機床行業(yè)中變頻器應(yīng)用情況

變頻器簡介

　　變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。

　　一般而言，變頻器必須有幾項基本的能力：

1、 節(jié)能

2、 調(diào)速

3、 保護功能可分為以下兩類：

（1） 檢知異常狀態(tài)后自動地進行修正動作，如過電流失速防止，再生過電壓失速防止。

（2） 檢知異常后封鎖電力半導體器件PWM控制信號，使電機自動停車。如過電流切斷、再生過電壓切斷、半導體冷卻風扇過熱和瞬時停電保護等。

變頻器在機床行業(yè)中的應(yīng)用

　　由于機床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機床執(zhí)行部件具有不同的運動速度，因此機床的主運動應(yīng)能進行調(diào)速，機床用戶對變頻器產(chǎn)品的調(diào)速作用更為關(guān)注。

　　主軸是車床構(gòu)成中一個重要的部分，對于提高加工效率，擴大加工材料范圍，提升加工質(zhì)量都有著很重要的作用，變頻器主要應(yīng)用于主軸調(diào)速系統(tǒng)。目前對客戶來說變頻器的性價比很高，所以變頻器在車床上使用非常普遍。

　　通用變頻器要想順利的使用在機床行業(yè)必須有兩個重要考慮：一是選用無速度傳感器矢量控制的產(chǎn)品，二是要設(shè)計在超速運轉(zhuǎn)以提高低速轉(zhuǎn)矩。

變頻器在機床應(yīng)用的特點

　　變頻調(diào)速的調(diào)節(jié)范圍很廣，一般通用型變頻器都可以實現(xiàn)0—400HZ范圍內(nèi)無級調(diào)速。

　　考慮到機床要求具有較硬的機械特性。符合變頻器+普通電機（或變頻電機）傳動具有機械特性硬的特點。一般在低頻下都可以提供150%負載轉(zhuǎn)矩的能力。

　　考慮到機床需要在低速時具有強大過載能力。變頻器可以提供150%的過載保護（60S），能夠滿足設(shè)備的要求。

　　使用變頻調(diào)速后，可以簡化齒輪變速箱等原有復雜的機械拖動機構(gòu)，自動化程度高，操作簡單，維修方便。

　　變頻器具有電壓（DC0—5V，DC0—10V），電流模擬輸入接口，可以與數(shù)控系統(tǒng)的控制信號很好的匹配。

變頻器在機床應(yīng)用的優(yōu)點

　　目前由于變頻器的高性價比，所以變頻器在經(jīng)濟型數(shù)控機床和普通機床的數(shù)控化改造中使用非常普遍。其主要優(yōu)點在于：

　　首先，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)幾個端子進行全范圍的控制。變頻器內(nèi)部有完善的保護措施，勿需在其外圍線路中設(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，可以比原直流調(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，還可以去掉用作傳速反饋的速度傳感器，使控制線路大為簡化；

　　可以采用標準異步電機。采用籠型異步電機可以發(fā)揮它結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、運行可靠、維修方便、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問題。

　　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，轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)試等多項參數(shù)的綜合統(tǒng)調(diào)，調(diào)試難度大、時間長，且不易達到最優(yōu)控制。

　　此外，用變頻器來改變切削速度，選定經(jīng)濟效益最佳切削速度。速度選擇好之后，用改變皮帶輪直徑和（或）更換電機的方法來改變切削速度，既經(jīng)濟又方便，是機械加工行業(yè)提高加工質(zhì)量、降低加工成本的一種行之有效的方法。

　　變頻器能減少變速傳動齒輪的對數(shù)，降低噪音，提高主軸精度，有較強的適應(yīng)各類產(chǎn)品及各種不同材質(zhì)加工時所需主軸速度配給的特性。可方便實現(xiàn)數(shù)控，且其成本大大低于同類由直流調(diào)速組成的數(shù)控系統(tǒng)。

　　經(jīng)濟型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后手動變速。而全功能數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)大多采用無級變速。目前，無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機。通過帶傳動帶動主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動和主軸箱內(nèi)的減速齒輪（以獲得更大的轉(zhuǎn)矩）帶動主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。目前對客戶來說由于變頻器的高性價比，在車床上使用非常普遍。

變頻器在機床行業(yè)中的總體市場情況

　　根據(jù)自動化網(wǎng)的調(diào)查，2008年機床行業(yè)變頻器的市場總額約為5億元左右。

　　車床中變頻器的應(yīng)用規(guī)模最多，安川、臺達、富士、三菱等都有較大的市場份額，國產(chǎn)品牌在機床中應(yīng)用也較多，如匯川在車床中表現(xiàn)都不俗。而磨床、鍛壓行業(yè)中對變頻器產(chǎn)品的性能要求較高，國外品牌較多，三菱、富士、西門子、臺達等處于優(yōu)勢，并且一臺機床需用的變頻器數(shù)量也較多，高的可達4-5臺。

　　由于三菱變頻器接近伺服的功能，其在機床中的應(yīng)用也較大；臺達由于其功能接近三菱，但價錢便宜許多，性價比較高，并且售后服務(wù)完善，近年來市場份額增加較大。

變頻器的發(fā)展趨勢

（1）高性能化

　　目前基本上所有的變頻器都提供矢量控制方式，并出現(xiàn)了大量不同層次的控制結(jié)構(gòu)及算法，適應(yīng)不同的市場定位與需求。值得關(guān)注的是無速度傳感器矢量控制（SVC）在近幾年發(fā)展較快，由于SVC能夠提供低成本、高性能的解決方案，已經(jīng)成為通用變頻器中的事實標準和發(fā)展方向。

（2）易用性不斷提高

　　多家廠商提供的變頻器在結(jié)構(gòu)上考慮到現(xiàn)場安裝的要求，同時在軟件上加入起動設(shè)置工具，通過引導客戶簡化調(diào)試過程。

（3） 功率機構(gòu)模塊化

　　模塊化的功率結(jié)構(gòu)設(shè)計為不同系列及功率段產(chǎn)品提供了一致性，利于產(chǎn)品可靠性的提高，為工廠選型、安裝、調(diào)試、維護帶來了方便，有效降低了運行維護成本。

（4）智能化

　　一是通過提供客戶化的驅(qū)動編程能力來提高變頻器的智能化程度，滿足不同應(yīng)用現(xiàn)場的客戶化需求，這實際上是將PLC的部分功能融入變頻器中。

　　二是通過通訊來與外部智能化設(shè)備（如PLC）接口來提高變頻器的智能化程度。目前知名廠商的變頻器都具備網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)能力，并支持多種協(xié)議。

（5）高功率密度

　　由于新功率器件以及熱設(shè)計技術(shù)的進步，目前的變頻器越來越緊湊，體積越來越小，功率密度越來越高，但在溫升等關(guān)鍵技術(shù)指標上并未下降。

（6）減小EMI/RFI諧波影響

　　目前變頻器中內(nèi)置AC電抗器和扼流圈已經(jīng)非常普遍，這些對減小EMI/RFI諧波的影響都起了重要作用。

變頻器在機床中的應(yīng)用前景

　　從08年機床銷售數(shù)據(jù)可以看出，通用型機床尤其是功能單一的車床庫存情況相當嚴重，而復合型機床、大型重型產(chǎn)品市場較好。這些機床加工范圍廣，機床執(zhí)行部件具有不同的運動速度，對變頻器性能也提出了更高的要求。

　　在本次調(diào)查中，有客戶反應(yīng)選用的變頻器就是因為其功能接近伺服，在滿足強度的基礎(chǔ)上增加了對精度的控制。此外，有客戶認為目前變頻器干擾別人的現(xiàn)象比較嚴重，需要將波形靠近正弦波，力量更強一些。

　　隨著變頻器和機床的發(fā)展，變頻器的功能也將不斷完善，能更好的服務(wù)于機床。

市場趨勢

　　根據(jù)中國自動化網(wǎng)的調(diào)查顯示，在回答金融危機對企業(yè)造成的影響問題中，基本上是普通機床企業(yè)受到的影響比較大，而主攻中高端產(chǎn)品的企業(yè)受到的影響相對來說比較小，這就說明提高數(shù)控化率，提高機床的檔次，特別是加工精度高或者是超高精度的產(chǎn)品，是解決企業(yè)生存發(fā)展的重要途徑之一。企業(yè)提高數(shù)控化產(chǎn)品的比例的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。

　　目前國內(nèi)生產(chǎn)的機床主要是低端產(chǎn)品，加工精度比國外水平存在差距，控制水平很低，CNC、PLC、伺服、HMI等的使用率不高。但是隨著市場需求的影響，越來越多的廠家加大了開發(fā)和技術(shù)引進的力度，而且很多國外品牌開始到中國建立生產(chǎn)廠或者擴大在華的生產(chǎn)能力。

　　對比國內(nèi)和國外的自動化產(chǎn)品，企業(yè)認為國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠是國產(chǎn)產(chǎn)品最大的弊病，國外的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)很完善，目前國產(chǎn)產(chǎn)品和國外的技術(shù)仍有很大的差距。除去價格因素，國外的產(chǎn)品僅僅在供貨周期上需時較長，其他基本沒什么缺陷。國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在未來發(fā)展上依然任重而道遠。

　　中國的機床最終用戶主要集中在交通工具制造行業(yè)，包括汽車和造船，專業(yè)設(shè)備制造業(yè)如紡機廠和冶金設(shè)備制造廠和模具行業(yè)。航天航空、汽車和模具工業(yè)是近期國內(nèi)機床市場需求的主體。航天航空工業(yè)對機床的需求，主要是高精度、較大規(guī)格的數(shù)控鏜銑床。汽車工業(yè)近期大規(guī)模建設(shè)項目不多，主要是技術(shù)改造。目前主要是將生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的專用機床生產(chǎn)線改造為具有較高柔性的，以高速加工中心為主的柔性生產(chǎn)線，以此來提高生產(chǎn)過程的柔性，適應(yīng)產(chǎn)品換型快的要求。

　　高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備重大科技專項的實施，將為中國機床工業(yè)的長遠持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。