用Delta VFD-V型变频器改造学校实验室CA6140车床

1概述 由于学校教学实验要求，须将实验室的CA6140车床主拖动系统进行改造，改造后机床主轴可无级调速。采用变频器完成改造工作，根据CA6140车床传动链的特点[1]，只需考虑机床主电机电路，使用变频器对进给量无影响，仍按原方法调整。考虑到实验室实际情况，改造要求有：1.不更换机床主电机；2.变频器可随时与工频电网进行切换，而状态切换操作要方便快捷；3.变频器接入后不改变机床操作习惯，即变频器接入后只起无级调速作用；4车床主轴无级调速必须在设定最高转速的条件下进行，以防实验中发生危险。改造过程中，首先进行变频器选型；然后确定具体的改造方案，包括电机电路与控制电路设计、变频器外部接线和参数设置等；最后分析改造主轴转速的计算方法。 2改造方案的确定 2.1变频器选型 变频器是运用近代电力电子与微电脑控制技术的一项新兴产品，主要用在各种机械设备上。其用途在于借着它改变供电频率，来控制电机转速，进而达到提升机械自动化程度与节约能源的目的。 CA6140车床主电机为三相异步电动机，级数为4级，额定功率7.5kw。根据这种实际情况，通过市场调查和综合分析比较，选用台达VFD-V型变频器。VFD-V型变频器是高性能无感测磁束矢量型变频器，采用了32位高速CPU芯片，具有响应速度快、精度高、输出力矩大(最大200%转矩电流)以及定位控制等特点。可广泛应用于机床、电梯、起重设备，加工中心及其相关的各种高性能应用场合等。 2.2电气线路改造方案[2]~[5] 根据CA6140车床特点和教学实验要求来确定改造方案，为降低改造成本与缩短施工周期，不改变车床的机械部分，只对电气线路进行改造。改造后，车床主轴转速，将由主轴箱齿轮传动调速与变频器变频调速共同决定，从而这种调速方法是齿轮传动有级调速与变频无级调速相结合的调速方法，即在有级调速中加入无级调速，扩大了主轴转速范围。基于1中的改造要求，设计了如图1所示的机床电气线路改造图。在原基础上，增加了VFD-V型变频器、按钮、交流继电器以及配套元件。继电器KMB与KMY必须互锁，以防止变频器输出端与380V电源相连，造成变频器损坏。 2.3 变频器的使用[6] 根据改造要求和2.2所述，设计了变频器外部接线，如图2所示。 此时，变频器各参数为出厂值，要实际应用，还必须对其中一些参数进行调整。表1给出了参数调整情况。因为实验只要求改变电机转速，所以在此只调整一些必要的参数。调整后，电机的启动和停止由SBV控制，运转频率由滑动变阻器R给定，其频率调整范围设定0~50Hz。从而当主轴箱调速手柄指向某一转速ni，同时R调到最大，此时变频器输出频率为50Hz，主电机在工频电下工作，主轴转速仍为ni，所以主轴转速上限由调速手柄和变频器最高输出频率共同决定。值得一题的是，这种方法可以在线调速，即机床主轴运转状态下，随时可以根据需要调整滑动变阻器R，从而调整主轴转速。 表1 变频器参数调整表 此时，变频器各参数为出厂值，要实际应用，还必须对其中一些参数进行调整。表1给出了参数调整情况。因为实验只要求改变电机转速，所以在此只调整一些必要的参数。调整后，电机的启动和停止由SBV控制，运转频率由滑动变阻器R给定，其频率调整范围设定0~50Hz。从而当主轴箱调速手柄指向某一转速ni，同时R调到最大，此时变频器输出频率为50Hz，主电机在工频电下工作，主轴转速仍为ni，所以主轴转速上限由调速手柄和变频器最高输出频率共同决定。值得一题的是，这种方法可以在线调速，即机床主轴运转状态下，随时可以根据需要调整滑动变阻器R，从而调整主轴转速。 表1 变频器参数调整表 式中：n0——电机同步转速(r/min)， f ——电源频率(Hz)， p ——电机极对数； 电机转速公式： 式中：n ——电机转速(r/min)， s ——电机转差率； 由(1)、(2)式可得： 由于p是电机固有的(4级电机，p=2)，不受其他因素的影响，当采用矢量控制时，s也不变。所以由(3)式可知，电机转速n与电源频率f成正比关系。当机床主轴转速调整手柄置于某一转速ni时，可得： 式中：i ——主轴箱齿轮传动比； ni——改造前主轴转速(r/min)， 当使用工频电时，f=50Hz，从而得： 进而可得： 式中：ki ——传动系数(r/(s·min))； 改造后，电动机输入频率f是变化的，但当f=50Hz，即工频电频率时，主轴转速与主轴箱上转速调整手柄指示转速相同。所以改造后可以通过以上各式推算出主轴实际转速，即将(6)式代入(4)式，得： 式中：Ni——改造后主轴转速(r/min)； fb ——变频器输出频率(Hz)； 例如：当主轴箱调速手柄指向400r/min，变频器输出频率为fi =30Hz时，由(7)式可以计算出主轴转速Ni=400×30/50=240 r/min，ki=8 r/(s·min)。 4结论 (1)采用变频器改造CA6140车床主拖动系统，实现了机床主轴的无级调速，但从安全角度考虑，可根据实际情况限制主轴最高转速； (2)在实际应用中，可根据需要接入变频器，也可直接使用工频电源，具有很大灵活性，符合学校实验室的实际情况； (3)引入变频器后，主电机在某一频率下工作，主轴转速可根据公式推导计算。 (4)实践证明，改造方案达到了改造要求，使得实验现象更加明显，教学实验效果也有了较大提高。 参考文献 1戴曙主编．金属切削机床．北京：机械工业出版社，2001 2曾毅、王效良、吴皓等编著．变频调速控制系统的设计与维护．济南：山东科学技术出版社，2002 3杜金城主编．电气变频调速设计技术．北京：中国电力出版社，2001 4王占奎等编．变频调速应用百例．北京：科学出版社，1999 5张燕宾主编．变频调速应用实践．北京：机械工业出版社，2000 6中达电通股份有限公司．VDF-V高性能磁束向量控制交流马达驱动器使用手册，2003