變頻器在切削液恒壓供給系統中的應用

馮金冰

摘要：在切削加工自動生產線中，切削液流量充足、壓力恒定對保證加工質量至關重要。采用性能優異的三菱變頻器為主要控制元件，利用變頻器內置的PID運算功能控制電動機啟停，可以達到控制系統管網內流量變化和壓力恒定的目的。該系統具有普適性，可以為其他類似應用提供借鑒。

關鍵詞：變頻器；恒壓；切削液；PLC；應用

中圖分類號：TS208 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2019）02-0044-03

在大規模金屬切削加工生產流水線中， 若把切削液集中起來再以恒壓供應每臺機床使用， 不但可以節省機床切削液儲存箱，還能通過循環流動避免其過早變質，進而節約空間和成本。依據切削液用量變化和自動調節系統運行參數， 確保切削液用量發生變化時管道壓力保持恒定，實現切削液可靠使用，是切削加工生產工藝的研究方向之一。針對企業切削液使用要求，設計一種利用變頻器作為主要控制元件的切削液恒壓供給系統， 并在生產中得到了實際應用。

1 切削液恒壓供給系統的特點

當生產任務多、機床使用頻繁時，需要切削液壓力較大、流量充足，反之應維持一定的管壓。切削液供給系統的控制對象是切削液流量，即通過改變切削液流量來調節壓力，從而實現切削液的恒定供給。特點如下：

1） 節約生產成本。通常情況下，每臺機床都需要備冷卻泵和冷卻箱。如果把切削液集中起來使用，不僅可以省卻這些配套，而且能夠延長切削液的使用壽命并提高切削液的冷卻效果。從長遠看，采用切削液恒壓供給系統可為企業節約大量生產成本。

同時，使用變頻方式還可以明顯節約電能。

由流體力學可知，P=Q×H，其中，P為功率，Q為流量，H為壓力。流量Q與轉速N的一次方、壓力H與轉速N的平方、功率P與轉速N的立方均成正比例關系。若水泵效率固定，則流量Q下降時轉速N隨之成比例下降，而輸出功率會按三次方關系大幅降低。當離心泵電機功率55 kW、轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16 kW/h，節約用電48.82%，則年耗電量為：8 760×28.16=246 681.60 （kWh）。若按0.55元/kWh計算，則年支出電費為：246 681.60×0.55≈135 674.88 （元）。每年大約節省電費129 315.12 元。

當轉速下降到原轉速的1/2時，其耗電量為6.88 kW/h，節約用電87.50%，則年耗電量為： 8 760×6.88=60 268.80 （kWh）。按0.55元/kWh計算，則年支出電費為：60 268.80×0.55≈33 147.84 （元）。每年大約節省電費231 842.16 元。

可見，使用變頻器可節約大量用電成本，其啟動平穩的特性對水泵電機起保護作用，有助于改善生產工藝、提高作業效率、節約生產成本。

2） 運行安全穩定。切削液恒壓供給能夠滿足任何工況下的機床使用要求，利于排屑，減少因刀具磨損造成的安全事故，進而保障企業生產安全。

3 切削液恒壓供給系統的構成

3.1 工作原理

切削液恒壓控制系統主要由壓力傳感器、冷卻水井、抽水泵、補水泵、循環泵、變頻器組成，其工作原理是：通過給定參數作為變頻器PID控制器的輸入參數，壓力傳感器檢測網管壓力作為反饋參數，變頻器PID控制器通過給定參數和反饋參數的比較作為PID控制的最終輸入參數，變頻器運算后輸出頻率控制水泵運行。當網管壓力發生變化時，變頻器改變頻率，進而改變水泵轉速，控制網管壓力始終恒定于某固定范圍。變頻器恒壓控制原理見圖1。

在切削液恒壓供給系統中，變頻器、壓力傳感器及水泵之間構成閉環控制回路。變頻器接收壓力傳感器電壓信號（反饋值）與水泵出口壓力（設定值）相比較，比較結果作為變頻器的輸入信號，進而控制變頻器輸出，使其壓力恒定。當水泵出口壓力低于傳感器壓力值時，變頻器在低頻狀態下運行；當水泵壓力高于傳感器壓力值時，變頻器自動切換頻率，執行PID控制。

通過設置變頻器參數，可使變頻器以遞減轉矩負載特性來運行，其運行特點是變頻器輸出電壓與電流將隨負載變化而變化，進而實現自動調節功能。同時，可避免水泵電機長時間運行在大電流狀態，延長水泵使用壽命，節約作業成本。

3.2 系統構成

切削液恒壓供給系統由冷卻水井、抽水泵、變頻器、壓力變送器、補水泵、循環泵、蓄水池、循環泵、閥門、分水器組成。工作時，首先用抽水泵從冷卻水井中抽水至蓄水池，再用循環泵從蓄水池中抽水到分水器，進而送達各機床。切削液使用后通過管道回流至冷卻水井，經過濾沉淀后，由抽水泵抽出并送到蓄水池中。當壓力傳感器檢測出循環泵送出壓力較小時，補水泵啟動，送水壓力和流量增大。當壓力傳感器檢測出循環泵送出壓力較大時，補水泵停止。當蓄水池水位較低時，抽水泵自動啟動工作。圖2為切削液恒壓供給系統簡圖。

3.3 電氣原理圖

切削液恒壓供給系統電氣控制部分主要由變頻器、水泵電機、傳感器、按鈕、指示燈等組成，見圖3。斷路器QF1起漏電保護、過載保護等作用。變頻器采用三菱變頻器，壓力傳感器接入變頻器模擬信號輸入端子，A、C端子為故障輸出繼電器端子。工作時合上斷路器QF1，變頻器輸入電源接通；按下啟動按鈕，變頻器開始輸出頻率，電機開始轉動；變頻器壓力傳感器輸入信號與設定參數相比較，自動調整輸出頻率，控制電機轉速，進而實現切削液壓力恒定。

4 結論

以變頻器作為切削液恒壓供給系統核心元件，利用變頻器PID運算功能進行自動控制，既可避免使用PLC控制，也利于節約作業成本和提高生產效率。此外，變頻器無需編程，操作簡單，節約電能，在實際使用中可保證供水壓力穩定，具有推廣應用價值。

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