機床行業中變頻器應用情況

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、 節能

2、 調速

3、 保護功能可分為以下兩類：

（1） 檢知異常狀態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。

變頻器在機床行業中的應用

　　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，要求機床執行部件具有不同的運動速度，因此機床的主運動應能進行調速，機床用戶對變頻器產品的調速作用更為關注。

　　主軸是車床構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，提升加工質量都有著很重要的作用，變頻器主要應用于主軸調速系統。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品，二是要設計在超速運轉以提高低速轉矩。

變頻器在機床應用的特點

　　變頻調速的調節范圍很廣，一般通用型變頻器都可以實現0—400HZ范圍內無級調速。

　　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），能夠滿足設備的要求。

　　使用變頻調速后，可以簡化齒輪變速箱等原有復雜的機械拖動機構，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，可以與數控系統的控制信號很好的匹配。

變頻器在機床應用的優點

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

　　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幾個端子進行全范圍的控制。變頻器內部有完善的保護措施，勿需在其外圍線路中設計各種保護電路。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。因此，可以比原直流調速系統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揮它結構簡單、堅固耐用、運行可靠、維修方便、價格低廉的優勢，避免直流電機定期更換、維護電刷和換向器的問題。

　　調試方便。變頻器的各種運行參數調試通過智能化鍵盤和顯示器來完成，設置方便、更改靈活、調試時間短。傳統的直流調速系統調試涉及到觸發脈沖相位調整，轉速負反饋調試等多項參數的綜合統調，調試難度大、時間長，且不易達到最優控制。

　　此外，用變頻器來改變切削速度，選定經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，既經濟又方便，是機械加工行業提高加工質量、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，降低噪音，提高主軸精度，有較強的適應各類產品及各種不同材質加工時所需主軸速度配給的特性?？煞奖銓崿F數控，且其成本大大低于同類由直流調速組成的數控系統。

　　經濟型數控車床大多數是不能自動變速的，需要變速時，只能把機床停止，然后手動變速。而全功能數控車床的主傳動系統大多采用無級變速。目前，無級變速系統主要有變頻主軸系統和伺服主軸系統兩種，一般采用直流或交流主軸電機。通過帶傳動帶動主軸旋轉，或通過帶傳動和主軸箱內的減速齒輪（以獲得更大的轉矩）帶動主軸旋轉。由于主軸電機調速范圍廣，又可無級調速，使得主軸箱的結構大為簡化。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。

變頻器在機床行業中的總體市場情況

　　根據自動化網的調查，2008年機床行業變頻器的市場總額約為5億元左右。

　　車床中變頻器的應用規模最多，安川、臺達、富士、三菱等都有較大的市場份額，國產品牌在機床中應用也較多，如匯川在車床中表現都不俗。而磨床、鍛壓行業中對變頻器產品的性能要求較高，國外品牌較多，三菱、富士、西門子、臺達等處于優勢，并且一臺機床需用的變頻器數量也較多，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，并且售后服務完善，近年來市場份額增加較大。

變頻器的發展趨勢

（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，并出現了大量不同層次的控制結構及算法，適應不同的市場定位與需求。值得關注的是無速度傳感器矢量控制（SVC）在近幾年發展較快，由于SVC能夠提供低成本、高性能的解決方案，已經成為通用變頻器中的事實標準和發展方向。

（2）易用性不斷提高

　　多家廠商提供的變頻器在結構上考慮到現場安裝的要求，同時在軟件上加入起動設置工具，通過引導客戶簡化調試過程。

（3） 功率機構模塊化

　　模塊化的功率結構設計為不同系列及功率段產品提供了一致性，利于產品可靠性的提高，為工廠選型、安裝、調試、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動編程能力來提高變頻器的智能化程度，滿足不同應用現場的客戶化需求，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絡聯結能力，并支持多種協議。

（5）高功率密度

　　由于新功率器件以及熱設計技術的進步，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，但在溫升等關鍵技術指標上并未下降。

（6）減小EMI/RFI諧波影響

　　目前變頻器中內置AC電抗器和扼流圈已經非常普遍，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用前景

　　從08年機床銷售數據可以看出，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、大型重型產品市場較好。這些機床加工范圍廣，機床執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。

　　在本次調查中，有客戶反應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展，變頻器的功能也將不斷完善，能更好的服務于機床。

市場趨勢

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

　　目前國內生產的機床主要是低端產品，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和技術引進的力度，而且很多國外品牌開始到中國建立生產廠或者擴大在華的生產能力。

　　對比國內和國外的自動化產品，企業認為國內數控系統的穩定性不夠是國產產品最大的弊病，國外的數控系統技術很完善，目前國產產品和國外的技術仍有很大的差距。除去價格因素，國外的產品僅僅在供貨周期上需時較長，其他基本沒什么缺陷。國產數控系統在未來發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，包括汽車和造船，專業設備制造業如紡機廠和冶金設備制造廠和模具行業。航天航空、汽車和模具工業是近期國內機床市場需求的主體。航天航空工業對機床的需求，主要是高精度、較大規格的數控鏜銑床。汽車工業近期大規模建設項目不多，主要是技術改造。目前主要是將生產中普遍應用的專用機床生產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線，以此來提高生產過程的柔性，適應產品換型快的要求。

　　高檔數控機床與基礎制造裝備重大科技專項的實施，將為中國機床工業的長遠持續發展奠定基礎。