萊蕪鳳普自控有限公司 劉彥偉 閻勇
濟南廣林科技有限公司 王保學
一、B2010A龍門刨床工況概述
龍門刨床是機械化自動化程度很高的大型機床。龍門刨床的動力及控制回路比較復雜，尤其是刨床工作臺主拖動系統完全依靠電氣自動化控制來執行的。B2010A龍門刨床的主拖動采用最初50年代的A-G-M調速系統，即電機擴大機---直流發電機---直流電動機組系統。如圖一所示。采用機械速比2:1和電氣調速范圍為10:1的機電聯合調速系統。
龍門刨床對電力拖動的技術要求---龍門刨床是頻繁往復運動的生產機械，它的工作方式為循環方式。前進行程是切削行程；后退行程是不作切削的，只讓工作臺駛回為下一步切削作準備。運動示意圖如圖二所示。實際工作中為了提高勞動生產效率，輕載后退的速度要大于前進切削速度。由于不同的金屬材料和不同的加工工藝，必須要求控制系統具備：
工作臺主拖動具有比較寬的調速范圍和較硬的機械特性；
工作臺前進切削和后退的過程中運行平穩，不振蕩，速度能單獨地作無級調整，無須停車；
運行方向的改變要迅速、平滑、沖擊力小、動作反應快；
在低速范圍內切削力基本保持恒定狀態，靜差度小于3%；
前進與后退行程的末尾工作臺自動減速，反向準確；
傳動效率高，耗電量小；
控制系統簡單，可靠安全，易于維修保養；
如圖二中，ab段（約12-15米/分）為刀具慢速切入工件，而后增加到可調速CD段進行前進切削，之后運行到設定行程開始減速為ef段，再經過換向行程控制，工作臺由前進減速迅速制動并快速反向運行可調hi速度段后退，再后退至減速換向切換到前進行程。形成一個循環工作周期。
以上簡略敘述B2010A直流拖動系統過程，有助于對它的性能特點和工作情況能進步了解。
二、龍門刨床拖動系統的演變
1． 原系統存在的主要缺陷
我們知道龍門刨床這種A-G-M調速系統，它具有占地面積大、噪聲污染嚴重、尤其交流電動機拖
動發電機浪費電能很嚴重。從工作情況來看，直流電動機的功率并沒有得到充分利用，并且維護
保養較困難。目前許多在使用該系統工作的廠家都在想辦法解決以上問題。
2． 演變
從70年代至目前有極少部分采用晶閘管---直流電動機機組（V-M調速系統）。該系統低速時損
耗大、功率因數低、對電網污染嚴重，而使用的還是直流電動機，維護保養困難的問題還是沒有
解決。
3． 飛躍
隨著科技進步，在電力電子技術和微電子技術方面有了飛速發展，以及矢量控制技術的完善，使
得變頻調速技術日新月異，并且變頻調速發展空間愈加寬廣，涉及領域之多，其優越性為眾所周
知。為此廣大科技工作者致力于交流變頻調速技術的應用，龍門刨床的拖動方式在向變頻調速的
方向轉移，國外已有很多成功應用的實例。
三、EMERSON變頻器應用在B2010A龍門刨床上
1、選型
根據前述龍門刨床直流拖動系統工作要求，對于取代直流拖動并超越直流拖動的交流變頻調速來說，選擇高性能可靠矢量型的變頻器尤其關鍵。通過查閱有關資料及請教有關資深學者（對此深表感謝），加之深入了解國內外同類變頻器，反復比較論證，我們從性價比上選擇了美國EMERSON公司出產的高性能矢量控制變頻器---TD3000系列產品。TD3000系列變頻器在性能上完全符合B2010A型龍門刨床拖動系統的要求。它通過對交流電機磁通電流和轉矩電流的解耦控制，實現了轉矩的快速響應和準確控制，能以很高的控制精度進行寬范圍的調速運行；而且我們還采用了有速度傳感器PG反饋矢量控制方式。根據我們在實際應用中確實感到TD3000矢量控制變頻器穩定可靠，對于象龍門刨床這種從安全可靠性要求很高的大型設備，選用該矢量控制型變頻器非常合適。TD3000系列變頻器是美國EMERSON公司自主開發生產的高品質、多功能、低噪音的矢量控制通用變頻器。具有電機參數自動調諧、零伺服控制、速度控制和轉矩控制在線切換、轉速跟蹤、內置PLC、內置PID控制器、編碼器和給定及反饋信號斷線監測、掉載保護、內置PG接口、故障信號追憶、28種故障監控、豐富的I/O端子和多達十種的速度設定方式，能滿足各類負荷對傳動控制的要求。TD3000系列變頻器的優越性能主要體現在：
有速度傳感器矢量控制，調速范圍為1：1000，穩態控制精度0.05%；
低頻啟動轉矩10-100rpm時,200%額定轉矩；
啟動預勵磁,加快矢量控制快速響應；
動態轉矩響應小于150ms；
零伺服鎖定功能,可以保持零速時150%的轉矩輸出;
可靠的轉矩限定，防止頻繁跳閘；
功能豐富的對話式操作面板，全系列LCD+LED顯示中英文可選；
參數的上傳拷貝和下傳復寫功能；
功能強大的后臺調試監控軟件，可通過內置RS485接口組網監控。
電機、變頻系統選型：
1) 主拖動：55KW交流變頻電機，TD3000-4T0750G變頻器；
2) 垂直刀架：1.5KW交流電機，TD1000-4T0022G變頻器；
3) 左刀架：1.5KW交流電機，TD1000-4T0022G變頻器；
4) 右刀架：1.5KW交流電機，TD1000-4T0022G變頻器
5) 主拖動制動單元：兩臺TDB-4C01-0300制動單元，兩只10Ω、10KW制動電阻。
2. 控制原理
(1) 工作臺主拖動用EMERSON TD3000變頻器驅動變頻調速電機,電機為中科院研制生產。該電機采用AUTOCAD輔助設計，充分考慮了正弦脈寬調制技術和矢量控制變頻器的特點，低頻時轉速平穩，無爬行現象，恒力矩調速范圍寬，代替A-G-M系統機組實現無級調速。由于我們針對的山東煤礦萊蕪機械廠B2010A型龍門刨床，機械上基本上不動,沒有增加銑削功能,如果橫梁垂直刀架機械剛性足，可以在機械上改造,配刨、銑變速箱來實現銑削功能。通過調試實現了機械刨削速度范圍3-80米/分，無級調速；速度還可降至1米/分左右，進行磨削加工。
(2) 工作臺換向采用制動單元及制動電阻，制動速度快，從應用來看，TD3000變頻器在頻繁換向過程中速度降低快，動力制動迅速，由于換向時工作時間短，為抑制泵升電壓，采用了制動電阻進行能量釋放。
(3) 電氣控制系統采用由我們萊蕪鳳普自控有限公司自行研制的XH-120PLC可編程控制器來實現對主拖動變頻器及整個機床的電氣控制。優點是控功能強、速度快、易維護、便于改變程序。并且根據工藝情況編制故障，面板顯示運行狀態、查找故障點簡單。
(4) 工作臺的減速、換向控制采用龍門刨床高可靠性電子組合開關，無機械磨損、壽命長、無
故障工作時間在一萬小時以上，全密封、無維修、可防止使用中鐵屑引起誤動作。
3、龍門刨床簡要電氣.控制框圖 (如圖三)
四、EMERSON變頻器的特性應用
我們在調試變頻器過程中，重點針對工作臺頻繁換向、快速響應等問題對于變頻器參數作了調整，僅舉幾例加以說明。
1、 注意變頻器與電機的自調諧過程：在選擇矢量控制方式第一次運行前，一定要進行電機的自動調諧工作，以便獲得被控電機的準確電氣參數。這種過程相當于對負載電動機自動地進行一次“等效電路參數測定實驗” ，力求達到精確矢量控制。
2、 避免爬行：我們知道由于加工切削量不同、 工件重量不等、行程不一、高速運行等嚴重惡劣條件造成在運動中工作臺慣性大，勢必會在減速與反向過程中會向原方向作一定距離的慣性運動。所以認真調整TD3000變頻器的有關參數，一定要準確控制加減速時間及制動的投入方式，否則將會出現越位等故障。
3、 換向運行的快速響應：應用TD3000變頻器在工作臺拖動換向上要精心調整轉速調節器，使之適應工作要求，當比例增益P和積分時間I參數選取不當時，可能會在系統中產生振蕩或產生減速過電壓故障。這一點需要根據實際情況來調整。
4、 使電機獲得更好的起動性能：我們在調試過程中，將電機預勵磁功能參數作了調整，起動方式、起動頻率、正反轉死區、脈沖編碼器等參數作了調整，使之具有更好的響應速度。
五．應用情況及效果
根據應用，我們可以得出如下比較：
1． 工作方式：
在B2010A改造前，工作時，直流發電機組一直處于運行狀態，特別是在工作間隙、測量工
件時等，白白消耗大量的空載能量。改造后，龍門刨床只是在工作臺運動時才消耗能量，并
且在輕載時變頻器自動節能。
2． 進線電流：
在改造前，大刨切削45號鋼坯時，吃刀深度10 mm，進刀量為1 mm，檢測進線電流為50A。
改造后，同樣加工條件下，進線電流僅為15.5A。
3． 環境改善：
改造前，發電機組工作時噪音嚴重，可達80dB。
改造后，檢測噪音為70dB，大大改善了工作環境，利于操作工人的身心健康。
4． 占地面積：
改造前，機組占地面積大，現在改造后僅為原來的10%。
5． 機床維修：
改造前，機床維修量大，并且難以修理，特別是勵磁發電機不發電故障。
改造后，由于變頻器控制柜集中，基本上不出大的故障。
6． 機床運行：
改造前，由于原B2010A機床年久失修，各處性能大不如最初，換向慣性大。
改造后，采用了先進的矢量控制，從性能、穩定性上超過原來，換向慣性小，反向快速響應。
7． 節電效益：
測量進線，按有功功率來算，每天二班倒，工作15小時，每月平均生產26天，電費成本在
0.7元，全年可節約電費73500.34元，僅此一項一年左右時間即可收回投資。
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