电力电子电机拖动课程设计通用变频器在龙门铣床上的应用.docx

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电力电子电机拖动课程设计通用变频器在龙门铣床上的应用

电力电子电机拖动

课程设计

摘要：

采用通用变频器及PLC改进龙门铣床工作台的电气控制，实现分段变频调速。

系统结构简单，运行平稳可靠、快速、灵活，提高了动静态性能。

关键词：

通用变频器PLC龙门铣床

第一章：

引言………………………………………………………

第二章：

总体框图……………………………………………………

第三章：

单元电路的设计与说明……………………………………

第四章：

总电路图的设计与说明……………………………………

第五章：

元器件清单…………………………………………………

第六章：

设计小结…………………………………………………

第七章：

参考资料……………………………………………………

电力电子及电机拖动课程设计任务书

姓名：

班级：

指导老师：

题目：

通用变频器在龙门铣床上的应用

课题的任务和要求

设计龙门铣床X2010A电气控制系统，包括工作台的主传动和进给机构的逻辑时序控制两大部分。

龙门铣床工作台电力拖动系统属于平稳快速的位置控制系统。

对龙门铣床工作台的一般工艺要求主要表现在拖动系统的速度图（见下图），表示铣床工作台工作铣削行程和反向返回过程的速度变化。

要求采用磁通矢量控制的通用变频器取代原直流电动机控制系统。

设计步骤

1、阅相关资料；

2、总体方案设计与论证，画框图；

3、单元电路的设计；

4、元器件选择与参数计算；

5、绘制原理图（A4号图纸，计算机绘图）；

6、撰写设计说明书（A4号纸打印），字数不得少于2000字；

7、参考文献。

参考文献

1、曾毅等编著.变频调速控制系统的设计与维护（第二版）.山东科学技术出版社，2004

2、张立等.现代电力电子技术.北京:

科学出版社，1992

3、陈国呈.PEM变频调速技术.北京:

机械工业出版社，1998

一、引言

龙门铣床是工厂加工大型工件的主要设备，其电气控制系统包括工作台的主传动和进给机构的逻辑时序控制两大部分。

传统的龙门铣床的主传动采用直流可逆调速拖动方式，电气控制采用继电接触器方式，使得电气控制系统设备庞大复杂，故障率高，可靠性差，维护困难，严重影响了龙门铣床的铣削质量和效率，有必要对工作台进给机构进行改造。

直流电气传动和交流电气传动在19世纪先后诞生。

由于直流传动易于实现调压、调磁调速，并有成熟的控制理论和控制系统，可以满足工业生产发展不断提出的宽调速、高精度和快速响应的要求，所以在20世纪的大部分年代里，高性能的调速系统都采用直流调速传动，而约占电气传动总容量80%的不变速电气传动则采用交流电气传动，这种分工在一段时间里已成为举世公认的格局。

交流调速传动的控制原理很早被确立，异步电机降电压调速，绕线转子异步电机转子串电阻调速等虽已实用化，但在调速范围、稳定性、可靠性和维修性等方面有些不足，应用范围受到限制。

1965年以后，由于电力电子技术的不断发展和进步，伴随着新的控制理论的提出与完善，使交流调速传动，尤其是性能优异的变频调速传动得到飞速的发展。

绕线转子异步电机的串级调速，采用变频器的无换向器电机调速，笼型异步电机的变频调速等依次实用化，完成了以变频调速为主流的交流调速传动的基础。

现代矢量技术的应用，使交流调速传动也具备了直流调速传动的高性能。

直流电机的换向器是它的主要薄弱环节，它使直流电机的单机容量、过载能力、最高电压和最高转速等重要技术指标受到限制，也给直流电机的制造和维护带来了不少麻烦，这些缺点，在很大程度上限制了直流电机的应用。

交流变频调速传动中的笼型异步电机结构简单、坚固耐用、运行可靠、维护方便、转动惯量小、动态性能好，其单机容量、电压等级和最高转速等技术指标，均优于直流电机。

目前，高性能的交流变频调速系统已完全可以和直流调速系统相媲美，而且可以在直流电机无法应用的场合使用。

直流调速传动一统天下的旧格局已被打破，用交流调速传动取代直流调速传动已成为可能。

二、总体框图

系统通过PLC和变频器实现对交流电动机的调速控制，满足龙门铣床工作台电力拖动控制的工艺要求。

与直流拖动系统相比，结构简单，快速平稳、灵活、可靠，提高了工作性能。

但需注意用交流电动机取代直流电动机，交流电动机的容量要比转换的计算结果至少高一档，才能保证低速加工状态下需要的大转矩。

图1

龙门铣床的工作台由交流电动机带动作往复直线运动。

前进时为工作行程，后退时为返回行程。

工作台电力拖动系统属于平稳快速的位置控制系统，对工作台的工艺要求表现在拖动系统的速度图上。

图1表示了铣床工作台工作时铣削行程和返回过程的速度变化。

图中t~t7表示正向铣削速度变化，t7~t10表示反向返回原位置的速度变化。

其中，0~t1，工作台空行程起动；t1~t2，工作台驱动电动机以稳定转速n1运转，铣头开始切入被加工工件，切入速度的大小与被加工材料和刀具条件有关；t2~t4，工作台带铣削负载加速，速度变化率也较大，直到稳定的工作速度n2；t4~t5，刀具在铣削过程中减速，制动速度的变化率也较大，直到n3；t5~t6，工作台保持n3速度运行，刀具离开工件，这个速度称为切出速度，与被加工工件材质和刀具条件有关t6~t8，工作台空行程制动，以最大减速度制动，速度过零后反向再加速，工作台空行程返回；t8~t9，工作台以空行程最大速度n4返回t9~t10，返回到原加工位置，以最大减速度制动到零，也正是再铣削的开始位置。

系统可重复上述的铣削循环。

铣床加工工件，铣削的走刀速度较低，要求拖动系统具有良好的低速运行性能。

要求刀具切入和切出工件时保持在较低速度下进行，因此在起动过程和制动过程有一段稳速运行阶段，以获得切入和切出速度，这就延长了工作周期。

此外，在起动开始和切入工件后的加速过程，制动开始和切出后的制动过程，都存在加速度变化率过大，即电流变化率过大的问题，从而产生速度超调、机械振动冲击、工作台反向越程大等不利现象。

而直流调速系统不能兼顾既平稳又快速，即要保证起动、制动的平稳性，就必然增加过度过程的时间，影响快速性，减低生产效率。

采用磁通矢量控制的通用变频器代替直流电动机控制，与交流电动机组成变频调速系统，实现对工作台的速度和换向控制。

该系统机械硬度大，既保证铣削质量，又避免转速闭环超调振荡。

龙门铣床工作台采用交流电动机拖动，变频调速方式，用可编程序控制器（PLC）代替继电接触器控制线路，实现对铣床的各种复杂逻辑与时序控制。

通用变频器在龙门铣床上的应用框图

三、单元电路的设计与说明

磁通矢量控制的通用变频器

图2变频器

变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。

选择变频器，首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，然后决定选用何种控制方式的变频器最合适。

所谓合适是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比。

工作台进给电机容量（11KW）大于左、右主轴进给电机容量（均为1.5KW），所以变频器容量的计算以工作台进给电机为依据。

工作台进给传动交流电机参数为：

型号，Y160M-4；功率，Pn=11KW；转速，ne=1460rpm；额定电流，In=22.6A。

变频器连续运行的场合，其额定输出电流：

I1nv≥1.1Imax

（1）上式中I1nv为变频器额定输出电流，Imax为电动机实际最大电流。

根据我们现场测试的数据，工作台进给传动电机的最大负载电流Imax≈26A，代入上式

（1）则有：

I1nv≥1.1×26=28.6A，即变频器的额定输出电流必须大于28.6A。

变频器BT40系列机型的额定输出电流为30A，满足式

（1）的要求。

普通笼型电机安装速度传感器不但增加工艺难度，而且加大了技改成本。

由于无速度传感器矢量控制变频器的主要技术指标已能满足原机床的设计要求，所以我们选择了BT40系列机型低噪音、高性能、多功能变频器，它的几项主要技术指标如下：

①调速范围无速度传感器矢量控制100：

1②启动力矩0.5HZ时200%额定转矩（动态转矩矢量控制）③频率精度最高输出频率的±0.2%以下

该通用变频器具有高性能矢量转矩控制，转差补偿AVR自动稳压功能，IPM、IGBT智能模块，超静音运行，S-曲线加速和减速等特点。

在无速度传感器的开环运行条件下，采用磁通矢量控制和电动机参数自动测试等功能后，其调速性能达到并超过直流闭环控制系统。

PLC选用FX2系列机型，功能全、体积小、重量轻、价格低等优点，根据操作指令和现场信号，按预先编好的程序对工作台的工况进行自动，或人工控制，以满足各种加工工艺要求。

PLC部分

图3PLC控制电路

龙门铣床工作台采用交流电动机拖动，变频调速方式，用可编程序控制器（PLC）代替继电接触器控制线路，实现对铣床的各种复杂逻辑与时序控制。

PLC控制程序设计主要依据机床的工作方式、逻辑交叉关系、控制要求，并注意各运动之间的互锁关系。

由于所有进给动作共用一台直流电机，靠液压电磁阀换向实现不同方向的进给，所以进给动作（包括横梁升降）必须在液压系统工作正常、压力继电器动作后方可进行。

（1）进给与横梁的升、降必须互锁，即进给运动时，横梁必须夹紧。

（2）主轴与进给的互锁，启动时，主轴先启，然后才可以进行进给动作;停止时，先停进给，后停主轴;急停时，进给立即停止，主轴延时停止。

图4PLC的梯形图

PLC的梯形图如图4。

系统中PLC的输出继电器直接与外电路相连，响应速度有滞后，故采用PLC内部辅助继电器过渡。

控制程序如下：

按下启动按钮SB1，输入继电器X1常开触点闭合，辅助继电器M0常开触点闭合，为后面的运行做好准备。

（1）循环控制往复运动开始前，先通过点动将工作台调到一端，使接近开关SQ3、SQ4处于接通状态。

输入继电器X7常开触点闭合，输出继电器Y2线圈接通，变频器FWD接通，电动机正转；Y3线圈得电，变频器X1接通，选择第1档工作频率；Y6线圈得电，变频器X4接通，选择第1档升速时间。

这时，变频器以第1升速时间较快升速至第1工作频率，工作台以较低速度n1前进，铣头开始切入工件。

此过程中，SQ4复位。

SQ3复位，X6常闭触点闭合，Y3、Y6线圈失电，断开变频器X1、X4，重选工作频率和升速时间。

Y4线圈得电，变频器X2接通，选择第2档工作频率；Y7线圈得电，变频器X5接通，选择第2档升速时间。

这时，变频器以第2升速时间较缓升速至第2工作频率，工作台以选定速度n2前进，进行铣削。

SQ1接通，X4常开触点闭合，Y4线圈失电，断开变频器X2；Y5线圈得电，变频器X3接通，选择第3档工作频率。

这时，变频器以第2降速时间较缓降至第3工作频率，工作台以较低速度n3正向运行，将离开刀具。

此过程中，SQ1复位。

SQ2接通，X5常开触点闭合，Y3线圈得电，变频器X1接通，选择第4档工作频率；Y2线圈失电，断开变频器X5，Y6线圈得电，接通变频器X4，选择第1档降速时间；Y2线圈失电，断开变频器FWD，Y1线圈得电，接通变频器REW，电动机反转。

这时，变频器以第1降速时间反向升至第4档工作频率，工作台由低速前进转为高速后退。

返回过程中，SQ2复位。

SQ3接通，X6常开触点闭合，Y5线圈失电，断开变频器X3，Y3线圈得电，接通变频器X1，选择第1档工作频率，工作台返回至SQ4动作，X7常开触点闭合，Y1线圈失电，断开变频器REV，Y2线圈得电，接通变频器FWD，工作台前进，进入下一个循环。

四、总电路图的设计与说明

采用笼型异步电机可以充分发挥它坚固耐用、结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉的优势，避免直流电机定期更换、维护电刷和换向器的麻烦。

系统通过PLC和变频器实现对交流电动机的调速控制，满足龙门铣床工作台电力拖动控制的工艺要求。

与原来的直流拖动系统相比，结构简单，快速平稳、灵活、可靠，提高了工作性能。

但需注意用交流电动机取代直流电动机，交流电动机的容量要比转换的计算结果至少高一档，才能保证低速加工状态下需要的大转矩。

在工作台往复周期运动中，下面的双稳态接近开关的状态作为实现速度变化的指令信号，开关状态由接近块的接近情况决定。

SQ1~SQ4为接近开关，决定工作台的运行情况。

SQ5~SQ6为极限开关，用于工作台极限位置的保护。

接近开关被撞后状态为“1”，复位后为“0”。

按钮SB1用于循环开始，SB2用于紧急停机，分别为正反向点动按钮。

变频器的多档速度控制端X1、X2、X3分别与PLC的输出Y3、Y4、Y5相连，得到各段的输出频率。

多档升、降速时间控制端X4、X5分别与PLC的输出X6、X7相连，得到不同阶段的升、降速时间。

变频器的点动控制端JOG、正向控制端FWD、反向控制端REV分别与PLC的输出Y0、Y1、Y2相连，进行正反向、点动控制。

总设计框图：

注意说明：

点动控制按下按钮SB3，输入继电器X2常开触点闭合，输出继电器Y0和Y2线圈得电，接通变频器JOG和FWD，电动机正转点动；按下按钮SB4，X3常开触点闭合，输出继电器Y0和Y1线圈得电，接通变频器JOG和REW，电机反转点动，进行调整。

系统保护变频器因故障跳闸，保护触点30A、30B接通，PLC的输入继电器X13常开触点闭合，输出继电器Y10和Y11线圈接通，指示灯显示故障并报警，同时系统停止工作。

如果电动机过载，热继电器FR接通，输入继电器X12常开触点闭合，使输出继电器复位，电动机停止运行。

在快速制动过程中，若电动机反馈的“泵升电压”使变频器直流母线电压达到800V时，制动单元立即导通，迅速释放电动机的储能，实现安全快速制动。

五、元器件清单

Designator

LibRef

Description

Footprint

Comment

Cap

Capacitor

RAD-0.3

Cap

PLC

Res2

Resistor

AXIAL-0.4

Res2

SW-SPST