变频器与电机的选择.docx
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变频器与电机的选择
变频器
一.变频器的历史
变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。
传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限。
□20世纪60年代以后，电力电子器件普遍应用了晶闸管及其升级产品。
但其调速性能远远无法满足需要。
□20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频（PWM－VVVF）调速的研究得到突破，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现。
□20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。
最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。
不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场。
二.变频器的分类
1.按变换的环节分类
（1）交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。
（2）可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器；
2.按直流电源性质分类
（1）电压型变频器
电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。
（2）电流型变频器
电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。
电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。
常选用于负载电流变化较大的场合。
3.按主电路工作方法
电压型变频器、电流型变频器
4.按照工作原理分类
可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；
5.按照开关方式分类
可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；
6.按照用途分类
可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。
7.按变频器调压方法
PAM变频器是一种通过改变电压源Ud或电流源Id的幅值进行输出控制的。
PWM变频器方式是在变频器输出波形的一个周期产生个脉冲波个脉冲，其等值电压为正弦波，波形较平滑。
8.按工作原理分
U/f控制变频器（VVVF控制）、SF控制变频器（转差频率控制）、VC控制变频器（VectoryControl矢量控制）
9.按电压等级分类
高压变频器、中压变频器、低压变频器
三.数控机床对变频器的要求
（1）要求低频力矩大
选用矢量变频器，低频时（1～10Hz）能出来高的额定转矩。
（2）转矩动态响应速度快，稳速精度高
选用矢量变频器，能实现很好的动态响应效果，依据负载的变化，通过输出转矩的变化很快做出响应，从而实现转轴速度的稳定。
（3）减速停车速度快
通常数控机床的加减速时间都是比较短的，加速时间靠变频器的性能保证，减速时间则依靠外加制动电阻或制动单元。
（4）进行电机参数自学习
选用矢量变频器后，要达到很好的控制性能通常都需要对电机进行参数自学习，其目的是获取准确的电机内部参数，以用于矢量控制计算。
参数自学习所需要的电机铭牌参数有：
电机额定功率、电机额定频率、电机额定转速、电机额定电压、电机额定电流。
有的变频电机的铭牌上可能没标额定转速值，可以根据经验值估计一下额定转速。
在进行参数自学习时，务必要在空载（电机轴上不接负载）的时候进行。
只有在空载的时候才能保证自学习出来的电机参数的准确性。
如果现场条件没办法进行空载运行，可以考虑用变频器出厂的电机参数试运行。
（5）频率指令和运行指令
数控机床上使用的变频器其频率指令和运行指令都来源于CNC控制器，一般给定的的通道有两种，一种是模拟量给定，另一种是多段速给定，或者两者同时给定，以多段速优先。
模拟量给定以电压型模拟量为主，也有电流型的。
变频器对这两种类型的模拟量都可以采集。
（6）抗干扰问题
变频器在出厂的时候作了很好的抗干扰试验，具有很强的抗干扰能力，但变频器同时也是一个干扰源，在使用中很难避免不对其它设备进行干扰，在数控机床上最容易被干扰的设备是CNC控制器。
一旦CNC控制器受干扰后，系统将不能正常工作。
特别是变频器的频率指令和运行指令也可能会受到干扰，干扰严重的会造成频率指令不稳定，变频器误动作等。
解决此类问题的办法是在变频器的输出线上加磁环以减少高频辐射。
一般进口的CNC的抗干扰能力较强。
四.交流异步电动机变频调速原理：
变频器原理图
是利用电力的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流的软起动、、提高运转精度、、过流/过压/等功能。
现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
（1）交-直部分
整流电路：
由VD1-VD6六个整流二极管组成不可控全波整流桥。
对于380V的额定电源，一般二极管反向耐压值应选1200V，二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。
变频器元件作用
电容C1：
是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波，
变压器是一种常见的电气设备，可用来把某种数值的交变电压变换为同频率的另一数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。
压敏电阻：
有三个作用,一过电压保护,二耐雷击要求,三安规测试需要.
热敏电阻：
过热保护
霍尔:
安装在UVW的其中二相,用于检测输出电流值。
选用时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。
充电电阻：
作用是防止开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容二端的电压为0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。
如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过无穷大的电流导致整流桥炸掉。
一般而言变频器的功率越大，充电电阻越小。
充电电阻的选择范围一般为：
10-300Ω。
储能电容：
又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。
PN端的电压电压工作范围一般在430VDC～700VDC之间，而一般的高压电容都在400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是二个400VDC的电容串起来作800VDC。
容量选择≥60uf/A
均压电阻：
防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重（电容里面有等效串联电阻）或超过耐压值而损坏。
C2电容;
吸收电容,主要作用为吸收IGBT的过流与过压能量。
（2）直-交部分
VT1-VT6逆变管（IGBT绝缘栅双极型功率管）：
构成逆变电路的主要器件，也是变频器的核心元件。
把直流电逆变频率，幅值都可调的交流电。
VT1-VT6是续流二极：
作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直流电提供通道并为逆变管VT1-VT6在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。
（3）控制部分:
电源板、驱动板、控制板（CPU板）
电源板：
开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源，开关电源提供的低压电源有：
±5V、±15V、±24V向CPU其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。
驱动板：
主要是将CPU生成的PWM脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。
控制板（CPU板）：
也叫CPU板相当人的大脑，处理各种信号以及控制程序等部分
五.变频器的作用
变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。
变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。
变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。
六.变频器的选用
1.数控机床的变频器配置：
在机床的调速系统中，传统复杂的齿轮箱式分级调速方式，在数控机床中得到极大的改进，采用更为先进的变频无级调速方式。
对于5.5kW三相交流异步电动机，选配FR-E700系列变频器是经济型高性能变频器，FR-E700变频控制系统优势。
（1）完全满足数控车床高生产率、高削切精度、高稳定性、高柔性要求。
（2）FR-E700先进磁通矢量控制模式，0.5Hz时200%转矩输出
（3）满足复杂、不规则形状零件的高深度和高强度削切要求
（4）抗干扰性强，通过严格CNC综合测试，不会对系统造成任何干扰。
（5）稳速精度高，低速时速度变化率小，运行平滑。
2.FR-E74变频器的特点
FR-E740进磁通矢量变频器采用先进磁通控制技术，电机在低速时转矩大，速度精度高，价格合理，功能齐全，具有瞬停电处理及速度跟踪再启动功能，确保系统实现连续运行机制，以保证电机运转在最高效率状态，因此，采用 FR-E740高性能矢量变频器代替主轴交流伺服系统，是机床行业最佳的选择。
FR-E740变频器具有以下特点
（1）采用先进的磁通控制算法，实现了真正的无速度传感器矢量控制，在控制性能上比传统的V/F控制方式有很大的改善。
（2）停止精度提高
（3）载波频率范围0.1~10KW；可根据温度和负载的特性自适应调整
（4）提供标准的0-10V和0-5v模拟量接口，能够与大多数数控系统接口兼容，通用性强
（5）扩充PID，柔性PWM
（6）内置Modbus-RTU协议
（7）加选件卡FR-A7NC，可以支持CC-Link通讯
（8）加选件卡FR-A7NL，可以支持LONWORKS通讯
（9）加选件卡FR-A7ND，可以支持DeveiceNet通讯
（10）加选件卡FR-A7NP，可以支持Profibus-DP通讯
调试结果
事实证明采用 FR-E740高性能矢量变频器完全能够满足机床主轴控制的要求。
ECOM采用的领先的磁通算法，即使在低转速（低频）运行下也能平稳输出150%的转矩，以满足不同零件的加工需要，完全可以取代传统的滚动轴承主轴结构，并且此主轴结构简单、紧凑、可以实现真正的无级调速。
此主轴的转速由外部模拟量信号来控制输出频率，在不同的加工工艺（如；粗加工、精加工等）需要不同的转速，此时可由数控系统输出不同的模拟量电压信号给变频器，实现不同的转速，同时启停信号也由数控系统控制，提高了自动化程度、延长了刀具的使用寿命。
3.主轴变频控制的基本原理
由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为:
n=（60f/p）×（1-s）
其中P—电动机的极对数，s—转差率，f—供电电源的频率，n—电动机的转速。
从上式可看出，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400Hz（甚至更高频率）之间任意调节，因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。
主轴变频控制的系统构成
不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀，而使用变频器后，机床可按指令信号进刀，这样一来就提高了效率。
4.变频器节能效果
（1）变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。
为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。
当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。
风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。
当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
由流体力学可知，P（功率）＝Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，而此时轴输出功率P成立方关系下降。
即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。
所队当所要求的流量Q减少时，可调节变频器输出频率使电动机转速n按比例降低。
这时，电动机的功率P将按三次方关系大幅度地降低，比调节挡板、阀门节能40％一50％，从而达到节电的目的。
以上海正艺信息科技有限公司生产的变频器应用到风机水泵型负载的节能的例子来说：
一台离心泵电机功率为55千瓦，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16千瓦，省电48.8％，当转速下降到原转速的l／2时，其耗电量为6.875千瓦，省电87.5％。
（2）、功率因数补偿节能
无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。
（3）、软启动节能
电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。
而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。
节省了设备的维护费用。
5.结束语
对于数控车床的主轴电机，使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后，具有以下显着优点:
大幅度降低维护费用，甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。
数控机床主轴一般交流伺服系统、进口品牌矢量控制变频器以及变频专用电机，购置费用很高；EC3000系列变频器以其独特的性能（启动电流小、调速平滑、调速范围大、节能环保、运行稳定、精度高、低频转矩大、保护功能齐全、可靠性高、操作维护简便等）和优越的性价比，在数控机床的应用上迅速崛起。
七.变频器的安装与调试
1. FR-E740外部接线图
变频器型号FR-E740-7.5K-CHT
电压级数变频器容量：
3相400V级
变频器容量：
显示变频器容量7.5KW
2.变频器常用调试参数设定
参数
名称
设定范围
最小设定值
初始值
P1
上限频率
0～120Hz
0.01Hz
120Hz
P2
下限频率
0～120Hz
0.01Hz
0Hz
P3
基准频率
0～400Hz
0.01Hz
50Hz
P7
加速时间
0～3600/360s
0.1/0.01s
5/10s∗2
P8
减速时间
0～3600/360s
0.1/0.01s
5/10s∗2
P9
电子过电流保护
0～500A
0.01A
变频器
额定电流
P13
启动频率
0～60Hz
0.01Hz
0.5Hz
P15
点动频率
0～400Hz
0.01Hz
5Hz
P16
点动加减速时间
0～3600/360s
0.1/0.01s
0.5s
P18
高速上限频率
120～400Hz
0.01Hz
120Hz
P37
转速显示
0、0.01～9998
0.001
0
P40
RUN键旋转方向选择
0、1
1
0
P41
频率到达动作范围
0～100%
0.10%
10%
P42
输出频率检测
0～400Hz
0.01Hz
6Hz
P43
反转时输出频率检测
0～400Hz、9999
0.01Hz
9999
P55
频率监视基准
0～400Hz
0.01Hz
50Hz
P56
电流监视基准
0～500A
0.01A
变频器
额定电流
P72
PWM频率选择
0～15
1
1
P73
模拟量输入选择
0、1、10、11
1
1
P77
参数写入选择
0、1、2
1
0
P80
电机容量
0.1～15kW、9999
0.01kW
9999
P83
电机额定电压
0～1,000V
0.1V
400V
P84
电机额定频率
10～120Hz
0.01Hz
50Hz
P117
PU通讯站号
0～31（0～247）
1
0
P118
PU通讯速率
48、96、192、384
1
192
P120
PU通讯奇偶校验
0、1、2
1
2
P145
PU显示语言切换
0～7
1
1
P147
加减速时间切换频率
0～400Hz、9999
0.01Hz
9999
P150
输出电流检测水平
0～200%
0.10%
150%
P306
模拟量输出信号选择
1～3、5、7～12、14、
21、24、52、53
1
2
P309
模拟量输出信号电压／电流切换
0、1、10、11
1
0
八.电机的选择
机床的主轴系统和进给系统有很大的差别。
根据机床主传动的工作特点，早期的机床主轴传动全部采用三相异步电动机加上多级变速箱的结构。
随着技术的不断发展，机床结构有了很大的改进，从而对主轴系统提出了新的要求，而且因用途而异。
在数控机床中，数控车床占42％，数控钻镗铣床占33％，数控磨床、冲床占23％，其他只占2％。
为了满足量大面广的前两类数控机床的需要，对主轴传动提出了下述要求：
主传动电动机应有2.2～250kW的功率范围；要有大的无级调速范围，如能在1：
100～1000范围内进行恒转矩调速和1：
10的恒功率调速；要求主传动有四象限的驱动能力；为了满足螺纹车削，要求主轴能与进给实行同步控制；在加工中心上为了自动换刀，要求主轴能进行高精度定向停位控制，甚至要求主轴具有角度分度控制功能等等。
主轴传动和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。
但是国内生产的交流主轴伺服系统的产品尚很少见，大多采用进口产品。
交流伺服电动机有永磁式同步电动机和笼型异步电动机两种结构形式，而且绝大多数采用永磁式同步电动机的结构形式。
而交流主轴电动机的情况则不同，交流主轴电动机均采用异步电动机的结构形式，这是因为，一方面受永磁体的限制，当电动机容量做得很大时，电动机成本会很高，对数控机床来讲无法接受采用；另一方面，数控机床的主轴传动系统不必像进给伺服系统那样要求如此高的性能，采用成本低的异步电动机进行矢量闭环控制，完全可满足数控机床主轴的要求。
但对交流主轴电动机性能要求又与普通异步电动机不同，要求交流主轴电动机的输出特性曲线（输出功率与转速关系）是在基本速度以下时为恒转矩区域，而在基本速度以上时为恒功率区域。
数控机床使用的主轴驱动系统，可分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统两大类。
下面根据这两大类主轴驱动系统的特点来选择主轴驱动系统。
3.1直流主轴驱动系统得特点
在数控机床高速,高效,高精度的控制要求,使得FANUC直流主轴驱动与通常的速度自动调节系统相比有以下特点:
（1）调速范围宽,采用FANUC主轴驱动的数控机床,在机械结构方面，小型机床通常采用电机与主轴直接或皮带变速的结构形式、中、大型机床通常只设置高,低速两级简单的机械变速机构，因此，主轴电动机的调速必须全部依赖主轴驱动器进行控制。
为保证数控机床的加工范围,使加工工艺相对集中，并达到理想的切削效果，主轴驱动器必须实现无级变速，且具有教宽的调速范围。
（2）在结构上，ＦＡＮＵＣ直流主轴电动机为全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。
（3）在冷却系统上，为了缩小体积，提高效率，ＦＡＮＵＣ主轴电动机采用了特殊法人热管冷却系统，可以将转子产生的热量迅速的向外界发散。
（4）在磁路设计上，为了使电机发热最小，ＦＡＮＵＣ煮粥电动机定子采用了独特的附加磁极，以减小损耗，提高了效率。
3.2交流主轴驱动系统
在近几年，很多机床都采用交流主轴驱动系统，下面谈论一下交流主轴驱动系统与交流主轴驱动系统的一些特点：
（1）由于驱动系统采用了微处理器和现代控制理论进行控制，系统运行平稳，振动和噪音小，并且可以获得较大的调速范围和较高的低速转矩，可以较方便地与数控机床相配套。
（2）较大功率驱动系统采用了难度较大的“回馈制动”技术，在制动时，既可将电动机能量反馈回电网，起到节能的效果，又可以加快起、制动速度。
（3）驱动器具有Ｄ／Ａ转换器、实际转速／转矩信号输出、电气主轴“定向准停”等功能，可以方便地与各类ＣＮＣ配套。
（4）电机采用无外壳结构，定子硅钢片直接进行空气冷却，可以在浮尘、切削液飞溅的场合安全、可靠地工作。
（5）与直流电机相比，由于交流主轴电机在结构上无换向器，主轴电机通常不需要进行维修。
（6）主轴低年级转速的提高不受换向器的限制，最高转速通常比直流主轴低年级更高。
（7）主轴电机的冷却空气由前端向后流动，可以有效减少电机发热对机床精度的影响。
3.3选择电机
通过上面两种主轴驱动系统的比较，交流主轴电动机在工作环境，冷却系统和调速范围上都优于直流主轴驱动系统，故根据在这些方面的优势本设计的主轴驱动系统采用交流主轴驱动系统．
其选用的交流主轴电机的参数如下：
主轴电机型号
连续输出功率
３０分钟额定输出功率
基本速度
变速范围
SF-JR132S
5.5ＫＷ
7.5ＫＷ
１５００r/min
４５～６０００r/min
5.5kW数控车床，电动机参数：
额定功率：
5.5kW， 额定频率：
50Hz,
额定电压：
380V， 额定电流：
11A，
额定转速：
1440r/min 机械传动比：
1：
1.5
加工材料：
45#钢
实际测试性能指标：
（进刀性能及速度）
1、主轴转速：
200r/min（变频器运行频率9～10Hz）
2、主轴转速：
450r/min（变频器运行频率22Hz左右）
参数
名称
设定范围
最小设定值
初始值
P1
上限频率
0～120Hz
0.01Hz
120Hz
P2
下限频率
0～120Hz
0.01Hz
0Hz
P3
基准频率
0～400Hz
0.01Hz
50Hz
P7
加速时间
0～3600/360s
0.1/0.01s
5/10s∗2
P8
减速时间
0～3600/360s
0.1/0.01s
5/10s∗2
P13
启动频率
0～60Hz
0.01Hz
0.5Hz
P16
点动加减速时间
0～3600/360s
0.1/0.01s
0.5s
P40
RUN键旋转方向选择
0、1
1
0
P41
频率到达动作范围
0～100%
0.10%
10%
P42
输出频率检测
0～400Hz
0.01Hz
6Hz
P72
PWM频率选择
0～15
1
1
P73
模拟量输入选择
升级会员 