车床的主轴变频控制.doc
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沈阳理工大学课程设计论文
成绩评定表
学生姓名
王建栋
班级学号
1103010532
专业
自动化
课程设计题目
车床的主轴变频控制
评
语
组长签字：
成绩
日期
20年月日
课程设计任务书
学院
信息科学与工程学院
专业
自动化
学生姓名
王建栋
班级学号
1103010532
课程设计题目
车床的主轴变频控制
实践教学要求与任务:
（1）选择其他电器设备型号。
（2）根据控制要求，选择变频器型号。
（3）电气控制线路的设计（包括主回路和控制回路）。
（4）电气图按A4大小设计（CAD画图）。
（5）电气图形符号和文字符号要符合国家最新标准。
（6）变频器参数设置。
工作计划与进度安排:
（1）布置任务，查阅资料1天
（2）设计4天
（3）实验研究2天
（4）撰写设计报告和绘图2天
（5）答辩1天
指导教师：
201年月日
专业负责人：
201年月日
学院教学副院长：
201年月日
摘要
本论文以普通车床为研究对象，对普通车床的主轴进行了变频调速的设计改造。
主要研究完成了对普通车床的工作原理进行了分析研究，简单介绍了普通车床的拖动系统及机械特性，然后重点介绍了普通车床的原拖动系统。
根据电力电子学、变频器的设计原理，采用变频器对车床进行变频调速的设计，对车床的主传动系统进行了设计和校核。
根据拖动系统的要求，对原拖动系统进行了合理的计算，并选择了合适的电动机和变频器型号。
相比原拖动由齿轮箱来传动和调速，经过变频调速改造后，车床实际应用效果良好，同时还具备了节能、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围的高效连续调速控制、容易实现电动机的正反转切换、可以进行高频度的起停运转、可以进行电气自动。
此次的设计为企业技术人员实现普通车床的变频调速提供了有效的科学方法及参考价值。
关键字普通车床,变频器,拖动系统
Abstract
Thispaperinordinarylatheastheresearchobject,ordinarylathespindleforthedesignoffrequencyconversion.Researchonordinarylatheworkprincipleisanalyzed,andbrieflyintroducestheordinarylathedragsystemandmechanicalpropertieswereintroduced,andthentheordinarylathedragsystem.Accordingtothedesignoftheinverterpowerelectronics,principle,inverterfrequencyoflathe,thedesignofthelathemaintransmissionsystemarethedesignandcheck.Accordingtotherequirementofsystem,thesystemofthereasonablecalculation,andchoosetherightmotorandconvertermodel.Comparedwiththeoriginaldragtodrivebygearbox,frequencyconversionspeedandtransformed,latheapplicationeffectisgood,butalsohastheenergysavingandeasytoimplementthecontrolofexistingmotor,canachieveawiderangeofhighspeedcontrol,easytorealizeforthemotorandpositive&negativeswitching,canundertakehigh-frequencystartingandstoppingoperation,canundertakeelectricalautomatic.
Thedesignfortheenterprisetechnicalpersonnelimplementationordinarylathespeed-adjustingprovideseffectivescientificmethodandreferencevalue.
KeyWordordinarylathe,inverter,drivesystem
目录
1绪论………………………..………………………..………………………..……1
1.1变频器技术的发展史…………………………………………………..….1
1.1.1我国变频调速技术的发展概况………………………………..……1
1.1.2我国电气传动与变频调速技术的发展简史…………….................1
1.2变频调速控制系统的优势………………………..…………………….....2
1.3变频器技术的发展动向………………………..……………………..…..3
2普通车床主轴的变频调速………………………..…………………………..…...5
2.1普通车床的主要功能与构造……………………………………….….…..5
2.1.1普通车床的主要功能………………………..………………..….....5
2.1.2普通车床的构造………………………..……………………...…....5
2.2普通车床的拖动系统………………………..………………………........6
2.2.1普通车床的运动系统………………………………………………..6
2.2.2普通车床主拖动系统的机械特性…………………………………..6
2.2.3主拖动系统的负载功率……………………………………………..7
2.2.4主拖动系统的工作特点…………………………….………...……..7
2.2.5普通车床的原拖动系统……………………………………………..7
2.3车床主拖动的变频调速系统……………………………….………...…...8
2.3.1对变频调速系统的基本考虑……………………………….…...…..8
2.3.2一档传动比，且方案………………………….………….…8
2.3.3一档传动比，且方案……………………….….………….9
2.3.4两档传动比，且方案……………………………………..11
3电动机的变频调速………………………..……………………………..…...…...13
3.1选择电动机型号……………………………………………….…………13
3.2主要计算数据……………………………………………………….……14
3.3变频调速方案………………………………………………………..…..15
3.4电动机容量不变的可行性核算…………………………………..……..16
4变频器……………………………………………………………………………..18
4.1变频器的基本构成和工作原理……………………………………..….18
4.1.1变频器的基本构成…………………………………………….….18
4.1.2变频器内部电路的基本功能………………………………..……18
4.2变频器的种类……………………………………………………….…...19
4.3变频器的主要功能………………………………………………….......20
4.3.1系统所具有的功能…………………………………………...…...20
4.3.2频率设定功能……………………………………………………....22
4.3.3与保护有关的功能…………………………………………….…...23
4.4变频器的选择………….....……………………………………………..23
4.5变频器的功能参数表………………………………………………...…...24
4.6变频器的功能预置………………………………………………..……....26结论……………………………………………………………………………....…..27
致谢………………………………………………………………………………......28
参考文献……………………………………………………………………….….....29
附录…………………………………………………………………………………..30
A1.1总控制图………………………………………………………………….…....30
V
1绪论
1.1变频器技术的发展史
1.1.1我国变频调速技术的发展概况
上世纪80年代外资变频器产品开始进入我国市场，随着我国经济的高速发展和人们节能环保意识的增强，90年代以来变频器在工业领域的应用越发普及，行业规模迅速扩大。
在过去的20几年，我国变频器行业从起步阶段到目前正逐步开始趋于成熟，发展十分迅速。
进入21世纪以来，我国中、低压变频器市场的增长速度超过了20%，远远大于近几年的GDP增长水平。
2006年我国中、低压变频器市场容量已达76亿元左右。
随着国内对大规模变频装置的需求上升，高档变频产品的开发成功，变频器智能化的开发已经成为当务之急。
我们的变频基本性能还没有达到相应的水准，市场还没有发育到这个程度。
但是我们已经看到国内一些变频企业进行了有益的研发实践，一方面消化国外的先进技术，一方面尝试推出自己的变频标准。
随着市场的扩大和用户端需求的多样化，国内变频器产品的功能在不断完善和增加，集成度和系统化越来越高，并且已经出现某些专用变频器产品。
另外，变频器的应用领域也在不断扩大。
目前，我国变频器市场正处于一个高速增长的时期，在电力、有色金属、冶金、机械、建材等行业得到广泛应用。
因此，综合考虑变频器自身优势、行业及市场的发展速度、现状及潜力、良好的宏观环境，我国变频器行业的发展前景十分乐观
1.1.2我国电气传动与变频调速技术的发展简史
电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。
电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。
电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。
不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约15%～20%或更多），改善产品质量，提高产量。
在我国60%的发电量是通过电动机消耗的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。
近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。
变频调速是交流调速的基础和主干内容。
上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。
长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。
我国电气传动产业始建于1954年当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，这就是后来天津电气传动设计研究所的前身。
现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。
我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。
至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。
随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。
很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。
国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。
虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。
变频调速技术在国民经济和日常生活中的重要地位是由以下因素决定的。
（1）应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。
（2）是节约能源的高新技术。
（3）是国际上技术更新换代最快的领域。
（4）是高科技领域的综合性技术。
（5）是替代进口，节约投资的最大领域之一。
1.2变频调速控制系统的优势
与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以用一台变频对多台电动机进行调速控制，电源功率因素大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等等。
下面介绍一下上面提到的变频器调速控制系统的各种主要优点。
在许多情况下，使用变频器的目的是节能，尤其是对于在工业中大量使用的风扇、鼓风机和泵类负载来说，通过变频器进行调速控制可以代替传统上利用挡板和阀门进行的风量、流量和扬程的控制，所以节能效果非常明显。
因为以节能为目的的调速运转对电动机的调速范围和精度要求不高，所以通常采用在价格方面比较经济的通用型变频器。
由于变频器可以看做是一个频率可调的交流电源，对于现有的进行恒速运转的异步电动机来说，只需在电网电源和现有的电动机之间接入变频器和相应设备，就可以利用变频器实现调速控制，而无须对电动机和系统本身进行大的设备改造。
在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。
因此，在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围，电动机的调速范围较宽，并可以达到提高运行效率的目的。
一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1:
10以上，而高性能的矢量控制方式的变频器的调速范围可以达到1:
1000。
此外，当采用矢量控制方式的变频器对异步电动机进行调速控制时，还可以直接控制电动机的输出转矩。
因此，高性能的矢量控制变频器与变频器专用电动机的组合在控制性能方面可以达到和超过高精度直流伺服电动机的控制性能。
1.3变频器技术的发展动向
变频器进入试用期已超过1/4个世纪，在此期间，作为变频器技术基础的电力电子技术个微电子技术都经历了飞跃的发展，随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家则仍然在不断地为实现变频器的进一步小型化而做着新的努力。
从技术方面来看，随着变频器市场的进一步扩大，今后变频器技术将会随着与变频器有关的技术的发展在下面几个方面进一步得到发展：
（1）大容量和小体积化；
（2）高性能和多功能化；
（3）易操作性的提高；
（4）寿命和可靠性增加；
（5）无公害化。
大容量化和小体积化将会随着电力半导体器件的发展而不断得到发展。
近年来，采用电压驱动的电力半导体器件IGBT（IsolatedGateBipolarTransistor,隔离门极双极晶体管）发展很快，并在迅速进入传统上使用BJT（双极功率晶体管）和功率MOSFET（场效应管）的各种领域。
此外，以IGBT为开关器件的IPM（IntelligentPowerModule,智能功率模块）和单片功率IC芯片将功率开光器件与驱动电路，保护电路等集成在同一封装内，具有高性能和可靠性好的优点，所以随着它们在大电流化和高耐压化方面的发展，必将在中小型变频器中得到更加广泛的应用。
随着微电子技术和半导体技术的发展，用于变频器的CPU和半导体器件以及各种传感器的性能越来越高。
而随着变频器技术的发展，交流调速理论日益成熟，现代控制理论也在不断得到新的应用。
这些都为进一步提高变频器的性能提供了条件。
此外，随着变频器的进一步推广应用，用户也在不断提出各种新的要求，促使变频器的生产厂家不断地在提高变频器性能和变频器功能方面做出新的努力，以满足用户的需要和争取在激烈的市场竞争中立于不败之地。
随着变频器市场的不断扩大，如何进一步提高变频器的易操作性，使普通的技术人员甚至非技术人员也能很快地掌握变频器的使用技术已经成为厂家必须考虑的问题。
因为只有容易操作的产品才能不断获得新的用户，并进一步扩大市场，所以今后的新型变频器将更加容易操作。
随着半导体技术的发展和电力电子技术的发展，变频器中所使用的各种元器件的寿命和可靠性都在不断提高，这些都将使变频器本身的寿命和可靠性进一步增加。
近年来，人们对环境问题非常重视，并因此而出现了“绿色产品”的名称。
因此，对于变频器来说，也必须考虑其对周围环境的影响。
在变频器推广应用的初期，噪声问题曾经是一个比较大的问题。
随着IGBT的低噪音变频器的出现，这个问题已经基本上得到了解决。
但是，随着噪声问题的解决，人们的目光又转向了变频器对周围环境的其他影响并在不断探索新的解决办法。
例如，对于采用了二极管整流电路和电压形PWM逆变电路的变频器来说，变频器本身造成的高次谐波将给电源电压和电流带来畸变，并影响接于同一电源的其他设备。
但是，通过在变频器中采用PWM整流电路，就可以基本上解决这个问题。
虽然因为价格和控制技术等方面的原因目前采用PWM整流电路的变频器尚未得到推广，但是，随着变频器技术的发展和人们对环境问题的重视，不断减少变频器对环境的影响直至推出真正的无公害变频器已经成为大势所趋。
2普通车床主轴的变频调速
2.1普通车床的主要功能与构造
2.1.1普通车床的主要功能
普通车床以加工圆柱体为主，如：
加工圆柱体的外圆、内圆及端面；
圆柱体的钻孔和扩孔；
在外圆与内圆表面车削螺纹，等。
2.1.2普通车床的构造
如图2-1所示，主要部件有：
图2-1普通车床的构造
2.2普通车床的拖动系统
2.2.1普通车床的运动系统
普通车床的运行系统主要包括以下两种运动：
1.主运动工件的旋转运动为普通车床的主运动，带动工件旋转的拖动系统为主拖动系统。
2.进给运动主要是刀架的移动。
由于在车削螺纹时，刀架的移动速度必须和工件的旋转速度严格配合，故中小型车床的进给运动通常由主电动机经进给传动链而拖动的，并无独立的进给拖动系统。
2.2.2普通车床主拖动系统的机械特性
1.主拖动系统阻转矩的形成主拖动系统的阻转矩就是工件在切削过程中形成的阻转矩。
理论上说切削功率用于切削的剥落和变形。
故切削力正比于切削的材料性质和截面积，截面积由切削深度和走刀量决定。
而切削转矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积，其大小与下列因素有关：
（1）切削深度；
（2）进刀量；
（3）工件的材质与直径，等。
2.主拖动系统的负载特点
（1）在相当大的转速范围内，普通车床的允许切削深度和进刀量等都是相同的，因而具有恒转矩的特点。
（2）在高速段，由于受车床身机械强度及振动等的影响，速度越高，允许的切削深度和进刀量越小，阻转矩也越小，因而具有恒功率的性质。
（3）综上所述，普通车床的机械特性如图2-2所示。
n
D
B
O
A
T
图2-2车床的负载机械特性
图中，D点以下是恒转矩区；D点以上是恒功率区。
D点是分界点，一般来说，大约在2处（是分界点的转速，是最高转速）。
但考虑到低速车削通常为粗加工，切削量较大。
尤其是车削毛坯时，由于同心度较差和表面的不光滑，常会遇到较大的冲击力。
所以，在实际处理时，通常取：
4（2-1）
2.2.3主拖动系统的负载功率
如图2-2，主拖动系统的负载功率取决于高速段任一点转矩与转速的乘积：
（2-2）
2.2.4主拖动系统的工作特点
1.调速范围宽调速范围由最高速与最低速的比值决定：
（2-3）
通常：
=25~150
例如，国产CA5140型车床的=140，而意大利SAG型精密车床的=26.7。
2.低速时对过载能力要求较高因为低速运行常用于粗加工，为了提高工作效率，切削深度和进刀量都较大。
3.高速是对过载能力要求较低因为高速运行常用于精加工，非但切削深度较小，进刀量也往往不大。
在正常情况下，出现过载的可能性极小。
2.2.5普通车床的原拖动系统
普通车床通常是由齿轮箱来传动和调速的。
他具有以下特点：
1.恒功率性质由于齿轮箱变速时，转矩的变化与转速的变化成反比，故具有恒功率的性质。
所以对同一切削用量而言，电动机的输出功率是不变的。
如忽略齿轮箱的功率损耗不计，则在全调速范围内，都具有恒功率的特点。
2.低速时过载能力强在低速段，拖动系统经齿轮降速后的额定转矩将远远高于负载的最大阻转矩，具有极强的过载能力。
2.3车床主拖动的变频调速系统
2.3.1对变频调速系统的基本考虑
（1）由于调速范围很广，且要求有比较硬的机械特性。
所以，以选用矢量控制方式为宜。
对于普通车床来说，由于对动态响应要求不高，用“无反馈矢量控制”方式已经足够。
（2）因为调速范围广，且高速段与低速段机械特性的特点不一样，故工作频率范围应不限于额定频率以下。
（3）电动机的容量一般应此比原拖动系统的电动机容量为大（详见下速）。
（4）如上述，在低速段，可能出现较大的冲击过载，容易引起变频器的跳闸。
所以，变频器的容量以比电动机容量大一档为好。
2.3.2一档传动比，且方案
1.基本工况
（1）电动机和主轴之间的传动比只有一档，传动比
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