5.9.4.1 闭环控制的接线
仍以空气压缩机的恒压控制为例，其压力变送器有两种类型，它们的接法如下：
1. 远传压力表
远传压力表内部有一个电位器。电位器的滑动端与压力表的指针相联，如图5-62 所示。电位器的阻值大多是400Ω，两个固定端可以直接和目标值给定电位器的固定端并联，滑动端输出的就是与实际压力成正比的反馈信号，接到变频器的反馈量输入端。这里的反馈信号是电压信号。远传压力表比较价廉，用户也较容易掌握。但内部的电位器容易磨损，使用寿命较短。
2. 压力变送器
压力变送器的输出信号大多是电流信号，其接线如图5-62 上部所示，红线接直流电源的“+”端，所需电源通常是直流24V，变频器一般都为用户提供＋ 24V 的直流电源，如图5-63 所示。压力变送器的黑线与电源0V 之间，串联到电流信号的接受电路。具体到变频器，则黑线接到反馈信号通道，接受电路在变频器内部。这时，反馈信号通道应预置为接受电流信号。
5.9.4.2 闭环控制的调试
1. 运行前的调试
第一步，把比例增益P 预置到最小，而把积分时间I预置到约20 ～ 30s 左右。
第二步，逐渐加大P，一直到系统发生振荡，然后取其半。
第三步，逐渐减小I，一直到系统发生振荡，然后增加50%。
2. 运行中的调试
如果发现有轻微振荡，则略减小一点P，或增加一点I；
如果希望在用气量改变后压力恢复得快一些，则略增大一点P，或减小一点I。
第六章 变频改造补遗
上世纪九十年代，我开始承接变频调速的工程项目。其中大部分都已经在多本拙作中作了介绍，这里似无重复的必要。有少部分并未在书中介绍过，也有的项目的某些内容似有更加深入地进行介绍的价值。凡此种种，都补充在本章中，故称之为补遗。
6.1 浆纱机十二单元同步控制
6.1.1 浆纱机概况
陕西某纺织厂的一台浆纱机，有12 个单元，要求各单元同步运行。原拖动系统是靠皮带在锥形带轮上的位置来进行微调的，非但费力，且精度差，不够稳定，产品的质量挡次较低。故要求改用变频调速来实现同步控制。
6.1.1.1 拖动系统的构成
以4 个单元为例，如图6-1 所示，各单元分别由电动机M1、M2、M3 和M4 拖动。第一单元是主令单元，整台机器的运行速度由主令单元进行控制。
6.1.1.2 用户的要求
1．统调
各单元需同时加速和同时减速，加速与减速由主令单元控制。
2．单元微调
虽然进行了统调，但由于各单元的负载轻重不可能完全一致，电动机的机械特性也会有所差异。所以，各单元纱的松、紧程度会有差别，需要进行人工调整，称为微调。
6.1.2 变频改造要点
6.1.2.1 变频器的接线
每台电动机分别由各自的变频器进行控制，如图6-2（a）所示。特点是：
1．起动
各变频器的正转控制端（FWD）都直接与公共端（COM）接通，电动机都采用“上电起动”方式，即，变频器一接上电源，电动机就正转起动。
2．加速与减速
各变频器多功能输入端的X1 端预置为升速（UP）功能，由继电器KA1 控制；X2 端预置为减速（DOWN）功能，由继电器KA2 控制。
6.1.2.2 转速的统调与微调
1．统调
如图6-2（b）， 按下SB1，KA1 得电， 各变频器的X1 端都接通，频率同时上升，各单元同时加速，松开SB1，各单元停止加速；按下SB2，KA2 得电，各变频器的X2 端都接通，频率同时下降，各单元同时减速，松开SB2，各单元停止减速。
如图6-2（b）， 按下SB1，KA1 得电， 各变频器的X1 端都接通，频率同时上升，各单元同时加速，松开SB1，各单元停止加速；按下SB2，KA2 得电，各变频器的X2 端都接通，频率同时下降，各单元同时减速，松开SB2，各单元停止减速。
2．微调
各变频器的加速端都有按钮开关与之相接，可进行加速微调；各变频器的减速端也都有按钮开关与之相接，可进行减速微调。
6.1.3 调试与效果
6.1.3.1 调试要点
1．起动存在问题
在运行前的“穿纱”过程中，由于是人工逐台穿行的，因而负荷较重，电动机不易起动。
2．采取措施：
（1）加大“转矩提升”量；
（2）将起动频率预置为10Hz，使起动时有一点冲击力。
6.1.3.2 运行效果
1．微调方便
改造前，微调是通过改变皮带在锥形带轮上的位置来实现的，不但劳动强度大，并且很难一次到位；改造后，从动单元的微调十分轻松且方便。
2．提高精度
改造前，操作工是依靠手的感觉来决定是否需要进行微调的，精度较差；改造后，可以根据各单元的电流大小来进行微调，大大提高了调节精度，产品质量提高了两个档次。
6.2 饮料灌装输送带的变频改造
6.2.1 概述
6.2.1.1 主要特点
1．运行方式
属于间歇输送式，输送带在工作时，运行和停止不断地交替。每隔一段时间，所有工件同时向下一个工位移动。运行的时间和停止的时间都是一定的。
2．负载性质
在传输过程中，负载阻转矩的大小不变，属于恒转矩负载。
3．主要工位
有：灌装、加盖、贴标签等，如图6-3 所示。
6.2.1.2 电动机特点
1．主要数据
额定容量PMN=5.5 ｋＷ，额定转速nMN=960r∕min。
2．类型及工作特点
由于要求输送带在转换工位时必须准确停住，不允许出现滑动。因此，采用YEJ 系列电磁制动电动机，其基本电路和工作特点如图6-4 所示。电磁制动电动机的电路是在内部已经接好了的，如图6-4（a）所示。
因为电磁铁的绕组MB 是一个大电感，当电源电压为正半周时，电源通过VD1 向线圈MB 提供电流，当电源电压为负半周时，电源不再提供电流，而是由线圈的自感电动势使电流通过VD2 继续流动，VD2 称为续流二极管。RP1 是压敏电阻，是防止在续流二极管电路一旦发生接触不良等故障时，用于保护线圈的。线圈电流的波形如图6-4（b）所示。
6.2.2 变频改造要点
6.2.2.1 变频器的选择
1．变频器的容量
因饮料灌装输送带不大会有严重过载的情形，因此，可选与5.5kW 电动机相配的变频器：SN ＝ 8.5kVA，IN ＝14.2A。用户选购了艾默生公司的TD3000 系列变频器。
2．变频器的型号
由于饮料灌装输送带在起动时，静磨擦力较大，需要较大的起动转矩。因此，以选用具有无反馈矢量控制方式的变频器为宜。又由于在运行过程中负载变化和调速范围均不大，即使是只有V∕F 控制方式的通用型变频器也可选用。
6.2.2.2 变频器与制动器的配合
1．制动器的电源
制动器在出厂时是和电动机共电源的。但变频器的输出电压是随频率而变的，所以，原来的制动器和电动机共电源的联接线不能再用，必须通过单独的接触器与电源相接，如图6-6 所示。
2．电动机的起动和停止
（1）起动
电动机起动时，首先要使制动器通电，把抱闸松开。在抱闸刚松开的瞬间，传动轴常有转动，引起传输带的蠕动，影响定位精度。为此，需预置“起动前的直流制动”，以保证传输带在原位开始移动。制动器的松开时间一般在0.6s 以内，故起动前直流制动的时间可预置为1s，如图6-5中之t1 所示。直流制动结束时，电动机将从起动频率fS 开
1．变频器的通电
由按钮开关SB1、SB2 通过接触器KM 而进行控制。
2．制动器的通电
制动器的通电必须和电动机起动相配合，就是说，如果电动机不起动，制动器就不能通电。
3．电动机起动
电动机起动由继电器KA 接通变频器的FWD 端子来控制。变频器在得到起动指令后，首先执行起动前的直流制动。与此同时，KM2 得电，制动器开始松开。由于制动器的松开过程是在电动机尚未旋转的过程中进行的，不存在磨擦片的磨损问题，延长了制动器的寿命。
4．转速调节
通过电位器RP 进行无级调速。
5．电动机停止
接下SB3，KA 失电，一方面，变频器的输出频率下降至fDB 后开始直流制动；另一方面，KM2失电，制动器失电，开始抱紧。
6.2.2.4 主要元器件的选择
1．空气断路器Q
空气断路器的额定电流应按变频器额定电流的（1.3~1.4）倍选择：
6．2．2．5 变频器主要功能预置
（与出厂设定相同者不再预置）
1．控制方式
F0.02 ＝ 0— 选择无反馈矢量控制方式；
F0.03 ＝ 5— 选择模拟给定方式；
F0.05 ＝ 1— 选择由输入控制端子进行控制。
2．输入电动机的铭牌数据
F1.01 ＝ 5.5— 电动机额定功率为5.5kW；
F1.03 ＝ 380— 电动机额定电压为380V；
F1.04 ＝ 12.6— 电动机额定电流为12.6A；
F1.05 ＝ 960— 电动机额定转速为960r∕min。
3．预置电动机的自动测试功能
F1.09 ＝1—允许自动测试（说明书中为“自动调谐”）；
F1.10 ＝ 1— 选择通过RUN（运行）键进行自动测试的功能。
4．升、降速功能
F2.05 ＝ 1— 选择Ｓ形升、降速方式，这是为了减缓在
升、降速过程中加速度的变化，以防止玻璃瓶倒下；
F0.10 ＝ 5.0— 升速时间选择5s；
F0.11 ＝ 5.0— 降速时间选择5s。
5．程序控制功能
F8.00 ＝ 2— 选择连续循环方式；
F2.24 ＝ 45.00— 第1 档工作频率为45Hz；
F2.02 ＝ 0— 正方向旋转；
F8.03 ＝ 20— 工位转换时间为20s；
F2.25 ＝ 10.00— 第2 档工作频率为10 Hz；
F8.04 ＝ 0— 正方向旋转，升速时间的预置如上述；
F2.26 ＝ 0.00— 第3 档工作频率为0 Hz；
F8.06 ＝ 0— 正方向旋转，升速时间的预置如上述；
F8.07 ＝ 30— 停机加工时间为30s。
6.3 车床的变频改造
6.3.1 普通车床的大致构造与负载性质
6.3.1.1 大致构造
如图6-7 所示，主要部件有：
6.3.1.3 主拖动系统的阻转矩
6.3.2.1 原拖动系统概况
1. 头架
用于固定工件并带动工件旋转。内藏齿轮箱，是主要的传动机构之一。
2. 尾架
用于顶住较长的工件，是固定工件用的辅助部件。
3. 刀架
用于固定车刀。
4. 床身
用于安置所有部件。
6.3.1.2 拖动系统
普通车床的拖动系统主要包括以下两种运动：
1. 主运动
工件的旋转运动为普通车床的主运动，带动工件旋转的拖动系统为主拖动系统。主拖动系统由主电动机、皮带和带轮以及头架中的齿轮箱构成，如图6-8（a）所示。转速的调节是通过改变头架上手柄⑤的位置，从而改变齿轮箱内的齿轮组合来进行的。工件旋转方向的改变也是通过机械手段来实现的。因此，电动机的控制电路十分简单，如图（b）所示。
2. 进给运动
主要是刀架的移动。由于在车削螺纹时，刀架的移动速度必须和工件的旋转速度严格配合，故中小型车床的进给运动通常由主电动机经进给传动链而拖动的，并无独立的进给拖动系统。
6.3.1.3 主拖动系统的阻转矩
1．阻转矩的构成
主拖动系统的负载转矩就是工件在切削过程中形成的阻转矩。理论上说，切削功率用于切削的剥落和变形。故切削力正比于被切削工件的材料性质和切削面积，切削面积由切削深度和走刀量决定。而切削转矩则取决于切削力和工件回转半径的乘积，如图6-9（a）所示：
6.3.1.4 主拖动系统的机械特性
1．低速段
由于允许的最大进刀量以及工件的最大直径都是相同的，故负载转矩也相同，属于恒转矩性质，机械特性如图6-9b）中之线段①所示。
2．高速段
转速升高后，由于受刀具强度以及床身机械强度和振动等的影响，继续保持较大的切削转矩将可能损坏刀具和床身。因此，速度越高，允许的最大进刀量越小，但切削功率则保持不变，其机械特性具有恒功率性质，如图6-9b中之曲线②所示。
3．计算转速
恒转矩区和恒功率区的分界转速，称为计算转速，用nD 表示。关于计算转速大小的规定大致如下：一般规定：从最低速起，以全部级数的三分之一的最高速作为计算转速。
6.3.2 变频调速的改造实例
某厂的意大利产SAG 型精密车床，调速时，齿轮的组合（转速换档）是通过四个电磁离合器的状态来改变的。由于电磁离合器的损坏率较高，国内无配件，进口件又十分昂贵，故考虑改用变频调速。具体情况如下：
6.3.2.1 原拖动系统概况
1．转速档次
主运动原有八档转速：75、120、200、300、500、800、1200、2000r∕min。
2．电动机的主要额定数据
3．调速方式
由手柄的八个位置来控制四个电磁离合器的分与合，得到齿轮的八种组合，从而得到八档转速。
6.3.2.2 主要计算数据
1．负载侧数据
2．电动机侧数据
2．电动机侧数据
3．用户要求
（1）尽可能不更换电动机；
（2）在高速区，过载能力不低于1.5；
（3）根据电动机输出轴的实际情况，不希望增加转速
反馈装置；
（4）转速档次及控制方式不变，即仍由手柄的八个位置来控制八档转速。
6.3.3 变频改造的计算
6.3.3.1 变频方案的初探
1．频率范围
（1）最高工作频率
通用电动机的工作频率不宜超过额定频率的2 倍，故：
3．带负载能力的校核
（1）低速时
图6-11 中，曲线①是负载恒转矩段的机械特性；曲线②是负载恒功率段的机械特性；曲线③是电动机在额定频率时的有效转矩线；曲线④是电动机在额定频率以上时的有效转矩线。由图可知，在800 r ∕ min 以下各档，电动机都将带不动负载。
4．解决办法
要想在低频时能带动负载，只有两种办法：
即，电动机的容量必须加大3 倍多，电动机的机座将增大很多，无法安装。
6.3.3.2 两挡传动比方案的思考
由于车床对转速的调节，只在停机时进行，在车削过程中并不调速。因此，可考虑将传动比分为两档。
负载恒功率段的机械特性；曲线③是低速档电动机在额定
频率以下的有效转矩线；曲线④是低速档电动机在额定频
率以上时的有效转矩线；曲线⑤是高速档电动机在额定频
率以下的有效转矩线；曲线是⑥高速档电动机在额定频率以上时的有效转矩线。
由图知，所需电动机容量与面积OA’D’B’成正比，与负载功率（负载功率与面积OADB 成正比）十分接近。
3．低速档的频率范围
（1）确定中间转速
因为nL≤300r∕min 为恒转矩区，所以，在低速档，电动机的额定频率与第4 档转速（300r ∕ min）相对应。则：
∵ 第6 档转速（800r ∕ min）与第4 档转速的比值为
（800∕300）＝ 2.7，对应的工作频率达50×2.7 ＝ 135 Hz，
普通电动机不适宜在这样高的频率下长期运行。
6.3.3.3 确定传动比
1．拖动系统的工作区
综合上述，拖动系统的工作区如表6-2 所示。
