低功耗数控接触器的设计与应用美国捷克式龙门铣床电气改造
日期：2009-7-13 22:53:52 来源：中国自动化网
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摘 要：本文叙述的低功耗数控接触器，是一种为适应新型工业自动化控制、低压供电控制系统复杂化而设计的基础开关元件，产品通过采用间隔储能、单脉冲触动电流、永磁机构与程序控制技术构成的控制系统，操动接触器闭合与分断。解决了100A～800A规格接触器低功率起动、运动可控、严酷环境使用的三大技术难题。其主要技术特点：（1）起动功率4.352 VA；保持功率0.116VA；运行耗电量0.0022kW/h；（2）工作电压DC24V；线圈温升值6K；闭合噪声值不大于10dB；（3）在同一元件上实现了电力与电子的结合。使产品具有节能、环保及信息化的技术特征。
引言：交流接触器在工业过程自动化以及低压终端供电这两大领域的应用十分广泛，有着扎实的市场基础[2]。但是现有技术的交流接触器在工业过程自动化领域应用时存在着：起动功率大、运动可控性差、系统构成复杂等主要问题。
1 、技术方案构思
本项目的技术方案构思为：低功耗数控接触器的工作频率为1200次/小时，间隔时间为3秒，在间隔时间内为储能电容充电，用积聚电能平缓起动时的电流冲击；利用储能电容对励磁线圈放电形成的单脉冲触动电流，结合永磁机构，控制电路精确控制触动电流在过零点处切换，完成主触头闭合，同时依靠永磁吸力保持闭合状态。通过上述构思实现节能、环保以及信息化的技术特征。
产品的主要技术特点是：
（1）大容量接触器起动功率小于8VA的产品，国内外尚属空白。降低起动功率不仅仅是为了节能，其核心作用在于能够兼容电子电路，实现信息化。SD-100低功耗数控接触器的起动功率实测值：4.352 VA
（2）产品在结构设计中引入晶体管的设计理念，设置了类似于基极的控制端子，实现了在同一元件上 “强电”与“弱电”的结合。接入电子电路的方法及功耗相当于一只普通的中功率晶体管，其驱动方式可选择兼容或隔离的形式，极大地方便了自动化控制系统的设计，为实现信息化搭建了一个可行的技术平台。
（3）克服交流接触器与生俱来的“运动不可控性”。使得接触器吸合时间和释放时间允许误差标准值不大于±1ms（实测最大时间误差值：吸合－0.335ms，释放－0.124ms）。
（4）产品的环境适应性有了突破性进展。温度、倾斜、摇摆、振动、冲击及电磁兼容等环境适应性指标，均达到了国际先进水平[4]。如：
低温：工作温度：-25℃（不间断工作制），-40℃（1h短时工作制）。
高温：工作温度：55℃（不间断工作制），70℃（1h短时工作制）。
下表是本产品和国外GMC系列产品部分特性指标对比：
一、概述
捷克龙门铣床是加工较大型工件的机加工设备，其电器控制系统包括工作台的主传动和进给机构的逻辑控制两大部分。从50-70年代的龙门铣工作台拖动采用了直流发电机-直流电动机方式，使用了若干年以后，故障率明显上升，维修工作量量不断增大，故障停工工时急剧上升，已经严重影响生产的正常进行。原来的直流调速系统已经淘汰了，没有可能对直流调速系统换新处理，进行技术改造是必然的选择。
二、改造方案
对直流调速系统改造，如果保留直流电机，调速系统可用数字式可控硅直流调速系统，缺点是直流电机较交流异步鼠笼电机的维护工作量大，特别是使用了多年的直流电机，整流子磨损严重，维修花费更多。另一种方案就采用交流调速系统，将主传动直流电机换为交流异步变频电机，调速控制系统使用变频器。这种方案的缺点是除需要变频器外，还需要将直流电机换为交流电机，改造的费用相对高一些，但是，交流电机结构简单，维护量小，变频器性能优良，便于实现最优控制。且用电量可节约40%左右，可在较短的时间内产生较大的效益回报。
三、龙门铣床的变频改造
1. 变频器的选型和容量的计算
变频器的选型要根据交流电机的容量，交流电机的容量的选择又要以直流电机为参考依据。原工作台直流电机参数为：PN=18.5kW，nN=1460r/min，与此相对应的交流电机PN=18.5kW，nN=1460r/min，龙门铣床经常工作在低速加工状态，为保证加工质量，要求电机低速时转矩大，考虑到交流电机的机械特性，在选择交流电机时适当增大容量。交流电机选为19kW，4极变频电机。电机容量确定后，可直接选择变频器的容量，选用松下VF-8Z变频器。该变频器功能齐全，在各种行业中应用自如。可以选择V/f开环、V/f闭环；可选用键盘和外部端子，功能端子的操作方式，并有RS485串行通讯口，便于与计算机组网控制。在设计中进行可靠性设计，电磁兼容设计，稳定性分析等，具有非常优良的性能。
常规设计的变频交流异步电动机，在额定工况及规定的环境温度范围内，是不会超过额定温升的。但在变频调速后自冷式交流异步电动机在20Hz频率以下运行时，电机的散热性能也不会改变。
2. 变频器功能的设定
龙门铣床工作台与铣刀进给通过0-10V摸拟信号(电位器)，来控制铣刀工作台与铣刀进给电机的进给速度，设VF-8Z变频器为外部控制方式。加、减速的时间由功能代码001，002，决定，其控制信号取外部控制端子1、2、3实现，只要铣床工作台运动速度到相应的位置，变频器从而实现加、减速或恒速运行。
3. PLC的应用
由于控制线路和低压元器件老化，在对龙门铣床工作台主传动变频调速改造的同时，对铣床的控制线路进行改造。用PLC可大大的减少控制电路的复杂性，并可减低成本。PLC选用松下AFPX-C60RD，编程方式为梯形图，比较简单，不再赘述。
四、改造之后龙门铣床
龙门铣床电气控制系统改造后如图所示：
电柜内部电器布局图
改造后设备运行图
五、总结
我国70年代以前生产的机床，需要调速时采用变速箱机械换档调速方式或采用直流调速方式。直流电源的获得是使用交流电动机带动直流发电机，发出的直流电驱动直流电动机调速运行。70年代后，可控硅整流器出现后，直流调速省去了交流电动机带直流发电机的环节，效率大幅度的提高，运行噪声极大的下降。随着变频技术的发展和完善，变频器的性能不断的提高，而价格不断下降，已逐步取代直流调速系统。通过其外围少数几个端子，就可以实现对机床全范围的控制，且变频器内部有较完善的保护功能，无需在设计控制电路时考虑保护电路，既简化了电路又降低了成本。通过对龙门铣床工台拖动系统的改造，使用了PLC和变频器，用交流调速系统取代直流调速系统，简化了设备的控制线路，故障率几乎下降到零，实现了可靠、快速、灵活的控制，使工件的铣削质量和工作效率都有明显的提高。
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摘 要：本文叙述的低功耗数控接触器，是一种为适应新型工业自动化控制、低压供电控制系统复杂化而设计的基础开关元件，产品通过采用间隔储能、单脉冲触动电流、永磁机构与程序控制技术构成的控制系统，操动接触器闭合与分断。解决了100A～800A规格接触器低功率起动、运动可控、严酷环境使用的三大技术难题。其主要技术特点：（1）起动功率4.352 VA；保持功率0.116VA；运行耗电量0.0022kW/h；（2）工作电压DC24V；线圈温升值6K；闭合噪声值不大于10dB；（3）在同一元件上实现了电力与电子的结合。使产品具有节能、环保及信息化的技术特征。
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引言：交流接触器在工业过程自动化以及低压终端供电这两大领域的应用十分广泛，有着扎实的市场基础[2]。但是现有技术的交流接触器在工业过程自动化领域应用时存在着：起动功率大、运动可控性差、系统构成复杂等主要问题。
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1 、技术方案构思
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产品的主要技术特点是：
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（1）大容量接触器起动功率小于8VA的产品，国内外尚属空白。降低起动功率不仅仅是为了节能，其核心作用在于能够兼容电子电路，实现信息化。SD-100低功耗数控接触器的起动功率实测值：4.352 VA
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（2）产品在结构设计中引入晶体管的设计理念，设置了类似于基极的控制端子，实现了在同一元件上 “强电”与“弱电”的结合。接入电子电路的方法及功耗相当于一只普通的中功率晶体管，其驱动方式可选择兼容或隔离的形式，极大地方便了自动化控制系统的设计，为实现信息化搭建了一个可行的技术平台。
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（3）克服交流接触器与生俱来的“运动不可控性”。使得接触器吸合时间和释放时间允许误差标准值不大于±1ms（实测最大时间误差值：吸合－0.335ms，释放－0.124ms）。
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（4）产品的环境适应性有了突破性进展。温度、倾斜、摇摆、振动、冲击及电磁兼容等环境适应性指标，均达到了国际先进水平[4]。如：
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一、概述
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捷克龙门铣床是加工较大型工件的机加工设备，其电器控制系统包括工作台的主传动和进给机构的逻辑控制两大部分。从50-70年代的龙门铣工作台拖动采用了直流发电机-直流电动机方式，使用了若干年以后，故障率明显上升，维修工作量量不断增大，故障停工工时急剧上升，已经严重影响生产的正常进行。原来的直流调速系统已经淘汰了，没有可能对直流调速系统换新处理，进行技术改造是必然的选择。
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二、改造方案
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对直流调速系统改造，如果保留直流电机，调速系统可用数字式可控硅直流调速系统，缺点是直流电机较交流异步鼠笼电机的维护工作量大，特别是使用了多年的直流电机，整流子磨损严重，维修花费更多。另一种方案就采用交流调速系统，将主传动直流电机换为交流异步变频电机，调速控制系统使用变频器。这种方案的缺点是除需要变频器外，还需要将直流电机换为交流电机，改造的费用相对高一些，但是，交流电机结构简单，维护量小，变频器性能优良，便于实现最优控制。且用电量可节约40%左右，可在较短的时间内产生较大的效益回报。
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三、龙门铣床的变频改造
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1. 变频器的选型和容量的计算
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变频器的选型要根据交流电机的容量，交流电机的容量的选择又要以直流电机为参考依据。原工作台直流电机参数为：PN=18.5kW，nN=1460r/min，与此相对应的交流电机PN=18.5kW，nN=1460r/min，龙门铣床经常工作在低速加工状态，为保证加工质量，要求电机低速时转矩大，考虑到交流电机的机械特性，在选择交流电机时适当增大容量。交流电机选为19kW，4极变频电机。电机容量确定后，可直接选择变频器的容量，选用松下VF-8Z变频器。该变频器功能齐全，在各种行业中应用自如。可以选择V/f开环、V/f闭环；可选用键盘和外部端子，功能端子的操作方式，并有RS485串行通讯口，便于与计算机组网控制。在设计中进行可靠性设计，电磁兼容设计，稳定性分析等，具有非常优良的性能。
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常规设计的变频交流异步电动机，在额定工况及规定的环境温度范围内，是不会超过额定温升的。但在变频调速后自冷式交流异步电动机在20Hz频率以下运行时，电机的散热性能也不会改变。
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2. 变频器功能的设定
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3. PLC的应用
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由于控制线路和低压元器件老化，在对龙门铣床工作台主传动变频调速改造的同时，对铣床的控制线路进行改造。用PLC可大大的减少控制电路的复杂性，并可减低成本。PLC选用松下AFPX-C60RD，编程方式为梯形图，比较简单，不再赘述。
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四、改造之后龙门铣床
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龙门铣床电气控制系统改造后如图所示：
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改造后设备运行图
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五、总结
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我国70年代以前生产的机床，需要调速时采用变速箱机械换档调速方式或采用直流调速方式。直流电源的获得是使用交流电动机带动直流发电机，发出的直流电驱动直流电动机调速运行。70年代后，可控硅整流器出现后，直流调速省去了交流电动机带直流发电机的环节，效率大幅度的提高，运行噪声极大的下降。随着变频技术的发展和完善，变频器的性能不断的提高，而价格不断下降，已逐步取代直流调速系统。通过其外围少数几个端子，就可以实现对机床全范围的控制，且变频器内部有较完善的保护功能，无需在设计控制电路时考虑保护电路，既简化了电路又降低了成本。通过对龙门铣床工台拖动系统的改造，使用了PLC和变频器，用交流调速系统取代直流调速系统，简化了设备的控制线路，故障率几乎下降到零，实现了可靠、快速、灵活的控制，使工件的铣削质量和工作效率都有明显的提高。
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