1. 引言
由于电力电子技术的不断发展和进步，伴随着新的控制理论的提出与完善，使交流调速传动，尤其是性能优异的变频调速传动得到飞速的发展。近年来，变频器的售价不断下降，而其使用功能却不断提升和扩大，它现在已经广泛应用于从一些数百瓦级的家用器械直到一些数千千瓦级的大型工业传动装置的驱动。交流变频调速已从最初的只能用于风机、水泵的调速过渡到应用于各类要求高精度、快响应的高性能调速指标的工业现场。

交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的通用机械产品大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有和直流调速系统相媲美的高性能调速指标，它可以采用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机进行调速，并且变频调速系统的效率比传统的交流调速系统要高，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交、直流调速系统有较大的提高。
目前，高性能的交流变频调速系统已完全可以和直流调速系统相媲美，而且可以在直流电机无法应用的场合使用。直流调速传动一统天下的旧格局已被打破，用交流调速传动取代直流调速传动已成为可能。所以，交流变频调速技术应用于通用机械产品是今后通用机械产品调速技术发展的主流。

2. 圆锯机电气传动采用变频调速的必要性
我厂用于道岔产品锯切下料的G607圆锯机，在PD3等淬火轨大量下料的情况下，已暴露出加工效率低、刀具成本高的缺点。设备技改部门对圆盘踞进行了成功改造，在锯盘上安装了硬质合金片铣刀。
改造后的圆锯机要求锯盘电机和进料滚道电机都要无级调速，以适应硬质合金刀具和调整锯口的要求。
近年来，交流变频调速传动的发展日新月异，它的优异的调速性能已能取代传统的直流调速系统。而且，随着电子元器件的发展，变频器的价格不断降低，经济性价比,不断上升，也给它的应用提供了日益广阔的市场。我们详细分析比较了直流调速系统与交流调速系统的优缺点，采用变频器改造原电气传动系统，可带来以下好处：

2.1 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控制端子进行全范围控制。变频器内部有完善的保护措施，无须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，因此可以比传统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，还可以去掉用作转速反馈的速度传感器，使控制线路大为简化。

2.2 节省投资，可以采用标准笼型异步电机
采用笼型异步电机变频调速，可以利用圆锯机原有的异步电机，从而节省投资。而且，充分发挥它坚固耐用、结构简单、运行可靠、维护方便、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麻烦。

2.3 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，放大板PI整定，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。

3. 变频器的选择
变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。选择变频器，首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，然后决定选用何种控制方式的变频器最合适。所谓合适是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比。

3.1 机械设备的负载转矩特性
人们在实践中常将生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：恒转矩负载、恒功率负载和流体类负载。

3.1.1恒转矩负载
在这类负载中，负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形增加。传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载，都属于恒转矩负载。
变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速时的输出转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下长时稳速运行，应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力，避免电动机温升过高。

3.1.2恒功率负载
这类负载的特点是需求转矩TL与转速n大体成反比，但其乘积即功率却近似保持不变。金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负载。
负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。

3.1.3流体类负载
这类负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。各种风机、水泵和油泵，都属于典型的流体类负载。
流体类负载通过变频器调速来调节风量、流量，可以大幅度节约电能。由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负载转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行。

3.2变频器的控制方式
现在市场上出售的变频器种类繁多，功能也日益强大，变频器的性能也越来越成为调速性能优劣的决定因素，除了变频器本身制造工艺的“先天”条件外，对变频器采用什么样的控制方式也是非常重要的。下表综述了近年来各种变频器控制方式的性能特点。

综上所述，异步电动机变频控制选用不同的控制方法，就可得到不同性能特点的调速特性。
同时，调频控制根据不同的控制方法，就可得到不同类型的机械特性。基频以下恒磁通变频调速控制方式，其机械特性属于恒转矩调速方式，它适用于负载转矩与转速无关，任何转速下负载转矩总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形增加的应用场合，例如传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载等。基频以上弱磁变频调速控制方式，其机械特性属于恒功率调速方式，适用于负载随转速升高而减小的应用场合，例如机床主轴的传动、卷扬机等。

3.3 根据负载特性选取适当控制方式的变频器
我们这次电气传动改造的对象是圆锯机的锯盘和滚道，锯盘传动属于恒功率负载，而滚道传动属于恒转矩负载。道岔加工工艺对电气传动调速的要求是：调速范围D≥30，要达到30:1的调速比就必须选用带有矢量控制功能的高性能变频器。
异步电机的矢量控制就是象它励直流电机控制一样，将电机定子的输入电流分解成产生磁通的电流分量和产生转矩的电流分量，分别进行独立瞬时的控制，同时将二者合成后的定子电流供给电机。原理上，因为以矢量控制决定变频器的输出频率，所以需要检测电机的转速，这是转差型矢量控制系统。随着控制理论的发展和数字信号处理器（DSP）的应用，不用速度传感器“只用异步电机三根线控制”即无速度传感器矢量控制也实现了实用化。目前，市场上出售的无速度传感器矢量控制变频器的调速范围可达到100：1。无速度传感器矢量控制是通过转矩电流的变化量的积分运算来推算电机的转速，势必会带来推算的误差。如果要求进一步提高调速范围和精度，就要选用带速度传感器的矢量控制。目前，市场上出售的带速度传感器矢量控制变频器的调速范围可达1000：1。
普通笼型电机安装速度传感器不但增加工艺难度，而且加大了技改成本。由于无速度传感器矢量控制变频器的主要技术指标已能满足原机床的设计要求，所以我们选择了富士FRENIC5000G11S型低噪音、高性能、多功能变频器，它的几项主要技术指标如下：
① 调速范围
无速度传感器矢量控制100：1
② 启动力矩
0.5HZ时200%额定转矩（动态转矩矢量控制）
③ 频率精度
最高输出频率的±0.2%以下
由于圆锯机的锯盘传动属于单台电机传动的恒功率负载，而滚道传动则属于多台电机传动的恒转矩负载，且两者不同时运行，因此
圆锯机变频调速系统采用一台变频器拖动多台电动机的通用U/f开环频率控制方式，锯盘电机和滚道电机通过变频器输出侧的接触器KM1、KM2的切换来实现，如图1所示。由于在变频器“一拖多” 通用U/f开环频率控制方式中，变频器提供的电子热继电器保护功能无法实现对单台电动机的过载保护，为此在每台电动机回路中串入带有热过载保护功能的低压断路器，以实现对单台电动机的过载保护，电动机故障信号取自低压断路器的辅助触点。

　　由于G11S变频器提供第1电机和第2电机切换功能，且第2电机也有类似第1电机的功能参数设置选项，因此我们利用该功能将锯盘电机设置为第1电机（动态转矩矢量控制模式），滚道电机设置为第2电机（开环U/f控制模式）。

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。由于有原交流电机作依据，我们不必进行详细的转矩计算。由于锯盘传动电机容量（15KW）大于滚道传动电机总容量（7.5KW），所以变频器容量的计算以锯盘电机为依据。
原锯盘传动交流电机参数为：型号，Y160M-4；功率，Pn=11KW；转速，ne=1460rpm；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）
上式中I1nv为变频器额定输出电流，Imax为电动机实际最大电流。
根据我们现场测试的数据，锯盘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
由于圆锯机锯盘直径为710mm，属于大惯量负荷。当采用变频器传动的锯盘电机急减速时，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 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，这种方式称为动力制动；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，我们采用动力制动方式。关于各机构采用动力制动方式后的元器件选用和计算,可参阅参考文献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10秒，PBR=7.5KW， PRcont=0.375KW（100秒钟工作周期）。

4.3 变频器输出侧的配置禁忌
圆锯机的锯盘电机和滚道电机通过变频器输出侧的接触器KM1、KM2的切换来实现，如图1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。由于G11S变频器提供第2电机切换输出信号，我们利用变频器的Y5输出继电器来完成M1/M2的零电压完全切换。

5 变频器的安装和接线
5.1 变频器的安装
变频器要求的安装环境温度为-10℃至50℃。控制柜内的发热元器件有变压器、接触器、变频器及其制动电阻等，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，让从柜下部进入的冷空气全部通过热源部分。
变频器周围控制回路的接触器，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，有时会使变频器的控制回路受到电磁干扰的影响而产生误动作，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，而在变频器侧加装隔振器或防振橡胶。

5.2 变频器的配线
5.2.1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。

5.2.2控制回路
变频器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。

6 系统调试

6.1 通电前的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：
①电源线应与R、S、T端子连接，绝对不能连至U、V、W端子上。
②端子之间，外露导电部分有无短路、接地现象。
③接地端子必须良好接地。
④端子、连接器的螺钉是否紧固。
⑤电机是否与机械装置安全脱离。

6.2 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，圆锯机变频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。

6.2.1 锯盘电机M1的功能参数设置
①加速时间1（功能码F07）：3s；
②减速时间1（功能码F08）：3s；
③电子热继电器1的OL设定值（功能码F11）：23A；
④转矩矢量控制1（功能码F42）：1；
⑤M1参数——极数（功能码P01）：4；容量（功能码P02）：11KW；额定电流（功能码P03）：22.6A；空载电流（功能码P06）：4.2A；在上述参数设定完后，将功能码P04（电机参数自整定）设定为1，等大约5秒钟，变频器会自动测试锯盘电机内部数据并保存。如果在测试中发生异常报警，请参阅变频器用户手册予以解决。

6.2.2 滚道电机M2的功能参数设置
①最高输出频率2（功能码A01）：50Hz；
②转矩提升2（功能码A05）：4.0；
③电子热继电器2的OL设定值（功能码A07）：19A；
④加速时间2（功能码E10）：1s；
⑤减速时间2（功能码E11）：1s；

6.2.3 公用功能参数设置
①X1端子功能选择（功能码E01）：9；外部报警，X1端子串入变频器外围的制动单元和制动电阻的热敏开关，当它们发生故障时变频器立即报警停止；
②X3、X4端子功能选择（功能码E03、E04）：分别为4和5；第1/第2加减速时间选择；
③X2端子功能选择（功能码E02）：12；电机2/电机1选择；
④ 频率设定1（功能码F01）：1；
⑤运行操作（功能码F02）：1；

6.3 加、减速时间的设定
加减速时间可用计算的方法求得，如果实际计算有困难时，可采用以下方法。先将加减速时间设定成较大值，关掉失速电平功能，再逐次减小加减速时间设定值，以变频器不发生报警时的设定值为最佳。即便是根据计算求得的设定值，也要利用变频器的报警功能进行最终确认。变频器加减速时间设定完后，失速电平功能要恢复成ON状态。

6.4 试运行
变频调速系统的功能参数设定完后，就可进行系统试运行。先用操作盘上的速度给定电位器设定大约5HZ的低频，按下正反转按钮，让锯盘传动电机空载运转几分钟。注意观察电机的运转方向是否正确，转速是否平稳，温升是否正常，加减速是否平滑等。再继续在10、20、35、50HZ等频率点试运行。如果试运行正常，变频调速系统就可投入正式运行。

7 结束语
本文详细分析了变频器的控制特性，提出了变频器无速度传感器矢量控制模式和开环U/f控制模式在圆锯机交流变频调速系统应用中的可行性，给出了变频器及其周边设备的选型计算公式。经过一年多的实际运行证明，本文推荐的圆锯机变频调速系统，不但线路大为简化，而且各项调速性能达到设计要求，再加上变频器完善的故障诊断和显示功能，使整个调速系统的可靠性、可维修性得到大幅度提高。