數控車床中應用變頻調速技術探析

趙宏霞，魏東坡

（1.德州亞太集團有限公司，山東 德州 253000；2.山東華宇工學院，山東 德州 253000）

數控車床中應用變頻調速技術探析

趙宏霞1，魏東坡2

（1.德州亞太集團有限公司，山東 德州 253000；2.山東華宇工學院，山東 德州 253000）

文章闡述了變頻調速技術自身特征以及基本原理，探析了數控車床對變頻調速技術的應用。

數控車床；變頻調速技術；應用

數控車床技術主要是對數字控制操作的工作母體總稱，該車床上集合了機械制造技術、功率電子技術以及微電子技術等各種技術為一體，兼備了高效率、高精度以及高柔性的自動化生產設備。在數控車床上應用上了變頻調速技術之后，提高了數控車床的制造能力。因此，探究變頻調速技術在數控車床的應用具有實用價值。

1 變頻調速特征以及基本原理

（1）變頻調速特征。在數控車床的主軸上，其車床的主軸控制裝置都是采用了交流變頻器對交流主軸電機進行控制，這種控制方式具有速度穩定性高、調速范圍寬、過載能力強以及加減速時間比較短，同時還有振動小、噪聲低以及壽命長等各種特征。

（2）主軸變頻調控的基本原理。從異步電動機理論上能夠得到，主軸電機轉速公式為：

N=(60f1/p)(1-s)=n0-Δn （1）

如果不計定子阻抗的壓降，那么異步電動機的定子電路電壓平衡方程是：

U1=E1=4.44f1N1ΦmΚw1 （2）

該式子中的P表示電動機極對數；S表示轉差率；f1表示供電電源頻率；n0表示同步轉速；U1表示定子繞組的相電壓；E1表示定子繞組的感應電動勢；Φm表示表示每極對氣隙磁通。

從（1）式中就能夠看出，電動機的轉速和頻率成正比，一旦改變了頻率就能夠平滑調節電動機的轉速。從變頻器角度來看，頻率調節范圍比較寬，能夠在0～400Hz間進行任意調節。所以主軸電動機轉速調節范圍比較寬。

從（2）式中就能夠看出，一旦頻率變化之時不但影響電機運行速度，同樣也會影響到電機的內部磁通量與各個部分磁路的磁通密度變化。改變電源的頻率能夠實現變頻調速調速，同樣會導致氣隙磁通量發生變化，影響電機性能。當進行變頻調速之時，改變電源頻率之時就會改變電源電壓，確保氣隙磁通量不變，電機就能夠得到良好運行性能，就能夠有效的實現變頻調速功能。

2 數控車床中應用變頻調速技術

2.1 應用變頻調速進行控制原因

應用變頻調速進行控制的主要原因，主要體現在以下5個方面：

（1）變頻調速產品技術成熟，性能可靠，被廣泛使用在異步電動機的控制系統中。

（2）通過變頻器中外接控制端子，能夠體現出運行狀態時輸出端子及可編碼功能。能夠依據被控對象與控制方式差異靈活設定與選擇，略掉了中間轉換控制。

（3）啟停電動機的時間以及電流能夠進行手動編碼或者自動設置完成，降低原來方式中的起動電流比較大，機械沖擊比較大。

（4）當主電路進行相序切換時就采用變頻器的內部集成電路完成控制，同時還要設置電動機轉速在制動后能夠自動解除，防止因操作不當大電路流入電動機。

（5）變頻器能夠自動彌補電網中電壓波動，能夠設置來電繼續加工和自動延時關機等各種功能，實現自動化過程。

2.2 變頻調速器

變頻調速器就是運用電力半導體器件具有的通斷作用，把工頻電源轉換成另一個頻率電能控制裝置，能夠把電網中的恒壓及恒頻交流電轉變成變頻變壓的交流電。數控車床中應用變頻調速就是為了提升調速特性，讓被調交流電機處于低轉差率運行，有效降低了轉子損耗及起動電流的沖擊，確保了系統以及電網穩定運行，并且這種運行模式精度高、調速范圍較寬及速度的穩定性好。在應用中變頻器選用及容量選擇非常重要。

（1）變頻器的選用。①選擇變頻器類型。數控車床中使用變頻調速技術，出了考慮到了靜態速度精度、調速范圍、負載情況以及起動轉矩之外，還要考慮控制方式。如今數控車床上所用變頻調速主要有矢量控制與標量控制兩種，標量控制是低頻時其轉矩不夠，速度穩定性差；所以這種控制方式已經逐漸被淘汰，因此矢量控制正被大量推廣。矢量控制就是讓鼠籠式異步電動機如直流電機具備較高的運行性能及控制性能，且經過控制變頻器所輸出電流大小、相配位以及頻率，通過電流來維持電動機內部磁通的設定值而產生出所需轉矩。這種控制方式非常優良，就能夠適應高速響應場合要求，調速范圍較大，還能夠實現轉矩控制。②功率選定。系統效率即為變頻器和電機效率之乘積，因此要實現系統最佳效率必需要二者均具備較高效率。所以一般情況下，就要確保變頻器功率和電機的功率值接近，才能夠讓變頻器處于高效率運轉。一旦電機頻繁啟動及制動，或者重載啟動，就應該選用大一級變頻器，確保變頻器安全、長時間運行。③選擇變頻器容量。選擇變頻器容量是一個比較重要、復雜的問題，就需要考慮到變頻器和電動機二者容量的匹配，如果變頻器容量偏小必然會影響電機的輸出力矩，影響系統正常運行，乃至損壞裝置。如果容量偏大，必然會增大電流諧波分量，增大設備的投資。

選擇變頻容量分成三步驟；①了解負載的性質及變化規律，計算負載電流大小或者負載電流圖，I=f(t)；②要預選變頻器的容量；③對變頻器進行校驗預選，還可能校驗過載能力及起動能力。如果均能通過，就選定了預選變頻器容量，否則就要返回到第二步重新進行，一直到通過。當然只有滿足生產的機械要求下還要考慮容量大小，容量越小才越經濟。

（2）連接變頻器方式及速度控制。在數控車床中連接變頻器的方法如圖1所示：

圖1 變頻器的控制示意圖

該連接模式分為了部分，①數控裝置的變頻器之間正反轉信號；②數控裝置傳遞給變頻器頻率或者速度信號；③變頻器傳遞給數控裝置的故障等各種狀態信號。變頻器操作及反饋都是通過數控面板編程與顯示的。

速度調控且是調速時，就是經過數控裝置至變頻器模擬通道傳遞速度信號，并且經過變頻器內部設置的輸入信號和設定頻率的特性曲線，數控裝置就能夠便利的自由控制主軸速度。變頻調速特性曲線主要包含了電壓（電流）信號，正（反）作用以及單（雙）極性各種配置，有效滿足了數控車床的自由調速、正反轉以及變速切削要求。所以應用變頻調速更為便利和準確，只需要將所需轉速直接輸入到數控面板上，就能夠實現無級調速，實現恒線性的切削要求。

2.3 變頻電機

（1）變頻電機特征。變頻電機就是針對三相異步電動機中各種缺陷，針對電磁和結構方面做的特別設計。這種電機具備啟動扭矩大、過載能力強，當臨界轉差率靠近1時就會直接啟動，其調速范圍比較寬，振動小、效率高以及噪聲低等各種特征。相比普通電機該電機可靠性更好，更安全，解決普通電動機啟動之時存在過載能力差、啟動扭矩不足等各種缺陷。

（2）確定變頻電機的類型及功率。選擇變頻電機和普通電機基本相似，選擇時就要依據負載性質與生產工藝對電機起動、反轉、制動以及調速等各種要求，其轉速和功率以及扭矩關系如圖2所示。主軸的轉速nj之時由主軸傳遞所有功率時最低轉速。

圖2 轉速和扭矩及功率關系

從該轉速到主軸中最高轉速均能夠傳遞全部功率，且扭矩則隨著轉速增加而減低，即為恒功率的工作范圍。當低于了nj之時各級的速度扭矩不變，即為該機床上最大的傳遞扭矩，轉速提高必然增加功率，即為恒扭矩的工作范圍。所以選擇電動機類型之時就要確定出基本轉速以及最高轉速，把基本轉速換成基本頻率，比如如今許多數控車床中將基頻定位了50Hz或者60Hz，并在該基點上，按主軸最高轉速計算最高速的頻率，確定出變頻調速范圍。功率確定相對簡單，所選功率只需要比普通車床小即可，或者依照同類產品比較確定出電動機功率。

3 結語

在數控車床中應用變頻調速技術，有效簡化主傳動機械機構，確保主軸最佳的運行特性，有效實現了高效率切削與較高加工精度，確保低速與高速下輸出較大力矩。因此，該技術必然在數控車床中廣泛應用。

An Investigation into the Application of Variable Frequency Speed Control Technology in NC Lathe

ZHAO Hong-xia1,WEI Dong-po2
(1.Dezhou Yatai Group Co.,LTD.,Dezhou Shandong,253000 China;2.Shandong Huayu Institute of Technology, Dezhou,Shandong,253000 China)

This paper expounded the characteristics and basic principle of variable frequency speed regulation technology,investigated the application ofvariable frequency speed control technology in numerical control lathe.

NC lathe;variable frequency speed control technology;application

TG659

A

2095-980X（2015）04-0013-02

2015-02-15

趙宏霞（1978-），女，吉林吉林人，工程師，主要研究方向：機電一體化。