交流變頻調速系統(tǒng)在機床上的應用

　　一、前言

　　本文通過動態(tài)仿真的理論分析，對提高機床的競爭能力提供理論依據(jù)，并對交流變頻調速系統(tǒng)的設計優(yōu)化提供一些借鑒。

　　二、變頻調速技術的優(yōu)勢

　?。ㄒ唬┕?jié)約電能

　　在我們的日常生產(chǎn)過程中風機和電泵有著極其廣泛的應用，在風機和電泵運行的過程中需要消耗大量的電能，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。為了減少能源的消耗，經(jīng)常會用到擋板和閥門對流量進行調節(jié)，在調節(jié)的過程中無形的浪費了大量的資源。通過變頻技術能對風機和水泵的流量進行有效的調節(jié)，減少了能源的浪費。

　　（二）提高生產(chǎn)率

　　變頻技術的應用能根據(jù)設備的負載情況選擇出最佳的轉速，保證設備的穩(wěn)定運行，這樣就能保證設備在運行過程中的精度，提高生產(chǎn)效率。同時，還能憑借低速提高停車的精度，減少生產(chǎn)的間歇，也為提高生產(chǎn)效率奠定了基礎。

　?。ㄈ┨岣弋a(chǎn)品質量

　　產(chǎn)品機械加工的過程中，設備的穩(wěn)定運行是提高產(chǎn)品質量的關鍵因素，通過變頻技術的應用，對機械設備的穩(wěn)定運行提供了條件，這樣就能提高生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的精度。

　　三、變頻電機調速系統(tǒng)原理

　　變頻電機中的電路是由濾波電路、整流電路、逆變電路和制動電路四個部分組成的，輸出的波形大多以脈沖方波為主，脈沖方波中高次諧波成分比較多。在正常的供電工程中，頻率和電壓按照一定的比例關系進行變化，這樣就不能實現(xiàn)電壓和頻率的同時調整，作為電源使用存在著一定的弊端。

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　　使用三相不可控橋式整流電路是整流電路經(jīng)常采用的一種手段，三相不可控由VD1-VD6組成，通過變壓設備將交流電轉變成直流電，由三相轉化成為兩相。

　?。ǘV波電路

　　整流后的電壓含有大量的高次諧波，需要采用濾波電路進行處理。濾波電容除了濾除高次諧波外，還起到消除整流電路與逆變電路之間的耦合，消除干擾，提高功率因數(shù)的作用。

　　（三）制動電路

　　電機在減速時，轉子的轉速將可能超過此時的同步轉速而處于再生制動（發(fā)電）狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能將反饋到直流電路中使直流母線濾波電容兩端產(chǎn)生泵升電壓，使變頻器產(chǎn)生過壓，甚至可能損壞變頻器。

　　（四）逆變電路：逆變管V1-V6組成三相橋式整流電路將直流電逆變成頻率和幅值都可調的交流電。逆變模塊的IGBT開關控制信號常采用脈寬調制技術（Pulse Width Modulation-PWM）實現(xiàn)。逆變調速系統(tǒng)具有兩種控制方式：開環(huán)控制和閉環(huán)反饋控制。

　　四、SPWM變頻調速系統(tǒng)的仿真

　?。ㄒ唬㏒PWM變頻調速系統(tǒng)模型

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　　系統(tǒng)模型建立完成后，可以用SIMULINK提供的仿真功能進行仿真運行。

　?。?）轉矩與轉速波形。電動機負載轉矩設為11.9N?m不變，轉子加速，隨著轉速的上升，轉子電流逐漸減小，轉矩也隨之下降，最后電動機輸出轉矩與負載轉矩再次達到平衡。這時轉矩不再上升，穩(wěn)定在大約1750r/min。由于系統(tǒng)采用變頻器對電動機供電，SPWM是脈動的電壓信號，并不是正弦波。因此輸出的轉矩波形也是脈動的。在啟動時，由于轉速尚未建立，過渡過程中轉矩的脈動非常大。另外，由于電動機慣性的作用，因此轉速波形沒有出現(xiàn)脈動，轉速波形是平滑的。

　?。?）轉子和定子輸出波形。在電機啟動的過程中，隨著負載的加入，電流波形就會隨之發(fā)生擾動，隨著轉動的進行，負載和轉矩逐漸會達到一個平衡的狀態(tài)，起步階段，隨著負載的增加，變頻發(fā)生變化是產(chǎn)生脈動的主要原因。

　　五、變頻調速技術的發(fā)展趨勢

　　（一）實現(xiàn)高水平的控制

　　通過變頻技術在機床上的應用，通過對電動機和相關設計模型的控制能在一定程度上提高設備運行參數(shù)。變頻控制技術主要通過磁場控制、矢量控制、機械扭振補償、直接傳矩控制等方式，實現(xiàn)機床的有效控制?，F(xiàn)代理論有滑模變結構技術、采用微分幾何理論的非線性解禍、模型參考自適應技術、魯棒觀察器等控制技術。智能控制是當前比較先進的控制技術，通過神經(jīng)元網(wǎng)絡、模糊控制、專家控制系統(tǒng)來實現(xiàn)機床的自動控制，提高機床的工作效率和精度，實現(xiàn)高水平控制。

　　（二）開發(fā)清潔電能的變流器

　　清潔電能轉化器是當前研究的一個方向，通過轉化器實現(xiàn)電能的穩(wěn)定轉化，降低在轉化過程中對電網(wǎng)造成的損害。所謂的清潔電能轉化器最主要的目的就是將變頻因數(shù)調整為1，盡可能低的出現(xiàn)諧波分量，避免在負載側和網(wǎng)側出現(xiàn)，這樣就能實現(xiàn)電能的穩(wěn)定轉化。通過穩(wěn)定轉化能降低轉矩脈動的產(chǎn)生，這樣能有效的延長電機的運行壽命，提高運行過程中的安全性。對于小容量的變頻可以改變開關頻率實現(xiàn)，大容量變頻可以通過電路的結構改變實現(xiàn)變頻。

　　六、結束語

　　隨著技術水平的不斷發(fā)展和進步，變頻技術在機床上的應用會更加的廣泛，為提高機床運行精度和效率奠定了基礎，變頻調速系統(tǒng)在我國將有非常巨大的市場需求，也一定會具有更加廣闊的發(fā)展空間。