變頻器簡介
變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元微處理單元等組成的。
一般而言，變頻器必須有幾項(xiàng)基本的能力：
1、 節(jié)能
2、 調(diào)速
3、 保護(hù)功能可分為以下兩類：
（1） 檢知異常狀態(tài)后自動(dòng)地進(jìn)行修正動(dòng)作，如過電流失速防止，再生過電壓失速防止。
（2） 檢知異常后封鎖電力半導(dǎo)體器件PWM控制信號(hào)，使電機(jī)自動(dòng)停車。如過電流切斷、再生過電壓切斷、半導(dǎo)體冷卻風(fēng)扇過熱和瞬時(shí)停電保護(hù)等。
變頻器在機(jī)床行業(yè)中的應(yīng)用
由于機(jī)床加工范圍較廣，不同的工件，不同的工序，使用不同的刀具，要求機(jī)床執(zhí)行部件具有不同的運(yùn)動(dòng)速度，因此機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)應(yīng)能進(jìn)行調(diào)速，機(jī)床用戶對變頻器產(chǎn)品的調(diào)速作用更為關(guān)注。
主軸是車床構(gòu)成中一個(gè)重要的部分，對于提高加工效率，擴(kuò)大加工材料范圍，提升加工質(zhì)量都有著很重要的作用，變頻器主要應(yīng)用于主軸調(diào)速系統(tǒng)。目前對客戶來說變頻器的性價(jià)比很高，所以變頻器在車床上使用非常普遍。
通用變頻器要想順利的使用在機(jī)床行業(yè)必須有兩個(gè)重要考慮：一是選用無速度傳感器矢量控制的產(chǎn)品，二是要設(shè)計(jì)在超速運(yùn)轉(zhuǎn)以提高低速轉(zhuǎn)矩。
變頻器在機(jī)床應(yīng)用的特點(diǎn)
變頻調(diào)速的調(diào)節(jié)范圍很廣，一般通用型變頻器都可以實(shí)現(xiàn)0—400HZ范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)速。
考慮到機(jī)床要求具有較硬的機(jī)械特性。符合變頻器+普通電機(jī)（或變頻電機(jī)）傳動(dòng)具有機(jī)械特性硬的特點(diǎn)。一般在低頻下都可以提供150%負(fù)載轉(zhuǎn)矩的能力。
考慮到機(jī)床需要在低速時(shí)具有強(qiáng)大過載能力。變頻器可以提供150%的過載保護(hù)（60S），能夠滿足設(shè)備的要求。
使用變頻調(diào)速后，可以簡化齒輪變速箱等原有復(fù)雜的機(jī)械拖動(dòng)機(jī)構(gòu)，自動(dòng)化程度高，操作簡單，維修方便。
變頻器具有電壓（DC0—5V，DC0—10V），電流模擬輸入接口，可以與數(shù)控系統(tǒng)的控制信號(hào)很好的匹配。
變頻器在機(jī)床應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)
目前由于變頻器的高性價(jià)比，所以變頻器在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床的數(shù)控化改造中使用非常普遍。其主要優(yōu)點(diǎn)在于：
首先，簡化控制線路。變頻器的使用極為方便、可通過其外圍的少數(shù)幾個(gè)端子進(jìn)行全范圍的控制。變頻器內(nèi)部有完善的保護(hù)措施，勿需在其外圍線路中設(shè)計(jì)各種保護(hù)電路。由于變頻器的正反向運(yùn)行是通過控制端子來改變逆變器的輸出相位來實(shí)現(xiàn)。因此，可以比原直流調(diào)速系統(tǒng)少兩個(gè)大型直流接觸器。采用具有無速度傳感器的矢量控制變頻器后，還可以去掉用作傳速反饋的速度傳感器，使控制線路大為簡化；
可以采用標(biāo)準(zhǔn)異步電機(jī)。采用籠型異步電機(jī)可以發(fā)揮它結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、維修方便、價(jià)格低廉的優(yōu)勢，避免直流電機(jī)定期更換、維護(hù)電刷和換向器的問題。
調(diào)試方便。變頻器的各種運(yùn)行參數(shù)調(diào)試通過智能化鍵盤和顯示器來完成，設(shè)置方便、更改靈活、調(diào)試時(shí)間短。傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試涉及到觸發(fā)脈沖相位調(diào)整，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)試等多項(xiàng)參數(shù)的綜合統(tǒng)調(diào)，調(diào)試難度大、時(shí)間長，且不易達(dá)到最優(yōu)控制。
此外，用變頻器來改變切削速度，選定經(jīng)濟(jì)效益最佳切削速度。速度選擇好之后，用改變皮帶輪直徑和（或）更換電機(jī)的方法來改變切削速度，既經(jīng)濟(jì)又方便，是機(jī)械加工行業(yè)提高加工質(zhì)量、降低加工成本的一種行之有效的方法。
變頻器能減少變速傳動(dòng)齒輪的對數(shù)，降低噪音，提高主軸精度，有較強(qiáng)的適應(yīng)各類產(chǎn)品及各種不同材質(zhì)加工時(shí)所需主軸速度配給的特性。可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)控，且其成本大大低于同類由直流調(diào)速組成的數(shù)控系統(tǒng)。
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床大多數(shù)是不能自動(dòng)變速的，需要變速時(shí)，只能把機(jī)床停止，然后手動(dòng)變速。而全功能數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用無級(jí)變速。目前，無級(jí)變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機(jī)。通過帶傳動(dòng)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過帶傳動(dòng)和主軸箱內(nèi)的減速齒輪（以獲得更大的轉(zhuǎn)矩）帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡化。目前對客戶來說由于變頻器的高性價(jià)比，在車床上使用非常普遍。
變頻器在機(jī)床行業(yè)中的總體市場情況
根據(jù)自動(dòng)化網(wǎng)的調(diào)查，2008年機(jī)床行業(yè)變頻器的市場總額約為5億元左右。
車床中變頻器的應(yīng)用規(guī)模最多，安川、臺(tái)達(dá)、富士、三菱等都有較大的市場份額，國產(chǎn)品牌在機(jī)床中應(yīng)用也較多，如匯川在車床中表現(xiàn)都不俗。而磨床、鍛壓行業(yè)中對變頻器產(chǎn)品的性能要求較高，國外品牌較多，三菱、富士、西門子、臺(tái)達(dá)等處于優(yōu)勢，并且一臺(tái)機(jī)床需用的變頻器數(shù)量也較多，高的可達(dá)4-5臺(tái)。
由于三菱變頻器接近伺服的功能，其在機(jī)床中的應(yīng)用也較大；臺(tái)達(dá)由于其功能接近三菱，但價(jià)錢便宜許多，性價(jià)比較高，并且售后服務(wù)完善，近年來市場份額增加較大。
變頻器的發(fā)展趨勢
（1）高性能化
目前基本上所有的變頻器都提供矢量控制方式，并出現(xiàn)了大量不同層次的控制結(jié)構(gòu)及算法，適應(yīng)不同的市場定位與需求。值得關(guān)注的是無速度傳感器矢量控制（SVC）在近幾年發(fā)展較快，由于SVC能夠提供低成本、高性能的解決方案，已經(jīng)成為通用變頻器中的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展方向。
（2）易用性不斷提高
多家廠商提供的變頻器在結(jié)構(gòu)上考慮到現(xiàn)場安裝的要求，同時(shí)在軟件上加入起動(dòng)設(shè)置工具，通過引導(dǎo)客戶簡化調(diào)試過程。
（3） 功率機(jī)構(gòu)模塊化
模塊化的功率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為不同系列及功率段產(chǎn)品提供了一致性，利于產(chǎn)品可靠性的提高，為工廠選型、安裝、調(diào)試、維護(hù)帶來了方便，有效降低了運(yùn)行維護(hù)成本。
（4）智能化
一是通過提供客戶化的驅(qū)動(dòng)編程能力來提高變頻器的智能化程度，滿足不同應(yīng)用現(xiàn)場的客戶化需求，這實(shí)際上是將PLC的部分功能融入變頻器中。
二是通過通訊來與外部智能化設(shè)備（如PLC）接口來提高變頻器的智能化程度。目前知名廠商的變頻器都具備網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)能力，并支持多種協(xié)議。
（5）高功率密度
由于新功率器件以及熱設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，目前的變頻器越來越緊湊，體積越來越小，功率密度越來越高，但在溫升等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上并未下降。
（6）減小EMI/RFI諧波影響
目前變頻器中內(nèi)置AC電抗器和扼流圈已經(jīng)非常普遍，這些對減小EMI/RFI諧波的影響都起了重要作用。
變頻器在機(jī)床中的應(yīng)用前景
從08年機(jī)床銷售數(shù)據(jù)可以看出，通用型機(jī)床尤其是功能單一的車床庫存情況相當(dāng)嚴(yán)重，而復(fù)合型機(jī)床、大型重型產(chǎn)品市場較好。這些機(jī)床加工范圍廣，機(jī)床執(zhí)行部件具有不同的運(yùn)動(dòng)速度，對變頻器性能也提出了更高的要求。
在本次調(diào)查中，有客戶反應(yīng)選用的變頻器就是因?yàn)槠涔δ芙咏欧跐M足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上增加了對精度的控制。此外，有客戶認(rèn)為目前變頻器干擾別人的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，需要將波形靠近正弦波，力量更強(qiáng)一些。
隨著變頻器和機(jī)床的發(fā)展，變頻器的功能也將不斷完善，能更好的服務(wù)于機(jī)床。
市場趨勢
根據(jù)中國自動(dòng)化網(wǎng)的調(diào)查顯示，在回答金融危機(jī)對企業(yè)造成的影響問題中，基本上是普通機(jī)床企業(yè)受到的影響比較大，而主攻中高端產(chǎn)品的企業(yè)受到的影響相對來說比較小，這就說明提高數(shù)控化率，提高機(jī)床的檔次，特別是加工精度高或者是超高精度的產(chǎn)品，是解決企業(yè)生存發(fā)展的重要途徑之一。企業(yè)提高數(shù)控化產(chǎn)品的比例的任務(wù)已經(jīng)迫在眉睫。
目前國內(nèi)生產(chǎn)的機(jī)床主要是低端產(chǎn)品，加工精度比國外水平存在差距，控制水平很低，CNC、PLC、伺服、HMI等的使用率不高。但是隨著市場需求的影響，越來越多的廠家加大了開發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的力度，而且很多國外品牌開始到中國建立生產(chǎn)廠或者擴(kuò)大在華的生產(chǎn)能力。
對比國內(nèi)和國外的自動(dòng)化產(chǎn)品，企業(yè)認(rèn)為國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠是國產(chǎn)產(chǎn)品最大的弊病，國外的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)很完善，目前國產(chǎn)產(chǎn)品和國外的技術(shù)仍有很大的差距。除去價(jià)格因素，國外的產(chǎn)品僅僅在供貨周期上需時(shí)較長，其他基本沒什么缺陷。國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在未來發(fā)展上依然任重而道遠(yuǎn)。
中國的機(jī)床最終用戶主要集中在交通工具制造行業(yè)，包括汽車和造船，專業(yè)設(shè)備制造業(yè)如紡機(jī)廠和冶金設(shè)備制造廠和模具行業(yè)。航天航空、汽車和模具工業(yè)是近期國內(nèi)機(jī)床市場需求的主體。航天航空工業(yè)對機(jī)床的需求，主要是高精度、較大規(guī)格的數(shù)控鏜銑床。汽車工業(yè)近期大規(guī)模建設(shè)項(xiàng)目不多，主要是技術(shù)改造。目前主要是將生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的專用機(jī)床生產(chǎn)線改造為具有較高柔性的，以高速加工中心為主的柔性生產(chǎn)線，以此來提高生產(chǎn)過程的柔性，適應(yīng)產(chǎn)品換型快的要求。
高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備重大科技專項(xiàng)的實(shí)施，將為中國機(jī)床工業(yè)的長遠(yuǎn)持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
