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开关磁阻电动机调速系统原理及其在龙门刨床上的应用


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开关磁阻电动机调速系统原理及其 在龙门刨床上的应用
刘栽东
(营口重型机械有限公司,辽宁营口115000) 摘要:介绍了开关磁阻电动机调速系统(SRD)的组成原理及性能特点。以及其在龙fl包lJ床电气控制系统 设计中的实际应用。龙门刨床由于采用开关磁阻电动

机调速系统作为工作台运行的动力源。克服了

以往直流发电机一电动机(F—D)系统、晶闸管直流调速系统等各自存在的问题。尤其在节能方面
效果更加显著。同时结合PLC控制器。可确保龙门刨床系统整体的稳定性,提高运行控制精度以及 工件的加工质量。 关键词:开关磁阻电动机开关磁阻电动机调速系统龙门刨床可编程控制器
The Application of Switched Reluctance Double Housing Planer

Drive(SRD)in

LIU Zaidong

(Yingkou

Heavy Machinery Company。Yingkou 1 1 5000,CHN)

Abstract:This paper presents the principles and performance characteristics of Switched Reluctance

Drive(SRD).
re—

At the same time-it introduces the processing technology of double-housing planer and its special quirements
on

power
can

train.In this paper,for the practical application of Switched Reluctance Motor,
overcome not

the gantry planer

only the shortcomings of power train。but also improve the processing

precision and the quality of workpiece greatly.The application of SRD in double housing planer has very wide prospects of development. Keywords:Switched Reluctance Motor;Switched Reluctance Drive;Gantry planer;PLC Controller

开关磁阻电动机调速系统是上世纪90年代,随着 电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而诞生的一 种新型调速驱动系统,具有结构简单、运行可靠及效率 高等特点,成为电动机调速系统领域中的新成员。经 过近20余年的研究发展,如今在国内已形成一定的行 业生产规模,逐步走向成熟并在机械、机床、石油、冶 金、矿产、家用电器等工业领域广泛应用。 开关磁阻电动机调速系统(SRD),由开关磁阻电 动机(SRM)、开关磁阻电动机控制驱动器组成。控制 驱动器是一种集微处理技术、大功率电力电子技术的 机电一体化产品,并具有优良调速性能、高可靠性、高 效节能等特点。 龙门刨床的电气传动系统,主要包括工作台的主 传动和进给控制两大部分。目前,国内传统旧式龙门 刨床的主传动系统存在有两种:一种是电动机扩大

低等缺点,设备维修麻烦。因而在龙门刨床电气传动 系统中,选用新的技术以提升其整体性能,近年来已成 为机床产品研发、改造及应用的一种趋势。 本文介绍的就是开关磁阻电动机调速系统在 BXM2340—160系列龙门刨床传动系统中应用的实例。 系统设计采用可编程控制器(PLC)技术,使龙门刨床 的电气控制线路变得简单,操作调试更加方便灵活,进 而可提高设备的生产加工效率。


开关磁阻电动机调速系统组成
开关磁阻电动机调速系统(SRD)是较为复杂的机

电一体化装置,它主要包括电动机、功率变换器及控制 驱动器三部分。一般在硬件上,功率变换器和控制驱 动器组装在一个单元内,整体上可为控制驱动器和开 关磁阻电动机两大部分。图1为开关磁阻电动机调速 系统的组成原理框图。整个系统包括给定、输出及反 馈环节,其中由电动机转子(角位置编码器)速度反馈 和绕组电流反馈两大环节构成闭环反馈系统。

机一直流发电机一电动机组系统(F—D系统),另一种 是可控硅一直流电动机调速拖动系统,这两种系统各
自均有自身的不足,存在体积庞大、高耗能、功率因数
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源能量馈入电动机;而当开关管关断时,可将电动机绕 1堡壁堡I
给定—— 角位移l电流 速度信号l信号

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组内的磁场储能通过相应的二极管反馈回电源。其功 率变换电路所用的开关部件,为大功率快速绝缘栅双 极型晶体管(IGBT)。

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图2

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2开关磁阻电动机调速系统特点
(1)电动机结构简单、坚固,成本低,制造工艺简 单,可工作于极高转速;定子线圈嵌入容易;工作可靠, 能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境,维护方便甚 至免维护;节约有色金属材料。 (2)高速恒功率区范围宽、性能好、控制灵活,易 于实现各种特殊要求的转矩一速度特性,电动机控制 系统可应用在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、 牵引电动机、高转速电动机控制领域等。 (3)高效节能,在很宽的调速范围和负载范围内, 系统效率及功率因数高,窄载电流小、损耗低,运行过 程中,无需加装无功补偿装置。 (4)低启动电流,高启动转矩,且转矩波动小,启 动时不存在超过数倍于额定电流的启动电流;启动电 流为额定电流的30%时,启动转矩可达额定转矩的 150%;启动电流小,具有软启动特性,可以避免对电网 的冲击。 (5)可以频繁正、反转,频繁启动、停止,系统调控 性能好,特别适合于蓖载启动和负载变化大并且频繁 的场合,且电动机本身不发热。 (6)四象限控制灵活具有较强的再生制动能力, 非常适合于龙门刨、可逆轧机等场合的应用。 (7)转矩方向与电流方向无关,从而可最大限度 简化功率变换器,降低系统成本。 (8)容错能力强,缺相或过载仍能工作,不会出现 烧毁电动机绕组和控制器现象。控制器主电路不存在 直流贯穿短路问题。 (9)优越的调速性能,调速范围宽,SRM电动机可 以在低速下长期运行,同时高速运行段也不像鼠笼电 动机受到极数的限制,转速可根据需要灵活地设定。 4.I龙门刨床的基本结构 龙门刨床包括床身、工作台、横梁、左右垂直刀架、 左右侧刀架、立柱、龙门顶等。其中工作台的往复运动 称为主传动(运动),横梁移动及各刀架的进给运动称 为辅助运动。 4.2开关磁阻电动机的主要作用 龙门刨的刨削过程是工件与刨刀相对运动,因此 工作台连同工件必须频繁地进行往复运动。在工作台 正向行程中刀架上刀具进行切削加工,工作台返回行 程中刀架抬起、工作台快速空载返回。在正向切削过 程中刀架不进行进给运动,在返回行程中刀架实施进 给运动。其中,工作台带动工件的往复运动称为主运 3.2变换器电路分析 三相交流电经过整流提供一个直流电源,3个电 感分别表示开关磁阻电动机SRM的i相绕组,IGBTA —l—IGBTC-2六个IGBT晶体管为与绕组相连的可控 开关元件,6个二极管为对应相的续流二极管。当第 一相绕组的开关管导通时,电源给第一相励磁,电流的 回路(即励磁阶段)是:电源正极'÷上开关管(IGBTA— 1)一绕组(A1一A2)一下开关管(IGBTA-2)一电源负 极;开关管关断时,由于绕组是一个电感元件,根据电 工理论,电感的电流不允许突变,此时电流的续流同路

(即去磁阶段)是:绕组(Al—A2)一上续流二极管(VA 一2)一电源一下续流二极管(VA-1)一绕组(A1一A2), 电感中的电流方向保持不变(Al—A2),参考图2。
从上面的分析可见,三相交流电能经过整流,在控 制信号的控制下转换成电动机转子的机械能,输出转 矩驱动负载。

4开关磁阻电动机调速系统在龙门刨床中的 应用

3功率变换器原理介绍
3.1电路结构 功率变换器是连接电源和电动机绕组的开关部 件。如图2所示,当开关管导通的时候,可通过它将电

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动,这一功能是由开关磁阻电动机调速系统实现的。 4.3龙f-l包lJ床工作台传动系统的运行特点 龙门刨床的工作台的运行速度曲线,如图3所示。 (2)能根据不同工件自由调节工作速度,而且进 程和返程的速度应该能单独调整控制; (3)起动和制动性能好,快速、平稳地启动和制 动,对电网和机械的冲击小,能很好地实慢速切入,快 速换向等工艺要求; (4)高速切削平稳,静差度小; (5)系统简单,安全可靠,便于维修; (6)噪声低,效率高,可靠性好,节能明显。 4.4开关磁阻电动机控制原理及接线图 4.4.1龙门刨床系统电气组成 下面所介绍的是基于开关磁阻电动机调速系统的 龙门刨电气系统应用实例,其系统框图如图4所示。
缀合开关 挡制按钮 输入 输入 I

高速 低速


低速

高速

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图3

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4.3.1工作台运行性能分析 结合图3曲线,根据加工工艺的要求,龙门刨床工 作台的运行性能指标,应该具有如下几个阶段:

紫鼍蒌挚囊嘉鼻篓 压力输入”猫7父、


工作臼运行 换向接近开关 输入 I

I电动机热过载

l故障报警



输入 J

PLc控制器 输出

(1)0一fl:工作台前进起动阶段; (2)tl一纪:刀具慢速切入阶段; (3)£2一f3:加速至稳定工作速度; (4)£3一珥:稳定工作速度运行阶段; (5)珥一巧:减速退出工件阶段; (6)巧一硒:前进制动换向阶段(转后退);
(7)硒—订:稳定快速返回阶段;

上上上 垂 左 右
直 刀 架 驱 动 侧 n 架 驱 侧 刀 架 驱 横 铣磨 削削 浆 驱驱 升 动动 降 电电 电 动动 动 机机机


L...o 日 ' l 液 压 泵 § 电 0 动 t机 刀 架 掐 刀 控 制


控制疗式输入 I SRD控制器

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图4

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(8)f7一£8:返回后期减速阶段; (9)£8一侈:返回制动换向阶段(转前进)。
龙门刨床对工件的加工过程,就是工件和刨刀的 相对运动过程,即工作台带动工件的往复运动过程。 为了保证加工工件的质量和加工效率,要求在不同的 阶段工作台的运行速度是不一样的。从理论上讲:在 高速加工时,为了减小刀具所承受的冲力和防止工件 边缘崩裂,切削工作开始阶段(tl—t2)要求慢速切入; (f2一£3)为加速到稳定的工作速度阶段;(t4-t5)为了

开关磁阻电动机调速驱动系统采用淄博科汇电气 公司的相关产品,由它作为龙门刨床工作台的动力源; 机床各刀架等辅助进给运动,采用变频器进行控制实 现;机床系统整体控制,采用欧姆龙PLC控制器作为

核心,这样可以大大简化系统设计,控制线路简单,用
户操作、维修及调试极为方便。 4.4.2开关磁阻电动机接线原理 图5是开关磁阻电动机控制接线图,从图中可以 直观看到:三相交流输入电源为控制器提供电能,控制 器与开关磁阻电动机之间有动力电缆和位置反馈电缆 连接;通过操作给定单元,调试人员可以进行人机对话 来设定控制器内部的用户参数值,同时控制器的各种 参数可在单元上显示;通过控制柜面板单元,操作者根 据现场要求,可方便地由模拟电位器调整电动机的正、

防止工件边缘的崩裂,进入刀具减速退出工件阶段缓
速收尾;(撕一刀)为高速返回阶段;(t7-t8)是为了减小 返回阶段反向冲击力过大引起的越位,以及对传动机 构的冲击而设定的一个减速过程。 图3为龙门刨床工作台的运行速度曲线,设有慢 速切入、切出过程,既防止崩坏工件又可提高刀具使用 寿命;高速切削、高速返回以提高设备的加工效率。 4.3.2龙门刨床工作台传动系统要求 根据加工工艺流程的要求,龙门刨床传动系统的 设计,应能满足如下机械性能: (1)无级调速,调速范围宽,系统运行的平滑性 好,动态品质更好;
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反向转速的设定值;通过PLC可编程控制器的逻辑指
令,可以实现电动机的起停、正反向、高低速、连续与点 动等功能;同时PLC可以检测开关磁阻电动机控制器 内部的故障报警输出状态,进行故障保护处理。
4.4.3

PLC接线原理图简介

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研究

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图5

接本机电源
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2011年第1期

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工艺与检测M嗍and嘲
金属切削刀具后刀面的切削热研究
汪世益

满忠伟





(安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山243002) 摘要:在以往的金属切削热研究中,认为刀具后刀面处产生的切削热很小而被忽略。文章应用平面热源 法,建立了刀具后刀面与工件摩擦面的切削热模型。推导了该摩擦面的切削热分配和切削温度理论 计算公式,对影响后刀面切削热的主要因素进行了分析。研究结果表明。当刀具后刀面磨损带宽度 达到一定程度时,则刀具后刀面处产生的切削热不能忽略。 关键词:切削热切削温度刀具后刀面刀具磨损平面热源法

Research on Cutting Heat of The Tool Flank in Metal Cutting WANG Shiyi。MAN Zhongwei,FANG Yong

(College

of Mechanical Engineering。Anhui University of Technology-Ma’anshan

243002,CHN}
small that it

Abstract:During past study of metal cutting heat,the cutting heat of the tool flank was considered
was

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often ignored.The plane heat

source

method is applied in the paper,the cutting heat model of the

friction surface between the tool flank and the workpiece is

built.The

theoretical calculation formula of

cutting heat distribution and cutting temperature of the friction which effect cutting heat is

surface is deduced.The

major

factor

analyzed.The result
zone

shows that the cutting heat of the tool flank should not


been ignored when the width of wearing

reaches

certain degree.

Keywords:Cutting Heat;Cutting Temperature;Tool Flank;Tool Wear;Plane Heat Source Method

切削热和切削温度是金属加工中一个重要的物理 现象,切削热的来源主要有两个方面:一个是刀具前刀 面与切屑、刀具后刀面与工件之间的摩擦所消耗的摩 图6是PLC控制器的部分输入及输出接口电气 接线图,仅供参考。通过上文介绍及电气原理分析,基 于开关磁阻电动机调速系统的龙门刨床系统,可具有 如下优点:(I)简化控制线路;(2)调试运行及维护方 便;(3)节能效果显著。

擦功,这是切削热的主要来源;另一个是切削层金属在 刀具的作用下发生弹性变形和塑性变形所消耗的变形 功。与此相对应,切削热的产生主要在3个平面,即刀 节能效果特别显著,具有广泛的开发应用前景。 参考资料
[I]霍墨,樊晓兵,等.欧姆龙CPIH PIG应用基础与编程实践[M].北 京:机械工业出版社.2008. [2]山东科汇电气.SRDl0系列开关磁阻电动机调速系统用户手册.
V1.I.

5结语
通过开关磁阻电动机调速系统在龙门刨床上的实 际应用,龙门刨床工作台的运行特性得到充分满足。 同时可以看到:采用开关磁阻电动机调速系统与PLC 控制器配合,可以简化龙门刨电气控制系统的结构;与 传统龙门刨系统比较减少了设备的占地面积;设备的 安装调试、操作及维护非常方便;龙门刨工作台调速系 统的动态响应得到提升,可靠性能得以提高;对电网和 机械基本无冲击现象;加工精度普遍提高;更显著的是 同传统龙门刨床系统比较,减少庞大耗能设备的投入,
?

[3]张万忠,刘明芹.电器与PIG控制技术[M].北京:化学工业出版社,
2006.

[4]方大干,等.变频器、软起动器及PIG实用技术问答[M].北京:人民
教育出版社,2007. [5]湘潭电动机制造学校主编.电力拖动自动控制[M].北京:机械工业 出版社,1981.

作者:刘栽东,男,1963年生,电气工程师,先后从 事电气自动化控制设备及系统的设计与研发、设备技 术管理等工作。 (编辑谭弘颖)
文章编号:110126 如果您想发表对本文的看法,清将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 (收稿日期:2010—05—27)

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万方数据

开关磁阻电动机调速系统原理及其在龙门刨床上的应用
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 刘栽东, LIU Zaidong 营口重型机械有限公司,辽宁,营口,115000 制造技术与机床 MANUFACTURING TECHNOLOGY & MACHINE TOOL 2011(1)

参考文献(5条) 1.方大千 变频器、软起动器及PLC实用技术问答 2007 2.张万忠;刘明芹 电器与PLC控制技术 2006 3.山东科汇电气 SRD10系列开关磁阻电动机调速系统用户手册 4.湘潭电动机制造学校 电力拖动自动控制 1981 5.霍罡;樊晓兵 欧姆龙CP1H PLC 应用基础与编程实践 2008

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zzjsyjc201101026.aspx


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