变频器在2654镗床大修改造上的应用

变频器在2654镗床大修改造上的应用
摘要：通过对2654镗床的改造，解决了此设备变速复杂，经常出现卡齿的故障；并且介绍了KSA23直流调速系统、施耐德ATV-71HD15N4交流变频系统及PLC的相关知识关键词：直流调速装置；变频器；变频电机
引言
我公司中兴分厂的2654镗床是20世纪50年代原苏联产品。

该设备原有的直流调速采用交磁放大机组供电进行直流调速。

由于交磁放大机组已经淘汰，没有备件，如果损坏很难修复，而且该调速系统调速原理复杂，不稳定，给维护带来很大困难。

特别是该设备的主轴变速由变速电机带动机械变速机构进行变速，经常造成卡齿现象，故障率非常高。

针对这些原因，经过研究决定对此设备进行机械、电气大修改造。

1 改造方案
2654镗床主轴旋转原来是由普通的14KW交流机驱动，变速采用变速电机带动机械变速机构进行40档变速。

该机床的主轴箱、镗杆、工作台、前支柱四个进给轴各由一台功率为4.4KW、电枢电压220V、激磁电压为110V的直流电机驱动，径向刀架各由一台2.8KW、电枢电压为220V、激磁电压为110V的直流电机驱动，直流调速系统由原来的交磁放
大机组供电进行直流调速。

这台设备的主轴变速卡齿问题是这次改造的难题，经过机械和电气在一起多次研究决定，取消变速电机及其所带的变速机构，机械变速机构进行改造，由原来的40档改为4档，手动搬把进行变速，电气加装四个变速限位，由于档位减少，为了弥补主轴转速的不足，决定主轴电机采用型号为YTSP160L-4 15KW变频调速电机，进行无极调速，主轴调速系统选用施耐德ATV-71HD15N4变频器。

考虑到成本问题，决定五个进给轴共用一台KSA23晶闸管直流调速装置（即V3调速系统）驱动。

用转换开关选择各进给轴，彻底淘汰交磁放大机组。

控制回路采用OMRON 可编程序控制器，PLC的CPU选用CQM1H-CPU21，PLC输入用3块型号为ID212的16点输入卡，共用56个输入点，输出用3块型号为OC222的16点输出卡，共用36个输出点。

取消原继电器控制，重新设计电气原理图。

2 电气原理的设计
首先是主轴旋转系统的原理的设计，主轴变频系统设置送电接触器，给定采用5W10KΩ的电位计，将0-10V电压加到A/1+和A/1-之间，实现从0到额定转速的无极调速。

其次是五个进给轴的直流调速系统的原理的设计，直流调速系统也设置送电接触器，系统准备好信号输入PLC输入回路，使系统在准备好后再接入主电源，在故障状态下，
可快速切断主回路电源。

系统给定也是采用5W10KΩ的电位计将给定加到56和14号端子间实现直流调速。

考虑到原进给轴快速是采用两套激磁绕组切掉一套激磁绕组容易造成直流电机飞车的故障，在此次设计中取消快速切激磁，而是采用最大给定速度作为快速。

该设备的控制回路由原传统的继电器控制改为PLC可编程控制，它具有可靠性高，抗干扰能力强，扩充方便，组合灵活，修改方便，大大减少了配盘的工作量和调试时间。

根据机床的动作要求和工作原理，设计PLC梯形图。

在PLC 设计中主轴旋转只有在机械变速到位以后，将变速限位压合以后，才允许起动，另外，此设备的主轴箱、工作台、回转台都具有夹紧放松功能，在设计PLC程序过程中，只有放松到位限位压合后，才允许开车，夹紧采用过电流继电器，夹紧后过电流继电器动作，切断夹紧电机。

另外在程序中还采用了急停保护，各个轴的限位保护。

3 调试
PLC程序传入将PLC的CPU中之前，先进行外围端口的设定，将CPU单元DIP开关的5和7设为ON，端口设定正确后，与计算机联线，将PLC程序传入CPU中，然后将工作状态切换到监视状态，即可进行在线调试。

梯形图中各单元的通断，都在计算机屏幕上直观显示，在需要时也可强制各单元的通断，以使程序在调试中顺利进行。

程序调试可检测
程序的逻辑关系，机床配线是否正确，以及电气动作是否符合设计要求，当发现程序错误时，可在线修改，也可离线进行修改，修改完成后再传入PLC中。

主轴系统选用的是施耐德ATV-71HD15N4变频器；在电机启动之前必须进行参数的设置：变频器第一次通电时，用户会被自动导入菜单，必须对简单启动子菜单中的参数进行设置：包括2/3线控制设定为2线控制、标准电机频率设定为50HZ、电机额定功率为15KW、电机额定电压380V、电机额定电流29A、电机额定频率50 HZ、电机额定速度1450转/分、最大输出频率60 HZ、加速时间3S、减速时间3S等；参数设定完成后执行自整定功能。

2654镗床的镗杆、主轴箱、工作台、前支柱、径向刀架分别由4.4KW直流电动机拖动，径向刀架由一台2.8KW直流机拖动，现由原交磁放大机调速系统改为KSA23直流调速系统（即V3直流调速系统）。

系统调整时，首先接通同步电源，如果V8灯，说明电源相序错；如果V7灯亮，属于正常状态；这时测量端子26与28为220VAC，端子26与30为220VAC，端子28与30为220VAC，接通主接触器，测量端子26与1U为0VAC， 28与1V为0VAC， 30与1W为0VAC 保证1U、1V、1W与26、28、30同相位，保证右旋相序。

断开主接触器，将调速系统打到电流环即A1板开关S1向左拨动（两个开关一起拨动），接通主电源，缓慢增加给定电压，
直到电机开始转动，测量给定信号电压与测速机信号电压的极性，如果极性相同，断开主电源，将调速系统打到速度环即A1板开关S1向右拨动。

缓慢增加给定电压，观察电机转动情况，加给定电压至50%，缓慢调节电位计R11直到电机转速达到最高转速的50% ，电机停止后，观察有无零漂，阶跃响应能否满足要求，否则进行其他调节器参数，直到满足工作要求。

4 效果
该设备经过机械和电气大修改造后，解决了变速经常卡齿的故障，而且现在变速操作简单方便，动作可靠，故障率极低，各项性能参数都己满足工作需要，各项经给选用的KSA23直流调速系统及主轴选用的施耐德ATV-71HD15N4变频器，具有优良的起动、调速、反转、制动的性能，调速比大，运行稳定，特别是KSA23直流调速系统的调速范围达到了1：10000，完全满足了设备的各种加工需求。

5 结束语
通过对2654镗床进行电气技术改造后，使过去的旧设备焕然一新，其设备的技术性能大大提高，机床的控制精度及加工精度都有了很大的提高。

2654镗床应用了新的科学技术后，使设备更能高效、高精度、高可靠性地工作。

参考文献
[1]施耐德.Altivar 71异步电机变频器编程手册[S].
[2]omron.OMRON可编程序控制器编程手册[S].
[3]KSA23/63系列晶闸管直流调速装置使用说明书[Z].齐齐哈尔大华电气有限公司，2002.
作者简介：黄连杰，工程师。