變頻器和PLC在9米龍門銑床中的應用

直流電氣傳動和交流電氣傳動在19世紀先后誕生。由于直流傳動易于實現調壓、調磁調速，并有成熟的控制理論和控制系統，可以滿足工業生產發展不斷提出的寬調速、高精度和快速響應的要求，所以在20世紀的大部分年代里，高性能的調速系統都采用直流調速傳動，而約占電氣傳動總容量80％的不變速電氣傳動則采用交流電氣傳動，這種分工在一段時間里已成為舉世公認的格局。交流調速傳動的控制原理很早被確立，異步電機降電壓調速，繞線轉子異步電機轉子串電阻調速等雖已實用化，但在調速范圍、穩定性、可靠性和維修性等方面有些不足，應用范圍受到限制。1965年以后，由于電力電子技術的不斷發展和進步，伴隨著新的控制理論的提出與完善，使交流調速傳動，尤其是性能優異的變頻調速傳動得到飛速的發展。繞線轉子異步電機的串級調速，采用變頻器的無換向器電機調速，籠型異步電機的變頻調速等依次實用化，完成了以變頻調速為主流的交流調速傳動的基礎。現代矢量技術的應用，使交流調速傳動也具備了直流調速傳動的高性能。直流電機的換向器是它的主要薄弱環節，它使直流電機的單機容量、過載能力、最高電壓和最高轉速等重要技術指標受到限制，也給直流電機的制造和維護帶來了不少麻煩，這些缺點，在很大程度上限制了直流電機的應用。交流變頻調速傳動中的籠型異步電機結構簡單、堅固耐用、運行可靠、維護方便、轉動慣量小、動態性能好，其單機容量、電壓等級和最高轉速等技術指標，均優于直流電機。目前，高性能的交流變頻調速系統已完全可以和直流調速系統相媲美，而且可以在直流電機無法應用的場合使用。直流調速傳動一統天下的舊格局已被打破，用交流調速傳動取代直流調速傳動已成為可能。

2 龍門銑床直流調速系統進行改造的必要性

我廠用于道岔加工的龍門銑床調速系統采用三相半控橋不可逆直流拖動，分為工作臺、左主軸和右主軸三個進給方向。這臺機床的電控系統運行已有十余年，直流調速插板已嚴重老化，加之插板之間的連線多，由導線虛接造成故障日漸增多，維修成本不斷上升。此臺龍門銑床的調速系統急待改造。

近年來，交流變頻調速傳動的發展日新月異，它的優異的調速性能已能取代傳統的直流調速系統。而且，隨著電子元器件的發展，變頻器的價格不斷降低，經濟性價比，不斷上升，也給它的應用提供了日益廣闊的市場。我們詳細分析比較了直流調速系統與交流調速系統的優缺點，采用變頻器改造原調速系統，可帶來以下好處：

（1）簡化控制線路

變頻器的使用極為方便，可通過其外圍的少數幾個，控制端子進行全范圍控制。變頻器內部有完善的保護措施，無須在其外圍線路中設計各種保護電路。由于變頻器的正反向運行是通過控制端子來改變逆變器的輸出相位來實現，因此可以比原直流調速系統少兩個大型直流接觸器。采用具有無速度傳感器的矢量控制變頻器后，還可以去掉用作轉速反饋的速度傳感器，使控制線路大為簡化。

（2）可以采用標準籠型異步電機

采用籠型異步電機可以充分發揮它堅固耐用、結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉的優勢，避免直流電機定期更換、維護電刷和換向器的麻煩。

（3）調試方便

變頻器的各種運行參數調試通過智能化鍵盤和顯示器來完成，設置方便，更改靈活，調試時間短。傳統的直流調速系統調試涉及到觸發脈沖相位調整，放大板PI整定，轉速負反饋調試等多項參數的綜合統調，調試難度大，時間長，且不易達到最優控制。

3 變頻器的選擇

變頻器的正確選用對于機械設備電控系統的正常運行是至關重要的。選擇變頻器，首先要按照機械設備的類型、負載轉矩特性、調速范圍、靜態速度精度、起動轉矩的要求，然后決定選用何種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是在滿足機械設備的實際工藝生產要求和使用場合的前提下，實現變頻器應用的最佳性價比。

3.1 機械設備的負載轉矩特性

人們在實踐中常將生產機械根據負載轉矩特性的不同，分為三大類型：恒轉矩負載、恒功率負載和流體類負載。

（1）恒轉矩負載

在這類負載中，負載轉矩TL與轉速n無關，任何轉速下TL總保持恒定或基本恒定，負載功率則隨著負載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設備的進給機構等摩擦類負載以及起重機、提升機、電梯等重力負載，都屬于恒轉矩負載。

變頻器拖動恒轉矩性質的負載時，低速時的輸出轉矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。如果需要在低速下長時穩速運行，應該考慮標準籠型異步電動機的散熱能力，避免電動機溫升過高。

（2）恒功率負載

這類負載的特點是需求轉矩TL與轉速n大體成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機床的主軸和軋機、造紙機、薄膜生產線中的卷取機、開卷機等，都屬于恒功率負載。

負載的恒功率性質應該是就一定的速度變化范圍而言的。當速度很低時，受機械強度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉變為恒轉矩性質。負載的恒功率區和恒轉矩區對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調速時，最大允許輸出轉矩不變，屬于恒轉矩調速；而在弱磁調速時，最大允許輸出轉矩與速度成反比，屬于恒功率調速。如果電動機的恒轉矩和恒功率調速的范圍與負載的恒轉矩和恒功率范圍相一致時，即所謂“匹配”的情況下，電動機的容量和變頻器的容量均最小。

（3）流體類負載

這類負載的轉矩與轉速的二次方成正比，功率與轉速的三次方成正比。各種風機、水泵和油泵，都屬于典型的流體類負載。

流體類負載通過變頻器調速來調節風量、流量，可以大幅度節約電能。由于流體類負載在高速時的需求功率增長過快，與負載轉速的三次方成正比，所以不應使這類負載超工頻運行。

3.2 變頻器的控制方式

現在市場上出售的變頻器種類繁多，功能也日益強大，變頻器的性能也越來越成為調速性能優劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。附表列出了近年來各種變頻器控制方式的性能特點。

綜上所述，異步電動機變頻控制選用不同的控制方法，就可得到不同性能特點的調速特性。

同時，調頻控制根據不同的控制方法，就可得到不同類型的機械特性。基頻以下恒磁通變頻調速控制方式，其機械特性屬于恒轉矩調速方式，它適用于負載轉矩與轉速無關，任伺轉速下負載轉矩總保持恒定或基本恒定，負載功率則隨著負載速度的增高而線形增加的應用場合，例如傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設備的進給機構等摩擦類負載以及起重機、提升機、電梯等重力負載等。基頻以上弱磁變頻調速控制方式，其機械特性屬于恒功率調速方式，適用于負載隨轉速升高而減小的應用場合，例如機床主軸的傳動、卷揚機等。

3.3 根據負載特性選取適當控制方式的變頻器

這次改造的對象是9m龍門銑床的進給機構，工作臺進給和左、右主軸進給機構均屬于恒轉矩負載，它的轉矩速度特性如圖1所示。原來的直流調速系統的調速范圍D=50，要達到50：1的調速比就必須選用帶有矢量控制功能的高性能變頻器。

異步電機的矢量控制就是摸擬他勵直流電機的控制原理，首先經過3/2坐標變換將電機定子的輸人電流分解成產生磁通的電流分量和產生轉矩的電流分量，分別進行獨立瞬時的控制，經過2／3坐標變換，再將二者合成后轉換的三相定子電流供給電機。隨著控制理論得發展和數字信號處理器（DSP）的應用，不用速度傳感器“只用異步電機三根線控制”即無速度傳感器矢量控制也實現了實用化。目前，市場上出售的無速度傳感器矢量控制變頻器的調速范圍可達到100：1。無速度傳感器矢量控制是通過轉矩電流的變化量的積分運算來推算電機的轉速，勢必會帶來推算的誤差。如果要求進一步提高調速范圍和精度，就要選用帶速度傳感器的矢量控制。目前，市場上出售的帶速度傳感器矢量控制變頻器的調速范圍可達1000 ：1。

普通籠型電機安裝速度傳感器不但增加工藝難度，而且加大了技改成本。由于無速度傳感器矢量控制變頻器的主要技術指標已能滿足原機床的設計要求，所以選擇了富士FRENIC5000G 11 S型低噪音、高性能、多功能變頻器，它的幾項主要技術指標如下：

（1）調速范圍：無速度傳感器矢量控制100：1；

（2）啟動力矩：0.5Hz時200%額定轉矩（動態轉矩矢量控制）；

（3）頻率精度：最高輸出頻率的±0.2％以下。

由于G11S變頻器提供第1電機和第2電機切換功能，且第2電機也有類似第1電機的功能參數設置選項（動態轉矩矢量控制），因此利用該功能將工作臺進給電機設置為第1電機（動態轉矩矢量控制模式），左、右主軸進給電機設置為第2電機（動態轉矩矢量控制模式）。變頻調速部分電氣原理圖如圖2所示。

4 變頻器及其周邊設備的容量計算

4.1 變頻器容量計算

在變頻器容量計算之前，要確定拖動負載的電動機容量。由于有原直流電機作依據，我們不必進行詳細的轉矩計算。由于工作臺進給電機容量（11kW）大于左、右主軸進給電機容量（均為1.5kW），所以變頻器容量的計算以工作臺進給電機為依據。

工作臺進給傳動交流電機參數為：型號，Y160M-4；功率，Pn=llkW；轉速，ne=1460r/min；額定電流，In=22．6A.

變頻器連續運行的場合，其額定輸出電流：

（1）

式中：Ilnv為變頻器額定輸出電流，Imax為電動機實際最大電流。

根據現場測試的數據，工作臺進給傳動電機的最大負載電流Imax≈26A，代人上式（1)則有：Ilnv ≥1.1×26=28.6A，即變頻器的額定輸出電流必須大于28.6A。查富士FRN-GI IS變頻器手冊，選擇FRN15G11S-4CX型，它的額定輸出電流為30A，滿足式（1）的要求。4.2再生能量的處理

當采用變頻器傳動的工作臺進給電機急減速時，異步電動機將處于再生發電狀態。變頻器逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構的機械能轉換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當中間直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器將過電壓跳閘。

在高性能的工程型變頻器中，對連續再生能量的處理有以下兩種方案。

（1）動力制動

在中間直流回路設置電阻器，讓連續再生能量通過電阻器以發熱的形式消耗掉；

（2）采用再生整流器方式

將連續再生能量送回電網，這種方式稱為回饋制動。動力制動方式控制簡單、成本低，但節能效果不如回饋制動。回饋制動方式雖然節能效果好，能連續長時制動，但控制復雜、成本較高。

考慮到節省技改投資、提高設備的可維修性和可靠性，采用動力制動方式。關于各機構采用動力制動方式后的元器件選用和計算，可參閱，限于篇幅，此不贅述。

按照制動單元和制動電阻選型、計算公式進行換算，變頻器FRN15G11S-4CX配用1臺富士公司的BU3-220-4型制動單元和1臺DB15-4型制動電阻，其技術參數：最大制動轉矩150%，100%制動轉矩連續制動l0s，PBR=7.5kw，PRcont=0.375kW（100秒鐘工作周期）。

4.3 變頻器低速運行時的特點及對策

常規設計的自冷式異步電機在額定工況下及規定的環境溫度范圍內，是不會超過額定溫升的，但處于變頻調速系統中，情況就有所不同。自冷式異步電機在20 Hz以下運行時，轉子風葉的冷卻能力下降，再如果在恒轉矩負載條件下長期運行，勢必造成電機溫升增加，使調速系統的特性變壞。所以，當自冷式異步電機在低頻運行并且拖動恒轉矩負載時，必須采取強制冷卻措施，改善電機的散熱能力，保證變頻調速系統的穩定性。

5 PLC在變頻調速系統設計中的應用

5.1 PLC硬件配置

這次改造中，PLC選用日本歐姆龍公司的模塊式C200H，CPU單元為CPU01-E，存儲器選4kB EEPROM，型號為ME431，兩個輸人單元均為16點的ID212，三個輸出單元分別為12點的OC222，8點的OC221，獨立接點8點的OC224。

5.2 變頻器控制部分的PLC程序設計

龍門銑床的工作臺進給、左主軸進給和右主軸進給，通過切換變頻器輸出側的接觸器來實現，如圖2所示。如果在變頻器正常輸出時切換輸出側的接觸器，將會在接觸器觸點斷開的瞬間產生很高的過電壓而極易損壞變頻器中的電子器件。因此，切換變頻器輸出側的接觸器一定要等到所控制的電機完全停止以后，才能完全切換。下面詳細分析如何用PLC程序來實現變頻器輸出側電機的完全切換。

首先分析變頻器輸出切換保護部分PLC程序，如圖3所示中所用的下降沿微分指令（DIED）。當進給方向選擇開關SA3從工作臺進給切換到左主軸進給時，0009由ON變成OFF，同時，0010由OFF變為ON。此時，內部輔助繼電器4500在一個掃描周期內ON，而4501保持OFF狀態不變。如果在變頻器正常輸出的情況下，進給方向選擇開關SA3切換，3個內部輔助繼電器4500,4501和4502三中必定有一個掃描周期內由OFF變為ON，繼電器3007變為ON并保持2s(TIM002的設定時間必須大于變頻器的制動時間）后變為OFF。在SA3切換時，由于變頻器在正常輸出，則繼電器3100，3101中必有一個為ON，繼電器3008也為ON。在SA3切換的瞬間，由于繼電器3007，3008都為ON狀態，繼電器3012變為ON，它切斷變頻器的輸出進給信號，變頻器開始制動停止。在SA3切換信號消失2s后，此時變頻器已停止輸出，繼電器3007，3008由ON變為OFF，出現下沿信號，繼電器4503在一個掃描周期內ON，切斷變頻器輸出側的接觸器，使電機切換到所需的進給方向。如果在變頻器停止輸出時，SA3切換，由于繼電器3008為OFF，繼電器3013會在SA3切換的瞬間在一個掃描周期內ON，從而把變頻器輸出側的接觸器立即切換到所需的進給方向。

變頻器出現異常時，通過它內部的報警繼電器驅動控制柜上的報警指示燈HLl，使HL1連續閃爍，指示操作人員變頻器出現異常，必須立即停機檢修。變頻器報警延時0.5s后，切斷輸人側的接觸器KM2，使出現故障的變頻器脫離電源，以免故障進一步擴大。

變頻器輸出切換保護部分的PLC程序，限于篇幅，此不贅述。

6 變頻器和PLC的安裝和接線

6.1 變頻器和PLC的安裝

變頻器和PLC的安裝度為-10℃至50℃。控制柜內的發熱元器件有變壓器、接觸器、變壓器及其制動電阻等，為了降低這些大發熱量器件而致的柜內溫升，可采用兩種方法。一是加大控制柜的尺寸，二是增加柜內的換器風量。方法一必造成控制電柜體笨重，增加金屬用料，不經濟；方法二只增加一臺成本較低的換氣風扇，較為經濟。變頻器在控制柜內安裝時，應盡量靠近柜內頂部的換氣扇，讓從電柜下部進入的冷空氣全部通過熱源部分。

對此以數字電路為主構成的PLC來說，工作靈敏度高，很容易受到各種外來電磁干擾，引起誤動作。目前市場上出售的變頻器多采用PWM控制，它的輸出電流中含有多種諧波，是強電磁干擾源。為了防止變頻器對PLC的干擾，PLC的安裝應盡量遠離變頻器，并且它們的安全保護接地，屏障接地均應采取單點接地。

變頻器和PL C周圍的控制回路的接觸器，繼電器的線圈、觸點在開閉時，會因電流急劇變化而產生很強的電磁干擾，有時會使變頻器和PLC的控制回路，外部沒有產生誤動作，需要在這種干擾源的線圈，觸點兩端加裝浪涌吸收電路。

變頻器和PLC安裝于高濕度的場所，常發生絕緣劣化和金屬部分腐蝕。如果受場所限制，不得已用于高濕度場所，必須加裝除濕裝置，防止變頻器和PLC停止工作時的結露。

在有振動的場所安裝時，在振源側需采取減少振動的措施，而在變頻器和PLC側加裝隔振器或防振橡膠。

6.2 變頻器和PLC的配線

（1）變頻器主回路

變頻器無速度傳感器矢量控制運行要用電機的定子電阻，而數據的獲得是由變頻器的參數自檢測程序來完成的。如果按常規的導線發熱校驗選擇電機的配線，必然在長距離供電時，把線路電陰加入到了參數自檢測出的定子電阻數據中，引起變頻器的控制精度下降，達不到設計要求。所以，變頻器輸出回路的導線應在常規發熱校驗的基礎上再加大1-2級截面等級。

（2）控制回路

變頻器和PLC的控制信號為微弱的電壓、電流信號，所以與主回路不同，對于變頻器的輸出回路是強電磁干擾源，因此，變頻器和PLC控制回路的配線不能與變頻器主回路配線在同一根鐵管或同一配線槽內敷設。為了進一步提高抗干擾效果，還應采用1.0m2絕緣屏蔽導線。絕緣屏蔽導線的接地應在變頻器和PLC側進行單點接地，使用專用的接地端子，不與其它的接地端子共用。電磁感應干擾的大小與電線的長度成比例，所以要盡可能地以最短的線路敷設。

7 系統調試

7.1 通電前的檢查

（1）變頻器外圍接線檢查

在變頻器外圍接線檢查中應注意以下幾個方面：

·電源線應與R、S、T端子連接，絕對不能連至U、V、W端子上；
·端子之間，外露導電部分有無短路、接地現象；
·接地端子必須良好接地；
·端子、連接器的螺釘是否緊固；
·電機是否與機械裝置安全脫離。

（2）PLC外圍接線檢查

變頻器控制系統PLC外圍接線檢查應著重檢查以下幾個方面：

·PLC的220V供給電源接線是否正確；
·PLC輸入單元的＋24V電源接線是否正確，絕對不能混人220V強電；
·PLC輸出單元不能存在短路隱患；
·PLC輸出單元所帶負載的電源接線是否正確。

7.2 變頻調速系統功能參數設置

變頻器在出廠時，所有的功能碼都已設置了。但是，龍門銑床調速系統的要求與工廠設定值不盡相同，所以，一些重要的功能參數需要重新設定。

（1）工作臺進給電機Ml的功能參數設置

·加速時間1（功能碼F07)：1s；
·減速時間1（功能碼F08）：Is；
·電子熱繼電器1的OL設定值（功能碼F11）：23A；
·轉矩矢量控制1（功能碼F42）：1；
·Ml參數--極對數（功能碼POl）：4；
·容量（功能碼P02）：11kW；
·額定電流（功能碼P03）：22.6A；
·空載電流（功能碼P06）：4.2A。

在上述參數設定完后，將功能碼P04（電機參數自整定）設定為1，等大約5s，變頻器會自動測試工作臺進給電機內部數據并保存。如果在測試中發生異常報警，請參閱變頻器用戶手冊予以解決。

(2）左、右主軸進給電機M2的功能參數設置

·電子熱繼電器2的OL設定值（功能碼A07)：3.7A；
·轉矩矢量控制2（功能碼A09）：1；
·M2參數--極數（功能碼A10）：4；
·容量（功能碼All）：1.5kW；
·額定電流（功能碼A12）：3.7A；
·空載電流（功能碼A15）：1.4A。

在上述參數設定完后，將功能碼A13（電機參數自整定）設定為1，等大約5s，變頻器會自動測試工作臺進給電機內部數據并保存。如果在測試中發生異常報警，請參閱變頻器用戶手冊予以解決。

(3)公用功能參數設置

·Xl端子功能選擇（功能碼E01）：9；外部報警，Xl端子串人變頻器外圍的制動單元和制動電陰的熱敏開關，當它們發生故障時變頻器立即報警停止；
·X2端子功能選擇（功能碼E02）：12；電機2／電機1選擇；
·頻率設定1（功能碼FO1）：1；
·運行操作（功能碼F02）：I。

(4)加、減速時間的設定

加減速時間可用計算的方法求得，如果實際計算有困難時，可采用以下方法。先將加減速時間設定成較大值，關掉失速電平功能，再逐次減小加減速時間設定值，以變頻器不發生報警時的設定值為最佳。即便是根據計算求得的設定值，也要利用變頻器的報警功能進行最終確認。變頻器加減速時間設定完后，失速電平功能要恢復成ON狀態。

7.3 PLC控制系統參數設定

在變頻器最佳減速時間確定后，要重新設定圖3所示變頻器輸出切換保護部分PLC程序中的TIM002、TIM003的時間常數。這2個定時器的時間常數設定值相等，但必須大于變頻器的減速時間。

7.4 試運行

變頻調速系統的功能參數設定完后，就可進行系統試運行。先用操作盤上的速度給定電位器設定大約5Hz的低頻，按下正、反轉按鈕，讓工作臺拖動電機空載運轉幾分鐘。注意觀察電機的運轉方向是否正確，轉速是否平穩，溫升是否正常，加減速是否平滑等。再繼續在10、20、35、50Hz等頻率點試運行。如果試運行正常，變頻調速系統就可投人正式運行。

8 結束語

本文詳細分析了變頻器的控制特性，提出了無速度傳感器矢量控制變頻器取代直流調速的可行性，給出了變頻器及其周邊設備的選型計算公式，并把PLC靈活引人變頻調速系統的控制系統。經過兩年多的實際運行證明，PLC控制的變頻調速系統，不但線路大為簡化，而且各項調速性能達到原直流調速水平，再加上變頻器和PLC完善的故障診斷功能，使整個調速系統的可靠性、可維修性得到大幅度提高。