一、前言

　　本文通過動態(tài)仿真的理論分析，對提高機床的競爭能力提供理論依據(jù)，并對交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供一些借鑒。

　　二、變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)勢

　　（一）節(jié)約電能

　　在我們的日常生產(chǎn)過程中風機和電泵有著極其廣泛的應(yīng)用，在風機和電泵運行的過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)常會用到擋板和閥門對流量進行調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)的過程中無形的浪費了大量的資源。通過變頻技術(shù)能對風機和水泵的流量進行有效的調(diào)節(jié)，減少了能源的浪費。

　　（二）提高生產(chǎn)率

　　變頻技術(shù)的應(yīng)用能根據(jù)設(shè)備的負載情況選擇出最佳的轉(zhuǎn)速，保證設(shè)備的穩(wěn)定運行，這樣就能保證設(shè)備在運行過程中的精度，提高生產(chǎn)效率。同時，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)品機械加工的過程中，設(shè)備的穩(wěn)定運行是提高產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，通過變頻技術(shù)的應(yīng)用，對機械設(shè)備的穩(wěn)定運行提供了條件，這樣就能提高生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的精度。

　　三、變頻電機調(diào)速系統(tǒng)原理

　　變頻電機中的電路是由濾波電路、整流電路、逆變電路和制動電路四個部分組成的，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)系進行變化，這樣就不能實現(xiàn)電壓和頻率的同時調(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。

　　（二）濾波電路

　　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）制動電路

　　電機在減速時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速將可能超過此時的同步轉(zhuǎn)速而處于再生制動（發(fā)電）狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動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)控制信號常采用脈寬調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation-PWM）實現(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

　　（一）SPWM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提供的仿真功能進行仿真運行。

　　（1）轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速波形。電動機負載轉(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，最后電動機輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩再次達到平衡。這時轉(zhuǎn)矩不再上升，穩(wěn)定在大約1750r/min。由于系統(tǒng)采用變頻器對電動機供電，SPWM是脈動的電壓信號，并不是正弦波。因此輸出的轉(zhuǎn)矩波形也是脈動的。在啟動時，由于轉(zhuǎn)速尚未建立，過渡過程中轉(zhuǎn)矩的脈動非常大。另外，由于電動機慣性的作用，因此轉(zhuǎn)速波形沒有出現(xiàn)脈動，轉(zhuǎn)速波形是平滑的。

　　（2）轉(zhuǎn)子和定子輸出波形。在電機啟動的過程中，隨著負載的加入，電流波形就會隨之發(fā)生擾動，隨著轉(zhuǎn)動的進行，負載和轉(zhuǎn)矩逐漸會達到一個平衡的狀態(tài)，起步階段，隨著負載的增加，變頻發(fā)生變化是產(chǎn)生脈動的主要原因。

　　五、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢

　　（一）實現(xiàn)高水平的控制

　　通過變頻技術(shù)在機床上的應(yīng)用，通過對電動機和相關(guān)設(shè)計模型的控制能在一定程度上提高設(shè)備運行參數(shù)。變頻控制技術(shù)主要通過磁場控制、矢量控制、機械扭振補償、直接傳矩控制等方式，實現(xiàn)機床的有效控制。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)。智能控制是當前比較先進的控制技術(shù)，通過神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專家控制系統(tǒng)來實現(xiàn)機床的自動控制，提高機床的工作效率和精度，實現(xiàn)高水平控制。

　　（二）開發(fā)清潔電能的變流器

　　清潔電能轉(zhuǎn)化器是當前研究的一個方向，通過轉(zhuǎn)化器實現(xiàn)電能的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化，降低在轉(zhuǎn)化過程中對電網(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，避免在負載側(cè)和網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)，這樣就能實現(xiàn)電能的穩(wěn)定轉(zhuǎn)化。通過穩(wěn)定轉(zhuǎn)化能降低轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生，這樣能有效的延長電機的運行壽命，提高運行過程中的安全性。對于小容量的變頻可以改變開關(guān)頻率實現(xiàn)，大容量變頻可以通過電路的結(jié)構(gòu)改變實現(xiàn)變頻。

　　六、結(jié)束語

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