4501和4502三中必定有一個(gè)掃描周期內(nèi)由OFF變?yōu)镺N，繼電器3007變?yōu)镺N并保持2s(TIM002的設(shè)定時(shí)間必須大于變頻器的制動(dòng)時(shí)間）后變?yōu)镺FF。在SA3切換時(shí)，由于變頻器在正常輸出，則繼電器3100，3101中必有一個(gè)為ON，繼電器3008也為ON。在SA3切換的瞬間，由于繼電器3007，3008都為ON狀態(tài)，繼電器3012變?yōu)镺N，它切斷變頻器的輸出進(jìn)給信號(hào)，變頻器開(kāi)始制動(dòng)停止。在SA3切換信號(hào)消失2s后，此時(shí)變頻器已停止輸出，繼電器3007，3008由ON變?yōu)镺FF，出現(xiàn)下沿信號(hào)，繼電器4503在一個(gè)掃描周期內(nèi)ON，切斷變頻器輸出側(cè)的接觸器，使電機(jī)切換到所需的進(jìn)給方向。如果在變頻器停止輸出時(shí)，SA3切換，由于繼電器3008為OFF，繼電器3013會(huì)在SA3切換的瞬間在一個(gè)掃描周期內(nèi)ON，從而把變頻器輸出側(cè)的接觸器立即切換到所需的進(jìn)給方向。
變頻器出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)它內(nèi)部的報(bào)警繼電器驅(qū)動(dòng)控制柜上的報(bào)警指示燈HLl，使HL1連續(xù)閃爍，指示操作人員變頻器出現(xiàn)異常，必須立即停機(jī)檢修。變頻器報(bào)警延時(shí)0.5s后，切斷輸人側(cè)的接觸器KM2，使出現(xiàn)故障的變頻器脫離電源，以免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。
變頻器輸出切換保護(hù)部分的PLC程序，限于篇幅，此不贅述。
6 變頻器和PLC的安裝和接線(xiàn)
6.1 變頻器和PLC的安裝
變頻器和PLC的安裝度為-10℃至50℃。控制柜內(nèi)的發(fā)熱元器件有變壓器、接觸器、變壓器及其制動(dòng)電阻等，為了降低這些大發(fā)熱量器件而致的柜內(nèi)溫升，可采用兩種方法。一是加大控制柜的尺寸，二是增加柜內(nèi)的換器風(fēng)量。方法一必造成控制電柜體笨重，增加金屬用料，不經(jīng)濟(jì)；方法二只增加一臺(tái)成本較低的換氣風(fēng)扇，較為經(jīng)濟(jì)。變頻器在控制柜內(nèi)安裝時(shí)，應(yīng)盡量靠近柜內(nèi)頂部的換氣扇，讓從電柜下部進(jìn)入的冷空氣全部通過(guò)熱源部分。
對(duì)此以數(shù)字電路為主構(gòu)成的PLC來(lái)說(shuō)，工作靈敏度高，很容易受到各種外來(lái)電磁干擾，引起誤動(dòng)作。目前市場(chǎng)上出售的變頻器多采用PWM控制，它的輸出電流中含有多種諧波，是強(qiáng)電磁干擾源。為了防止變頻器對(duì)PLC的干擾，PLC的安裝應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器，并且它們的安全保護(hù)接地，屏障接地均應(yīng)采取單點(diǎn)接地。
變頻器和PL C周?chē)目刂苹芈返慕佑|器，繼電器的線(xiàn)圈、觸點(diǎn)在開(kāi)閉時(shí)，會(huì)因電流急劇變化而產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，有時(shí)會(huì)使變頻器和PLC的控制回路，外部沒(méi)有產(chǎn)生誤動(dòng)作，需要在這種干擾源的線(xiàn)圈，觸點(diǎn)兩端加裝浪涌吸收電路。
變頻器和PLC安裝于高濕度的場(chǎng)所，常發(fā)生絕緣劣化和金屬部分腐蝕。如果受場(chǎng)所限制，不得已用于高濕度場(chǎng)所，必須加裝除濕裝置，防止變頻器和PLC停止工作時(shí)的結(jié)露。
在有振動(dòng)的場(chǎng)所安裝時(shí)，在振源側(cè)需采取減少振動(dòng)的措施，而在變頻器和PLC側(cè)加裝隔振器或防振橡膠。
6.2 變頻器和PLC的配線(xiàn)
（1）變頻器主回路
變頻器無(wú)速度傳感器矢量控制運(yùn)行要用電機(jī)的定子電阻，而數(shù)據(jù)的獲得是由變頻器的參數(shù)自檢測(cè)程序來(lái)完成的。如果按常規(guī)的導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱校驗(yàn)選擇電機(jī)的配線(xiàn)，必然在長(zhǎng)距離供電時(shí)，把線(xiàn)路電陰加入到了參數(shù)自檢測(cè)出的定子電阻數(shù)據(jù)中，引起變頻器的控制精度下降，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。所以，變頻器輸出回路的導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)在常規(guī)發(fā)熱校驗(yàn)的基礎(chǔ)上再加大1-2級(jí)截面等級(jí)。
（2）控制回路
變頻器和PLC的控制信號(hào)為微弱的電壓、電流信號(hào)，所以與主回路不同，對(duì)于變頻器的輸出回路是強(qiáng)電磁干擾源，因此，變頻器和PLC控制回路的配線(xiàn)不能與變頻器主回路配線(xiàn)在同一根鐵管或同一配線(xiàn)槽內(nèi)敷設(shè)。為了進(jìn)一步提高抗干擾效果，還應(yīng)采用1.0m2絕緣屏蔽導(dǎo)線(xiàn)。絕緣屏蔽導(dǎo)線(xiàn)的接地應(yīng)在變頻器和PLC側(cè)進(jìn)行單點(diǎn)接地，使用專(zhuān)用的接地端子，不與其它的接地端子共用。電磁感應(yīng)干擾的大小與電線(xiàn)的長(zhǎng)度成比例，所以要盡可能地以最短的線(xiàn)路敷設(shè)。
7 系統(tǒng)調(diào)試
7.1 通電前的檢查
（1）變頻器外圍接線(xiàn)檢查
在變頻器外圍接線(xiàn)檢查中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：
·電源線(xiàn)應(yīng)與R、S、T端子連接，絕對(duì)不能連至U、V、W端子上；
·端子之間，外露導(dǎo)電部分有無(wú)短路、接地現(xiàn)象；
·接地端子必須良好接地；
·端子、連接器的螺釘是否緊固；
·電機(jī)是否與機(jī)械裝置安全脫離。
（2）PLC外圍接線(xiàn)檢查
變頻器控制系統(tǒng)PLC外圍接線(xiàn)檢查應(yīng)著重檢查以下幾個(gè)方面：
·PLC的220V供給電源接線(xiàn)是否正確；
·PLC輸入單元的＋24V電源接線(xiàn)是否正確，絕對(duì)不能混人220V強(qiáng)電；
·PLC輸出單元不能存在短路隱患；
·PLC輸出單元所帶負(fù)載的電源接線(xiàn)是否正確。
7.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)功能參數(shù)設(shè)置
變頻器在出廠(chǎng)時(shí)，所有的功能碼都已設(shè)置了。但是，龍門(mén)銑床調(diào)速系統(tǒng)的要求與工廠(chǎng)設(shè)定值不盡相同，所以，一些重要的功能參數(shù)需要重新設(shè)定。
（1）工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)Ml的功能參數(shù)設(shè)置
·加速時(shí)間1（功能碼F07)：1s；
·減速時(shí)間1（功能碼F08）：Is；
·電子熱繼電器1的OL設(shè)定值（功能碼F11）：23A；
·轉(zhuǎn)矩矢量控制1（功能碼F42）：1；
·Ml參數(shù)--極對(duì)數(shù)（功能碼POl）：4；
·容量（功能碼P02）：11kW；
·額定電流（功能碼P03）：22.6A；
·空載電流（功能碼P06）：4.2A。
在上述參數(shù)設(shè)定完后，將功能碼P04（電機(jī)參數(shù)自整定）設(shè)定為1，等大約5s，變頻器會(huì)自動(dòng)測(cè)試工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)并保存。如果在測(cè)試中發(fā)生異常報(bào)警，請(qǐng)參閱變頻器用戶(hù)手冊(cè)予以解決。
(2）左、右主軸進(jìn)給電機(jī)M2的功能參數(shù)設(shè)置
·電子熱繼電器2的OL設(shè)定值（功能碼A07)：3.7A；
·轉(zhuǎn)矩矢量控制2（功能碼A09）：1；
·M2參數(shù)--極數(shù)（功能碼A10）：4；
·容量（功能碼All）：1.5kW；
·額定電流（功能碼A12）：3.7A；
·空載電流（功能碼A15）：1.4A。
在上述參數(shù)設(shè)定完后，將功能碼A13（電機(jī)參數(shù)自整定）設(shè)定為1，等大約5s，變頻器會(huì)自動(dòng)測(cè)試工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)并保存。如果在測(cè)試中發(fā)生異常報(bào)警，請(qǐng)參閱變頻器用戶(hù)手冊(cè)予以解決。
(3)公用功能參數(shù)設(shè)置
·Xl端子功能選擇（功能碼E01）：9；外部報(bào)警，Xl端子串人變頻器外圍的制動(dòng)單元和制動(dòng)電陰的熱敏開(kāi)關(guān)，當(dāng)它們發(fā)生故障時(shí)變頻器立即報(bào)警停止；
·X2端子功能選擇（功能碼E02）：12；電機(jī)2／電機(jī)1選擇；
·頻率設(shè)定1（功能碼FO1）：1；
·運(yùn)行操作（功能碼F02）：I。
(4)加、減速時(shí)間的設(shè)定
加減速時(shí)間可用計(jì)算的方法求得，如果實(shí)際計(jì)算有困難時(shí)，可采用以下方法。先將加減速時(shí)間設(shè)定成較大值，關(guān)掉失速電平功能，再逐次減小加減速時(shí)間設(shè)定值，以變頻器不發(fā)生報(bào)警時(shí)的設(shè)定值為最佳。即便是根據(jù)計(jì)算求得的設(shè)定值，也要利用變頻器的報(bào)警功能進(jìn)行最終確認(rèn)。變頻器加減速時(shí)間設(shè)定完后，失速電平功能要恢復(fù)成ON狀態(tài)。
7.3 PLC控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定
在變頻器最佳減速時(shí)間確定后，要重新設(shè)定圖3所示變頻器輸出切換保護(hù)部分PLC程序中的TIM002、TIM003的時(shí)間常數(shù)。這2個(gè)定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)設(shè)定值相等，但必須大于變頻器的減速時(shí)間。
7.4 試運(yùn)行
變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能參數(shù)設(shè)定完后，就可進(jìn)行系統(tǒng)試運(yùn)行。先用操作盤(pán)上的速度給定電位器設(shè)定大約5Hz的低頻，按下正、反轉(zhuǎn)按鈕，讓工作臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)空載運(yùn)轉(zhuǎn)幾分鐘。注意觀(guān)察電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向是否正確，轉(zhuǎn)速是否平穩(wěn)，溫升是否正常，加減速是否平滑等。再繼續(xù)在10、20、35、50Hz等頻率點(diǎn)試運(yùn)行。如果試運(yùn)行正常，變頻調(diào)速系統(tǒng)就可投人正式運(yùn)行。
8 結(jié)束語(yǔ)
本文詳細(xì)分析了變頻器的控制特性，提出了無(wú)速度傳感器矢量控制變頻器取代直流調(diào)速的可行性，給出了變頻器及其周邊設(shè)備的選型計(jì)算公式，并把PLC靈活引人變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)兩年多的實(shí)際運(yùn)行證明，PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，不但線(xiàn)路大為簡(jiǎn)化，而且各項(xiàng)調(diào)速性能達(dá)到原直流調(diào)速水平，再加上變頻器和PLC完善的故障診斷功能，使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性、可維修性得到大幅度提高。(end)
本文標(biāo)簽：變頻器和PLC在9米龍門(mén)銑床中的應(yīng)用（2）
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