微计算机控制三相电动机节电器在普通车床应用技术

宝鸡机床集团公司 高级工程师 李恩科

微计算机控制三相电动机节电器在普通车床应用技术

宝鸡机床集团公司 高级工程师 李恩科

宝鸡机床集团所产CS6140-6266系列普通车床一直沿用传统设计，上班启动主轴后电机连续旋转，直到下班关闭。我们知道，机床动力容量的设计，是以该机床今后使用中可能遇到的最大可能性负载条件为依据的。根据对机械加工现场的长期观察，从概率统计的角度评价：

（1）平均而言，在实际生产中机床的少数工况处于重载状态，多数时段处于轻载状态；远小于设计的电机功率容量，约有70%～80%的工况下运行在“大马拉小车”的高耗能状态。

（2）车床在每天加工的非有效切削工况时段，例如测量、磨刀、更换刀具、上下工件，主轴电机依然运转，又浪费30%左右的电能。

以上两种耗能浪费的叠加，造成这类机床设备高达50%以上的能源浪费。因此，该类机床已于2012年4月列入国家“高耗能落后机电设备（产品）淘汰目录（第二批）” （中华人民共和国工业和信息化部公告2012年 第14号）。

自2013年起，我厂与北京优尔特科技股份有限公司合作，研发出一种节能设备“微计算机控制三相电动机节电器”，将其安装在CS6140普通车床上。2015年9月14日，西安节能监察监测中心现场测定达到有功电能46.7%的节电率、无功电能71%的节电率。

该节电器技术已经入选国家发改委2015年《国家重点节能低碳技术推广目录》。

一、技术原理

“星三转换”是一种传统的“电动机启动技术”，即电动机启动阶段为星形接法，运转阶段改为三角形接法。

我们研发的“电动机瞬态有功负荷自动测控节电”技术，成功地将“星三转换”应用于电动机运转阶段。即电动机启动阶段连接“星形”，运转阶段并不转为“三角形”，而是转入“实时监控、自动调整”状态。当监控到“实时有功负载”小于电动机“额定功率”三分之一以下轻载阶段，自动适配为“星形”接法，即“小马拉小车”； 当监控到“实时有功负载”大于电动机“额定功率”二分之一以上重载阶段，自动转入“三角形”接法，即“大马拉大车”。如此不断自动监控跟踪的结果，令电动机的“星形”或“三角形”接法总是随着设备的负载轻重自动适配。

于是，机床只是在少数重载工况自动连接“三角形”，多数轻载工况自动连接“星形”。由于星形电动机电流仅有三角形的三分之一，因而产生无效热损耗也仅有三角形下的三分之一，节省了近三分之二无效热损耗用电，减少了机床按照最大可能性能耗设计电动机功率所造成的能源浪费。

该技术与变频器相比，变频器适用于电动机转速可调的设备范围，节电器适用于普通车床这类无须电动机变速的设备范围，各有不同的适用领域。

二、从系统运行角度进行全面应用设计

过去普通车床星三转换节电方式的缺陷：只是单独把节电器安装了事，这样做的后果是节电器很快报废。因为一是无法识别主轴箱摩擦离合器操作状态，二是无法识别车床启动状态，三是可能处于轻重负载交织的边缘状态。这三种之任一状态都会引起星三转换交流接触器来回反复频繁切换，既有害车床稳定工作，又损伤交流接触器寿命令其很快报废。

另外，交流接触器切换时间与车床转动惯量失配，会造成传动齿轮来回撞击、发出很大撞击噪声，并存在打碎齿轮，损伤设备的可能。

针对以往普通车床单独安装节电器的上述问题，我们专为普通车床设计了成套应用装置，由车床操纵杆位置传感器、主轴齿盘传感器、下跳星形看门狗软件模块、撞击声消除软件模块及节电器本体组成系统化节电装置。

图 1

如图1所示：

在车床操纵杆上安装了位置传感器。操纵杆位于中间位置车床主轴停转，操纵杆位于上拉位置主轴正转，操纵杆位于下拉位置主轴反转。位置传感器将操纵杆位置信息导入计算机，用于识别主轴运动的起始时间点。

车床主轴后端安装了齿盘传感器。因为这类设备马达与主轴传动链存在摩擦离合器，马达通电启动后，由于摩擦离合器的滞后作用，虽然马达很快启动，但主轴滞后迟缓一定时间才能完成启动。依靠齿盘传感器将主轴的运动状态导入计算机，依靠分析软件准确识别主轴何时完成启动。

另给节电器计算机芯片注入“下跳星形看门狗软件模块”和“撞击声消除软件模块”，解决了以往节电器安装在车床运行中交流接触器频繁跳动缺陷，达到了一种近乎静音运行的星三转换控制模式。使得绝大多数运行工况下星三转换极少发生。不但极大延长了交流接触器寿命，保证了整机安全可靠运行，而且令设备本身不因安装节电器而赘生齿轮撞击噪声。

三、节电运行原理说明

安装于CS6140普通车床节电装置原理框图，参见图2。

节电器得电后处于准备状态，因此时“负载功率取样”为零，故计算机输出“星形接触器KMY”信号，吸合交流接触器KMY，马达处于星形运转的准备状态。

操作工按动启动按钮，给出“马达开关指令”，此指令直接吸合交流接触器KMZ。因此前已经处于星形运转准备状态，马达通电后即按星形实施启动。这类普通车床之床头箱内置了摩擦离合器，此时虽然马达已经启动了，因此时操纵杆位于中间停止位置，摩擦离合器分离，故车床主轴依然处于静止状态。

当操作工上拉操纵杆令摩擦离合器结合，车床主轴得到正转力矩开始正向转动，同时“操纵杆位置传感器” 将其上拉位置及时导入节电器，节电器得知车床主轴开始正向启动时间点，启动“主轴启动完成识别软件” 连续监视“齿盘传感器”导入的主轴转速信号，分析其何时完成主轴启动，在主轴启动完成之前禁止任何星三转换。这样就避免了主轴启动过程巨大的电流变化引发瞬时星三转换，预防了交流接触器大电流损伤及强烈的机械撞击声。一挨识别启动完成，节电器第一时间进入“星三转换监控状态”、以备随时发生重负载可迅速上跳三角形运行，应对重负载对电机动力较大的需求。

车床属于一种频繁启动设备，例如车削螺纹可快达每秒钟启动一次。启动时的大电流与启动后的小电流快速交替导致星三转换交流接触器不断劈啪作响。在此工况下交流接触器很快烧损，导致节电器报废无法持续使用。这也是过去的星三转换节电器无法应用于车床的主要原因。本装置依靠上述二种传感器与分析软件，一举解决这一难题，实现了节电器在此复杂工况下也处于静音运行状态。

图 2

发生星三转换时，马达瞬时断电又通电，在某些转速下有可能转动惯量与此瞬间时长失配，不但引发较大的齿轮撞击声恶化工作环境，而且容易打碎传动齿轮损伤设备。依靠本装置注入的“撞击声消除软件模块”，可将此撞击声消除到轻微程度，保护了车床设备的安全使用。

车床负载有可能处于重载与轻载交织的边缘状态，以往的节电器碰到这种交变负载其“星三转换交流接触器”必然随之不断地频繁动作劈啪作响。不但设备难以稳定运行、而且很容易烧坏接触器令节电器报废。依靠本装置注入的“下跳星形看门狗软件模块”，便可将这种频繁动作消弭为零。

其软件构造原理是：由于电机运行在三角形不存在突增重载失控问题，所以计算机接到下跳指令时并不急于立即下跳，而是延长一段时间S7，看看S7时间内是否还存在负载突增到上跳分界线以上的现象。如有则说明设备目前还处于重载与轻载交织变化阶段或边缘震荡状态。如贸然下跳则会造成交流接触器随震荡反复劈啪作响，既不利于设备稳定运行又损伤器件寿命。因此这组软件的功能是：只要在S7时间内看到一次或者若干次“突增到上跳分界线以上的重载脉冲”，便立即取消下跳指令，继续三角形状态。并且每收到一次“突增到上跳分界线以上的重载脉冲”，便重新开始S7计时，再看看新的一轮S7时间内是否还有重载脉冲出现，若还有，继续照此办理；若没有，才安全地下跳到星型状态运行。

四、应用前景

经过多年的现场使用、观测、改进和提高，从2016年4月份起，该系列产品已经列入我厂生产目录，进入批量生产，销售到全国各地。收集用户的反映，基本运行稳定可靠，特别是该节电产品兼具的电子柔性启动与电子刹车这二项实用功能，使得机床电控整体功能完善，运行协调一致，得到良好的市场检验。

节能、降耗和减少碳排放量，建设新型绿色环保经济，保护生态环境是与每一个人息息相关的大事，关系到所有人的切身利益。就目前的煤电转化率来算，每节约一度电，可节约300克煤的排放。节电就是减排，就是保护生态。绿色制造，循环经济已经成为制造业的主旋律，高能耗、高污染、低附加值的产业必将成为历史。节电技术的应用，使得我公司产品走上绿色产业的快车道，以节能环保产品引领市场主流。□

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