数控车床中应用变频调速技术探析

赵宏霞，魏东坡

（1.德州亚太集团有限公司，山东 德州 253000；2.山东华宇工学院，山东 德州 253000）

数控车床中应用变频调速技术探析

赵宏霞1，魏东坡2

（1.德州亚太集团有限公司，山东 德州 253000；2.山东华宇工学院，山东 德州 253000）

文章阐述了变频调速技术自身特征以及基本原理，探析了数控车床对变频调速技术的应用。

数控车床；变频调速技术；应用

数控车床技术主要是对数字控制操作的工作母体总称，该车床上集合了机械制造技术、功率电子技术以及微电子技术等各种技术为一体，兼备了高效率、高精度以及高柔性的自动化生产设备。在数控车床上应用上了变频调速技术之后，提高了数控车床的制造能力。因此，探究变频调速技术在数控车床的应用具有实用价值。

1 变频调速特征以及基本原理

（1）变频调速特征。在数控车床的主轴上，其车床的主轴控制装置都是采用了交流变频器对交流主轴电机进行控制，这种控制方式具有速度稳定性高、调速范围宽、过载能力强以及加减速时间比较短，同时还有振动小、噪声低以及寿命长等各种特征。

（2）主轴变频调控的基本原理。从异步电动机理论上能够得到，主轴电机转速公式为：

N=(60f1/p)(1-s)=n0-Δn （1）

如果不计定子阻抗的压降，那么异步电动机的定子电路电压平衡方程是：

U1=E1=4.44f1N1ΦmΚw1 （2）

该式子中的P表示电动机极对数；S表示转差率；f1表示供电电源频率；n0表示同步转速；U1表示定子绕组的相电压；E1表示定子绕组的感应电动势；Φm表示表示每极对气隙磁通。

从（1）式中就能够看出，电动机的转速和频率成正比，一旦改变了频率就能够平滑调节电动机的转速。从变频器角度来看，频率调节范围比较宽，能够在0～400Hz间进行任意调节。所以主轴电动机转速调节范围比较宽。

从（2）式中就能够看出，一旦频率变化之时不但影响电机运行速度，同样也会影响到电机的内部磁通量与各个部分磁路的磁通密度变化。改变电源的频率能够实现变频调速调速，同样会导致气隙磁通量发生变化，影响电机性能。当进行变频调速之时，改变电源频率之时就会改变电源电压，确保气隙磁通量不变，电机就能够得到良好运行性能，就能够有效的实现变频调速功能。

2 数控车床中应用变频调速技术

2.1 应用变频调速进行控制原因

应用变频调速进行控制的主要原因，主要体现在以下5个方面：

（1）变频调速产品技术成熟，性能可靠，被广泛使用在异步电动机的控制系统中。

（2）通过变频器中外接控制端子，能够体现出运行状态时输出端子及可编码功能。能够依据被控对象与控制方式差异灵活设定与选择，略掉了中间转换控制。

（3）启停电动机的时间以及电流能够进行手动编码或者自动设置完成，降低原来方式中的起动电流比较大，机械冲击比较大。

（4）当主电路进行相序切换时就采用变频器的内部集成电路完成控制，同时还要设置电动机转速在制动后能够自动解除，防止因操作不当大电路流入电动机。

（5）变频器能够自动弥补电网中电压波动，能够设置来电继续加工和自动延时关机等各种功能，实现自动化过程。

2.2 变频调速器

变频调速器就是运用电力半导体器件具有的通断作用，把工频电源转换成另一个频率电能控制装置，能够把电网中的恒压及恒频交流电转变成变频变压的交流电。数控车床中应用变频调速就是为了提升调速特性，让被调交流电机处于低转差率运行，有效降低了转子损耗及起动电流的冲击，确保了系统以及电网稳定运行，并且这种运行模式精度高、调速范围较宽及速度的稳定性好。在应用中变频器选用及容量选择非常重要。

（1）变频器的选用。①选择变频器类型。数控车床中使用变频调速技术，出了考虑到了静态速度精度、调速范围、负载情况以及起动转矩之外，还要考虑控制方式。如今数控车床上所用变频调速主要有矢量控制与标量控制两种，标量控制是低频时其转矩不够，速度稳定性差；所以这种控制方式已经逐渐被淘汰，因此矢量控制正被大量推广。矢量控制就是让鼠笼式异步电动机如直流电机具备较高的运行性能及控制性能，且经过控制变频器所输出电流大小、相配位以及频率，通过电流来维持电动机内部磁通的设定值而产生出所需转矩。这种控制方式非常优良，就能够适应高速响应场合要求，调速范围较大，还能够实现转矩控制。②功率选定。系统效率即为变频器和电机效率之乘积，因此要实现系统最佳效率必需要二者均具备较高效率。所以一般情况下，就要确保变频器功率和电机的功率值接近，才能够让变频器处于高效率运转。一旦电机频繁启动及制动，或者重载启动，就应该选用大一级变频器，确保变频器安全、长时间运行。③选择变频器容量。选择变频器容量是一个比较重要、复杂的问题，就需要考虑到变频器和电动机二者容量的匹配，如果变频器容量偏小必然会影响电机的输出力矩，影响系统正常运行，乃至损坏装置。如果容量偏大，必然会增大电流谐波分量，增大设备的投资。

选择变频容量分成三步骤；①了解负载的性质及变化规律，计算负载电流大小或者负载电流图，I=f(t)；②要预选变频器的容量；③对变频器进行校验预选，还可能校验过载能力及起动能力。如果均能通过，就选定了预选变频器容量，否则就要返回到第二步重新进行，一直到通过。当然只有满足生产的机械要求下还要考虑容量大小，容量越小才越经济。

（2）连接变频器方式及速度控制。在数控车床中连接变频器的方法如图1所示：

图1 变频器的控制示意图

该连接模式分为了部分，①数控装置的变频器之间正反转信号；②数控装置传递给变频器频率或者速度信号；③变频器传递给数控装置的故障等各种状态信号。变频器操作及反馈都是通过数控面板编程与显示的。

速度调控且是调速时，就是经过数控装置至变频器模拟通道传递速度信号，并且经过变频器内部设置的输入信号和设定频率的特性曲线，数控装置就能够便利的自由控制主轴速度。变频调速特性曲线主要包含了电压（电流）信号，正（反）作用以及单（双）极性各种配置，有效满足了数控车床的自由调速、正反转以及变速切削要求。所以应用变频调速更为便利和准确，只需要将所需转速直接输入到数控面板上，就能够实现无级调速，实现恒线性的切削要求。

2.3 变频电机

（1）变频电机特征。变频电机就是针对三相异步电动机中各种缺陷，针对电磁和结构方面做的特别设计。这种电机具备启动扭矩大、过载能力强，当临界转差率靠近1时就会直接启动，其调速范围比较宽，振动小、效率高以及噪声低等各种特征。相比普通电机该电机可靠性更好，更安全，解决普通电动机启动之时存在过载能力差、启动扭矩不足等各种缺陷。

（2）确定变频电机的类型及功率。选择变频电机和普通电机基本相似，选择时就要依据负载性质与生产工艺对电机起动、反转、制动以及调速等各种要求，其转速和功率以及扭矩关系如图2所示。主轴的转速nj之时由主轴传递所有功率时最低转速。

图2 转速和扭矩及功率关系

从该转速到主轴中最高转速均能够传递全部功率，且扭矩则随着转速增加而减低，即为恒功率的工作范围。当低于了nj之时各级的速度扭矩不变，即为该机床上最大的传递扭矩，转速提高必然增加功率，即为恒扭矩的工作范围。所以选择电动机类型之时就要确定出基本转速以及最高转速，把基本转速换成基本频率，比如如今许多数控车床中将基频定位了50Hz或者60Hz，并在该基点上，按主轴最高转速计算最高速的频率，确定出变频调速范围。功率确定相对简单，所选功率只需要比普通车床小即可，或者依照同类产品比较确定出电动机功率。

3 结语

在数控车床中应用变频调速技术，有效简化主传动机械机构，确保主轴最佳的运行特性，有效实现了高效率切削与较高加工精度，确保低速与高速下输出较大力矩。因此，该技术必然在数控车床中广泛应用。

An Investigation into the Application of Variable Frequency Speed Control Technology in NC Lathe

ZHAO Hong-xia1,WEI Dong-po2
(1.Dezhou Yatai Group Co.,LTD.,Dezhou Shandong,253000 China;2.Shandong Huayu Institute of Technology, Dezhou,Shandong,253000 China)

This paper expounded the characteristics and basic principle of variable frequency speed regulation technology,investigated the application ofvariable frequency speed control technology in numerical control lathe.

NC lathe;variable frequency speed control technology;application

TG659

A

2095-980X（2015）04-0013-02

2015-02-15

赵宏霞（1978-），女，吉林吉林人，工程师，主要研究方向：机电一体化。