1. 引言
由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，伴隨著新的控制理論的提出與完善，使交流調(diào)速傳動，尤其是性能優(yōu)異的變頻調(diào)速傳動得到飛速的發(fā)展。近年來，變頻器的售價不斷下降，而其使用功能卻不斷提升和擴大，它現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于從一些數(shù)百瓦級的家用器械直到一些數(shù)千千瓦級的大型工業(yè)傳動裝置的驅(qū)動。交流變頻調(diào)速已從最初的只能用于風(fēng)機、水泵的調(diào)速過渡到應(yīng)用于各類要求高精度、快響應(yīng)的高性能調(diào)速指標(biāo)的工業(yè)現(xiàn)場。

交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，為交流異步電動機驅(qū)動的通用機械產(chǎn)品大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。它具有和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的高性能調(diào)速指標(biāo)，它可以采用結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動機進行調(diào)速，并且變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率比傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)要高，其外圍控制線路簡單，維護工作量小，保護監(jiān)測功能完善，運行可靠性較傳統(tǒng)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高。
目前，高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已完全可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，而且可以在直流電機無法應(yīng)用的場合使用。直流調(diào)速傳動一統(tǒng)天下的舊格局已被打破，用交流調(diào)速傳動取代直流調(diào)速傳動已成為可能。所以，交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于通用機械產(chǎn)品是今后通用機械產(chǎn)品調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。

2. 圓鋸機電氣傳動采用變頻調(diào)速的必要性
我廠用于道岔產(chǎn)品鋸切下料的G607圓鋸機，在PD3等淬火軌大量下料的情況下，已暴露出加工效率低、刀具成本高的缺點。設(shè)備技改部門對圓盤踞進行了成功改造，在鋸盤上安裝了硬質(zhì)合金片銑刀。
改造后的圓鋸機要求鋸盤電機和進料滾道電機都要無級調(diào)速，以適應(yīng)硬質(zhì)合金刀具和調(diào)整鋸口的要求。
近年來，交流變頻調(diào)速傳動的發(fā)展日新月異，它的優(yōu)異的調(diào)速性能已能取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)。而且，隨著電子元器件的發(fā)展，變頻器的價格不斷降低，經(jīng)濟性價比,不斷上升，也給它的應(yīng)用提供了日益廣闊的市場。我們詳細(xì)分析比較了直流調(diào)速系統(tǒng)與交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點，采用變頻器改造原電氣傳動系統(tǒng)，可帶來以下好處：

2.1 簡化控制線路
變頻器的使用極為方便，可通過其外圍的少數(shù)幾個控制端子進行全范圍控制。變頻器內(nèi)部有完善的保護措施，無須在其外圍線路中設(shè)計各種保護電路。由于變頻器的正反向運行是通過控制端子來改變逆變器的輸出相位來實現(xiàn)，因此可以比傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)少兩個大型直流接觸器。采用具有無速度傳感器的矢量控制變頻器后，還可以去掉用作轉(zhuǎn)速反饋的速度傳感器，使控制線路大為簡化。

2.2 節(jié)省投資，可以采用標(biāo)準(zhǔn)籠型異步電機
采用籠型異步電機變頻調(diào)速，可以利用圓鋸機原有的異步電機，從而節(jié)省投資。而且，充分發(fā)揮它堅固耐用、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉的優(yōu)勢，避免直流電機定期更換、維護電刷和換向器的麻煩。

2.3 調(diào)試方便
變頻器的各種運行參數(shù)調(diào)試通過智能化鍵盤和顯示器來完成，設(shè)置方便，更改靈活，調(diào)試時間短。傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試涉及到觸發(fā)脈沖相位調(diào)整，放大板PI整定，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)試等多項參數(shù)的綜合統(tǒng)調(diào)，調(diào)試難度大，時間長，且不易達(dá)到最優(yōu)控制。

3. 變頻器的選擇
變頻器的正確選用對于機械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運行是至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要按照機械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動轉(zhuǎn)矩的要求，然后決定選用何種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是在滿足機械設(shè)備的實際工藝生產(chǎn)要求和使用場合的前提下，實現(xiàn)變頻器應(yīng)用的最佳性價比。

3.1 機械設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性
人們在實踐中常將生產(chǎn)機械根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的不同，分為三大類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和流體類負(fù)載。

3.1.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載
在這類負(fù)載中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本恒定，負(fù)載功率則隨著負(fù)載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設(shè)備的進給機構(gòu)等摩擦類負(fù)載以及起重機、提升機、電梯等重力負(fù)載，都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
變頻器拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載時，低速時的輸出轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。如果需要在低速下長時穩(wěn)速運行，應(yīng)該考慮標(biāo)準(zhǔn)籠型異步電動機的散熱能力，避免電動機溫升過高。

3.1.2恒功率負(fù)載
這類負(fù)載的特點是需求轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n大體成反比，但其乘積即功率卻近似保持不變。金屬切削機床的主軸和軋機、造紙機、薄膜生產(chǎn)線中的卷取機、開卷機等，都屬于恒功率負(fù)載。
負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時，受機械強度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負(fù)載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對傳動方案的選擇有很大的影響。電動機在恒磁通調(diào)速時，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)速時，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。如果電動機的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速的范圍與負(fù)載的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率范圍相一致時，即所謂“匹配”的情況下，電動機的容量和變頻器的容量均最小。

3.1.3流體類負(fù)載
這類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。各種風(fēng)機、水泵和油泵，都屬于典型的流體類負(fù)載。
流體類負(fù)載通過變頻器調(diào)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度節(jié)約電能。由于流體類負(fù)載在高速時的需求功率增長過快，與負(fù)載轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以不應(yīng)使這類負(fù)載超工頻運行。

3.2變頻器的控制方式
現(xiàn)在市場上出售的變頻器種類繁多，功能也日益強大，變頻器的性能也越來越成為調(diào)速性能優(yōu)劣的決定因素，除了變頻器本身制造工藝的“先天”條件外，對變頻器采用什么樣的控制方式也是非常重要的。下表綜述了近年來各種變頻器控制方式的性能特點。

綜上所述，異步電動機變頻控制選用不同的控制方法，就可得到不同性能特點的調(diào)速特性。
同時，調(diào)頻控制根據(jù)不同的控制方法，就可得到不同類型的機械特性。基頻以下恒磁通變頻調(diào)速控制方式，其機械特性屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，它適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩總保持恒定或基本恒定，負(fù)載功率則隨著負(fù)載速度的增高而線形增加的應(yīng)用場合，例如傳送帶、攪拌機、擠壓機和機械設(shè)備的進給機構(gòu)等摩擦類負(fù)載以及起重機、提升機、電梯等重力負(fù)載等�；�頻以上弱磁變頻調(diào)速控制方式，其機械特性屬于恒功率調(diào)速方式，適用于負(fù)載隨轉(zhuǎn)速升高而減小的應(yīng)用場合，例如機床主軸的傳動、卷揚機等。

3.3 根據(jù)負(fù)載特性選取適當(dāng)控制方式的變頻器
我們這次電氣傳動改造的對象是圓鋸機的鋸盤和滾道，鋸盤傳動屬于恒功率負(fù)載，而滾道傳動屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。道岔加工工藝對電氣傳動調(diào)速的要求是：調(diào)速范圍D≥30，要達(dá)到30:1的調(diào)速比就必須選用帶有矢量控制功能的高性能變頻器。
異步電機的矢量控制就是象它勵直流電機控制一樣，將電機定子的輸入電流分解成產(chǎn)生磁通的電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量，分別進行獨立瞬時的控制，同時將二者合成后的定子電流供給電機。原理上，因為以矢量控制決定變頻器的輸出頻率，所以需要檢測電機的轉(zhuǎn)速，這是轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)。隨著控制理論的發(fā)展和數(shù)字信號處理器（DSP）的應(yīng)用，不用速度傳感器“只用異步電機三根線控制”即無速度傳感器矢量控制也實現(xiàn)了實用化。目前，市場上出售的無速度傳感器矢量控制變頻器的調(diào)速范圍可達(dá)到100：1。無速度傳感器矢量控制是通過轉(zhuǎn)矩電流的變化量的積分運算來推算電機的轉(zhuǎn)速，勢必會帶來推算的誤差。如果要求進一步提高調(diào)速范圍和精度，就要選用帶速度傳感器的矢量控制。目前，市場上出售的帶速度傳感器矢量控制變頻器的調(diào)速范圍可達(dá)1000：1。
普通籠型電機安裝速度傳感器不但增加工藝難度，而且加大了技改成本。由于無速度傳感器矢量控制變頻器的主要技術(shù)指標(biāo)已能滿足原機床的設(shè)計要求，所以我們選擇了富士FRENIC5000G11S型低噪音、高性能、多功能變頻器，它的幾項主要技術(shù)指標(biāo)如下：
① 調(diào)速范圍
無速度傳感器矢量控制100：1
② 啟動力矩
0.5HZ時200%額定轉(zhuǎn)矩（動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制）
③ 頻率精度
最高輸出頻率的±0.2%以下
由于圓鋸機的鋸盤傳動屬于單臺電機傳動的恒功率負(fù)載，而滾道傳動則屬于多臺電機傳動的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，且兩者不同時運行，因此
圓鋸機變頻調(diào)速系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動多臺電動機的通用U/f開環(huán)頻率控制方式，鋸盤電機和滾道電機通過變頻器輸出側(cè)的接觸器KM1、KM2的切換來實現(xiàn)，如圖1所示。由于在變頻器“一拖多” 通用U/f開環(huán)頻率控制方式中，變頻器提供的電子熱繼電器保護功能無法實現(xiàn)對單臺電動機的過載保護，為此在每臺電動機回路中串入帶有熱過載保護功能的低壓斷路器，以實現(xiàn)對單臺電動機的過載保護，電動機故障信號取自低壓斷路器的輔助觸點。

　　由于G11S變頻器提供第1電機和第2電機切換功能，且第2電機也有類似第1電機的功能參數(shù)設(shè)置選項，因此我們利用該功能將鋸盤電機設(shè)置為第1電機（動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制模式），滾道電機設(shè)置為第2電機（開環(huán)U/f控制模式）。

4 變頻器及其周邊設(shè)備的容量計算
4.1 變頻器容量計算
在變頻器容量計算之前，要確定拖動負(fù)載的電動機容量。由于有原交流電機作依據(jù)，我們不必進行詳細(xì)的轉(zhuǎn)矩計算。由于鋸盤傳動電機容量（15KW）大于滾道傳動電機總?cè)萘浚?.5KW），所以變頻器容量的計算以鋸盤電機為依據(jù)。
原鋸盤傳動交流電機參數(shù)為：型號，Y160M-4；功率，Pn=11KW；轉(zhuǎn)速，ne=1460rpm；額定電流，In=22.6A。
變頻器連續(xù)運行的場合，其額定輸出電流：
I1nv≥1.1Imax （1）
上式中I1nv為變頻器額定輸出電流，Imax為電動機實際最大電流。
根據(jù)我們現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)，鋸盤傳動電機的最大負(fù)載電流Imax≈26A，代入上式（1）則有：I1nv≥1.1×26=28.6A，即變頻器的額定輸出電流必須大于28.6A。查富士FRN-G11S變頻器手冊，選擇FRN15G11S-4CX型，它的額定輸出電流為30A，滿足式（1）的要求。

4.2 再生能量的處理
由于圓鋸機鋸盤直徑為710mm，屬于大慣量負(fù)荷。當(dāng)采用變頻器傳動的鋸盤電機急減速時，異步電動機將處于再生發(fā)電狀態(tài)。變頻器逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構(gòu)的機械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)中間直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器將過電壓跳閘。
在高性能的工程型變頻器中，對連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。① 在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動力制動；② 采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱為回饋制動。動力制動方式控制簡單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動。回饋制動方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長時制動，但控制復(fù)雜、成本較高。
考慮到節(jié)省技改投資、提高設(shè)備的可維修性和可靠性，我們采用動力制動方式。關(guān)于各機構(gòu)采用動力制動方式后的元器件選用和計算,可參閱參考文獻(xiàn)1，限于篇幅，此不贅述。
按照制動單元和制動電阻選型、計算公式進行換算，變頻器FRN15G11S-4CX配用1臺富士公司的BU3-220-4型制動單元和1臺DB15-4型制動電阻，其技術(shù)參數(shù)：最大制動轉(zhuǎn)矩150%，100%制動轉(zhuǎn)矩連續(xù)制動10秒，PBR=7.5KW， PRcont=0.375KW（100秒鐘工作周期）。

4.3 變頻器輸出側(cè)的配置禁忌
圓鋸機的鋸盤電機和滾道電機通過變頻器輸出側(cè)的接觸器KM1、KM2的切換來實現(xiàn)，如圖1所示。如果在變頻器正常輸出時切換輸出側(cè)的接觸器，將會在接觸器觸點斷開的瞬間產(chǎn)生很高的過電壓而極易損壞變頻器中的電子器件。因此，切換變頻器輸出側(cè)的接觸器一定要等到所控制的電機完全停止以后，才能完全切換。由于G11S變頻器提供第2電機切換輸出信號，我們利用變頻器的Y5輸出繼電器來完成M1/M2的零電壓完全切換。

5 變頻器的安裝和接線
5.1 變頻器的安裝
變頻器要求的安裝環(huán)境溫度為-10℃至50℃�？刂乒駜�(nèi)的發(fā)熱元器件有變壓器、接觸器、變頻器及其制動電阻等，為了降低這些大發(fā)熱量器件而致的柜內(nèi)溫升，可采用兩種方法。一是加大控制柜的尺寸，二是增加柜內(nèi)的換器風(fēng)量。方法一勢必造成控制柜體笨重，增加金屬用料，不經(jīng)濟；方法二只增加一臺成本較低的換氣風(fēng)扇，較為經(jīng)濟。變頻器在控制柜內(nèi)安裝時， 應(yīng)盡量靠近柜內(nèi)頂部的換氣扇，讓從柜下部進入的冷空氣全部通過熱源部分。
變頻器周圍控制回路的接觸器，繼電器的線圈、觸點在開閉時，會因電流急劇變化而產(chǎn)生很強的電磁干擾，有時會使變頻器的控制回路受到電磁干擾的影響而產(chǎn)生誤動作，需要在這種干擾源的線圈、觸點兩端加裝浪涌吸收電路。
變頻器安裝于高濕度的場所，常發(fā)生絕緣劣化和金屬部分腐蝕。如果受場所限制，不得已用于高濕度場所，必須加裝除濕裝置，防止變頻器停止工作時的結(jié)露。
在有振動的場所安裝時，在振源側(cè)需采取減少振動的措施，而在變頻器側(cè)加裝隔振器或防振橡膠。

5.2 變頻器的配線
5.2.1變頻器主回路
變頻器無速度傳感器矢量控制運行要用電機的定子電阻，而數(shù)據(jù)的獲得是由變頻器的參數(shù)自檢測程序來完成的。如果按常規(guī)的導(dǎo)線發(fā)熱校驗選擇電機的配線，必然在長距離供電時，把線路電阻加入到了參數(shù)自檢測出的定子電阻數(shù)據(jù)中，引起變頻器的控制精度下降，達(dá)不到設(shè)計要求。所以，變頻器輸出回路的導(dǎo)線應(yīng)在常規(guī)發(fā)熱校驗的基礎(chǔ)上再加大1-2級截面等級。

5.2.2控制回路
變頻器的控制信號為微弱的電壓、電流信號，所以與主回路不同，對于變頻器的輸出回路是強電磁干擾源，因此，變頻器控制回路的配線不能與變頻器主回路配線在同一根鐵管或同一配線槽內(nèi)敷設(shè)。為了進一步提高抗干擾效果，還應(yīng)采用1.0mm2絕緣屏蔽導(dǎo)線。絕緣屏蔽導(dǎo)線的接地應(yīng)在變頻器側(cè)進行單點接地，使用專用的接地端子，不與其它的接地端子共用。電磁感應(yīng)干擾的大小與電線的長度成比例，所以要盡可能地以最短的線路敷設(shè)。

6 系統(tǒng)調(diào)試

6.1 通電前的變頻器外圍接線檢查
在變頻器外圍接線檢查中應(yīng)注意以下幾個方面：
①電源線應(yīng)與R、S、T端子連接，絕對不能連至U、V、W端子上。
②端子之間，外露導(dǎo)電部分有無短路、接地現(xiàn)象。
③接地端子必須良好接地。
④端子、連接器的螺釘是否緊固。
⑤電機是否與機械裝置安全脫離。

6.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)功能參數(shù)設(shè)置
變頻器在出廠時，所有的功能碼都已設(shè)置了。但是，圓鋸機變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求與工廠設(shè)定值不盡相同，所以，一些重要的功能參數(shù)需要重新設(shè)定。

6.2.1 鋸盤電機M1的功能參數(shù)設(shè)置
①加速時間1（功能碼F07）：3s；
②減速時間1（功能碼F08）：3s；
③電子熱繼電器1的OL設(shè)定值（功能碼F11）：23A；
④轉(zhuǎn)矩矢量控制1（功能碼F42）：1；
⑤M1參數(shù)——極數(shù)（功能碼P01）：4；容量（功能碼P02）：11KW；額定電流（功能碼P03）：22.6A；空載電流（功能碼P06）：4.2A；在上述參數(shù)設(shè)定完后，將功能碼P04（電機參數(shù)自整定）設(shè)定為1，等大約5秒鐘，變頻器會自動測試鋸盤電機內(nèi)部數(shù)據(jù)并保存。如果在測試中發(fā)生異常報警，請參閱變頻器用戶手冊予以解決。

6.2.2 滾道電機M2的功能參數(shù)設(shè)置
①最高輸出頻率2（功能碼A01）：50Hz；
②轉(zhuǎn)矩提升2（功能碼A05）：4.0；
③電子熱繼電器2的OL設(shè)定值（功能碼A07）：19A；
④加速時間2（功能碼E10）：1s；
⑤減速時間2（功能碼E11）：1s；

6.2.3 公用功能參數(shù)設(shè)置
①X1端子功能選擇（功能碼E01）：9；外部報警，X1端子串入變頻器外圍的制動單元和制動電阻的熱敏開關(guān)，當(dāng)它們發(fā)生故障時變頻器立即報警停止；
②X3、X4端子功能選擇（功能碼E03、E04）：分別為4和5；第1/第2加減速時間選擇；
③X2端子功能選擇（功能碼E02）：12；電機2/電機1選擇；
④ 頻率設(shè)定1（功能碼F01）：1；
⑤運行操作（功能碼F02）：1；

6.3 加、減速時間的設(shè)定
加減速時間可用計算的方法求得，如果實際計算有困難時，可采用以下方法。先將加減速時間設(shè)定成較大值，關(guān)掉失速電平功能，再逐次減小加減速時間設(shè)定值，以變頻器不發(fā)生報警時的設(shè)定值為最佳。即便是根據(jù)計算求得的設(shè)定值，也要利用變頻器的報警功能進行最終確認(rèn)。變頻器加減速時間設(shè)定完后，失速電平功能要恢復(fù)成ON狀態(tài)。

6.4 試運行
變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能參數(shù)設(shè)定完后，就可進行系統(tǒng)試運行。先用操作盤上的速度給定電位器設(shè)定大約5HZ的低頻，按下正反轉(zhuǎn)按鈕，讓鋸盤傳動電機空載運轉(zhuǎn)幾分鐘。注意觀察電機的運轉(zhuǎn)方向是否正確，轉(zhuǎn)速是否平穩(wěn)，溫升是否正常，加減速是否平滑等。再繼續(xù)在10、20、35、50HZ等頻率點試運行。如果試運行正常，變頻調(diào)速系統(tǒng)就可投入正式運行。

7 結(jié)束語
本文詳細(xì)分析了變頻器的控制特性，提出了變頻器無速度傳感器矢量控制模式和開環(huán)U/f控制模式在圓鋸機交流變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中的可行性，給出了變頻器及其周邊設(shè)備的選型計算公式。經(jīng)過一年多的實際運行證明，本文推薦的圓鋸機變頻調(diào)速系統(tǒng)，不但線路大為簡化，而且各項調(diào)速性能達(dá)到設(shè)計要求，再加上變頻器完善的故障診斷和顯示功能，使整個調(diào)速系統(tǒng)的可靠性、可維修性得到大幅度提高。