交流变频调速系统在机床上的应用

　　一、前言

　　本文通过动态仿真的理论分析，对提高机床的竞争能力提供理论依据，并对交流变频调速系统的设计优化提供一些借鉴。

　　二、变频调速技术的优势

　　（一）节约电能

　　在我们的日常生产过程中风机和电泵有着极其广泛的应用，在风机和电泵运行的过程中需要消耗大量的电能，增加了企业的生产成本。为了减少能源的消耗，经常会用到挡板和阀门对流量进行调节，在调节的过程中无形的浪费了大量的资源。通过变频技术能对风机和水泵的流量进行有效的调节，减少了能源的浪费。

　　（二）提高生产率

　　变频技术的应用能根据设备的负载情况选择出最佳的转速，保证设备的稳定运行，这样就能保证设备在运行过程中的精度，提高生产效率。同时，还能凭借低速提高停车的精度，减少生产的间歇，也为提高生产效率奠定了基础。

　　（三）提高产品质量

　　产品机械加工的过程中，设备的稳定运行是提高产品质量的关键因素，通过变频技术的应用，对机械设备的稳定运行提供了条件，这样就能提高生产过程中产品的精度。

　　三、变频电机调速系统原理

　　变频电机中的电路是由滤波电路、整流电路、逆变电路和制动电路四个部分组成的，输出的波形大多以脉冲方波为主，脉冲方波中高次谐波成分比较多。在正常的供电工程中，频率和电压按照一定的比例关系进行变化，这样就不能实现电压和频率的同时调整，作为电源使用存在着一定的弊端。

　　（一）整流电路

　　使用三相不可控桥式整流电路是整流电路经常采用的一种手段，三相不可控由VD1-VD6组成，通过变压设备将交流电转变成直流电，由三相转化成为两相。

　　（二）滤波电路

　　整流后的电压含有大量的高次谐波，需要采用滤波电路进行处理。滤波电容除了滤除高次谐波外，还起到消除整流电路与逆变电路之间的耦合，消除干扰，提高功率因数的作用。

　　（三）制动电路

　　电机在减速时，转子的转速将可能超过此时的同步转速而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线滤波电容两端产生泵升电压，使变频器产生过压，甚至可能损坏变频器。

　　（四）逆变电路：逆变管V1-V6组成三相桥式整流电路将直流电逆变成频率和幅值都可调的交流电。逆变模块的IGBT开关控制信号常采用脉宽调制技术（Pulse Width Modulation-PWM）实现。逆变调速系统具有两种控制方式：开环控制和闭环反馈控制。

　　四、SPWM变频调速系统的仿真

　　（一）SPWM变频调速系统模型

　　（二）仿真输出波形分析

　　系统模型建立完成后，可以用SIMULINK提供的仿真功能进行仿真运行。

　　（1）转矩与转速波形。电动机负载转矩设为11.9N?m不变，转子加速，随着转速的上升，转子电流逐渐减小，转矩也随之下降，最后电动机输出转矩与负载转矩再次达到平衡。这时转矩不再上升，稳定在大约1750r/min。由于系统采用变频器对电动机供电，SPWM是脉动的电压信号，并不是正弦波。因此输出的转矩波形也是脉动的。在启动时，由于转速尚未建立，过渡过程中转矩的脉动非常大。另外，由于电动机惯性的作用，因此转速波形没有出现脉动，转速波形是平滑的。

　　（2）转子和定子输出波形。在电机启动的过程中，随着负载的加入，电流波形就会随之发生扰动，随着转动的进行，负载和转矩逐渐会达到一个平衡的状态，起步阶段，随着负载的增加，变频发生变化是产生脉动的主要原因。

　　五、变频调速技术的发展趋势

　　（一）实现高水平的控制

　　通过变频技术在机床上的应用，通过对电动机和相关设计模型的控制能在一定程度上提高设备运行参数。变频控制技术主要通过磁场控制、矢量控制、机械扭振补偿、直接传矩控制等方式，实现机床的有效控制。现代理论有滑模变结构技术、采用微分几何理论的非线性解祸、模型参考自适应技术、鲁棒观察器等控制技术。智能控制是当前比较先进的控制技术，通过神经元网络、模糊控制、专家控制系统来实现机床的自动控制，提高机床的工作效率和精度，实现高水平控制。

　　（二）开发清洁电能的变流器

　　清洁电能转化器是当前研究的一个方向，通过转化器实现电能的稳定转化，降低在转化过程中对电网造成的损害。所谓的清洁电能转化器最主要的目的就是将变频因数调整为1，尽可能低的出现谐波分量，避免在负载侧和网侧出现，这样就能实现电能的稳定转化。通过稳定转化能降低转矩脉动的产生，这样能有效的延长电机的运行寿命，提高运行过程中的安全性。对于小容量的变频可以改变开关频率实现，大容量变频可以通过电路的结构改变实现变频。

　　六、结束语

　　随着技术水平的不断发展和进步，变频技术在机床上的应用会更加的广泛，为提高机床运行精度和效率奠定了基础，变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求，也一定会具有更加广阔的发展空间。