变频器数控机床应用的研究

任梦羽 宁传丽 郑亚平

摘 要：在数控机床上，变频器主要用于交流电动机的控制，它不但起了节能和调速的作用，而且它的软启动能够保护附属电气设备，避免直接启动给机械设备造成冲击，从而引起机械故障。因此变频器是理想的调速和控制装置。本文就变频器在数控机床上的应用及它在使用和维护中常见的问题进行阐述。

关键词：变频器；数控机床；调速；节能；维护

1、引言

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将把电压、频率固定不变的交流电变换成电压、频率可以改变的交流电的电能控制装置。[1]作为能够改变输出频率的设备，变频器其主电路由整流器件、直流部分和逆变器件三部分组成。基本结构示意图如图1所示。

整流器件作为变频器与三相交流电相连的部分，把三相交流电变成直流电。直流部分是变频器的信号控制部分。直流电部分取出所需的电压，带动驱动电路、检测电路和CPU控制器。驱动电路用来实现逆变器件的驱动，检测电路用来实现对温度、电流和电压的检测，CPU控制器实现判断和控制功能。而逆变器将直流电变换为所要求频率的交流电。通过逆变器的驱动电路实现对逆变器的驱动，从变频器输出的电就变成了电压为 380V，频率可调的交流电，从而驱动电机完成预想的控制工作。

2、变频器特性及参数设置

2.1 变频器的主要特性

变频器通常通过控制面板的参数设定和选取，使其能够在电控系统中实现复杂的控制，在数控机床的电控系统中变频器的主要特点是：启动和停止时较平稳，可实现无级调速，同时在调速时应用范围较广。在工作时可实现长期稳定的运行，且操作简单方便，在输出时可以满足数控机床电动机的性能要求[2]。

2.2 变频器的参数设置

变频器的参数对于变频器的控制非常关键，是保证功能运行的前提。其电动机的额定电流、工作电压、电机容量等参数的设置可以根据铭牌所给定的进行设置。另外，在使用状态显示板时，应注意其参数在使用时不可改变。只可以按事先设定好的参数进行运行，当我们想让电动机启动或停止或进行正反转时，可以在模拟输入信号的控制下由开关量来实现。

3、变频器在数控机床上的应用

自变频技术在数控机床中的广泛运用开始，数控机床自身的科技技术含量便飞速提高，其智能化、数字化以及网络化的特点也与我国当下的数字机床应有的相关要求相符，所以对其进行相关研究就显得很有现实意义。

3.1数控机床中变频器的容量

在具体的数控机床中的变频器选择中，相关技术人员需要考虑数控机床电动机的容量，以此进行不同容量变频器的选择。这里需要注意的是一旦变频器的容量相较于数控机床电动机容量来说较小的话，就很容易出现对数控机床的正常运行造成影响，甚至造成数控机床的损毁，而当变频器容量相关于数控机床电动机容量来说较大的话则会使数控机床的谐波分量变大，造成资金浪费的情况发生，所以在对数控机床使用的变频器选择中，相关技术人员必须严格按照以下规定进行具体的选择决策即通过对数控机床负载性质的变化规律计算出负载电流大小[3]；通过负载电流计算结果，预选数控机床所使用的变频器容量；对选择的预选变频器的过载能力与起动能力进行检验。

3.2变频技术与数控机床的电力驱动

在我国当下数控机床中主要存在三种电力驱动的類型，非别是进给饲服系统驱动、主轴驱动系统、电动机装式高速交流主轴驱动系统[4]。

进给饲服系统驱动，是指数控车床中相关驱动通过滚珠丝杠带动刀架运动实现刀具工件加工的一种数控机床驱动系统，经过多年发展现已取代了直流伺服装置。由于进给饲服系统驱动的特点，在对其进行相关变频技术的运用中，最好采用交流变频矢量控制技术，以此实现进给饲服系统驱动的变频调节，并实现其再生制动。

主轴驱动系统，是一种速度与精度都较高的数控机床驱动技术，其运行速度能够达到15000-20000r/mm，而在我国当下的主轴驱动系统的变频技术应用中，其一般采用工“日T功率器件进行自身的变频调节，其能够使主轴驱动系统实现四象限运行，能够有效的起到数控机床节电与性能保持的目的[5]。

电动机装式高速交流主轴驱动系统，是我国现阶段数控机床主轴驱动系统的发展方向之一，在我国现阶段的数控机床中运用的较为广泛。电动机装式高速交流主轴驱动系统具有机床主轴与电动机转子合二为一的特点，这就使得其本身的转数与精度较高，能够适应多种不同的加工需求。

4、变频器在数控机床中故障与维修分析

在利用变频器对数控机床进行控制时，变频器在使用中需要与控制装置相互配合，一起完成相关的控制程序。而机床出现故障时，及时地分析故障原因并进行维修为机床的保养非常重要，常见的变频器故障现象如下。

4.1 变频器过载

变频器的过载经常是因为加速时间短、直流制动量过大或电网电压太低等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等解决故障。而电机过载是由于变频器功率过小、电机负载过重而引起的，因此系统要选择合适的变频器以适应电机。

4.2 欠压、过压

当电压过小或过大时，变频器的检测元件会自动保护变频器，变频器停止工作。欠压、过压故障主要是因为外部电源的故障引起的，也有少数故障是检测电路损坏引起的。如过压有可能是因为减速时间太短或制动电阻损坏造成的。遇到欠压、过压故障时，先检查检测电路是否完好，然后再对外部电源进行检查。

4.3 过流

当电流过大时变频器启动过流保护，变频器停止工作。一般可从外部电器和变频器本身分析过流故障。由外部电器引起的过流故障如下：电机负载突然增大，造成冲击而引起过流；电机和电机电缆相间或相对地的绝缘破坏，造成匝间或相间对地短路，因而导致过流；当装有测速编码器时，速度反馈信号丢失或非正常时，也会引起过流，这时需要检查编码器和其电缆。由变频器本身引起的过流故障维修中，遇到过流故障，我们先用电流表测量变频器输出的电流。看输出电流是否平衡，如果输出不平衡，说明变频器内部器件有问题。变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上需加装防止冲击电压的吸收装置，尽量缩短控制回路的配线距离，并使其与主线路分离，采用屏蔽线回路。数控机床的变频器安装时，由于其集成度高，整体结构紧凑，自身散热量较大的特点，对安装环境的温度、湿度和粉尘含量以及电网质量要求较高，保证变频器在较低的温度状态下运行是延长变频器寿命的基本要求。变频器在使用前应对现场的外部条件进行检查，不能满足要求时应采取有效措施加以解决，从而杜绝外部环境对变频器的影响。

5、总结

随着变频器不断的改善和技术的不断提高，使得其在数控机床上的应用越来越广泛。变频器的使用在一定程度上不仅节约了大量的开关元件和相关的电器元件。同时对机床加工时的精度保障和加工工件时的生产效率有了极大的提高。另一方面变频器也可以改变机床的控制和驱动方式，适应了多种多样的工件的生产，大大提高了工作效率，减少了数控机床的维修工作。

参考文献：

[2] 韩安荣.通用变频器及其应用[M].机械工业出版社，2009.

[3] 吴文龙.数控机床控制技术基础——电气控制基本常识[M].高等教育出版社.

[4] 李发海.电机与拖动基础[M].清华大学出版社，2005.

[5] 王爱玲，白恩远.现代数控机床[M].北京：国防工业出版社，2003.