变频器在机床电力拖动中的应用问题.pdf
变频器在机床电力拖动中的应用问题张红莲(华北电力大学,071003)摘要:本文分析了机床拖动的特点,变频调速对电动机及变频器的要求,分析了变频器应用中的干扰问题及采取的抑制措施。关键词:变频器;电力拖动;负载特性;恒功率中图分类号:TN773 文献标识码:B 文章编号:1004-0420(2007)04-0055-03The application problem s of frequency converter inmachine tool electrical drivesZHANG Hong2lian(North China Electric PowerUniversity,071003)Abstract:In this paper,the performance ofmachine tool electrical drives and the requestof frequency conversion regula2tion to motor and inverter were discussed.The interference and suppression in application of frequency converter were ana2lyzed.Key words:frequency converter;electrical drive;load character;constant power0 引言随着变频技术的提高,交流电动机的应用越来越广泛,采用变频调速,可以提高生产机械的控制精度、生产效率和产品质量,有利于实现生产过程的自动化,使交流拖动系统具有优良的控制性能,而且在许多生产场合具有显著的节能效果。变频调速的核心设备是变频调速器,变频器与电动机的控制配合构成了变频调速系统。传统的普通机床速度控制为人工换挡,调速范围有限,调速精度低,而电机始终在额定转速运行,利用效率差,齿轮箱体积庞大复杂,电器控制部分故障较多。将变频器应用于各种大型自动化生产线和机械加工中,会大大提高拖动系统的静态、动态性能,保证系统的安全可靠经济运行。1 机床拖动系统的特点111 主运动的负载性质金属切削机床种类很多,基本运动是切削运动,即工件与刀具之间的相对运动,由主运动和进给运动组成,承受主要切削功率的运动为主运动。如车床、刨床的主运动是工件的运动,而铣床、钻床、镗床的主运动是刀具的运动。机床的主运动都要求调速,而且调速的范围也较大。机床对主拖动的要求:调速范围宽,速度稳定性好;低频高转矩输出,低速无爬行现象,确保低速时的转矩要求;加减速时间短,制动效果好,实现快速起停车;过载能力强;噪声低、振动小、寿命长。通用机床的低速段,允许的最大进刀量都是相同的,负载转矩也相同,属于恒转矩区;在高速段,由于受机械强度和振动以及刀具强度的影响,速度越高,允许的最大进刀量越小,负载转矩也越小,但切削功率保持相同,属于恒功率区。金属切削属于连续变动负载,运行期间转矩是变动的,因此拖动电机除满足温升要求外,还要满足过载能力的要求。112 电动机变频调速时的带负载能力11211 运行频率低于额定频率(fXfN)运行频率低于额定频率时的带负载能力如图1所示,(1)为矢量控制,(2)为V/f控制,可以看出:当fX=fN/3fN,散热效果的下降和功耗的下降差别较小。矢量控制时,带负载能力不变;而V/f控制时,铜损和铁损增大,带负载能力有所下降,但下降幅度不大。fX=fN/3时的带负载能力为额定情况的80%90%。当fXfN)要求电动机允许工作电流保持不变,而电压只能是额定电压,所以电动机输出功率保持基本不变,因此带负载能力具有恒功率的特点,而转矩是按1/k1.4f的规律减小(其中kf=fX/fN)。金属切削机床在高速运行段主要用于精加工,进刀量小,一般不会过载。当fXfN、IMX=IMN时电动机的有效功率线,有效转矩线 如图2所示。由于某些通用变频器低速运行特性不理想,所以最低频率越高越好。2 变频调速电动机的容量选择在拖动系统中,电动机必须满足负载对转矩、转速的要求,如果将频率范围限制在额定频率以内,往往所选择的电动机的容量要比负载所需功率大得多,这就造成了很大浪费,因此有必要减小电动机的实际容量。解决办法是提高电动机的工作频率,相应增大传动比,降低电机容量。在fXfN时,电动机的有效转矩线具有恒功率特性,利用电动机在恒功率区来带动负载,设计系统时,经过计算,可使电动机的有效转矩线与负载的机械特性曲线很贴近,那么所需电动机的容量也与负载所需功率接近,如图3所示,负载特性 电动机特性。使电动机和负载的特性相配合,充分利用电动机,提高效率。但注意电动机的工作频率过高,会引起轴承磨损及动平衡方面的问题,因此减小拖动系统的容量的同时,必须满足系统的稳定要求,通过设定最高工作频率来进行限制。金属切削机床主运动的调速,一般是在停机的情况下进行的,在工作过程中是不进行调速的,因此采用变频器对电动机实现变频调速时,可将传动比分为两档:高速挡和低速挡。211 低速挡当电动机的工作频率从fminfmax时,负载转速从nlminnlmid(nlmid是高速挡与低速挡之间的分界线)。有:nlmidnlminfmaxfmin=f(f为频率调节范围)。212 高速挡当电动机的工作频率从fminfmax时,负载转速从nlmidnlmax。有:nlmaxnlmidfmaxfmin=f。213 中间转速由上式,得f=nlmaxnlmin=n。(n负载调速范围)因此,nlmid=nlmaxf=nlmaxn。3 使用变频器注意的问题311 变频器的选用与设定由于要求拖动系统具有较高的机械特性和动态响应,实现四象限运行,因此选用矢量控制变压变频通用变频器。变频器的最高频率,上限频率和下限频率都应根据拖动系统的工作需要而设定。生产机械在运转时总是会有振动的,其振动频率和转速有关。无级调速时,有可能出现在某一转速或几个转速下,机械的振动频率和它的固有振荡频率相一致而发生谐振的现象。这时振动将变得十分强烈,使机械不能正常工作,甚至损坏。为了避免65机床电器200714应用 交流 变频器在机床电力拖动中的应用问题机械谐振的发生,拖动系统必须回避可能引起的谐振转速。与回避转速对应的工作频率就是回避频率。应用变频器时,应考虑设定回避频率的问题。由于SPWM变频器输出一系列的电压脉冲,其频率等于载波频率。在电动机的电流中,由于具有较强的载波频率的谐波分量,它将引起电机铁心的振动而发出噪声。若噪声频率和电机铁心的固有振动频率相等而发生谐振,噪声将增大。因此,应避开噪声的谐振频率。如果载波频率越高,虽然改善了电流波形,但是开关损耗增大,同时对同一个控制柜内的其它设备(如PLC)干扰也越强,使得不能正常工作,必须适当减小载波频率。为了有效地限制起动电流,解决机械冲击等问题,以及使拖动系统能够平稳的降速,适当选择升速时间和升速方式以及降速的时间和方式是很有必要的。312 变频器的干扰问题及措施在变频器额定输入和输出电流中,含有很多谐波成分,除了构成电源无功损耗的低次谐波外,还有很多高次谐波。高次谐波电流会造成电网电压的畸变,影响与之并联的其它用电设备。电机转矩降低、损耗增大、振动噪声增加;机电保护器误动作;电网功率因数补偿电容过流发热,甚至导致并联运行的晶闸管电力电子装置相互干扰,产生误触发。所以变频器是一个噪声源,对周围设备产生影响。这些干扰信号的传播途径是传导和辐射,解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离;解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。具体常用方法:a.变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流;b.在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器,或安装谐波滤波器,滤波器的组成必须是LC型,吸收谐波和增大电源或负载的阻抗,达到抑制谐波的目的;c.电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆,并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,避免辐射干扰;d.信号线采用屏蔽线,且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20 cm以上),切断辐射干扰;e.变频器使用专用接地线,且用粗短线接地,邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开,使用短线,这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰;f.对于通过感应方式传播的干扰信号,可以通过合理布线的方式来削弱。具体方法有:设备的电源线和信号线应尽量远离变频器的输入、输出线;其他设备的电源线和信号线应避免和变频器的输入、输出线平行。4 结束语采用变频器实现的电力拖动变频调速系统,大大简化了传动系统,减小了电动机的容量,减小了静差率,易于实现下垂特性,节能效果可观。由于变频器自身的特性,还存在谐波干扰问题,需要采取有效的抑制措施,保证变频调速系统的良好性能。参考文献:1 张燕宾.SPWM变频调速应用技术M.北京:机械工业出版社,2002.2 李维谦,鲁黎明,许铭生.采用矢量型变频器是节能型车床制造的发展方向J.节能,2006(6).3 曾 毅,王效良,吴 皓,等.调速控制系统的设计与维护M.济南:山东科学技术出版社,2002.4 徐 进,张洪军,黄桂林.基于SPWM逆变的噪声及抑制的研究J.机床与液压,2003(2).收稿日期:2007-02-08我国控制电子产品污染的多项行业标准年内出台据信息产业部经济体制改革与经济运行司黄建忠介绍,我国“电子信息产品污染控制标准工作组”已经出台3项相关行业标准,另有6项标准预计在今年底前推出,届时将基本实现有害物质在电子产品中的替代和减量。已经出台的标准对电子产品有害物质的限量要求、检测方法、污染控制标志均有明确规定。预计8月出台的“环保使用期限通则”,规定如果电子产品中含有污染物,企业必须确保其在使用期限内不发生外泄和突变。另有5项标准涉及无铅焊接等内容。“国际贸易摩擦的增多使我国电子信息产品出口风险增大。”黄建忠说,今年8月,欧盟用能产品标准的生态化设计EuPs指令将正式生效,对电子信息产品等用能产品的设计、制造、运输、使用、回收等提出了生态化的标准要求,这一新指令将对全球电子信息产业发展产生革命性影响。对此,我国也应研究提出应对措施及我国电子信息产品标准的生态化要求,制定节能降耗的行业标准。75应用 交流 变频器在机床电力拖动中的应用问题机床电器200714
