图2 9米龙门铣床变频调速电气原理图
4 变频器及其周边设备的容量计算
4.1 变频器容量计算
在变频器容量计算之前，要确定拖动负载的电动机容量。由于有原直流电机作依据，我们不必进行详细的转矩计算。由于工作台进给电机容量（11kw）大于左、右主轴进给电机容量（均为1.5kw），所以变频器容量的计算以工作台进给电机为依据。
工作台进给传动交流电机参数为:型号,y160m-4;功率，pn=11kw;转速， ne=1460r/min;额定电流，in=22.6a。
变频器连续运行的场合，其额定输出电流：
i1nv≥1.1imax （1）
式中: i1nv为变频器额定输出电流，imax为电动机实际最大电流。
根据现场测试的数据，工作台进给传动电机的最大负载电流imax≈26a，代入上式（1）则有:i1nv≥1.1×26=28.6a，即变频器的额定输出电流必须大于28.6a。查富士frn-g11s变频器手册，选择frn15g11s-4cx型，它的额定输出电流为30a，满足式（1）的要求。
4.2 再生能量的处理
当采用变频器传动的工作台进给电机急减速时，异步电动机将处于再生发电状态。变频器逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当中间直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。
在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案。
（1）动力制动
在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉；
（2）采用再生整流器方式
将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。动力制动方式控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高。
考虑到节省技改投资、提高设备的可维修性和可靠性，采用动力制动方式。关于各机构采用动力制动方式后的元器件选用和计算,可参阅[1]，限于篇幅，此不赘述。
按照制动单元和制动电阻选型、计算公式进行换算，变频器frn15g11s-4cx配用1台富士公司的bu3-220-4型制动单元和1台db15-4型制动电阻，其技术参数：最大制动转矩150%，100%制动转矩连续制动10s，pbr=7.5kw， prcont=0.375kw（100秒钟工作周期）。
4.3 变频器低速运行时的特点及对策
常规设计的自冷式异步电机在额定工况下及规定的环境温度范围内，是不会超过额定温升的，但处于变频调速系统中，情况就有所不同。自冷式异步电机在20hz以下运行时，转子风叶的冷却能力下降，再如果在恒转矩负载条件下长期运行，势必造成电机温升增加，使调速系统的特性变坏。所以，当自冷式异步电机在低频运行并且拖动恒转矩负载时，必须采取强制冷却措施，改善电机的散热能力，保证变频调速系统的稳定性。
5 plc在变频调速系统设计中的应用
5.1 plc硬件配置
这次改造中，plc选用日本欧姆龙公司的模块式c200h,cpu单元为cpu01-e,存储器选4kb eeprom，型号为me431，两个输入单元均为16点的id212，三个输出单元分别为12点的oc222，8点的oc221，独立接点8点的oc224。
5.2 变频器控制部分的plc程序设计
龙门铣床的工作台进给、左主轴进给和右主轴进给，通过切换变频器输出侧的接触器来实现，如图2所示。如果在变频器正常输出时切换输出侧的接触器，将会在接触器触点断开的瞬间产生很高的过电压而极易损坏变频器中的电子器件。因此，切换变频器输出侧的接触器一定要等到所控制的电机完全停止以后，才能完全切换。下面详细分析如何用plc程序来实现变频器输出侧电机的完全切换。
首先分析变频器输出切换保护部分plc程序，如图3所示中所用的下降沿微分指令(difd)。当进给方向选择开关sa3从工作台进给切换到左主轴进给时，0009由on变成off，同时，0010由off变为on。此时，内部辅助继电器4500在一个扫描周期内on，而4501保持off状态不变。如果在变频器正常输出的情况下，进给方向选择开关sa3切换，3个内部辅助继电器4500、4501和4502三中必定有一个扫描周期内由off变为on，继电器3007变为on并保持2s(tim002的设定时间必须大于变频器的制动时间)后变为off。在sa3切换时，由于变频器在正常输出，则继电器3100，3101中必有一个为on，继电器3008也为on。在sa3切换的瞬间，由于继电器3007，3008都为on状态，继电器3012变为on，它切断变频器的输出进给信号，变频器开始制动停止。在sa3切换信号消失2s后，此时变频器已停止输出，继电器3007，3008由on变为off，出现下沿信号，继电器4503在一个扫描周期内on，切断变频器输出侧的接触器，使电机切换到所需的进给方向。如果在变频器停止输出时，sa3切换，由于继电器3008为off,继电器3013会在sa3切换的瞬间在一个扫描周期内on，从而把变频器输出侧的接触器立即切换到所需的进给方向。
图3 9米龙门铣床变频调速系统部分plc控制程序
变频器出现异常时，通过它内部的报警继电器驱动控制柜上的报警指示灯hl1，使hl1连续闪烁，指示操作人员变频器出现异常，必须立即停机检修。变频器报警延时0.5s后，切断输入侧的接触器km2，使出现故障的变频器脱离电源，以免故障进一步扩大。
变频器输出切换保护部分的plc程序，限于篇幅，此不赘述。
6 变频器和plc的安装和接线
6.1 变频器和plc的安装
变频器和plc的安装度为-10℃至50℃。控制柜内的发热元器件有变压器、接触器、变压器及其制动电阻等，为了降低这些大发热量器件而致的柜内温升，可采用两种方法。一是加大控制柜的尺寸，二是增加柜内的换器风量。方法一势必造成控制电柜体笨重，增加金属用料，不经济；方法二只增加一台成本较低的换气风扇，较为经济。变频器在控制柜内安装时， 应尽量靠近柜内顶部的换气扇，让从电柜下部进入的冷空气全部通过热源部分。
对此以数字电路为主构成的plc来说，工作灵敏度高，很容易受到各种外来电磁干扰，引起误动作。目前市场上出售的变频器多采用pwm控制，它的输出电流中含有多种谐波，是强电磁干扰源。为了防止变频器对plc的干扰，plc的安装应尽量远离变频器，并且它们的安全保护接地，屏障接地均应采取单点接地。
变频器和plc周围的控制回路的接触器，继电器的线圈、触点在开闭时，会因电流急剧变化而产生很强的电磁干扰，有时会使变频器和plc的控制回路，外部没有产生误动作，需要在这种干扰源的线圈，触点两端加装浪涌吸收电路。
变频器和plc安装于高湿度的场所，常发生绝缘劣化和金属部分腐蚀。如果受场所限制，不得已用于高湿度场所，必须加装除湿装置，防止变频器和plc停止工作时的结露。
在有振动的场所安装时，在振源侧需采取减少振动的措施，而在变频器和plc侧加装隔振器或防振橡胶。
6.2 变频器和plc的配线
（1）变频器主回路
变频器无速度传感器矢量控制运行要用电机的定子电阻，而数据的获得是由变频器的参数自检测程序来完成的。如果按常规的导线发热校验选择电机的配线，必然在长距离供电时，把线路电阻加入到了参数自检测出的定子电阻数据中，引起变频器的控制精度下降，达不到设计要求。所以，变频器输出回路的导线应在常规发热校验的基础上再加大1-2级截面等级。
（2）控制回路
变频器和plc的控制信号为微弱的电压、电流信号，所以与主回路不同，对于变频器的输出回路是强电磁干扰源，因此，变频器和plc控制回路的配线不能与变频器主回路配线在同一根铁管或同一配线槽内敷设。为了进一步提高抗干扰效果，还应采用1.0mm2绝缘屏蔽导线。绝缘屏蔽导线的接地应在变频器和plc侧进行单点接地，使用专用的接地端子，不与其它的接地端子共用。电磁感应干扰的大小与电线的长度成比例，所以要尽可能地以最短的线路敷设。
7 系统调试
7.1 通电前的检查
（1）变频器外围接线检查
在变频器外围接线检查中应注意以下几个方面：
● 电源线应与r、s、t端子连接，绝对不能连至u、v、w端子上；
● 端子之间，外露导电部分有无短路、接地现象；
● 接地端子必须良好接地；
● 端子、连接器的螺钉是否紧固；
● 电机是否与机械装置安全脱离。
（2）plc外围接线检查
变频器控制系统plc外围接线检查应着重检查以下几个方面：
● plc的220v供给电源接线是否正确；
● plc输入单元的+24v电源接线是否正确，绝对不能混入220v强电；
● plc输出单元不能存在短路隐患；
● plc输出单元所带负载的电源接线是否正确。
7.2 变频调速系统功能参数设置
变频器在出厂时，所有的功能码都已设置了。但是，龙门铣床调速系统的要求与工厂设定值不尽相同，所以，一些重要的功能参数需要重新设定。
（1）工作台进给电机m1的功能参数设置
● 加速时间1（功能码f07）：1s；
● 减速时间1（功能码f08）：1s；
● 电子热继电器1的ol设定值（功能码f11）：23a；
● 转矩矢量控制1（功能码f42）：1；
● m1参数——极对数（功能码p01）：4；
● 容量（功能码p02）：11kw；
● 额定电流（功能码p03）：22.6a；
