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。
参考文献
[1] 西安春日. 变频器调速器应用手册
[2] 郭世明,黄念慈. 电力电子技术. 成都:西南交通大学出版社，2002
作者简介
王建渊(1973-) 男 博士研究生 现为西安理工大学讲师，主要研究方向为变频调速及电力电子装置。
