摘 要 ：针对磨床改造中多种主轴电机参数分散、以及外部加联锁控制等特殊要求，设计了采用单台专用高频变频器驱动多主轴电机的方案，成功解决了宽电压、多参数配置问题，经过实践，达到了很好使用效果。
英文摘 要 ：Aiming at parameter decentralization of more principal axis motor among rebuilding grinder machine and special requirements of adding external linkage, the author design a kind of project adopting special high voltage inverter to drive more principal axis motor. The project successfully solves the problems of wide voltage power supply, more parameter configuration. By practice, the design obtain better effect.
关键词： 高频变频器 主轴电机 宽电压
1 引言
随着变频技术的发展，其应用领域与应用需求也越来越多样化。某瑞士产VOUMARD203N3X3Y内圆磨床由于电控设备损坏, 导致机床不能正常运行, 考虑到该机床为进口产品，年代长，无法自行修复，且维修费用和购买费用都很高，故厂家决定将其进行改造。VOUMARD203N3X3Y内圆磨床磨头电主轴共有五种类型，参数各不相同，要求采用一台专用变频器及相应的控制部件完成系统的电气控制，实现主轴的调速。本文通过分析设备中五种磨头主轴电机的特性，提出并分析了两种解决方案，选择了其中一种性价比较好的方案，取得了较好的使用效果。
2 驱动要求及方案对照
2.1 驱动要求及难点
(1) 磨床主轴电机参数
厂家提供的磨床主轴电机参数如下:
l 1号磨头工作频率933Hz，最高转速28000r/min，功率2.3kW 448V 4.5A;
l 2号磨头工作频率900Hz，最高转速18000r/min，功率3kW 432V 6.6A;
l 3号磨头工作频率966Hz，最高转速58000r/min，功率1kW 465V 1.75A;
l 4号磨头工作频率1250Hz, 最高转速75000r/min，功率1.3kW 191V 9A;
l 5号磨头工作频率2000Hz，最高转速105000r/min, 功率0.53kW 306V 2A。
(2) 驱动要求
l 一台变频器对5个主轴电机均可单独控制，在整个频率范围内变频器均能正常工作;
l 要求在更换电主轴后，变频器的参数和相应的电主轴参数自动相匹配;
l 变频器和磨床主轴冷却、润滑系统有联锁保护功能;
l 变频器具备减速停车功能。
(3) 技术难点
根据加工工艺和电机性能的要求可知，实现该控制存在以下几个难点:
l 调频范围宽
变频器调频范围在0～2000Hz的宽频率范围内，目前，许多生产厂家无该类型产品;
l 两种电压供电
同一台变频器提供两种电压范围460V和306V, 这样对供电电源提出较高要求;
l 参数匹配
参数、工作状态与当前选择的磨头相匹配。
2.2 方案对照
经过对厂家提出的要求进行仔细分析，提出如下两种方案:
(1) 方案1:输入变压器+变频器+输出电抗器方案
由于磨头电压有460V和300V两种电压等级，设计工频输入变压器，原边380V供电，副边两个绕组，分别为(U1,V1,W1) 460V, (U2,V2,W2) 306V, 中间采用接触器进行逻辑控制，按照不同磨头选择相应供电电压;变频器选用西安春日电气公司KVFG-H高频系列产品，频率调节范围0~2500Hz，对其进行专用化改造;输出侧加电源滤波器，以减小输出谐波对主轴电机的冲击;具体原理框图如1所示。
图1 方案1原理框图
方案1优点在于充分利用变频器宽工作电压范围的特点，采用不同工作电源，使单台变频器满足五种不同磨头的电机。缺点是变频器内部相应的电压、电流检测及定标改动较大。
(2) 方案2:变频器+输出高频变压器方案根据磨头电压460V和306V两种等级，设计输出变压器，原边由高频变频器输出0~380V供电，副边两个绕组，分别输出对应 (U1,V1,W1)0～460V, (U2,V2,W2)0～306V电压。
采用接触器进行逻辑控制，按照不同磨头选择相应供电电压;变频器仍选用西安春日电气公司KVFG-H高频系列产品，频率调节范围0～2500Hz，对其进行专用化改造;具体原理框图如2所示。
图2 方案2原理框图
方案2优点在于变频器工作电压保持380V不变，程序该动小，设计高频变压器满足两种电压等级，使单台变频器满足五种不同磨头电机。缺点是在0～2500Hz工作PWM波输入高频变压器难以加工。
3 参数选型设计
通过对驱动要求进行分析对照，决定采用方案1，并进行了系统设计，关键部件选型设计如下:
(1) 变压器选型设计
变压器原边输入电源为50Hz，380V三相交流，副边输出为双绕组，一组为465V,另一组为306V,容量根据磨头电机中最大功率3kW并考虑一定余量，选用8kVA。
(2) 专用变频器选型设计
变频器作为该控制设备中的核心部件，其性能直接关系到该方案能否实现。本设计选用西安春日电气有限公司KVFG-H475E变频器,变频器采用电压空间矢量脉宽调制变频调速技术、同步调制方式，调频范围0～2500Hz，开关频率达到18kHz(其参数为:Vin=3AC(300～460)V，Vout=3AC(0～4600)V，Pw=7.5kW，Ie=17A)。
根据厂家提出的要求，通过修改变频器外部端子X1功能，实现了系统冷却、润滑准备就绪输入信号接口功能;修改外部端子EMS功能，实现了系统冷却、润滑故障报警功能;修改外部端子OUT1,OUT2功能,实现了磨头选择切换;作为变频器核心技术的V/F曲线设置，根据磨头电机特性的不同，设置了五组功能码选项，用以选择匹配的V/F工作曲线。图3给出了一组部分V/F曲线示意图。
图3 V/F曲线示意图
(3) 输出滤波电抗器的选型
由于变频器输出的电压为PWM波, 含有谐波成分, 同时, 开关元器件工作时产生的dv/dt会对主轴电机的绝缘特性及正常工作带来很大的危害。因此本系统选用:25A、0.015mH、0~2500Hz输出电抗器进行滤波。
4 结束语
本文针对进口磨床改造中，采用单台特种变频器实现对五种磨头的综合控制，采用变压器加变频器输入宽电压工作范围的方案，解决了单台机型两种供电电压问题;同时通过程序软件实现了个性化磨头V/F特性曲线的设置，以及外部各种系统联锁控制。该方案在实践中已取得很好的使用效果
参考资料：http://www.21ca.cn/cdbbs/2007-6/7/937442742.html
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