變頻技術在繞線機上的應用

唐 勝，張玉瑜，段 虎

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412000）

繞線機是電機制造企業的關鍵生產設備之一。在生產中，由于梭型線圈的形式、匝數、電磁線截面、并繞根數等的不同，特別是對品種多數量少的各種規格電機線圈的繞制，更是要求繞線機的速度可調范圍大，調節方便，并具有較平穩的起動特性和制動特性，在以不同的速度繞制時，都應具有足夠的轉矩。隨著變頻調速技術的成熟，繞線機已逐步采用變頻調速替代傳統機械變速箱調速的趨勢，如何掌握變頻調速在繞線機應用的特點，對保證設備安全與正常運行尤為重要。且交流變頻調速方案由于費用低、可無級平滑調速、維護方便等優良的調速性能，目前已取代直流調速系統，成為調速方案的首選。

1 變頻調速與電磁制動的基本原理

1.1 變頻調速的基本原理

變頻調速就是通過改變電動機定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。要使異步電動機的供電頻率可變，就必須有一套變頻電源。變頻調速設備就是將恒壓、恒頻電源轉換為變壓、變頻調速的變頻電源裝置。

變頻器基本原理如圖1所示：

交流電經整流橋變換成直流后，通過大容量電容C濾波輸出直流電壓U0,控制電路采用PWM或PAM方式有序控制V1—V6的導通與關斷， U、V、W輸出端輸出頻率可調的接近正弦波電壓。限流電阻起到電流取樣的作用，當出現過流情況時，限流電阻上取樣電壓升高，通過設置保護閾值的大小，可實現多種形式的過流保護。當電機在實現制動時，反饋的能量會使電容端U0升高，通過檢測U0的大小來開啟開關管V，投入制動電阻，保證制動回饋的能量消耗在制動電阻上。

由公式E=4.44*K*F*N*Φ 可以看出，在變頻調速時，如果電壓恒定不變，電動機的磁通Φ隨著運行頻率f在相當大的范圍內變化，它極容易使電動機的磁路嚴重飽和，導致勵磁電流的波形嚴重畸變，產生峰值很高的尖峰電流。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時控制變頻器輸出電壓，保證V/f一定，就可以使電動機的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現象的產生，實現恒轉矩調速。

1.2 電磁離合器的基本原理

電磁離合器是一種將主動側扭力傳達給被動側的連接器,可以據需要自由的結合,切離或制動,因使用電磁力來作動,稱之電磁離合器,制動器,具有響應速度快,結構簡單等優點。

圖1 變頻器基本原理圖

其原理是：激磁線圈通電時形成磁場，磁粉在磁場作用下磁化,形成磁粉鏈,并在固定的導磁體與轉子間聚合，靠磁粉的結合力和摩擦力實現制動。激磁電流消失時磁粉處于自由松散狀態，制動作用解除。這種制動器體積小，重量輕,激磁功率小,而且制動力矩與轉動件轉速無關，但磁粉會引起零件磨損。它便于自動控制，適用于各種機器的驅動系統。

電磁離合器的選型一般以所需傳達最大轉矩為依據來選定，并同時注意保證實際滑差功率小于電磁離合器、制動器的允許滑差功率。

圖3 傳統系統比較圖

圖4 主電路和控制電路

圖2 電磁離合器結構圖

計算公式如下：實際滑差功率P=2×3.14×M×n/60=F*V(單位：W)公式中：M 為實際工作轉矩（N/m）； F為張力（N）；n為 滑差轉速（r/min） ,V 為 線速度（m/s）

電磁離合、電磁制動器在散熱條件一定時，其滑差功率是一定值，因此其實際工作轉矩與轉速可以相互補償，即滑差轉速提高時，則許用轉矩將相應下降，但最高轉速不得高于其許可轉速。

2 繞線機的電路改造

2.1 主電機控制電路中的變頻調速應用

根據梭型線圈在繞制過程中對速度、轉矩、起動特性和制動特性等要求及我部門使用的梭型線圈繞線機的技術參數和性能的分析，經研究決定利用變頻器對繞線機進行速度調節和制動，替代傳統的齒輪變速箱調速。

由于繞制線圈要求主軸平緩啟動以最短的時間達到額定轉速，線圈繞制完后，要求主軸轉速迅速平緩的降到零，導致主軸電機需在短時間內反復的啟停。運轉或是正反運轉，故其驅動采用三菱通用型變頻器（FR-F740-15K-CHT）進行正反轉的運行控制，并在變頻器的三相交流電源輸入端（R、S、T）加入交流電抗器，其作用是擬制輸入電流的高次諧波，改善和提高功率因素，以保證變頻器的安全運行。變頻制動部分采用能耗式制動單元并配備鋁合金外殼電阻，這樣可以將電機在減速過程中所產生的再生電能以熱能的形式消耗在電阻上，達到很好的制動效果，而擁有全密封填充材料和高散熱性鋁合金外殼的制動電阻，具有極強的耐振性、散熱性及長期穩定性，保證了變頻器控制電機時的正常運轉。其原理圖如下：

電器控制部分主電路和控制電路如圖4所示。它們由三菱通用型變頻器(FR-F740-15K-CHT)、按扭開關（SB）、接觸器(KM)、熱繼電器(FR)、腳踏開關J、精密電位器

圖5 直流可調電源

RP，中間繼電器（KA）、計數器H等組成。當開關KI、限位開關J(腳踏調速器控制)閉臺耐，接觸器C常開觸點吸臺，經接觸器KM1吸合將50Hz380V三相交流電壓加在變頻器的R、S、T三個輸入端上，并對其進行整流、濾波，變成平滑的直流電壓，通過變頻器的大功率晶體管逆變成可變電壓、可變頻率的三相交流電壓，并在變頻器的U、V、W端輸出。精密電位器RP為變頻器頻率給定電位器，通過調節電位器值來調節變頻器的輸出頻率（5～50Hz）．腳踏開關經過中間繼電器控制變頻器的正反向運轉，，達到調節電動機轉速(速度調節范圍：10～1500r／min)的目的。制動由變頻器外接制動單元與制動電阻(R—3000W60Ω)進行直流能耗制動。匝數計數器由直接與主軸相聯的編碼器和計數器組成。

2.2 電磁制動電路的改造

電磁制動器的張力控制采用手動控制,在放線過程中進行調整離合器或制動器的扭矩，從而獲得所需的張力，這要求使用者檢查被控材料的張力，確定調節輸出力矩，這種方案可使本次改造節約一定的設備成本，并且在不增加操作者難度的情況下也能保證工藝技術要求。

兩個供線盤的電磁制動器相同，采用兩套相對獨立的穩壓可調電源，電壓調整范圍0―15VDC、電流≥3A，就能保證電磁制動器的張力大小可調，并滿足線圈的繞制。我們用的穩壓可調電源是基于LT1083系列大功率低壓差三端穩壓芯片的高穩定度低紋波直流穩壓電源。其穩壓器件LT1083CP系列可調穩壓器的效率大大高于現有器件，可以提供7.5A輸出電流（需要足夠大的散熱器），并能在低至1V的壓差條件下運行，壓降在最大電流條件下保證在1.5V以內，其具有輸出電壓穩定度高、輸出電流大、低紋波、低功耗等特點，濾波電路更是采用大容量電解電容濾波，增加了輸出電壓的穩定性，同時本套電源做成之后具有過熱、過載、短路等多種保護。為電磁制動器長時間的工作提供了更加安全、穩定的保障。

通過圖5的電源原理圖，接觸器KM2吸合將50Hz220V交流電經變壓器降壓輸出15VAC，再通過橋式整流電路，大容量濾波電路送入三端穩壓模塊LT1083CP,由精密電阻RP調節輸出的直流電壓（0-15VDC）來控制電磁離合器張力大小。

2.3 改造后的效果

（1）故障率：

改造前 改造后平均每月一次 基本無故障

（2）主軸啟動平緩符合工藝要求：

改造前 改造后

3 接線注意事項

（1）變頻器的控制回路(圖中為控制回路端子)的控制線必須采用屏蔽線(圖中為屏蔽線)并且遠離主回路(圖中為主回路端子)接線，屏蔽線僅一端接地。

（2）為防止意外事故發生,接地端子E或 必須可靠接地(接地阻抗應在100歐以下),否則會有漏電狀況發生。

（3）電機容量應等于或小于變頻器容量。

（4）主回路配線時,其線徑規格的選擇請按照國家電工法規有關規定實行配線。

（5）為盡量減少電磁干擾的影響,電磁接觸器要遠離變頻器,或加裝浪涌吸收裝置。

（6）勿將交流輸入電源RST端子接到變頻器輸出端子UVW。

（7）變頻器部分功能參數設置如下：Pr 1 上限頻率0～120Hz 設置為50 Hz，Pr 2 下限頻率0～120Hz 設置為5 Hz，Pr 7加速時間0～3600 設置為5s，Pr 7減速時間0～3600 設置為1.5s，Pr 9電子過電流保護0～3600A設置為20A，Pr 79運行模式選擇 0～7 設置為2，其它參數采用出產默認值。

4 結語

整套電器柜改造完成后，經試運行，主軸電機起動平緩了，消除了沖擊電流，電磁場干擾也大大降低了，工作時的轉速也可在限制范圍內隨意調整，供線盤的張力調整比改造前也更加平滑穩定。

[1]岳慶來. 變頻器、可編程程序控制器及觸摸屏綜合應用技術[M].北京:機械工業出版社, 2006.

[2]韓安榮 . 通用變頻器及應用[M]. 北京:機械工業出版社, 2000.