主轴调速系统计算

3.3主轴调速系统的选择计算3.3.1对调速系统的基本考虑:由于调速范围广，且要求有较硬的机械特性。所以，以选用矢量控制方式为宜。对于普通车床来说，由于对动态响应要求不高，用“无反馈矢量控制”方式已经足够。因为调速范围广，且高速与低速段机械特性的特点不一样，故工作频率范围应不限于额定频率以下。电动机的容量一般应比原拖动系统的电动机容量为大。在低速段，可能出现较大的冲击过载，容易引起变频器的跳闸。所以，变频器的容量以比电动机的容量大一档为好。3.3.2一档传动比，且fx<fn方案基本工作情况a.电动机和主轴之间的传动比只有一档,传动比b.变频器的最大输出频率fmax等于电动机的额定频率fMN。从而，电动机的最高转速n 等于其额定转速n ，它折算到负载轴上的值n 应大于负载要求的最大转速n:Mmax MN Mmax LmaxMmax=MN Lmaxc.电动机额定转矩的折算值（折算到负载轴上的转矩）T；LmaxT'c.电动机额定转矩的折算值（折算到负载轴上的转矩）T；LmaxT'>T综上所述，电动机的有效转矩线如图3.2的曲线2所示，曲线1是车床的机械特性曲线。为了便于比较，图中，电动机的转矩和转速均为折算到负载轴上的值。电动机的容量在图3.2中，负载所需功率Pl'Tm.nLmax"550=Tmaxa^Lmax"550MNLmax图3.2«LTmaxnLmax'"50其大小与面积°ADB成正比。而电动机的容量则与面积OAHG成正比，其大小为:p=t'nM1 MNMN

-TLmax七max'9950=aLPL可见，采用了变频调速后，电动机的容量需增大aL倍以上。3.3.3电动机的工作频率范围a.最高频率fmax=a.最高频率fmax=fN。b.最底频率因为只有一档转速，故频率调节范围af为:七=fmax/fmax"Lx/"lmin=aL当al=40时，f.<50/40=1.25Hz；当al=140时，f.<50/140=0.357H。异步电动机在这样低的频率下连续工作，如不用负载反馈，是比较困难的。3.3.4一档传动比，且fmax fN方案a.基本工作情况电动机和主轴之间的传动比仍只有一档，但变频器的最高输出频率a.fmax允许超过额定频率fN。但一般不宜超过额定频率的1.5倍（即：fN<fmax<L5fN）.mi为额定转速依锅曲线1为车床的机械特性曲线。设最大调频比x "^max ¥n则:电动机的最转速"Mn的k高转速nMmax也约为额定fmax倍:nfmi为额定转速依锅曲线1为车床的机械特性曲线。设最大调频比x "^max ¥n则:电动机的最转速"Mn的k高转速nMmax也约为额定fmax倍:nffmaxMNb.电动机的额n'=n' /MNMmax电动机有效电动机的容量如图，电动机的容量与面积s'〃'，'成正'比"定转速fmax缶"max7kmax转矩线圈如图中的曲线2所示。±大/小为离r隋订旷展以写|中文］中回|也P=T‘n'/9550M2 MNMN气max（nLJkQ9550=PMJkfmax可见,频率范围扩大之后，电动机的容量可以比PM1减小kfmax倍，但与负载功率相比，仍需增大很多。3.3.5电动机的工作频率范围设：最高频率为fmax='5fN=75hz，则最低频率为当al=40时，fi=75/40=1.875Hz；当al=140时，f.=75/140=0.54Hz。3.3.6两档传动比，且fmax>fN方案基本工作情况将电动机和主轴之间的传动比分成两档（*和XL），使变频器的输出频率fx、电动机的转速n与负载转速n之间的对应关系见表4-1TOC\o"1-5"\h\zM L表4-1频率、电动机与负载转速之间的对应关系工作频率电动机的转速低档传动比负载转速高档传动比负载转速f.minnMmin力LnLmin力HnLmidfmaxnMmax入LnLmid入HnLmaxTOC\o"1-5"\h\z表中，nLmd是两档转速分界点的“中间速”。在抵挡时，传动比为%，当人X从f到f（n到n）时，n从n到n ；在高档时，传动比为人，当f从minmaxMminMmax LLminLmid H Xf到f（n从n到n）时，n从n到n。minmaxMMminMnax LLmid Lmin忽略电动机转差率的变化的因素，则有:

L/nLmin"fL/nLmin"fmax/fmin fn/nnf/f=aLmax Lnid maxminf作为两档中间的分界转速（中间速）nL^d=nLmax'或f所以，电动机工作频率的范围af=g图3.3可见，采用两档传动比后，在负载的速度范围不变的情况下，工作频率的调节范围大大的缩小了。采用两档传动比后，在全频率范围内的有效转矩线如图3.3中之曲线2所示，曲线1为车床的机械特性曲线。可以看出两者已经十分接近了。3.3.7动机的容量电动机的容量与面积成AO'H'G'正比，如图3所示。其大小为:MNMN9550Lmax9550TLmax"Lmid"fkfmax9550n——^M4——afkmax可见，采用两档传动比后，电动机容量可比PM1减小afkf哑倍。电动机的工作频率范围设：最高频率为f =1.5设：最高频率为f =1.5f=75Hz，则最低频率为当a=40时f.min75-^===11.86Hz当a当a=140时fmin75=6.34H%140 z可见，最低工作频率增大了很多，使变频调速系统在最低速时的工作稳定性大大改善了.3.3.8调速系统的选择经上述分析，主轴拖动系统在不更换电动机的条件下，要实现主轴转速的无级调速，可以采用机械多档变速传动，与变频器调速相结合的方法。原拖动与系统概况。电动机的主要数据电动机额定功率：7.5KW电动机额定转速：1450rpm主轴转速范围：10—2000r/min计算数据a.调速范围n―Ln―LmaxnLmin200010=200b.负载转矩1.恒转矩区的最大转速nLDn—Lmax420004=500,/min2.恒转矩区的转矩T="5°*P=9550x =143.25N-mnD 5003.恒功率区的最小转矩T=9552^=9550m=35.8N.MP nm 20003.3.9普通笼型异步电动机变频调速运行时的性能分析普通笼型异步电动机是按工频电源条件下运行所设计制造的，用变频器对其进行调速时，因变频器输出波形中含有谐波的影响，电动机功率因数、效率均有下降，电流与线圈温升将有所增高，电机在额定频率以下连续进行时，影响其带负载能力的主要因素是温升，在额定频率以上连续运行时，电机允许最高频率受轴承的极限转速、旋转件的强度限制，因此初步选定电机的变频范围在10Hz〜75Hz之间。最大频率调节比kf=7.5 kf<a匕=200<kf因此在不变换主轴电机的条件下，主轴拖动系统需采用机械三档以上变速传动比在机械结构上，三档与四档变速传动的方案相似，而采用四档变速对电机的调速更为合适，因此决定利用机械四档变速传动方案。a=4：a=200=3.76f L确定传动比拖动系统机械四档变速分配传动比档次低XL=29中Xm=4高XHT.34最高X=0.8电机工作区恒转矩恒功率恒转矩恒功率恒转矩恒功率恒转矩恒功率主轴转105072360540108016201800速r/min5072.53605401080162018002160电机1050105022.5504550频率Hz5075507550755055电机转29014502901450725145013051450r/min14502175145021751450217514501595低速传动比…竺0=29取X=29L50 L中速传动比X=1450=4.028m360高速传动比1450=1.34X= =1.343=1.34h1080最高速传动比X=1450=0.806ZH1800电机负荷性能核算恒转矩区折算至负载轴的转矩T=tmn"X恒功率区折算至负载轴的转矩T=Tmn/.p■■■k1.4-f人L、人M、人H、人zH调整后。拖动系统机械四档调速分配及带负载核算如下表:传动比档次低中高最高电机工作区恒转矩恒功率恒转矩恒功率恒转矩恒功率恒转矩恒功率主轴转速105072360540108016201800r/min5072.53605401080162018002160电机1050105022.5504550频率Hz5075507550755055电机转速29014502901450725145013051450r/min145021751450217514502175145