机床行业中变频器应用情况

变频器简介

　　变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

　　一般而言，变频器必须有几项基本的能力：

1、 节能

2、 调速

3、 保护功能可分为以下两类：

（1） 检知异常状态后自动地进行修正动作，如过电流失速防止，再生过电压失速防止。

（2） 检知异常后封锁电力半导体器件PWM控制信号，使电机自动停车。如过电流切断、再生过电压切断、半导体冷却风扇过热和瞬时停电保护等。

变频器在机床行业中的应用

　　由于机床加工范围较广，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求机床执行部件具有不同的运动速度，因此机床的主运动应能进行调速，机床用户对变频器产品的调速作用更为关注。

　　主轴是车床构成中一个重要的部分，对于提高加工效率，扩大加工材料范围，提升加工质量都有着很重要的作用，变频器主要应用于主轴调速系统。目前对客户来说变频器的性价比很高，所以变频器在车床上使用非常普遍。

　　通用变频器要想顺利的使用在机床行业必须有两个重要考虑：一是选用无速度传感器矢量控制的产品，二是要设计在超速运转以提高低速转矩。

变频器在机床应用的特点

　　变频调速的调节范围很广，一般通用型变频器都可以实现0—400HZ范围内无级调速。

　　考虑到机床要求具有较硬的机械特性。符合变频器+普通电机（或变频电机）传动具有机械特性硬的特点。一般在低频下都可以提供150%负载转矩的能力。

　　考虑到机床需要在低速时具有强大过载能力。变频器可以提供150%的过载保护（60S），能够满足设备的要求。

　　使用变频调速后，可以简化齿轮变速箱等原有复杂的机械拖动机构，自动化程度高，操作简单，维修方便。

　　变频器具有电压（DC0—5V，DC0—10V），电流模拟输入接口，可以与数控系统的控制信号很好的匹配。

变频器在机床应用的优点

　　目前由于变频器的高性价比，所以变频器在经济型数控机床和普通机床的数控化改造中使用非常普遍。其主要优点在于：

　　首先，简化控制线路。变频器的使用极为方便、可通过其外围的少数几个端子进行全范围的控制。变频器内部有完善的保护措施，勿需在其外围线路中设计各种保护电路。由于变频器的正反向运行是通过控制端子来改变逆变器的输出相位来实现。因此，可以比原直流调速系统少两个大型直流接触器。采用具有无速度传感器的矢量控制变频器后，还可以去掉用作传速反馈的速度传感器，使控制线路大为简化；

　　可以采用标准异步电机。采用笼型异步电机可以发挥它结构简单、坚固耐用、运行可靠、维修方便、价格低廉的优势，避免直流电机定期更换、维护电刷和换向器的问题。

　　调试方便。变频器的各种运行参数调试通过智能化键盘和显示器来完成，设置方便、更改灵活、调试时间短。传统的直流调速系统调试涉及到触发脉冲相位调整，转速负反馈调试等多项参数的综合统调，调试难度大、时间长，且不易达到最优控制。

　　此外，用变频器来改变切削速度，选定经济效益最佳切削速度。速度选择好之后，用改变皮带轮直径和（或）更换电机的方法来改变切削速度，既经济又方便，是机械加工行业提高加工质量、降低加工成本的一种行之有效的方法。

　　变频器能减少变速传动齿轮的对数，降低噪音，提高主轴精度，有较强的适应各类产品及各种不同材质加工时所需主轴速度配给的特性。可方便实现数控，且其成本大大低于同类由直流调速组成的数控系统。

　　经济型数控车床大多数是不能自动变速的，需要变速时，只能把机床停止，然后手动变速。而全功能数控车床的主传动系统大多采用无级变速。目前，无级变速系统主要有变频主轴系统和伺服主轴系统两种，一般采用直流或交流主轴电机。通过带传动带动主轴旋转，或通过带传动和主轴箱内的减速齿轮（以获得更大的转矩）带动主轴旋转。由于主轴电机调速范围广，又可无级调速，使得主轴箱的结构大为简化。目前对客户来说由于变频器的高性价比，在车床上使用非常普遍。

变频器在机床行业中的总体市场情况

　　根据自动化网的调查，2008年机床行业变频器的市场总额约为5亿元左右。

　　车床中变频器的应用规模最多，安川、台达、富士、三菱等都有较大的市场份额，国产品牌在机床中应用也较多，如汇川在车床中表现都不俗。而磨床、锻压行业中对变频器产品的性能要求较高，国外品牌较多，三菱、富士、西门子、台达等处于优势，并且一台机床需用的变频器数量也较多，高的可达4-5台。

　　由于三菱变频器接近伺服的功能，其在机床中的应用也较大；台达由于其功能接近三菱，但价钱便宜许多，性价比较高，并且售后服务完善，近年来市场份额增加较大。

变频器的发展趋势

（1）高性能化

　　目前基本上所有的变频器都提供矢量控制方式，并出现了大量不同层次的控制结构及算法，适应不同的市场定位与需求。值得关注的是无速度传感器矢量控制（SVC）在近几年发展较快，由于SVC能够提供低成本、高性能的解决方案，已经成为通用变频器中的事实标准和发展方向。

（2）易用性不断提高

　　多家厂商提供的变频器在结构上考虑到现场安装的要求，同时在软件上加入起动设置工具，通过引导客户简化调试过程。

（3） 功率机构模块化

　　模块化的功率结构设计为不同系列及功率段产品提供了一致性，利于产品可靠性的提高，为工厂选型、安装、调试、维护带来了方便，有效降低了运行维护成本。

（4）智能化

　　一是通过提供客户化的驱动编程能力来提高变频器的智能化程度，满足不同应用现场的客户化需求，这实际上是将PLC的部分功能融入变频器中。

　　二是通过通讯来与外部智能化设备（如PLC）接口来提高变频器的智能化程度。目前知名厂商的变频器都具备网络联结能力，并支持多种协议。

（5）高功率密度

　　由于新功率器件以及热设计技术的进步，目前的变频器越来越紧凑，体积越来越小，功率密度越来越高，但在温升等关键技术指标上并未下降。

（6）减小EMI/RFI谐波影响

　　目前变频器中内置AC电抗器和扼流圈已经非常普遍，这些对减小EMI/RFI谐波的影响都起了重要作用。

变频器在机床中的应用前景

　　从08年机床销售数据可以看出，通用型机床尤其是功能单一的车床库存情况相当严重，而复合型机床、大型重型产品市场较好。这些机床加工范围广，机床执行部件具有不同的运动速度，对变频器性能也提出了更高的要求。

　　在本次调查中，有客户反应选用的变频器就是因为其功能接近伺服，在满足强度的基础上增加了对精度的控制。此外，有客户认为目前变频器干扰别人的现象比较严重，需要将波形靠近正弦波，力量更强一些。

　　随着变频器和机床的发展，变频器的功能也将不断完善，能更好的服务于机床。

市场趋势

　　根据中国自动化网的调查显示，在回答金融危机对企业造成的影响问题中，基本上是普通机床企业受到的影响比较大，而主攻中高端产品的企业受到的影响相对来说比较小，这就说明提高数控化率，提高机床的档次，特别是加工精度高或者是超高精度的产品，是解决企业生存发展的重要途径之一。企业提高数控化产品的比例的任务已经迫在眉睫。

　　目前国内生产的机床主要是低端产品，加工精度比国外水平存在差距，控制水平很低，CNC、PLC、伺服、HMI等的使用率不高。但是随着市场需求的影响，越来越多的厂家加大了开发和技术引进的力度，而且很多国外品牌开始到中国建立生产厂或者扩大在华的生产能力。

　　对比国内和国外的自动化产品，企业认为国内数控系统的稳定性不够是国产产品最大的弊病，国外的数控系统技术很完善，目前国产产品和国外的技术仍有很大的差距。除去价格因素，国外的产品仅仅在供货周期上需时较长，其他基本没什么缺陷。国产数控系统在未来发展上依然任重而道远。

　　中国的机床最终用户主要集中在交通工具制造行业，包括汽车和造船，专业设备制造业如纺机厂和冶金设备制造厂和模具行业。航天航空、汽车和模具工业是近期国内机床市场需求的主体。航天航空工业对机床的需求，主要是高精度、较大规格的数控镗铣床。汽车工业近期大规模建设项目不多，主要是技术改造。目前主要是将生产中普遍应用的专用机床生产线改造为具有较高柔性的，以高速加工中心为主的柔性生产线，以此来提高生产过程的柔性，适应产品换型快的要求。

　　高档数控机床与基础制造装备重大科技专项的实施，将为中国机床工业的长远持续发展奠定基础。