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摘要：本文对变频调速和电磁制动原理及特点进行了介绍及分析，对变频技术在绕线设备上的应用等进行了阐述。实践证明，绕线设备应用变频技术后，设备性能稳定，产品加工质量可靠。
关键词：变频调速 电磁制动 绕线设备 应用
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-553-01
0 引言
绕线机是电机线圈成型的关键设备之一，在生产中，由于梭型线圈的形式、匝数、电磁线截面、并绕根数等的不同，为控制绕线的质量，要求绕线机的速度可调范围大，调节方便，并具有较平稳的起动特性和制动特性，在以不同的速度绕制时，都应具有足够的转矩。随着变频调速技术的发展，绕线机采用变频调速替代传统机械变速箱调速的趋势，如何掌握变频调速在绕线机应用的特点，对确保设备运行稳定和加工质量尤为重要。并且变频调速具有可无级平滑调速、维护方便、费用低等优点，目前已取代直流调速系统，成为调速方案的首选。
电磁离合器具有结构紧凑，操作简单，响应灵敏，寿命长久，使用可靠，易于实现远距离控制等特点， 在机械传动系统中主要起传递动力和控制运动等作用。在性能方面主要突出：高速应答、耐久性大、组装维护容易、不需要进行磨耗调整、动作确实，可以进行扭力调整。
1 变频调速的基本原理
由异步电动机的转速公式n=60f（1-s）/p可知，异步电动机的调速方法可分为改变转差率S，改变极对数P和改变电动机供电频率f1三种。
变频调速就是通过改变电动机定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。要使异步电动机的供电频率可变，就必须有一套变频电源。变频调速设备就是将恒压、恒频电源转换为变压、变频调速的变频电源装置。它优越的性能使现在电机调速方式和使用性能得到了质的飞跃。
变频器基本原理如下图所示：
图1 变频器基本原理图
交流电经整流桥变换成直流后，通过大容量电容C滤波输出直流电压U0，控制电路采用PWM或PAM方式有序控制V1—V6的导通与关断， U、V、W输出端输出频率可调的接近正弦波电压。限流电阻起到电流取样的作用，当出现过流情况时，限流电阻上取样电压升高，通过设置保护阈值的大小，可实现多种形式的过流保护。当电机在实现制动时，反馈的能量会使电容端U0升高，通过检测U0的大小来开启开关管V，投入制动电阻，保证制动回馈的能量消耗在制动电阻上。
由公式E=4.44*K*F*N*Φ 可以看出，在变频调速时，如果电压恒定不变，电动机的磁通Φ随着运行频率f在相当大的范围内变化，它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流。 因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，保证V/f一定，就可以使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生，实现恒转矩调速。
2 电磁制动的特点
电磁离合器是电磁制动的关键部件，是一种将主动侧扭力传达给被动侧的连接器，可以据需要自由的结合，切离或制动，因使用电磁力来作动，称之电磁离合器，制动器，具有响应速度快，结构简单等优点。
电磁制动离合器是现代工业中一种理想的自动化执行元件，是可以使机械中的运动件停止或减速的机械零件。其原理是：激磁线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化，形成磁粉链，并在固定的导磁体与转子间聚合，靠磁粉的结合力和摩擦力实现制动。激磁电流消失时磁粉处于自由松散状态，制动作用解除。这种制动器体积小，重量轻，激磁功率小，而且制动力矩与转动件转速无关，但磁粉会引起零件磨损。它便于自动控制，适用于各种机器的驱动系统。
电磁离合器的选型一般以所需传达最大转矩为依据来选定，并同时注意保证实际滑差功率小于电磁离合器、制动器的允许滑差功率。
图2 电磁离合器结构图
计算公式如下：
实际滑差功率P=2×3.14×M×n/60=F*V（单位：W）
公式中：M -- 实际工作转矩（N/m） F -- 张力（N） ，n -- 滑差转速（r/min） ，V -- 线速度（m/s）
电磁离合、电磁制动器在散热条件一定时，其滑差功率是一定值，因此其实际工作转矩与转速可以相互补偿，即滑差转速提高时，则许用转矩将相应下降，但最高转速不得高于其许可转速。
3 变频调速和电磁制动的应用
电磁制动器的张力控制采用手动控制，在放线过程中进行调整离合器或制动器的扭矩，从而获得所需的张力，这要求使用者检查被控材料的张力，确定调节输出力矩，这种方案可使本次改造节约一定的设备成本，并且在不增加操作者难度的情况下也能保证工艺技术要求。
两个供线盘的电磁制动器相同，采用两套相对独立的稳压可调电源，电压调整范围0―15VDC、电流≥3A，就能保证电磁制动器的张力大小可调，并满足线圈的绕制。我们用的稳压可调电源是基于LT1083系列大功率低压差三端稳压芯片的高稳定度低纹波直流稳压电源。其稳压器件LT1083CP系列可调稳压器的效率大大高于现有器件，可以提供7.5A输出电流（需要足够大的散热器），并能在低至1V的压差条件下运行，压降在最大电流条件下保证在1.5V以内，其具有输出电压稳定度高、输出电流大、低纹波、低功耗等特点，滤波电路更是采用大容量电解电容滤波，增加了输出电压的稳定性，同时本套电源做成之后具有过热、过载、短路等多种保护。为电磁制动器长时间的工作提供了更加安全、稳定的保障。
通过直流可调电源原理图，接触器KM2吸合将50Hz220V交流电经变压器降压输出15VAC，再通过桥式整流电路，大容量滤波电路送入三端稳压模块LT1083CP，由精密电阻RP调节输出的直流电压（0-15VDC）来控制电磁离合器张力大小。
图3 直流可调电源
4 结束语
通过绕线设备变频技术的应用，并经现场运行，绕线设备主轴电机起动平缓，运行稳定，消除了冲击电流，降低了电磁场干扰，设备转速可在规定范围内任意调整，供线盘的张力调整比改造前也更加平滑稳定，有效提高了绕线产品的质量。
参考文献
[1] 张龙.《动车组电机与电器》[M] .西南交通大学出版社，2009
[2] 岳庆来. 变频器、可编程程序控制器及触摸屏综合应用技术 . 北京.机械工业出版社， 2006
[3] 韩安荣 . 通用变频器及应用. 北京.機械工业出版社， 2000
关键词：变频调速 电磁制动 绕线设备 应用
中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）23-553-01
0 引言
绕线机是电机线圈成型的关键设备之一，在生产中，由于梭型线圈的形式、匝数、电磁线截面、并绕根数等的不同，为控制绕线的质量，要求绕线机的速度可调范围大，调节方便，并具有较平稳的起动特性和制动特性，在以不同的速度绕制时，都应具有足够的转矩。随着变频调速技术的发展，绕线机采用变频调速替代传统机械变速箱调速的趋势，如何掌握变频调速在绕线机应用的特点，对确保设备运行稳定和加工质量尤为重要。并且变频调速具有可无级平滑调速、维护方便、费用低等优点，目前已取代直流调速系统，成为调速方案的首选。
电磁离合器具有结构紧凑，操作简单，响应灵敏，寿命长久，使用可靠，易于实现远距离控制等特点， 在机械传动系统中主要起传递动力和控制运动等作用。在性能方面主要突出：高速应答、耐久性大、组装维护容易、不需要进行磨耗调整、动作确实，可以进行扭力调整。
1 变频调速的基本原理
由异步电动机的转速公式n=60f（1-s）/p可知，异步电动机的调速方法可分为改变转差率S，改变极对数P和改变电动机供电频率f1三种。
变频调速就是通过改变电动机定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。要使异步电动机的供电频率可变，就必须有一套变频电源。变频调速设备就是将恒压、恒频电源转换为变压、变频调速的变频电源装置。它优越的性能使现在电机调速方式和使用性能得到了质的飞跃。
变频器基本原理如下图所示：
图1 变频器基本原理图
交流电经整流桥变换成直流后，通过大容量电容C滤波输出直流电压U0，控制电路采用PWM或PAM方式有序控制V1—V6的导通与关断， U、V、W输出端输出频率可调的接近正弦波电压。限流电阻起到电流取样的作用，当出现过流情况时，限流电阻上取样电压升高，通过设置保护阈值的大小，可实现多种形式的过流保护。当电机在实现制动时，反馈的能量会使电容端U0升高，通过检测U0的大小来开启开关管V，投入制动电阻，保证制动回馈的能量消耗在制动电阻上。
由公式E=4.44*K*F*N*Φ 可以看出，在变频调速时，如果电压恒定不变，电动机的磁通Φ随着运行频率f在相当大的范围内变化，它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流。 因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，保证V/f一定，就可以使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生，实现恒转矩调速。
2 电磁制动的特点
电磁离合器是电磁制动的关键部件，是一种将主动侧扭力传达给被动侧的连接器，可以据需要自由的结合，切离或制动，因使用电磁力来作动，称之电磁离合器，制动器，具有响应速度快，结构简单等优点。
电磁制动离合器是现代工业中一种理想的自动化执行元件，是可以使机械中的运动件停止或减速的机械零件。其原理是：激磁线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化，形成磁粉链，并在固定的导磁体与转子间聚合，靠磁粉的结合力和摩擦力实现制动。激磁电流消失时磁粉处于自由松散状态，制动作用解除。这种制动器体积小，重量轻，激磁功率小，而且制动力矩与转动件转速无关，但磁粉会引起零件磨损。它便于自动控制，适用于各种机器的驱动系统。
电磁离合器的选型一般以所需传达最大转矩为依据来选定，并同时注意保证实际滑差功率小于电磁离合器、制动器的允许滑差功率。
图2 电磁离合器结构图
计算公式如下：
实际滑差功率P=2×3.14×M×n/60=F*V（单位：W）
公式中：M -- 实际工作转矩（N/m） F -- 张力（N） ，n -- 滑差转速（r/min） ，V -- 线速度（m/s）
电磁离合、电磁制动器在散热条件一定时，其滑差功率是一定值，因此其实际工作转矩与转速可以相互补偿，即滑差转速提高时，则许用转矩将相应下降，但最高转速不得高于其许可转速。
3 变频调速和电磁制动的应用
电磁制动器的张力控制采用手动控制，在放线过程中进行调整离合器或制动器的扭矩，从而获得所需的张力，这要求使用者检查被控材料的张力，确定调节输出力矩，这种方案可使本次改造节约一定的设备成本，并且在不增加操作者难度的情况下也能保证工艺技术要求。
两个供线盘的电磁制动器相同，采用两套相对独立的稳压可调电源，电压调整范围0―15VDC、电流≥3A，就能保证电磁制动器的张力大小可调，并满足线圈的绕制。我们用的稳压可调电源是基于LT1083系列大功率低压差三端稳压芯片的高稳定度低纹波直流稳压电源。其稳压器件LT1083CP系列可调稳压器的效率大大高于现有器件，可以提供7.5A输出电流（需要足够大的散热器），并能在低至1V的压差条件下运行，压降在最大电流条件下保证在1.5V以内，其具有输出电压稳定度高、输出电流大、低纹波、低功耗等特点，滤波电路更是采用大容量电解电容滤波，增加了输出电压的稳定性，同时本套电源做成之后具有过热、过载、短路等多种保护。为电磁制动器长时间的工作提供了更加安全、稳定的保障。
通过直流可调电源原理图，接触器KM2吸合将50Hz220V交流电经变压器降压输出15VAC，再通过桥式整流电路，大容量滤波电路送入三端稳压模块LT1083CP，由精密电阻RP调节输出的直流电压（0-15VDC）来控制电磁离合器张力大小。
图3 直流可调电源
4 结束语
通过绕线设备变频技术的应用，并经现场运行，绕线设备主轴电机起动平缓，运行稳定，消除了冲击电流，降低了电磁场干扰，设备转速可在规定范围内任意调整，供线盘的张力调整比改造前也更加平滑稳定，有效提高了绕线产品的质量。
参考文献
[1] 张龙.《动车组电机与电器》[M] .西南交通大学出版社，2009
[2] 岳庆来. 变频器、可编程程序控制器及触摸屏综合应用技术 . 北京.机械工业出版社， 2006
[3] 韩安荣 . 通用变频器及应用. 北京.機械工业出版社， 2000