摘要：艾默生TD3000系列变频器在性能上完全符合B2010A型龙门刨床拖动系统的要求。它通过对交流电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。
关键词：艾默生变频器 龙门刨床

一、B2010A龙门刨床工况概述

龙门刨床是机械化自动化程度很高的大型机床。龙门刨床的动力及控制回路比较复杂，尤其是刨床工作台主拖动系统完全依靠电气自动化控制来执行的。B2010A龙门刨床的主拖动采用最初50年代的A-G-M调速系统，即电机扩大机——-直流发电机——-直流电动机组系统。如图一所示。采用机械速比2:1和电气调速范围为10:1的机电联合调速系统。

图1 A-G-M调速系统图

龙门刨床对电力拖动的技术要求——-龙门刨床是频繁往复运动的生产机械，它的工作方式为循环方式。前进行程是切削行程；后退行程是不作切削的，只让工作台驶回为下一步切削作准备。运动示意图如图二所示。实际工作中为了提高劳动生产效率，轻载后退的速度要大于前进切削速度。由于不同的金属材料和不同的加工工艺，必须要求控制系统具备：

＊ 工作台主拖动具有比较宽的调速范围和较硬的机械特性；
＊ 工作台前进切削和后退的过程中运行平稳，不振荡，速度能单独地作无级调整，无须停车；
＊ 运行方向的改变要迅速、平滑、冲击力小、动作反应快；
＊ 在低速范围内切削力基本保持恒定状态，静差度小于3%；
＊ 前进与后退行程的末尾工作台自动减速，反向准确；
＊ 传动效率高，耗电量小；
＊ 控制系统简单，可靠安全，易于维修保养；

如图二中，ab段（约12-15米/分）为刀具慢速切入工件，而后增加到可调速CD段进行前进切削，之后运行到设定行程开始减速为ef段，再经过换向行程控制，工作台由前进减速迅速制动并快速反向运行可调hi速度段后退，再后退至减速换向切换到前进行程。形成一个循环工作周期。

以上简略叙述B2010A直流拖动系统过程，有助于对它的性能特点和工作情况能进步了解。

二、龙门刨床拖动系统的演变

1．原系统存在的主要缺陷

我们知道龙门刨床这种A-G-M调速系统，它具有占地面积大、噪声污染严重、尤其交流电动机拖动发电机浪费电能很严重。从工作情况来看，直流电动机的功率并没有得到充分利用，并且维护保养较困难。目前许多在使用该系统工作的厂家都在想办法解决以上问题。

2．演变

从70年代至目前有极少部分采用晶闸管——-直流电动机机组（V-M调速系统）。该系统低速时损耗大、功率因数低、对电网污染严重，而使用的还是直流电动机，维护保养困难的问题还是没有解决。

3．飞跃

随着科技进步，在电力电子技术和微电子技术方面有了飞速发展，以及矢量控制技术的完善，使得变频调速技术日新月异，并且变频调速发展空间愈加宽广，涉及领域之多，其优越性为众所周知。为此广大科技工作者致力于交流变频调速技术的应用，龙门刨床的拖动方式在向变频调速的方向转移，国外已有很多成功应用的实例。

三、EMERSON变频器应用在B2010A龙门刨床上

1．选型

根据前述龙门刨床直流拖动系统工作要求，对于取代直流拖动并超越直流拖动的交流变频调速来说，选择高性能可靠矢量型的变频器尤其关键。通过查阅有关资料及请教有关资深学者（对此深表感谢），加之深入了解国内外同类变频器，反复比较论证，我们从性价比上选择了美国EMERSON公司出产的高性能矢量控制变频器——-TD3000系列产品。TD3000系列变频器在性能上完全符合B2010A型龙门刨床拖动系统的要求。它通过对交流电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行；而且我们还采用了有速度传感器PG反馈矢量控制方式。根据我们在实际应用中确实感到TD3000矢量控制变频器稳定可靠，对于象龙门刨床这种从安全可靠性要求很高的大型设备，选用该矢量控制型变频器非常合适。TD3000系列变频器是美国EMERSON公司自主开发生产的高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器。具有电机参数自动调谐、零伺服控制、速度控制和转矩控制在线切换、转速跟踪、内置PLC、内置PID控制器、编码器和给定及反馈信号断线监测、掉载保护、内置PG接口、故障信号追忆、28种故障监控、丰富的I/O端子和多达十种的速度设定方式，能满足各类负荷对传动控制的要求。

TD3000系列变频器的优越性能主要体现在：

＊ 有速度传感器矢量控制，调速范围为1：1000，稳态控制精度0.05%；
＊ 低频启动转矩10-100rpm时,200%额定转矩；
＊ 启动预励磁,加快矢量控制快速响应；
＊ 动态转矩响应小于150ms；
＊ 零伺服锁定功能,可以保持零速时150%的转矩输出;
＊ 可靠的转矩限定，防止频繁跳闸；
＊ 功能丰富的对话式操作面板，全系列LCD+LED显示中英文可选；
＊ 参数的上传拷贝和下传复写功能；
＊ 功能强大的后台调试监控软件，可通过内置RS485接口组网监控。

电机、变频系统选型：

1）主拖动：55KW交流变频电机，TD3000-4T0750G变频器；
2）垂直刀架：1.5KW交流电机，TD1000-4T0022G变频器；
3）左刀架：1.5KW交流电机，TD1000-4T0022G变频器；
4）右刀架：1.5KW交流电机，TD1000-4T0022G变频器

5）主拖动制动单元：两台TDB-4C01-0300制动单元，两只10Ω、10KW制动电阻。

2．控制原理

（1） 工作台主拖动用EMERSON TD3000变频器驱动变频调速电机,电机为中科院研制生产。该电机采用AUTOCAD辅助设计，充分考虑了正弦脉宽调制技术和矢量控制变频器的特点，低频时转速平稳，无爬行现象，恒力矩调速范围宽，代替A-G-M系统机组实现无级调速。由于我们针对的山东煤矿莱芜机械厂B2010A型龙门刨床，机械上基本上不动,没有增加铣削功能,如果横梁垂直刀架机械刚性足，可以在机械上改造,配刨、铣变速箱来实现铣削功能。通过调试实现了机械刨削速度范围3-80米/分，无级调速；速度还可降至1米/分左右，进行磨削加工。

（2） 工作台换向采用制动单元及制动电阻，制动速度快，从应用来看，TD3000变频器在频繁换向过程中速度降低快，动力制动迅速，由于换向时工作时间短，为抑制泵升电压，采用了制动电阻进行能量释放。

（3） 电气控制系统采用由我们莱芜凤普自控有限公司自行研制的XH-120PLC可编程控制器来实现对主拖动变频器及整个机床的电气控制。优点是控功能强、速度快、易维护、便于改变程序。并且根据工艺情况编制故障，面板显示运行状态、查找故障点简单。

（4） 工作台的减速、换向控制采用龙门刨床高可靠性电子组合开关，无机械磨损、寿命长、无故障工作时间在一万小时以上，全密封、无维修、可防止使用中铁屑引起误动作。

3．龙门刨床简要电气.控制框图 （如图三）

四、EMERSON变频器的特性应用

我们在调试变频器过程中，重点针对工作台频繁换向、快速响应等问题对于变频器参数作了调整，仅举几例加以说明。

1．注意变频器与电机的自调谐过程：在选择矢量控制方式第一次运行前，一定要进行电机的自动调谐工作，以便获得被控电机的准确电气参数。这种过程相当于对负载电动机自动地进行一次"等效电路参数测定实验" ，力求达到精确矢量控制。

2．避免爬行：我们知道由于加工切削量不同、 工件重量不等、行程不一、高速运行等严重恶劣条件造成在运动中工作台惯性大，势必会在减速与反向过程中会向原方向作一定距离的惯性运动。所以认真调整TD3000变频器的有关参数，一定要准确控制加减速时间及制动的投入方式，否则将会出现越位等故障。

3．换向运行的快速响应：应用TD3000变频器在工作台拖动换向上要精心调整转速调节器，使之适应工作要求，当比例增益P和积分时间I参数选取不当时，可能会在系统中产生振荡或产生减速过电压故障。这一点需要根据实际情况来调整。

4．使电机获得更好的起动性能：我们在调试过程中，将电机预励磁功能参数作了调整，起动方式、起动频率、正反转死区、脉冲编码器等参数作了调整，使之具有更好的响应速度。

五、应用情况及效果

根据应用，我们可以得出如下比较：

1．工作方式：

在B2010A改造前，工作时，直流发电机组一直处于运行状态，特别是在工作间隙、测量工件时等，白白消耗大量的空载能量。改造后，龙门刨床只是在工作台运动时才消耗能量，并且在轻载时变频器自动节能。

2．进线电流：

在改造前，大刨切削45号钢坯时，吃刀深度10 mm，进刀量为1 mm，检测进线电流为50A。改造后，同样加工条件下，进线电流仅为15.5A。

3．环境改善：

改造前，发电机组工作时噪音严重，可达80dB。改造后，检测噪音为70dB，大大改善了工作环境，利于操作工人的身心健康。

4．占地面积：

改造前，机组占地面积大，现在改造后仅为原来的10%。

5．机床维修：

改造前，机床维修量大，并且难以修理，特别是励磁发电机不发电故障。改造后，由于变频器控制柜集中，基本上不出大的故障。

6．机床运行：

改造前，由于原B2010A机床年久失修，各处性能大不如最初，换向惯性大。改造后，采用了先进的矢量控制，从性能、稳定性上超过原来，换向惯性小，反向快速响应。

7．节电效益：

测量进线，按有功功率来算，每天二班倒，工作15小时，每月平均生产26天，电费成本在0.7元，全年可节约电费73500.34元，仅此一项一年左右时间即可