一、前言

　　本文通過(guò)動(dòng)態(tài)仿真的理論分析，對(duì)提高機(jī)床的競(jìng)爭(zhēng)能力提供理論依據(jù)，并對(duì)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一些借鑒。

　　二、變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

　?。ㄒ唬┕?jié)約電能

　　在我們的日常生產(chǎn)過(guò)程中風(fēng)機(jī)和電泵有著極其廣泛的應(yīng)用，在風(fēng)機(jī)和電泵運(yùn)行的過(guò)程中需要消耗大量的電能，增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本。為了減少能源的消耗，經(jīng)常會(huì)用到擋板和閥門對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)的過(guò)程中無(wú)形的浪費(fèi)了大量的資源。通過(guò)變頻技術(shù)能對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵的流量進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，減少了能源的浪費(fèi)。

　?。ǘ┨岣呱a(chǎn)率

　　變頻技術(shù)的應(yīng)用能根據(jù)設(shè)備的負(fù)載情況選擇出最佳的轉(zhuǎn)速，保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，這樣就能保證設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的精度，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)，還能憑借低速提高停車的精度，減少生產(chǎn)的間歇，也為提高生產(chǎn)效率奠定了基礎(chǔ)。

　　（三）提高產(chǎn)品質(zhì)量

　　產(chǎn)品機(jī)械加工的過(guò)程中，設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行是提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，通過(guò)變頻技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供了條件，這樣就能提高生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的精度。

　　三、變頻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理

　　變頻電機(jī)中的電路是由濾波電路、整流電路、逆變電路和制動(dòng)電路四個(gè)部分組成的，輸出的波形大多以脈沖方波為主，脈沖方波中高次諧波成分比較多。在正常的供電工程中，頻率和電壓按照一定的比例關(guān)系進(jìn)行變化，這樣就不能實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的同時(shí)調(diào)整，作為電源使用存在著一定的弊端。

　　（一）整流電路

　　使用三相不可控橋式整流電路是整流電路經(jīng)常采用的一種手段，三相不可控由VD1-VD6組成，通過(guò)變壓設(shè)備將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，由三相轉(zhuǎn)化成為兩相。

　?。ǘV波電路

　　整流后的電壓含有大量的高次諧波，需要采用濾波電路進(jìn)行處理。濾波電容除了濾除高次諧波外，還起到消除整流電路與逆變電路之間的耦合，消除干擾，提高功率因數(shù)的作用。

　　（三）制動(dòng)電路

　　電機(jī)在減速時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將可能超過(guò)此時(shí)的同步轉(zhuǎn)速而處于再生制動(dòng)（發(fā)電）狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能將反饋到直流電路中使直流母線濾波電容兩端產(chǎn)生泵升電壓，使變頻器產(chǎn)生過(guò)壓，甚至可能損壞變頻器。

　　（四）逆變電路：逆變管V1-V6組成三相橋式整流電路將直流電逆變成頻率和幅值都可調(diào)的交流電。逆變模塊的IGBT開關(guān)控制信號(hào)常采用脈寬調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation-PWM）實(shí)現(xiàn)。逆變調(diào)速系統(tǒng)具有兩種控制方式：開環(huán)控制和閉環(huán)反饋控制。

　　四、SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的仿真

　?。ㄒ唬㏒PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)模型

　　（二）仿真輸出波形分析

　　系統(tǒng)模型建立完成后，可以用SIMULINK提供的仿真功能進(jìn)行仿真運(yùn)行。

　?。?）轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速波形。電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)為11.9N?m不變，轉(zhuǎn)子加速，隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)子電流逐漸減小，轉(zhuǎn)矩也隨之下降，最后電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩再次達(dá)到平衡。這時(shí)轉(zhuǎn)矩不再上升，穩(wěn)定在大約1750r/min。由于系統(tǒng)采用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)供電，SPWM是脈動(dòng)的電壓信號(hào)，并不是正弦波。因此輸出的轉(zhuǎn)矩波形也是脈動(dòng)的。在啟動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)速尚未建立，過(guò)渡過(guò)程中轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)非常大。另外，由于電動(dòng)機(jī)慣性的作用，因此轉(zhuǎn)速波形沒(méi)有出現(xiàn)脈動(dòng)，轉(zhuǎn)速波形是平滑的。

　?。?）轉(zhuǎn)子和定子輸出波形。在電機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，隨著負(fù)載的加入，電流波形就會(huì)隨之發(fā)生擾動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)行，負(fù)載和轉(zhuǎn)矩逐漸會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡的狀態(tài)，起步階段，隨著負(fù)載的增加，變頻發(fā)生變化是產(chǎn)生脈動(dòng)的主要原因。

　　五、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

　?。ㄒ唬?shí)現(xiàn)高水平的控制

　　通過(guò)變頻技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)和相關(guān)設(shè)計(jì)模型的控制能在一定程度上提高設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。變頻控制技術(shù)主要通過(guò)磁場(chǎng)控制、矢量控制、機(jī)械扭振補(bǔ)償、直接傳矩控制等方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)床的有效控制。現(xiàn)代理論有滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解禍、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、魯棒觀察器等控制技術(shù)。智能控制是當(dāng)前比較先進(jìn)的控制技術(shù)，通過(guò)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專家控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)控制，提高機(jī)床的工作效率和精度，實(shí)現(xiàn)高水平控制。

　?。ǘ╅_發(fā)清潔電能的變流器

　　清潔電能轉(zhuǎn)化器是當(dāng)前研究的一個(gè)方向，通過(guò)轉(zhuǎn)化器實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化，降低在轉(zhuǎn)化過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)造成的損害。所謂的清潔電能轉(zhuǎn)化器最主要的目的就是將變頻因數(shù)調(diào)整為1，盡可能低的出現(xiàn)諧波分量，避免在負(fù)載側(cè)和網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)，這樣就能實(shí)現(xiàn)電能的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化。通過(guò)穩(wěn)定轉(zhuǎn)化能降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的產(chǎn)生，這樣能有效的延長(zhǎng)電機(jī)的運(yùn)行壽命，提高運(yùn)行過(guò)程中的安全性。對(duì)于小容量的變頻可以改變開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)，大容量變頻可以通過(guò)電路的結(jié)構(gòu)改變實(shí)現(xiàn)變頻。

　　六、結(jié)束語(yǔ)

　　隨著技術(shù)水平的不斷發(fā)展和進(jìn)步，變頻技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用會(huì)更加的廣泛，為提高機(jī)床運(yùn)行精度和效率奠定了基礎(chǔ)，變頻調(diào)速系統(tǒng)在我國(guó)將有非常巨大的市場(chǎng)需求，也一定會(huì)具有更加廣闊的發(fā)展空間。