机床电机变频控制系统的设计.doc

1 前 言 1.1 交流变频调速技术的发展与研究现状 在过去的几十年里,世界范围的工业进步的一个重要因素是工厂自动化程度的不断提高。工厂里的生产线一般包括一个或多个可变速的电机传动装置,用于大功率传送带、机械手、桥式吊车、钢材扎制生产线以及塑料和合成纤维生产线等。50年代以前，所有这些应用都需要使用直流电机传动，交流电机由于其固有的以同步或几乎同步于电源的频率运行，所以难以真正的调节或平滑的改变速度。然而，直流传动存在的诸如运行中产生火花、对环境要求叫高、电刷易于磨损、维护麻烦等等的自身结构上的问题促使人们不断寻求更好的解决问题的方法。一般来说，交流传动与相当的直流传动相比通常有价格方面的优势，而且具有较少维护、较小的电机尺寸和更高的可靠性。然而对这些传动系统可利用的控制灵活性是非常有限的，而且它们的应用主要局限在风机、泵和压风机等应用方面，其速度只需要粗略调节而对暂态响应和低速特性没有严格要求。用于机床、高速电梯、测功器、矿井提升机等的传动装置，有更加复杂的要求，而且必须提供允许调节多个变量的灵活性，例如速度、位置、加速度和转矩等。这样的高性能应用，一般在速度闭环下要求高速段保持高于0.5%的调速精度和至少20：1的宽调速范围，以及高于50rad/s的快速暂态响应。以前，这样的传动装置几乎全部是直流电机的应用领域，并根据具体应用的需要配置各种结构的AC-DC变换器。然而，采用适当控制的感应电动机传动在高性能应用上已胜过直流传动，并且交流传动更加广泛的应用于计算机外围设备的传动、机床和电动工具、机器人和自动装置的传动、电动汽车和电器火车传动等等。 经过近三十年的发展，交流调速电气传动已上升为电气调速的主流，正在越来越广泛的领域取代传统的直流调速传动。其中变频调速是交流电机调速中发展最快、最活跃的一支。它以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，成为现代调速传动的主流。在冶金、交通、机械、电子、石油化工、纺织、制药、造纸、家用电器、电力牵引等工业领域得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益。同时变频调速传动系统无论在性能、装置体积、设备维护还是在节能乃至环保等方面也都体现了巨大的优势。 交流传动得以飞速发展，得益于以下几个方面： 电力电子功率器件的发展 控制理论的发展 PWM技术的发展 微处理器和专用集成电路(ASIC)的发展 我国变频调速技术的应用，是一个由试验到实用，由辅助系统到生产装置，由考虑节能到全面改善工艺水平，由开环手动控制到闭环自动控制，由低压中小容量到高压大容量的过程。多年来，国家有关部门一直致力于变频调速技术的开发及推广应用，并给予重点扶持，并将推广应用变频调速技术作为风机、水泵节能技改专项的重点投资方向。国家成立了风机水泵节能中心，开展信息咨询和培训。在国家经贸委小“九五”资源节能综合利用工作纲要中，变频调速己被列入重点组织实施的10项资源节约综合利用技术改造示范工程之一。变频调速技术的应用范围已发展到新阶段。在石油、石化、机械、冶金等行业都得到了大量使用和整套装置系统使用，取得了节能、增产的显著效果。变频调速技术己成为节约能源及提高产品质量的有效措施。实践的结果证明，节电率一般在10％～30％，有的高达40％，更重要的是生产中一些技术难点也得到解决。 1.2 变频调速技术的优点和发展方向 交流异步电动机调速系统种类繁多，常见的有：降压调速，电磁转差离合器调速，饶线转子异步电机串级调速，变极对数调速和变压变频调速。而由电机学可知，交流异步电机的转速公司如下： 公式（1-1） 其中：n是异步电动机转速，p是异步电动机的极对数，s是异步电动机的转差率，f是供电电源的频率。 改变极对数作几挡的有级调速，该种电机通用性差，并且结构复杂、价格高、维护性差。 改变电动机，即在转子上串电阻，因饶线式电机的结构限制，通常为有级调速。 当极对数不变时，电动机转子转速 n与定子电源频率f成正比。因此通过连续改变定子电压供电频率f就能平滑、无级地调节异步电动机的转速，这种调速方法称为变频调速。改变供电电源频率也称变频调速，这种方法能实现无级调速，并且能适用于各种异步电动机的调速需要，特别指出的是能适用我国现在普遍应用的鼠笼式三相交流异步电动机的调速需要。 变频调速的优点： ①调速范围宽，可以使普通异步电动机实现无级调速； ②启动电流小，而启动转矩大； ③启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备； ④对电机具有保护功能，降低电机的维修费用； ⑤具有显著的节电效果； ⑥通过调节电压和频率的关系方便地实现恒转矩或者恒功率调速。 目前，变频调速己经