變頻器數控機床應用的研究

任夢羽 寧傳麗 鄭亞平

摘 要：在數控機床上，變頻器主要用于交流電動機的控制，它不但起了節能和調速的作用，而且它的軟啟動能夠保護附屬電氣設備，避免直接啟動給機械設備造成沖擊，從而引起機械故障。因此變頻器是理想的調速和控制裝置。本文就變頻器在數控機床上的應用及它在使用和維護中常見的問題進行闡述。

關鍵詞：變頻器；數控機床；調速；節能；維護

1、引言

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將把電壓、頻率固定不變的交流電變換成電壓、頻率可以改變的交流電的電能控制裝置。[1]作為能夠改變輸出頻率的設備，變頻器其主電路由整流器件、直流部分和逆變器件三部分組成。基本結構示意圖如圖1所示。

整流器件作為變頻器與三相交流電相連的部分，把三相交流電變成直流電。直流部分是變頻器的信號控制部分。直流電部分取出所需的電壓，帶動驅動電路、檢測電路和CPU控制器。驅動電路用來實現逆變器件的驅動，檢測電路用來實現對溫度、電流和電壓的檢測，CPU控制器實現判斷和控制功能。而逆變器將直流電變換為所要求頻率的交流電。通過逆變器的驅動電路實現對逆變器的驅動，從變頻器輸出的電就變成了電壓為 380V，頻率可調的交流電，從而驅動電機完成預想的控制工作。

2、變頻器特性及參數設置

2.1 變頻器的主要特性

變頻器通常通過控制面板的參數設定和選取，使其能夠在電控系統中實現復雜的控制，在數控機床的電控系統中變頻器的主要特點是：啟動和停止時較平穩，可實現無級調速，同時在調速時應用范圍較廣。在工作時可實現長期穩定的運行，且操作簡單方便，在輸出時可以滿足數控機床電動機的性能要求[2]。

2.2 變頻器的參數設置

變頻器的參數對于變頻器的控制非常關鍵，是保證功能運行的前提。其電動機的額定電流、工作電壓、電機容量等參數的設置可以根據銘牌所給定的進行設置。另外，在使用狀態顯示板時，應注意其參數在使用時不可改變。只可以按事先設定好的參數進行運行，當我們想讓電動機啟動或停止或進行正反轉時，可以在模擬輸入信號的控制下由開關量來實現。

3、變頻器在數控機床上的應用

自變頻技術在數控機床中的廣泛運用開始，數控機床自身的科技技術含量便飛速提高，其智能化、數字化以及網絡化的特點也與我國當下的數字機床應有的相關要求相符，所以對其進行相關研究就顯得很有現實意義。

3.1數控機床中變頻器的容量

在具體的數控機床中的變頻器選擇中，相關技術人員需要考慮數控機床電動機的容量，以此進行不同容量變頻器的選擇。這里需要注意的是一旦變頻器的容量相較于數控機床電動機容量來說較小的話，就很容易出現對數控機床的正常運行造成影響，甚至造成數控機床的損毀，而當變頻器容量相關于數控機床電動機容量來說較大的話則會使數控機床的諧波分量變大，造成資金浪費的情況發生，所以在對數控機床使用的變頻器選擇中，相關技術人員必須嚴格按照以下規定進行具體的選擇決策即通過對數控機床負載性質的變化規律計算出負載電流大小[3]；通過負載電流計算結果，預選數控機床所使用的變頻器容量；對選擇的預選變頻器的過載能力與起動能力進行檢驗。

3.2變頻技術與數控機床的電力驅動

在我國當下數控機床中主要存在三種電力驅動的類型，非別是進給飼服系統驅動、主軸驅動系統、電動機裝式高速交流主軸驅動系統[4]。

進給飼服系統驅動，是指數控車床中相關驅動通過滾珠絲杠帶動刀架運動實現刀具工件加工的一種數控機床驅動系統，經過多年發展現已取代了直流伺服裝置。由于進給飼服系統驅動的特點，在對其進行相關變頻技術的運用中，最好采用交流變頻矢量控制技術，以此實現進給飼服系統驅動的變頻調節，并實現其再生制動。

主軸驅動系統，是一種速度與精度都較高的數控機床驅動技術，其運行速度能夠達到15000-20000r/mm，而在我國當下的主軸驅動系統的變頻技術應用中，其一般采用工“日T功率器件進行自身的變頻調節，其能夠使主軸驅動系統實現四象限運行，能夠有效的起到數控機床節電與性能保持的目的[5]。

電動機裝式高速交流主軸驅動系統，是我國現階段數控機床主軸驅動系統的發展方向之一，在我國現階段的數控機床中運用的較為廣泛。電動機裝式高速交流主軸驅動系統具有機床主軸與電動機轉子合二為一的特點，這就使得其本身的轉數與精度較高，能夠適應多種不同的加工需求。

4、變頻器在數控機床中故障與維修分析

在利用變頻器對數控機床進行控制時，變頻器在使用中需要與控制裝置相互配合，一起完成相關的控制程序。而機床出現故障時，及時地分析故障原因并進行維修為機床的保養非常重要，常見的變頻器故障現象如下。

4.1 變頻器過載

變頻器的過載經常是因為加速時間短、直流制動量過大或電網電壓太低等原因引起的。一般可通過延長加速時間、延長制動時間、檢查電網電壓等解決故障。而電機過載是由于變頻器功率過小、電機負載過重而引起的，因此系統要選擇合適的變頻器以適應電機。

4.2 欠壓、過壓

當電壓過小或過大時，變頻器的檢測元件會自動保護變頻器，變頻器停止工作。欠壓、過壓故障主要是因為外部電源的故障引起的，也有少數故障是檢測電路損壞引起的。如過壓有可能是因為減速時間太短或制動電阻損壞造成的。遇到欠壓、過壓故障時，先檢查檢測電路是否完好，然后再對外部電源進行檢查。

4.3 過流

當電流過大時變頻器啟動過流保護，變頻器停止工作。一般可從外部電器和變頻器本身分析過流故障。由外部電器引起的過流故障如下：電機負載突然增大，造成沖擊而引起過流；電機和電機電纜相間或相對地的絕緣破壞，造成匝間或相間對地短路，因而導致過流；當裝有測速編碼器時，速度反饋信號丟失或非正常時，也會引起過流，這時需要檢查編碼器和其電纜。由變頻器本身引起的過流故障維修中，遇到過流故障，我們先用電流表測量變頻器輸出的電流。看輸出電流是否平衡，如果輸出不平衡，說明變頻器內部器件有問題。變頻器周圍所有繼電器、接觸器的控制線圈上需加裝防止沖擊電壓的吸收裝置，盡量縮短控制回路的配線距離，并使其與主線路分離，采用屏蔽線回路。數控機床的變頻器安裝時，由于其集成度高，整體結構緊湊，自身散熱量較大的特點，對安裝環境的溫度、濕度和粉塵含量以及電網質量要求較高，保證變頻器在較低的溫度狀態下運行是延長變頻器壽命的基本要求。變頻器在使用前應對現場的外部條件進行檢查，不能滿足要求時應采取有效措施加以解決，從而杜絕外部環境對變頻器的影響。

5、總結

隨著變頻器不斷的改善和技術的不斷提高，使得其在數控機床上的應用越來越廣泛。變頻器的使用在一定程度上不僅節約了大量的開關元件和相關的電器元件。同時對機床加工時的精度保障和加工工件時的生產效率有了極大的提高。另一方面變頻器也可以改變機床的控制和驅動方式，適應了多種多樣的工件的生產，大大提高了工作效率，減少了數控機床的維修工作。

參考文獻：

[2] 韓安榮.通用變頻器及其應用[M].機械工業出版社，2009.

[3] 吳文龍.數控機床控制技術基礎——電氣控制基本常識[M].高等教育出版社.

[4] 李發海.電機與拖動基礎[M].清華大學出版社，2005.

[5] 王愛玲，白恩遠.現代數控機床[M].北京：國防工業出版社，2003.