一．龙门铣床变频器改造的必要性
现在很多企业的铣床设备，由于经过多年的使用，其电气部分已经严重老化，故障频繁，维修率高，面临这个问题，如果考虑重新购买新设备，需要大量资金，一般的企业难以承受，其本身老的铣床设备闲置的话也是公司的一大损失，为了提高公司铣床设备利用率，对老式铣床设备进行改造，不仅节省了开支，还更大的提高了生产及经济效益。
近年来，交流变频调速传动的发展日新月异，它的优异的调速性能已能取代传统的直流调速系统。
而且，随着电子元器件的发展，变频器的价格不断降低，性价比不断上升，也给它的应用提供了日益广阔的市场。我们详细分析比较了直流调速系统与交流调速系统的优缺点，对龙门铣床采用变频器改造原调速系统的方案，可带来以下好处。
1简化控制线路
　变频器的使用极为方便，可通过其外围的少数几个控制端子进行全范围控制。变频器内部有完善的保护措施，无需在其外围线路中设计各种保护电路。由于变频器的正反转运行是通过控制端子来改变逆变器的输出相位来实现，因此可比原直流调速系统减少两个大型直流接触器。采用具有无速度传感器的矢量控制变频器后，还可以去掉用作转速反馈的速度传感器，使控制线路大为简化。
2可以采用标准笼型异步电机
　采用笼型异步电机可以充分发挥它坚固耐用，结构简单，运行可靠，维护方便，价格低廉的优势，避免直流电机定期更换，维护电刷和换向器的麻烦。
3调试方便
　变频器的各种运行参数调试通过智能化键盘和显示器来完成，设置方便，更改灵活，调试时间短。
　传统的直流调速系统调试涉及到触发脉冲相位调整，放大板PI整定，转速负反馈调试等多项参数的综合统调，调试难度大，调试时间长，且不易达到最优控制。
二．变频器的选择
　1．异步电机在变频调速时的机械特性
　　目前几种典型的变频器控制方法的机械特性。
简介如下：
（1）基频以下恒压频比控制（U1/1=恒值）
　　异步电机在恒压频比控制下调速时，其机械特#31#应用交流机床电器2000No.5性基本上是上下平行移动的，恒压频比调速时，异步电机的最大转矩Temax随着1的降低而减小，1很低时，Temax很小。
　　（2）基频以下恒Eg/1控制
　　可以推导出恒Eg/1控制时的机械特性方程式恒Eg/1控制的实现，是在恒U1/1控制的基础上，恰当地提高U1，补偿定子阻抗的压降，维持了Eg/1为恒值，Eg/1比调速的机械特性调速的机械特性由图3可以看出，恒Eg/1控制时异步电机的最大转矩Temax恒定不变，这正是恒Eg/1控制优于恒U1/1控制的地方。
　　（3）基频以下恒Er/1控制
　　如果在调频控制中，保持Er/1恒定，这时的机械特性Te=f（s）为一条直线，（4）基频以上保持Pd=常数的恒功率控制在基频以上变频调速时，由于电压U1=U1n不变，当1提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，其基本形状相似，它属于弱磁恒功率调速。
　　综上所述，调频控制根据不同的控制方法，就可得到不同类型的机械特性。
　　基频以下恒压频比控制方式，在控制系统构成上是最简单的一种控制方式，调整因素少，不选择电动机，通用性良好。它适用于调整范围不大或风机，泵类等转矩随转速下降而减小的负载，节能效果显着。
　　基频以下恒Eg/1控制方式（即低速转矩提升）
　　的低速起动能力得到改善，从而比恒U1/1控制方式扩大了调速范围。它适用于调速范围不太大但要求带负载低速起动的应用场合，可用一台变频器控制多台电动机。
　　基频以下恒Er/1的控制方式，即矢量控制，它的控制特性比其他控制方式格外优越，其速度控制精度和瞬态响应指标达到或超过直流电机的水平。
　　它适用于要求从极低速到高速的宽广调速范围的应用场合，并适用于要求快速响应，频繁急加减速运转和四象限运转的用途。它主要用于取代直流电机调速传动的应用场合，但它的价格也较其他类型的贵。
　　基频以上恒功率控制方式，适用于负载随转速升高而减小的应用场合，例如机床主轴的传动，卷扬机等。
　　2．根据负载特性，选取适当控制方式的变频器
　　我们这次改造的对象是机床的进给机构，工作台进给和左，右主轴进给均属于恒转矩负载，它的转矩速度特性如图6所示。原来的直流调速系统的调速范围D=50，要达到50：1的调速比，就必须选用带有矢量控制功能的工程型高性能变频器。
　　异步电机的矢量控制就是像他励直流电机控制一样，将电机定子的输入电流分解成产生磁通的电流分量和产生转矩的电流分量，分别进行独立而瞬时的控制，同时将二者合成后的定子电流供给电动机。因为以矢量控制决定变频器的输出频率，所以需要检测电动机的转速。这是转差型矢量控制，随着控制理论的发展和数字信号处理器（DSP）的应用，不用速度传感器只用异步电动机三根线控制%即无速度传感器矢量控制也实现了实用化，它的系统框图如图8所示。
　　目前，市场上出售的无速度传感器矢量控制变频器的调速范围可达到100：1.无速度传感器矢量控制是通过转矩电流的变化量的积分运算来推算电机的转速，势必会带来推算误差。如果要求进一步提高调速范围和精度，就要选用带速度传感器的矢量控制。目前，市场上出售的带速度传感器矢量控制的变频器的调速范围可达到1000：1.普通笼型电机上安装速度传感器不但增加了工艺难度，而且加大了技改成本。考虑到，无速度传感器矢量控制变频器的主要技术指标已能满足原机床的设计要求，所以我们选择了春日KVFZ4110型无速度传感器矢量控制变频器，它的几项主要技术指标如下：（1）调速范围无速度传感器矢量控制100：1（2）起动转矩1Hz时150%额定转矩（3）频率精度最高频率的01%三，变频器及其周边设备的容量计算
　　1变频器容量计算
　　在变频器容量计算前，要确定拖动负载的电动#33#应用交流机床电器2000No.5机容量。由于有原直流电机作依据，我们不必进行详细的转矩换算，只需选择与原直流电机容量相对应的笼型电机容量。由于工作台拖动电机容量均大于左，右主轴进给电机容量，所以变频器容量的计算以工作台电机为依据。
　　原工作台直流电机参数为：PN=10kW，nN= 1000r/min.查电机手册，与原直流电机数据对应的笼型电机数据为：型号Y160L-6，功率PN=11kW，转速nN=970r/min，额定电流IN=246A.变频器连续运行的场合，其额定输出电流IINV&11Imax式中IINV为变频器额定输出电流，Imax为电动机实际最大电流。
　　根据我们原来测试的数据换算，工作台进给的最大负载转矩为81Nm，换算到Y160L-6电机上的最大负载电流Imax19A，代入上式则有IINV&11（19=209A即所需变频器的额定输出电流必须大于209A.查春日变频器手册，选择KVFZ4110型，它的额定电流为24A，满足以上要求。
　　由于KVFZ4110型变频器不带标准制动电阻，所以还需要根据系统情况计算选用合适的阻值与容量。查春日变频器设计手册，制动电阻选100%制动转矩时的标准配置62，4kW. 2变频器低速运行的特点及对策
　　常规设计的自冷式异步电机在额定工况下及规定的环境湿度范围内，是不会超过额定温升的，但处于变频调速系统中，情况就有所不同。自冷式异步电机在20Hz以下运行时，转子风叶的散热能力变差，再如果在恒转矩负载条件下长期运行，势必造成电机温升增加，使调速系统的特性变坏。所以，当自冷式异步电机在低频运行并拖动恒转矩负载时，必须采取强制冷却措施，改善电机的散热能力，保证变频调速系统的稳定性。
四．PLC在变频调速系统设计中的应用
　PLC硬件配置
　　这次改造中，PLC选用日本立石公司的模块式C200H，CPU单元为CPU01-E，存储器选4K E 2 PROM型号ME431，两个输入单元均为16点的ID212，三个输出单元分别为12点的OC222，8点的OC221，独立接点8点的OC224. 2变频器控制部分的PLC程序设计
　　龙门铣床的工作台进给，左主轴进给和右主轴进给，通过切换变频器输出侧的接触器来实现，如果在变频器正常输出时切换输出侧的接触器，将会在接触器触点断开的瞬间产生很高的过电压而极易损坏变频器中的逆变器件。因此，切换变频器输出侧的接触器一定要等到所控制的电机完全停止以后，才能安全切换。下面详细分析如何用PLC程序来实现变频器输出侧电机的安全切换。
　　我们先来分析变频器输出切换保护部分PLC程序中使用的下降沿微分指令（DIFD）。当进给方向选择开关SA3从工作台进给切换到左主轴进给时，0009由ON变为OFF，同时，0010由OFF变为ON.此时，内部辅助继电器4500在一个扫描周期内ON，而4501保持OFF状态不变。
　　如果在变频器正常输出的情况下，进给方向选择开关SA3切换，三个内部辅助继电器4500，4501和4502之中必定有一个在一个扫描周期内由OFF变为ON，继电器3007变为ON并保持2秒（TIM002的设定时间必须大于变频器的制动时间）后变为OFF.在SA3切换时，由于变频器在正常输出，则继电器3100，3101中必有一个为ON，继电器3008也为ON.在SA3切换的瞬间，由于继电器3007，3008都为ON状态，继电器3012变为ON，它切断变频器的输入进给信号，变频器开始制动停止。在SA3切换信号消失2秒后，此时变频器已停止输出，继电器3007，3008由ON变为OFF，出现下降沿信号，继电器4503在一个扫描周期内ON，切断变频器输出侧的接触器，使电机切换到所需的进给方向。
　　如果在变频器停止输出时，SA3切换，由于继电器3008为OFF，继电器3013会在SA3切换的瞬间在一个扫描周期内ON，从而把变频器输出侧的接触器立即切换到所需的进给方向。
　　变频器出现异常时，通过它内部的报警继电器驱动控制柜上的报警指示灯HL1，使HL1连续闪烁，提示操作人员变频器出现异常，必须立即停机检修。
　　变频器报警延时05秒后，切断输入侧的接触器KM10，使出现故障的变频器脱离电源，以免故障进一步扩大。
　　五，变频器和PLC的安装与接线
　　1．变频器和PLC的安装
　　变频器和PLC要求的安装环境温度为-10）~ +50）。控制柜内的发热元器件有变压器，接触器，变频器及其制动电阻等，为了降低这些大发热量器件而致的柜内温升，可采用两种方法。一是加大控制柜的尺寸，二是增加柜内的换气风量。方法一势必造成控制柜体笨重，增加金属用料，不经济；方法二只增加一台成本较低的换气风扇，较为经济。变频器在控制柜内安装时，应尽量靠近柜内顶部的换气风扇，让从柜下部进入的冷空气全部通过热源部分。
　　对于以数字电路为主构成的PLC来说，工作灵敏度高，很容易受到各种外来电磁干扰，引起误动作。目前市场上出售的变频器多采用PWM控制，它的输出电流中含有多种谐波，是强电磁干扰源。
　　为了防止变频器对PLC的干扰，PLC的安装应尽量远离变频器，并且它们的安全保护接地，屏蔽接地均应采取单点接地。
　　变频器和PLC周围的控制回路的接触器，继电器的线圈，触点在开闭时，会因电流急剧变化而产生很强的电磁干扰，有时会使变频器和PLC的控制回路，外部设备产生误动作，需要在这种干扰源的线圈，触点两端加装浪涌吸收电路。
　　变频器和PLC安装于高湿度的场所，常发生绝缘劣化和金属部分腐蚀。如果受场所限制，不得已用于高湿度场所，必须加装除湿装置，防止变频器和PLC停止工作时的结露。
　　在有振动的场所安装时，在振源侧需采取减小振动的措施，而在变频器和PLC侧加装隔振器或防振橡胶。
　　2．变频器和PLC的配线
　　（1）变频器主回路
　　变频器无速度传感器矢量控制运算要用电机的定子电阻，而数据的获得是由变频器的参数自检测程序来完成的。如果按常规的导线发热校验选择电机的配线，必然在长距离供电时，把线路电阻加入到了参数自检测出的定子电阻数据中，引起变频器的控制精度下降，达不到设计要求。所以，变频器输出回路的导线应在常规发热校验选择的基础上再加大1~2级截面等级。
　　（2）控制回路
　　变频器和PLC的控制信号为微弱的电压，电流信号，所以与主回路不同，对于导线的选择和敷设要增加抗干扰的对策和规程。
　　由于变频器的输出回路是强电磁干扰源，因此，变频器和PLC控制回路的配线不能与变频器主回路配线在同一根铁管或同一配线槽内敷设。为了进一步提高抗干扰效果，还应采用10mm 2的绝缘屏蔽导线。绝缘屏蔽导线的接地应在变频器和PLC侧进行单点接地，使用专用的接地端子，不与其他的接地端子共用。电磁感应干扰的大小与电线的长度成比例，所以要尽可能地以最短线路敷设。
　　六，变频调速系统的调试
　　1.通电前的检查
　　在变频调速系统安装好之后，就可以进行调试和运行。当然在控制系统通电之前，必须进行必要的检查。
　　（1）变频器外围接线检查
　　在检查变频器外围接线的过程中，应重点注意以下几方面的问题：电源线应与R，S，T端子连接，绝对不能连至#36#机床电器2000No.5应用交流U，V，W端子上；+端子之间，外露导电部分不能有短路，接地现象；，接地端子应良好接地；端子，连接器的螺钉要紧固；。电机要与机械装置安全脱离。
　　（2）PLC控制部分接线检查
　　PLC控制部分的检查应注意以下几个问题：PLC的供给220V电源进线是否正确；+PLC的输入单元的+24V电源接线要正确，绝对不能混入220V强电；，PLC的输出单元负载侧不能存在继电器动作后的短路现象；PLC输出单元所带的负载供给220V电源接线是否正确。
　　2.变频器系统功能设定
　　变频器在出厂时，所有的功能码都已设定了。
　　但是，龙门铣床调速系统的要求与变频器的工厂设定值不尽相同，有一些重要功能参数需重新设定。
　　（1）控制模式选择（功能码F01）：设定为矢量控制方式。
　　（2）电机额定电压（功能码F03）：380V.（3）电机额定电流（功能码F04）：246A.（4）电机额定频率（功能码F05）：50Hz.（5）电机额定转速（功能码F06）：970r/min.（6）最高频率（功能码F08）：50Hz；因为机床的进给机构属恒转矩负载，所以电机只能在额定频率以下的恒转矩控制区使用。
　　（7）失速电平设置（功能码F46）：150%；在矢量控制方式下，该参数设置表示变频器输出最大电流限幅值，为了获得大的输出转矩，应将该参数设为较大值。
　　（8）过负荷报警水平（功能码F71）：110%.（9）过负荷报警延迟时间（功能码F70）：3s.（10）电源投入再启动（功能码F75）：OFF.（11）自动调谐（功能码F07）：在上述参数设定后，将F07设定为RUN，等待约5秒钟。变频器会自动测定电机内部参数，用以完成矢量运算及控制。
　　如果自动测试中发生异常报警，请参阅变频器说明书解决。
　　（12）加减速时间的设定：加减速时间可用计算方法求得，若实际有困难时，也可采用以下方法。先将加减速时间都设定为较大值，在变频器试运行后，关掉失速电平功能，再逐步减小设定值，以变频器不发生报警为最佳设定值。加减速时间设定完后，失速电平功能恢复为ON状态。
　　3.试运行
　　变频器系统功能参数设定完后，就可试运行。
　　用操作盘上的速度给定电位器设定5Hz左右的低频率，再按下正，反转按钮，观察电机转向是否正确，电机运转是否平稳，加减速是否平滑。电机空载运转几分钟后，如无异常情况，再依次在10，20，35，50Hz等几个频率点运行。试运行正常以后，变频器调速系统才可投入正式运行。
　　4.PLC程序调试在变频器最佳加减速时间确定后，要重新设定图10所示变频器输出切换保护部分PLC程序中的TIM002和TIM003的时间常数。这两个定时器的设定值相等，但必须稍大于变频器的最佳减速时间。
　　PLC程序试运行前，先将编程器上的状态转换开关拨至MONITOR（监控）位。在监控状态下，可进行PLC运行状态的监视，触点的强制ON/OFF，定时器/计数器的设定值或当前值的变更等。
　　七 结束语
　　本文详细分析了变频器的控制特性，提出了无速度传感器矢量控制变频调速取代直流调速的可行性，给出了变频器及其周边设备的选型计算公式，并把PLC灵活引入变频器控制系统。经过一年多的实际运行，该变频调速系统不但调速的各项性能指标达到原直流调速水平，而且线路大为简化，再加上变频器和PLC完善的故障诊断功能，使可靠性，可维修性得到大幅度提高。