微計算機控制三相電動機節(jié)電器在普通車床應(yīng)用技術(shù)

寶雞機床集團公司 高級工程師 李恩科

微計算機控制三相電動機節(jié)電器在普通車床應(yīng)用技術(shù)

寶雞機床集團公司 高級工程師 李恩科

寶雞機床集團所產(chǎn)CS6140-6266系列普通車床一直沿用傳統(tǒng)設(shè)計，上班啟動主軸后電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到下班關(guān)閉。我們知道，機床動力容量的設(shè)計，是以該機床今后使用中可能遇到的最大可能性負載條件為依據(jù)的。根據(jù)對機械加工現(xiàn)場的長期觀察，從概率統(tǒng)計的角度評價：

（1）平均而言，在實際生產(chǎn)中機床的少數(shù)工況處于重載狀態(tài)，多數(shù)時段處于輕載狀態(tài)；遠小于設(shè)計的電機功率容量，約有70%～80%的工況下運行在“大馬拉小車”的高耗能狀態(tài)。

（2）車床在每天加工的非有效切削工況時段，例如測量、磨刀、更換刀具、上下工件，主軸電機依然運轉(zhuǎn)，又浪費30%左右的電能。

以上兩種耗能浪費的疊加，造成這類機床設(shè)備高達50%以上的能源浪費。因此，該類機床已于2012年4月列入國家“高耗能落后機電設(shè)備（產(chǎn)品）淘汰目錄（第二批）” （中華人民共和國工業(yè)和信息化部公告2012年 第14號）。

自2013年起，我廠與北京優(yōu)爾特科技股份有限公司合作，研發(fā)出一種節(jié)能設(shè)備“微計算機控制三相電動機節(jié)電器”，將其安裝在CS6140普通車床上。2015年9月14日，西安節(jié)能監(jiān)察監(jiān)測中心現(xiàn)場測定達到有功電能46.7%的節(jié)電率、無功電能71%的節(jié)電率。

該節(jié)電器技術(shù)已經(jīng)入選國家發(fā)改委2015年《國家重點節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》。

一、技術(shù)原理

“星三轉(zhuǎn)換”是一種傳統(tǒng)的“電動機啟動技術(shù)”，即電動機啟動階段為星形接法，運轉(zhuǎn)階段改為三角形接法。

我們研發(fā)的“電動機瞬態(tài)有功負荷自動測控節(jié)電”技術(shù)，成功地將“星三轉(zhuǎn)換”應(yīng)用于電動機運轉(zhuǎn)階段。即電動機啟動階段連接“星形”，運轉(zhuǎn)階段并不轉(zhuǎn)為“三角形”，而是轉(zhuǎn)入“實時監(jiān)控、自動調(diào)整”狀態(tài)。當監(jiān)控到“實時有功負載”小于電動機“額定功率”三分之一以下輕載階段，自動適配為“星形”接法，即“小馬拉小車”； 當監(jiān)控到“實時有功負載”大于電動機“額定功率”二分之一以上重載階段，自動轉(zhuǎn)入“三角形”接法，即“大馬拉大車”。如此不斷自動監(jiān)控跟蹤的結(jié)果，令電動機的“星形”或“三角形”接法總是隨著設(shè)備的負載輕重自動適配。

于是，機床只是在少數(shù)重載工況自動連接“三角形”，多數(shù)輕載工況自動連接“星形”。由于星形電動機電流僅有三角形的三分之一，因而產(chǎn)生無效熱損耗也僅有三角形下的三分之一，節(jié)省了近三分之二無效熱損耗用電，減少了機床按照最大可能性能耗設(shè)計電動機功率所造成的能源浪費。

該技術(shù)與變頻器相比，變頻器適用于電動機轉(zhuǎn)速可調(diào)的設(shè)備范圍，節(jié)電器適用于普通車床這類無須電動機變速的設(shè)備范圍，各有不同的適用領(lǐng)域。

二、從系統(tǒng)運行角度進行全面應(yīng)用設(shè)計

過去普通車床星三轉(zhuǎn)換節(jié)電方式的缺陷：只是單獨把節(jié)電器安裝了事，這樣做的后果是節(jié)電器很快報廢。因為一是無法識別主軸箱摩擦離合器操作狀態(tài)，二是無法識別車床啟動狀態(tài)，三是可能處于輕重負載交織的邊緣狀態(tài)。這三種之任一狀態(tài)都會引起星三轉(zhuǎn)換交流接觸器來回反復(fù)頻繁切換，既有害車床穩(wěn)定工作，又損傷交流接觸器壽命令其很快報廢。

另外，交流接觸器切換時間與車床轉(zhuǎn)動慣量失配，會造成傳動齒輪來回撞擊、發(fā)出很大撞擊噪聲，并存在打碎齒輪，損傷設(shè)備的可能。

針對以往普通車床單獨安裝節(jié)電器的上述問題，我們專為普通車床設(shè)計了成套應(yīng)用裝置，由車床操縱桿位置傳感器、主軸齒盤傳感器、下跳星形看門狗軟件模塊、撞擊聲消除軟件模塊及節(jié)電器本體組成系統(tǒng)化節(jié)電裝置。

圖 1

如圖1所示：

在車床操縱桿上安裝了位置傳感器。操縱桿位于中間位置車床主軸停轉(zhuǎn)，操縱桿位于上拉位置主軸正轉(zhuǎn)，操縱桿位于下拉位置主軸反轉(zhuǎn)。位置傳感器將操縱桿位置信息導(dǎo)入計算機，用于識別主軸運動的起始時間點。

車床主軸后端安裝了齒盤傳感器。因為這類設(shè)備馬達與主軸傳動鏈存在摩擦離合器，馬達通電啟動后，由于摩擦離合器的滯后作用，雖然馬達很快啟動，但主軸滯后遲緩一定時間才能完成啟動。依靠齒盤傳感器將主軸的運動狀態(tài)導(dǎo)入計算機，依靠分析軟件準確識別主軸何時完成啟動。

另給節(jié)電器計算機芯片注入“下跳星形看門狗軟件模塊”和“撞擊聲消除軟件模塊”，解決了以往節(jié)電器安裝在車床運行中交流接觸器頻繁跳動缺陷，達到了一種近乎靜音運行的星三轉(zhuǎn)換控制模式。使得絕大多數(shù)運行工況下星三轉(zhuǎn)換極少發(fā)生。不但極大延長了交流接觸器壽命，保證了整機安全可靠運行，而且令設(shè)備本身不因安裝節(jié)電器而贅生齒輪撞擊噪聲。

三、節(jié)電運行原理說明

安裝于CS6140普通車床節(jié)電裝置原理框圖，參見圖2。

節(jié)電器得電后處于準備狀態(tài)，因此時“負載功率取樣”為零，故計算機輸出“星形接觸器KMY”信號，吸合交流接觸器KMY，馬達處于星形運轉(zhuǎn)的準備狀態(tài)。

操作工按動啟動按鈕，給出“馬達開關(guān)指令”，此指令直接吸合交流接觸器KMZ。因此前已經(jīng)處于星形運轉(zhuǎn)準備狀態(tài)，馬達通電后即按星形實施啟動。這類普通車床之床頭箱內(nèi)置了摩擦離合器，此時雖然馬達已經(jīng)啟動了，因此時操縱桿位于中間停止位置，摩擦離合器分離，故車床主軸依然處于靜止狀態(tài)。

當操作工上拉操縱桿令摩擦離合器結(jié)合，車床主軸得到正轉(zhuǎn)力矩開始正向轉(zhuǎn)動，同時“操縱桿位置傳感器” 將其上拉位置及時導(dǎo)入節(jié)電器，節(jié)電器得知車床主軸開始正向啟動時間點，啟動“主軸啟動完成識別軟件” 連續(xù)監(jiān)視“齒盤傳感器”導(dǎo)入的主軸轉(zhuǎn)速信號，分析其何時完成主軸啟動，在主軸啟動完成之前禁止任何星三轉(zhuǎn)換。這樣就避免了主軸啟動過程巨大的電流變化引發(fā)瞬時星三轉(zhuǎn)換，預(yù)防了交流接觸器大電流損傷及強烈的機械撞擊聲。一挨識別啟動完成，節(jié)電器第一時間進入“星三轉(zhuǎn)換監(jiān)控狀態(tài)”、以備隨時發(fā)生重負載可迅速上跳三角形運行，應(yīng)對重負載對電機動力較大的需求。

車床屬于一種頻繁啟動設(shè)備，例如車削螺紋可快達每秒鐘啟動一次。啟動時的大電流與啟動后的小電流快速交替導(dǎo)致星三轉(zhuǎn)換交流接觸器不斷劈啪作響。在此工況下交流接觸器很快燒損，導(dǎo)致節(jié)電器報廢無法持續(xù)使用。這也是過去的星三轉(zhuǎn)換節(jié)電器無法應(yīng)用于車床的主要原因。本裝置依靠上述二種傳感器與分析軟件，一舉解決這一難題，實現(xiàn)了節(jié)電器在此復(fù)雜工況下也處于靜音運行狀態(tài)。

圖 2

發(fā)生星三轉(zhuǎn)換時，馬達瞬時斷電又通電，在某些轉(zhuǎn)速下有可能轉(zhuǎn)動慣量與此瞬間時長失配，不但引發(fā)較大的齒輪撞擊聲惡化工作環(huán)境，而且容易打碎傳動齒輪損傷設(shè)備。依靠本裝置注入的“撞擊聲消除軟件模塊”，可將此撞擊聲消除到輕微程度，保護了車床設(shè)備的安全使用。

車床負載有可能處于重載與輕載交織的邊緣狀態(tài)，以往的節(jié)電器碰到這種交變負載其“星三轉(zhuǎn)換交流接觸器”必然隨之不斷地頻繁動作劈啪作響。不但設(shè)備難以穩(wěn)定運行、而且很容易燒壞接觸器令節(jié)電器報廢。依靠本裝置注入的“下跳星形看門狗軟件模塊”，便可將這種頻繁動作消弭為零。

其軟件構(gòu)造原理是：由于電機運行在三角形不存在突增重載失控問題，所以計算機接到下跳指令時并不急于立即下跳，而是延長一段時間S7，看看S7時間內(nèi)是否還存在負載突增到上跳分界線以上的現(xiàn)象。如有則說明設(shè)備目前還處于重載與輕載交織變化階段或邊緣震蕩狀態(tài)。如貿(mào)然下跳則會造成交流接觸器隨震蕩反復(fù)劈啪作響，既不利于設(shè)備穩(wěn)定運行又損傷器件壽命。因此這組軟件的功能是：只要在S7時間內(nèi)看到一次或者若干次“突增到上跳分界線以上的重載脈沖”，便立即取消下跳指令，繼續(xù)三角形狀態(tài)。并且每收到一次“突增到上跳分界線以上的重載脈沖”，便重新開始S7計時，再看看新的一輪S7時間內(nèi)是否還有重載脈沖出現(xiàn)，若還有，繼續(xù)照此辦理；若沒有，才安全地下跳到星型狀態(tài)運行。

四、應(yīng)用前景

經(jīng)過多年的現(xiàn)場使用、觀測、改進和提高，從2016年4月份起，該系列產(chǎn)品已經(jīng)列入我廠生產(chǎn)目錄，進入批量生產(chǎn)，銷售到全國各地。收集用戶的反映，基本運行穩(wěn)定可靠，特別是該節(jié)電產(chǎn)品兼具的電子柔性啟動與電子剎車這二項實用功能，使得機床電控整體功能完善，運行協(xié)調(diào)一致，得到良好的市場檢驗。

節(jié)能、降耗和減少碳排放量，建設(shè)新型綠色環(huán)保經(jīng)濟，保護生態(tài)環(huán)境是與每一個人息息相關(guān)的大事，關(guān)系到所有人的切身利益。就目前的煤電轉(zhuǎn)化率來算，每節(jié)約一度電，可節(jié)約300克煤的排放。節(jié)電就是減排，就是保護生態(tài)。綠色制造，循環(huán)經(jīng)濟已經(jīng)成為制造業(yè)的主旋律，高能耗、高污染、低附加值的產(chǎn)業(yè)必將成為歷史。節(jié)電技術(shù)的應(yīng)用，使得我公司產(chǎn)品走上綠色產(chǎn)業(yè)的快車道，以節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品引領(lǐng)市場主流。□

資訊

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