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变频调速数控机床运行过程能量特性及节能技术研究

施金良  
【摘要】: 我国机床装备拥有量居世界第一,耗电总量惊人。同时,大量统计调查表明:机床能量利用率非常低下。因此对机床运行过程能量特性及节能技术的研究意义重大。 本文针对已有研究在数控机床能量特性方面的不足,在国家自然科学基金课题(编号:50775228)和国家科技支撑计划项目(编号:2006BAF02A03)的支持下,对我国目前广泛应用的变频器调速数控机床的能量特性及节能技术展开了研究。其主要内容包括: 根据变频调速数控机床运行过程的能量传输特点,建立了变频调速类数控机床主传动系统的能量流程,分析了机床主电机功率传输特性和机械传动系统功率传输特性及其各部分的能量损耗规律;在上述研究基础上,建立了变频调速数控机床主传动系统的动态功率平衡方程。该方程相对于普通机床功率平衡方程,具有变频器自身存在较大的能量损耗、变频器输出的非正弦波形电压带来的电气谐波损耗和机械传动系统的机械脉动损耗、主传动系统当量角速度具有一致连续性等三个重要特点。并在上述功率平衡方程的基础上分析了变频调速数控机床运行过程的能量利用率和能量损失特性。 基于上述功率方程和能量损失特性,对变频调速数控机床运行过程的节能途径进行了分析,指出了从四个途径来系统地考虑机床运行过程的节能问题。机床加工过程工步间空载运行过程是一个能量损耗过程,是造成机床能量利用率低的直接原因之一。本文根据变频调速数控机床工步间空载运行过程转速和时间已知并且转速可无级变频调节等三个特点和条件,提出了一种机床空载运行时动态调节机床空载运行转速、使得空载运行过程能量消耗达到最低的变频调速数控机床工步间空载运行状态的调速节能方法。当数控机床加工过程工步间空载运行时间大于某一临界值时,采取工步间停机后再启动策略就可以取得比调速节能更好的节能效果;为此本文建立了基于临界值确定方法和节能百分比计算方法的数控机床工步间空载运行时停机节能的实用方法。根据电机的转差率的变化,通过调节变频器装置的输出电压来控制电机运行转差率,并基于神经网络模型参考自适应的控制算法实现了交流异步电动机在不同负荷下最优转差率的控制,从而达到电机在不同负载下的节能运行。 针对以上研究内容,在一台变频调速数控机床CK6136上进行了大量实验,实验数据及实验结果分布在各有关章节中;实验结果证实了有关结论的正确性和应用前景。


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