變頻器在切削液恒壓供給系統(tǒng)中的應(yīng)用

馮金冰

摘要：在切削加工自動(dòng)生產(chǎn)線中，切削液流量充足、壓力恒定對(duì)保證加工質(zhì)量至關(guān)重要。采用性能優(yōu)異的三菱變頻器為主要控制元件，利用變頻器內(nèi)置的PID運(yùn)算功能控制電動(dòng)機(jī)啟停，可以達(dá)到控制系統(tǒng)管網(wǎng)內(nèi)流量變化和壓力恒定的目的。該系統(tǒng)具有普適性，可以為其他類似應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：變頻器；恒壓；切削液；PLC；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TS208 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2019）02-0044-03

在大規(guī)模金屬切削加工生產(chǎn)流水線中， 若把切削液集中起來(lái)再以恒壓供應(yīng)每臺(tái)機(jī)床使用， 不但可以節(jié)省機(jī)床切削液儲(chǔ)存箱，還能通過(guò)循環(huán)流動(dòng)避免其過(guò)早變質(zhì)，進(jìn)而節(jié)約空間和成本。依據(jù)切削液用量變化和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)， 確保切削液用量發(fā)生變化時(shí)管道壓力保持恒定，實(shí)現(xiàn)切削液可靠使用，是切削加工生產(chǎn)工藝的研究方向之一。針對(duì)企業(yè)切削液使用要求，設(shè)計(jì)一種利用變頻器作為主要控制元件的切削液恒壓供給系統(tǒng)， 并在生產(chǎn)中得到了實(shí)際應(yīng)用。

1 切削液恒壓供給系統(tǒng)的特點(diǎn)

當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)多、機(jī)床使用頻繁時(shí)，需要切削液壓力較大、流量充足，反之應(yīng)維持一定的管壓。切削液供給系統(tǒng)的控制對(duì)象是切削液流量，即通過(guò)改變切削液流量來(lái)調(diào)節(jié)壓力，從而實(shí)現(xiàn)切削液的恒定供給。特點(diǎn)如下：

1） 節(jié)約生產(chǎn)成本。通常情況下，每臺(tái)機(jī)床都需要備冷卻泵和冷卻箱。如果把切削液集中起來(lái)使用，不僅可以省卻這些配套，而且能夠延長(zhǎng)切削液的使用壽命并提高切削液的冷卻效果。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，采用切削液恒壓供給系統(tǒng)可為企業(yè)節(jié)約大量生產(chǎn)成本。

同時(shí)，使用變頻方式還可以明顯節(jié)約電能。

由流體力學(xué)可知，P=Q×H，其中，P為功率，Q為流量，H為壓力。流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方、壓力H與轉(zhuǎn)速N的平方、功率P與轉(zhuǎn)速N的立方均成正比例關(guān)系。若水泵效率固定，則流量Q下降時(shí)轉(zhuǎn)速N隨之成比例下降，而輸出功率會(huì)按三次方關(guān)系大幅降低。當(dāng)離心泵電機(jī)功率55 kW、轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16 kW/h，節(jié)約用電48.82%，則年耗電量為：8 760×28.16=246 681.60 （kWh）。若按0.55元/kWh計(jì)算，則年支出電費(fèi)為：246 681.60×0.55≈135 674.88 （元）。每年大約節(jié)省電費(fèi)129 315.12 元。

當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量為6.88 kW/h，節(jié)約用電87.50%，則年耗電量為： 8 760×6.88=60 268.80 （kWh）。按0.55元/kWh計(jì)算，則年支出電費(fèi)為：60 268.80×0.55≈33 147.84 （元）。每年大約節(jié)省電費(fèi)231 842.16 元。

可見(jiàn)，使用變頻器可節(jié)約大量用電成本，其啟動(dòng)平穩(wěn)的特性對(duì)水泵電機(jī)起保護(hù)作用，有助于改善生產(chǎn)工藝、提高作業(yè)效率、節(jié)約生產(chǎn)成本。

2） 運(yùn)行安全穩(wěn)定。切削液恒壓供給能夠滿足任何工況下的機(jī)床使用要求，利于排屑，減少因刀具磨損造成的安全事故，進(jìn)而保障企業(yè)生產(chǎn)安全。

3 切削液恒壓供給系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1 工作原理

切削液恒壓控制系統(tǒng)主要由壓力傳感器、冷卻水井、抽水泵、補(bǔ)水泵、循環(huán)泵、變頻器組成，其工作原理是：通過(guò)給定參數(shù)作為變頻器PID控制器的輸入?yún)?shù)，壓力傳感器檢測(cè)網(wǎng)管壓力作為反饋參數(shù)，變頻器PID控制器通過(guò)給定參數(shù)和反饋參數(shù)的比較作為PID控制的最終輸入?yún)?shù)，變頻器運(yùn)算后輸出頻率控制水泵運(yùn)行。當(dāng)網(wǎng)管壓力發(fā)生變化時(shí)，變頻器改變頻率，進(jìn)而改變水泵轉(zhuǎn)速，控制網(wǎng)管壓力始終恒定于某固定范圍。變頻器恒壓控制原理見(jiàn)圖1。

在切削液恒壓供給系統(tǒng)中，變頻器、壓力傳感器及水泵之間構(gòu)成閉環(huán)控制回路。變頻器接收壓力傳感器電壓信號(hào)（反饋值）與水泵出口壓力（設(shè)定值）相比較，比較結(jié)果作為變頻器的輸入信號(hào)，進(jìn)而控制變頻器輸出，使其壓力恒定。當(dāng)水泵出口壓力低于傳感器壓力值時(shí)，變頻器在低頻狀態(tài)下運(yùn)行；當(dāng)水泵壓力高于傳感器壓力值時(shí)，變頻器自動(dòng)切換頻率，執(zhí)行PID控制。

通過(guò)設(shè)置變頻器參數(shù)，可使變頻器以遞減轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性來(lái)運(yùn)行，其運(yùn)行特點(diǎn)是變頻器輸出電壓與電流將隨負(fù)載變化而變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。同時(shí)，可避免水泵電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在大電流狀態(tài)，延長(zhǎng)水泵使用壽命，節(jié)約作業(yè)成本。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

切削液恒壓供給系統(tǒng)由冷卻水井、抽水泵、變頻器、壓力變送器、補(bǔ)水泵、循環(huán)泵、蓄水池、循環(huán)泵、閥門(mén)、分水器組成。工作時(shí)，首先用抽水泵從冷卻水井中抽水至蓄水池，再用循環(huán)泵從蓄水池中抽水到分水器，進(jìn)而送達(dá)各機(jī)床。切削液使用后通過(guò)管道回流至冷卻水井，經(jīng)過(guò)濾沉淀后，由抽水泵抽出并送到蓄水池中。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)出循環(huán)泵送出壓力較小時(shí)，補(bǔ)水泵啟動(dòng)，送水壓力和流量增大。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)出循環(huán)泵送出壓力較大時(shí)，補(bǔ)水泵停止。當(dāng)蓄水池水位較低時(shí)，抽水泵自動(dòng)啟動(dòng)工作。圖2為切削液恒壓供給系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。

3.3 電氣原理圖

切削液恒壓供給系統(tǒng)電氣控制部分主要由變頻器、水泵電機(jī)、傳感器、按鈕、指示燈等組成，見(jiàn)圖3。斷路器QF1起漏電保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等作用。變頻器采用三菱變頻器，壓力傳感器接入變頻器模擬信號(hào)輸入端子，A、C端子為故障輸出繼電器端子。工作時(shí)合上斷路器QF1，變頻器輸入電源接通；按下啟動(dòng)按鈕，變頻器開(kāi)始輸出頻率，電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)；變頻器壓力傳感器輸入信號(hào)與設(shè)定參數(shù)相比較，自動(dòng)調(diào)整輸出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)切削液壓力恒定。

4 結(jié)論

以變頻器作為切削液恒壓供給系統(tǒng)核心元件，利用變頻器PID運(yùn)算功能進(jìn)行自動(dòng)控制，既可避免使用PLC控制，也利于節(jié)約作業(yè)成本和提高生產(chǎn)效率。此外，變頻器無(wú)需編程，操作簡(jiǎn)單，節(jié)約電能，在實(shí)際使用中可保證供水壓力穩(wěn)定，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

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