摘要：变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。本文针对数控机床和普通机床改造中对主轴传动变频调速系统的应用需求，提出了采用罗克韦尔自动化的PowerFlex4型通用低压变频器的解决和实现方案。
关键词：变频器；实际生产；应用
第一章变频器工作原理
（一）概述
变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
1.整流器
最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
2.平波回路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
3.逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。[
（二）变频器的作用
变频器集成了高压大功率晶体管技术和电子控制技术，得到广泛应用。变频器的作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的。变频器的出现，使得复杂的调速控制简单化，用变频器+交流鼠笼式感应电动机组合替代了大部分原先只能用直流电机完成的工作，缩小了体积，降低了维修率，使传动技术发展到新阶段。
（三）变频器的组成
变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。
整流单元将工作频率固定的交流电转换为直流电。
高容量电容存储转换后的电能。
逆变器由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。
控制器按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。
（四）变频器节能效果
变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
第二章变频器在机床上的应用
（一）数控机床的变频器配置：
在机床的调速系统中，传统复杂的齿轮箱式分级调速方式，在数控机床中得到极大的改进，采用更为先进的变频无级调速方式。对于1.5kW三相交流电动机，选配三晶高性能矢量控制S350系列，S350变频控制系统优势。
1、完全满足数控车床高生产率、高削切精度、高稳定性、高柔性要求。
2、S350采用矢量控制模式，动态响应效果非常好，使电机主轴能高速稳定运行。
3、满足复杂、不规则形状零件的高深度和高强度削切要求，在0.5HZ~1HZ低频状况下，可以稳定保持150%的转矩输出。
4、加减速时间0.1秒，实现无衔接式正反转运行。
5、抗干扰性强，通过严格CNC综合测试，不会对系统造成任何干扰。
6、稳速精度高，低速时速度变化率小，运行平滑。
（二）数控机床对应用技术的要求
1、电机要求
通常要求用变频电机，或者普通电机加风扇以满足电机在低频的散热要求、并且要求电机调速范围广。
2、变频器的技术要求
1）要求低频力矩大
选用矢量变频器，低频时（1～10Hz）能出来150%额定转矩。
2）转矩动态响应速度快，稳速精度高
选用矢量变频器，能实现很好的动态响应效果，依据负载的变化，通过输出转矩的变化很快做出响应，从而实现转轴速度的稳定。
3）减速停车速度快
通常数控机床的加减速时间都是比较短的，加速时间靠变频器的性能保证，减速时间则依靠外加制动电阻或制动单元。
3、抗干扰问题
变频器在出厂的时候作了很好的抗干扰试验，具有很强的抗干扰能力，但变频器同时也是一个干扰源，在使用中很难避免不对其它设备进行干扰，在数控机床上最容易被干扰的设备是CNC控制器。一旦CNC控制器受干扰后，系统将不能正常工作。特别是变频器的频率指令和运行指令也可能会受到干扰，干扰严重的会造成频率指令不稳定，变频器误动作等。解决此类问题的办法是在变频器的输出线上加磁环以减少高频辐射。一般进口的CNC的抗干扰能力较强。
（三）专用机床的合理应用
1．当曲轴轴颈有沉割槽时，数控内铣机床不能加工；如果曲轴轴颈轴向有沉割槽时，数控高速外铣机床和数控内铣机床均不能加工，但数控车-车拉机床能很方便地加工。
2．当平衡块侧面需要加工时，数控内铣机床应当为首选机床，因为内铣刀盘外圆定位，刚性好，尤其适用于加工大型锻钢曲轴；此时不适合用数控车-车拉机床，因为在曲轴的平衡块侧面需要加工的情况下，采用数控车-车拉机床加工，平衡块侧面是断续切削，且曲轴转速又很高，在这种工况下，崩刀现象比较严重。
3．当曲轴的轴颈无沉割槽，且平衡块侧面不需加工时，原则上几种机床都能加工。当加工轿车曲轴时，主轴颈采用数控车-车拉机床，连杆颈采用数控高速外铣机床则应成为最佳高效加工选择；当加工大型锻钢曲轴时，则主轴颈和连杆颈均采用数控内铣机床比较合理。
曲轴可以分为体形较大的锻钢曲轴和轻量化的轿车曲轴，锻钢曲轴轴颈一般无沉割槽，且侧面需要加工，余量较大；轿车曲轴一般轴颈有沉割槽，且侧面不需要加工。因此可以得出结论：加工锻钢曲轴采用数控内铣机床，加工轿车曲轴主轴颈采用数控车-车拉机床，连杆颈采用数控高速外铣机床是比较合理的高效加工选择。
参考文献：
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[3]李崇坚.交流电机变频调速控制系统的探讨[J].电力电子.2004（01）
论文作者:尹学进
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
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