中頻變頻器驅(qū)動高速電主軸時的故障分析與處理

簡立明,雷小紅

(1.湖南衡陽財經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 衡陽 421002;2.湖南衡陽紡織機械廠,湖南 衡陽 421007)

某紡機專用軸承制造廠,大量使用電主軸(俗稱“磨頭”)最高轉(zhuǎn)速為60 000 r/min的高速磨床MZ204、SI50、3MZ146。當(dāng)時德國采用旋轉(zhuǎn)變頻機組(異步電動機-中頻機組)給高速電主軸供電,旋轉(zhuǎn)變頻機組有體積大、效率低、噪聲大、精度差、難維修等許多缺陷。目前變頻技術(shù)已發(fā)展成熟,采用中頻交流靜止變頻器驅(qū)動高速電主軸,能大大降低磨床的能耗、料耗,而且能提高其工藝性能、改善工作條件。我們在課題項目實施過程中,對變頻器選型、調(diào)試與運行維護(hù)時遇到了一些問題,本文簡單介紹這些問題及其分析、處理過程。

1 變頻器的容量選擇問題

1.1 故障現(xiàn)象

在SI50、MZ204、3MZ146等高速磨床電主軸電源驅(qū)動裝置改造初期選擇變頻器時,出現(xiàn)如下故障:3MZ146電主軸參數(shù)230 V/1.5 kW,選用春日KVFG-H422ER。根據(jù)變頻器說明書,KVFGH422ER的配用電動機容量可達(dá)2.2 kW。在調(diào)試過程中,頻繁出現(xiàn)恒速過流報警OC-1,并跳閘。而且隨使用時間增長,報警跳閘日益頻繁。

1.2 排查、分析原因

將變頻器設(shè)置為顯示電流,觀察到電主軸在啟動過程中,變頻器顯示電流達(dá)11 A;啟動完成后,隨機床外接電源電壓的波動、負(fù)載的波動,變頻器的運行電流也波動。結(jié)合觀察情況進(jìn)行分析,電主軸在啟動時電流大,另外,電源電壓不穩(wěn)定,電主軸在加工過程中偶有負(fù)載波動,而變頻器的過載能力相對電動機而言相當(dāng)小,選擇KVFG-H422ER,配用電動機容量可達(dá)2.2 kW,雖然已比電主軸的功率(1.5 kW)大,該型號變頻器的額定電流有時還小于電主軸的最大運行電流,所以易過流報警跳閘,此問題無法依靠調(diào)整變頻器的參數(shù)而解決,只有換容量更大的變頻器。

1.3 處理措施及結(jié)論

換用容量大兩級的KVFC-H440ER,經(jīng)參數(shù)調(diào)整,試運行,能正常驅(qū)動。

在選擇變頻器的容量時,不能盲目地按變頻器說明書中“配用電動機容量”來選擇,必須保證變頻器的額定電流大于電動機的最大運行電流。要做到此,必須做好以下2方面的工作。

1)要認(rèn)真對照變頻器和電動機的額定電流,并且要對負(fù)載的輕重估算后再作選擇。我國通用的Y系列三相籠型異步電動機常用規(guī)格的額定電流與幾種較典型的變頻器額定電流的對照情況見表1。

表1 電動機與對應(yīng)變頻器的電流Tab.1 Electric motor and corresponding frequency transformer current

2)注意測量電動機的最大運行電流。對于電動機而言,只要電動機的溫升不超過額定溫升,短時間(幾min～幾十min)的過載是允許的。但變頻器的過載能力卻很弱,通常是 150%,1 min。變頻調(diào)速系統(tǒng)中,若電動機可能過載,選擇變頻器時應(yīng)加大容量。

2 參數(shù)設(shè)置問題

所有變頻器的每個參數(shù)都有出廠值,但對于絕大多數(shù)傳動系統(tǒng)而言,出廠值并不能滿足具體的工藝控制要求,往往需要從多方面進(jìn)行修改。如果變頻器參數(shù)設(shè)置不正確,輕者控制效果不好,重者系統(tǒng)不能正常運行。以下是春日KVFG系列中頻變頻器在驅(qū)動高速電主軸過程中因參數(shù)設(shè)置不當(dāng)造成的一些現(xiàn)象及排除經(jīng)過。

2.1 基本頻率(簡稱基頻)設(shè)置問題

SI50隨機的電主軸是意大利研制的,電主軸相對機床而言屬于易損件,因采購困難、費用高,該廠最終自己仿制了結(jié)構(gòu)、功能相似的電主軸。采用中頻變頻器之前,高速磨床的電主軸有多種規(guī)格,其中有230 V/1.5 kW。

2.1.1 故障現(xiàn)象

在對一臺SI50進(jìn)行改造時,設(shè)置參數(shù)完后試運行,約1 h,電主軸發(fā)出異味。

2.1.2 排查、分析原因

用500 V搖表測電主軸繞組對外殼的絕緣幾乎為0,說明絕緣已損壞。經(jīng)檢查知,電工忽略了對基頻F02的修改,其出廠值=50 Hz。而工藝要求運行頻率=1 000 Hz。主電路見圖1;變頻器的U/f曲線見圖2。圖2中曲線1為利用轉(zhuǎn)矩提升功能的U/f曲線;曲線2為未用轉(zhuǎn)矩提升功能的U/f曲線;fb為基頻;100%為與輸入電壓對應(yīng)的最大輸出電壓。變頻器的型號約定見圖3。

圖1 SI50中變頻器的主電路Fig.1 Main circuit of the frequency transformer used in SI50

圖2 變頻器的U/fFig.2 U/f of the frequency transformer

圖3 變頻器的型號約定Fig.3 Frequency transfo rmer ty pe arranges

由變頻器的原理及圖2可知,變頻器的輸出電壓由3個因素決定:變頻器的輸入電壓、基頻、運行頻率;變頻器的輸出電壓有 2種情況:1)fout＜fb,則Uout＜380 V,Uout與 fout成線性關(guān)系;2)fout≥fb,則Uout=380 V。由此可知,當(dāng) fout=1000 Hz＞fb,所以Uout=380 V大于電主軸的Ue,使電主軸超壓運行,時間長導(dǎo)致絕緣損壞。

2.1.3 處理措施及結(jié)論

更換一臺電主軸,將基頻F02修改大于1000 Hz,先不接電主軸,讓變頻器輸出1 000 Hz空載運行,查看其輸出電壓?；l的設(shè)置難以一步到位,經(jīng)多次調(diào)整,直到查看到運行頻率=1 000 Hz時,輸出電壓等于或略小于電主軸的額定電壓(230 V),才讓變頻器帶電主軸運行。經(jīng)處理后正常運行。

調(diào)試時,應(yīng)先空載觀察各種運行參數(shù),特別要確保在變頻調(diào)速系統(tǒng)的所有調(diào)速范圍內(nèi),變頻器輸出的電壓都不能超過所驅(qū)動電動機的額定電壓,否則將損壞電動機的絕緣。例如:改造一臺MZ204時,其電主軸350 V,3 kW,工藝要求運行頻率650 Hz,將基頻設(shè)置為710 Hz時滿足要求。

2.2 轉(zhuǎn)矩提升功能的設(shè)置問題

當(dāng)我們使用變頻器時,如果遇到報警號OC-1,加速中過流。首先會適當(dāng)延長加速時間,其次,會利用手動轉(zhuǎn)矩提升功能。春日KVFC、KVFG系列不僅設(shè)計有轉(zhuǎn)矩提升功能,而且提升的程度還可以通過設(shè)置參數(shù)F10的值進(jìn)行16種選擇。特別提示,F10的值并非越大越好,太大也會引起過流報警跳閘。例如:在改造一臺 3MZ146時,F10設(shè)置為H-7時,OC-1加速中過流的故障現(xiàn)象沒有改善,把 F10設(shè)置為 H-6時,運行正常。圖2中B1的值因提升程度不同而異,具體地說,因參數(shù)F10的設(shè)置值不同而異,表2為春日KVFC,KVFG系列 F10設(shè)置值對應(yīng)的0 Hz時的提升電壓(用額定輸出電壓的百分?jǐn)?shù)表示)。

表2 提升電壓Fig.2 Lifting voltage

2.3 電源電壓波動造成有時停機

變頻器用于工業(yè)現(xiàn)場時,如果輸入電壓波動下降幅度達(dá)到一定值,變頻器一般在幾s內(nèi)就停止輸出。如果瞬停再啟動功能無效,假如電源只是幾s的波動后馬上又恢復(fù)正常,電動機還在運轉(zhuǎn),但變頻器卻停止運行,導(dǎo)致不必要的停機,影響生產(chǎn)。該廠特軸分公司因為有大量德國進(jìn)口設(shè)備,建廠時,考慮了大型穩(wěn)壓電源,用于該車間的變頻器未出現(xiàn)瞬?，F(xiàn)象。而軸承分公司建于1978年,設(shè)備多,無穩(wěn)壓電源。用于該公司的多臺變頻器時多次出現(xiàn)瞬?，F(xiàn)象。增設(shè)穩(wěn)壓電源投入太大不現(xiàn)實。于是考慮修改參數(shù)。春日KVFC,KVFG系列與瞬停相關(guān)的參數(shù)F110,將其由出廠值OFF改為5 s后,變頻器運行正常。

2.4 變頻器的輸出頻率與給定頻率不一致

改造SI50,MZ204,3MZ146共計100多臺,全部采用直接給定頻率方式,設(shè)置參數(shù)F01的值即可。只有一臺MZ204,設(shè)F01=1 000 Hz,測量工件時發(fā)現(xiàn)光潔度不好,分析可能是電主軸速度偏低造成的,查看 outf時顯示 980 Hz,將參數(shù)F22由出廠值100%改為105%,顯示頻率正常,工件質(zhì)量正常。

3 中頻變頻器臨時用于低頻設(shè)備應(yīng)急的問題

我們有2次試圖用中頻變頻器臨時代替低頻變頻器以應(yīng)急,第1次,低速磨床MS1080導(dǎo)輪所用的變頻器損壞,因為生產(chǎn)急需,用一臺除頻率以外其他參數(shù)滿足要求的丹佛斯VLT-5004試圖替代。進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時,易出現(xiàn)加速過流,經(jīng)反復(fù)調(diào)試,能正常運行,但使用約1周,變頻器損壞。第2次,另一臺低速磨床MS1080的變頻器損壞,試圖用庫存的VLT-2008應(yīng)急,運行不到2周,變頻器損壞。由此得知中頻變頻器不能用于低頻設(shè)備,哪怕只是臨時的應(yīng)急。

4 結(jié)論

本文介紹的較嚴(yán)重或較少見的問題,有些問題看似簡單,但如果發(fā)生,損失較大。希望我們的粗淺經(jīng)驗?zāi)芙o同行一定的幫助。

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[5]西德高頻魔頭說明書(譯本)[Z].天津市科技資料翻譯室,1965.

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