电机负载特性
第2章 电动机变频后的带负载特性
2．1 异步电动机的机械特性
2．1．1 异步电动机的自然机械特性
1．自然机械特性
2．机械特性的含义
2．1．2 异步电动机的人工机械特性
1．转子串联电阻的机械特性
2．改变电压的机械特性
3．改变频率的机械特性（kU=kf）
2．2 V∕F控制方式
2．2．1 低频时临界转矩减小的原因与对策
1．基本关系
（1）
∵
∴
（2） TM＝KTI2’Φ1cosφ2 I2’≯ I2N’ TK≈KT’· Φ1 Φ1＝KF·E1 f
&-∆U&U11＝KF· f
&-I&ZU＝KF·111
f
2．和磁通有关的因素（在某一频率下） （1）负载不变（I1＝C→ΔU1＝C）：
U1↑→Φ1↑
U1↓→Φ1↓
（2）电压不变
I1↑→Φ1↓
I1↓→Φ1↑
3．变频运行时的数据举例 Ù1＝－È1＋ΔÙ1 U1≈E1＋ΔU1
3．对策（电压补偿、转矩补偿、转矩提升）
4．负载变化的影响
2．2．2 变频器的U∕f线
2．3 U∕f线的选择与调整
2．3．1 调整U∕f线的实质
1．基本频率
2．U∕
f线与输出电压
2．3．2 基本频率的调整
1．三相220V电动机配380V变频器
2．270V、70Hz电动机配380V变频器
2．3．3 转矩提升的预置要点
1．低频重载时
2．低频轻载时
（1）补偿后的电流－转矩曲线
（2）风机的U∕f线选择
（3）离心浇铸机的U∕f线选择
休
11息 15分 钟
2．4 矢量控制方式
2．4．1 矢量控制的基本思想
1．直流电动机的特点
2．矢量控制的基本思路
2．4．2 电动机参数的自动测量（auto-tuning）
1．矢量控制需要的参数
（1）电动机的铭牌数据——电压、电流、转速、磁极对数、效率等。
（2）电动机的绕组数据——定子电阻、定子漏磁电抗、转子等效电阻、转子等效漏磁电抗、空载电流等。
2．电动机的空载和堵转试验
3．自动测量的相关功能 表2－1 自动测量相关功能（安川CIMR—G7A）
功能码 功能含义 数据码及含义
T1—00 电动机1∕2选择1：电动机1；2：电动机2
T1—01 自动测量模式 0：旋转自测量；1：停止自测量 T1—02 电动机额定功率
T1—03 电动机额定电压
T1—04 电动机额定电流
T1—05 电动机额定频率
T1—06 电动机的磁极数
T1—07 电动机额定转速
4．自动测量的操作
（1）旋转自测量（可进行空载试验和堵转试验）
电动机脱离负载。
变频器通电，按下RUN键，先让电动机停止1分钟，再让电动机旋转1分钟（转速约为额定转速的一半）。
按下STOP键，中止自测量。
（2）停止自测量（只进行堵转试验）
电动机不脱离负载。
变频器通电，按下RUN键，让电动机停止1分钟。
按下STOP键，中止自测量。
2．4．3 有反馈矢量控制和无反馈矢量控制
1．有反馈矢量控制接法
2．相关功能 表2－2 有反馈矢量控制的相关功能（艾默生TD3000）
功能码 功能码名称 数据码及含义（或范围） Fb．00 编码器每转脉冲数 0～9999p∕r
Fb．01 编码器旋转方向 0—正方向；1—反方向
Fb．02 编码器断线后处理方法 0—以自由制动方式停机；
1—切换为开环V∕F控制方式
3．无反馈矢量控制
4．矢量控制方式的适用范围
（1）矢量控制只能用于一台变频器控制一台电动机的情况下。
（2）电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间，最多只能相差一个档次。
（3）磁极数一般以２、４、６极为宜。
（4）特殊电动机不能使用矢量控制功能。
2．5 变频调速的有效转矩线
2．5．1 有效转矩线的概念
1．额定工作点与有效工作点
2．ｋU＝ｋƒ时的有效转矩线
2．5．2 电动机变频后的有效转矩线
1．ƒX≤ƒN的有效转矩线
2．有效转矩线的改善
3．
∵ 最大输出电压与功率不变 U1X≡U1N，PM≯PMN ∴ fX↑→Ｕ∕ƒ比↓→主磁通Φ1↓→电磁转矩TMX↓ ƒX＞ƒN的有效转矩线
休 20
息 15 分 钟
2．6 拖动系统的传动机构
2．6．1 传动机构及其作用
１．常见传动机构
2．传动比及其作用 λ＝nM nL nL＝nM λ
根据输能量守恒的原则，有： TMnMTLnL= 95509550
TM＝nL＝1 TLnMλ
∴ TL＝TM·λ
2．6．2 传动系统的折算
１．折算的必要性
2．折算的基本原则
稳态过程：折算前后，传动机构所传递的功率不变。
动态过程：折算前后，旋转部分储存的动能不变。
3．折算公式
（1）转速的折算 nL’＝nL·λ＝nM
（2）转矩的折算 TL’＝TLλ λ2 ’＝ （3）飞轮力矩的折算（GDL）
22GDL 4．传动比与工作频率
负载转速 传动比 电动机转速 电动机额定转速
296 1480
表中： p＝2
ΔnN＝1500－1480＝20r／min 工作频率20.4 50
fX＝pn0＝p(nM
60+∆nN)
60
2．6．3 调整传动比在实际工作中的应用
实例1 某电动机，带重物作园周运动，如图所示。运行时，到达A点后电动机开始过载，到达B点时容易堵转，怎样解决？（上限频率为45Hz）
将传动比加大10%，则在电动机转矩相同的情况下，带负载能力也加大10%。但这时的上限频率应加大为49.5Hz。
实例2 提高下限频率 某恒转矩负载，电动机容量是22kW，额定转速为1470r∕min，传动比λ＝4，采用无反馈矢量控制变频调速，在最低工作频率（4Hz）时运行不稳定，怎样解决？（满载运行频率范围为4～40 Hz）
计算如表2－3。
表2－3 提高下限频率的计算
负载转速.4r∕min～294r∕min
原传动比电动机转速117.6r∕min～1176r∕min
λ=4 工作频率～40Hz
修改传动比电动机转速176.4r∕min～1764r∕min
λ=6 工作频率～60Hz
实例3 传动比与电动机的起动 某锯片磨床，卡盘直径为２ｍ，传动比λ＝５； 电动机的容量为３.７ｋＷ。 1．存在问题
起动较困难，升速时间太长。
2．对策
将传动比增大为λ＝7.5，可使折算到电动机轴上的飞轮力矩减小为原来的44%。
结果，卡盘可以在5s内起动起来。
2．7 变频拖动系统的基本规律
2．7．1 变频拖动系统必须满足的条件
1．电动机与负载的功率关系
2．电动机与负载的转矩关系
2．7．2 拖动系统的重要规律与常见误区
[误区一] 甩掉减速器
1．错误原因──电动机降速后的有效功率要随转速下降
2．具体分析
[误区二] 加大工作频率来提高生产率
1．错误原因──负载升速后所需功率加大
2．具体分析
[误区三] 功率相同就可以
错误原因──电动机额定转矩与额定转速的关系
TMN＝9550PMN nMN
表2－4 不同磁极对数电动机的额定转矩（75kW） 磁极数（2p） 额定转速（nMN） 额定转矩（TMN） 2 2970r∕·m 4 1480 r∕N·m 6 980 r∕N·m
[综合实例] 某排粉机，原拖动系统数据:
三相整流子电动机额定功率: 160kW;
额定电流：285A，工作电流：234A，负荷率：σA≈0.82;
额定转速：1050∕350r∕min; 传动比：λ＝2
改造为普通电动机变频调速时：
电动机数据：160kW，275A，1480 r∕min。
运行情况：转速为1050r∕min时，电动机过载，电流达316A。
1．原拖动系统的计算数据
额定转矩
负载转矩 TMN0＝9550PMN9550⨯160＝＝1455N·m nMN1050TL’＝ TMN0·σA＝1455×0.82＝1194 N·m TL＝TL’· λ＝1194×2＝2388 N·m 1050＝525 r∕min λ2Tn2388⨯525＝131 kW PL＝LLmax＝95509550nMOmax负载最高速 nLmax＝最大功率 ＝
2．改造后拖动系统的计算数据
（1）工作频率 fX＝pnOX2⨯1070＝＝35.7Hz 6060
f35.7＝114 kW （2）有效功率 PME＝PMN·X＝160·fN50
9550PMN9550⨯160（3）电动机的转矩TMN＝＝＝1032N·m
nMN1480
【解决办法】
方法一 加大传动比
∵ 当 nM= nMN=1480 r∕min时
PM= PMN=160kW
∴ 令：
负载转速等于最高转速时，电动机的转速等于额定转速： 则 λ’＝nMN nLmax
1480＝2.8（＝1.4λ） 525
TL＝ TL’＝
＝ 2388＝853N·m＜TMN（＝1032 N·m） 2.8
电动机的上限工作频率等于额定频率： fX＝fN＝
50Hz
方法二 改选6极电动机
电动机数据 160kW，297A，980 r∕min
TMN＝9550PMN nMN
9550 160＝1559N·m ＝980
在1050r∕min时的工作频率： fX＝fN×nMX nMN
1050＝53.6Hz ＝50×980
在1050r∕min时的电动机转矩： TMX＝TMN×fN fX
50＝1454 N·m ＝1559×53.6
＞TL’（＝1194 N·m）
2．8 变频器的选型
2
．8．1 变频器容量的选择
1．变频器的容量与电动机特性
2．电动机与变频器额定电流的比较 表2－5 电动机与变频器额定电流的比较
电动机容量（ｋ
W）......0 电动机额2ｐ＝......1定电流 2ｐ＝......7IMN（A） 2ｐ＝......4
2ｐ＝......8
康沃 45.0 60.0 75.0 91.0 112.0 150.0 森兰 45.0 60.0 75.0 91..0 150.0 英威腾 45.0 60.0 75.0 90.0 110.0 150.0变频安邦信.0 90.0 150.0 器额艾默生 45.0 60.0 75.0 90.0 110.0 152.0定电三菱 ..71.86.0 110.0 流 富士 45.0 60.0 75.0 91.0 112.0 150.0
安川......0ABB－....0141..0瓦萨.0 60.0 75.0 90.0 110.0 150.0丹佛士 .61.0 73.0 90.0 106.0 147.0
3．电动机工况与变频器的选择
4．一台变频器带多台电动机
（1）多台电动机同时起动和运行
IN＞1. 05～1.1×ΣIMN
（2）多台电动机分别起动
IN＞(1.05~1.1)IMN K1IST
K2
2．8．2 变频器的类别与选择 表2－6 变频器的类别与应用
变频器类别 常见型号举例 主要特点 只有V∕F控制方式，康沃：CVF－G1、G2
故： 森兰：SB40、SB61 普通型 机械特性略“软”； 安邦信：AMB－G7 调速范围较小； 英威腾：INVT－G9 通 时代：TVF2000 康沃：CVF－V1 用 具有矢量控制功能，森兰：SB80 故： 英威腾：CHV 变 机械特性“硬”； 台达：VFD－A、B 调速范围大； 艾默生：VT3000 频 高性能型 富士：5000G11S 如有转速反馈，则： 安川：CIMR－G7 器
机械特性很“硬”； ABB：ACS800
动态响应能力强； A－B：Power Flex 700
调速范围很大； 瓦萨：VACON NX
可进行四象限运行。 丹佛士：VLT5000
西门子：440
康沃、富士、安川等：P系列只有V∕F控制方式， 但增加了： 森兰：SB12 风机水泵用 三菱：FR－A140 节能功能； 和工频的切换功能； 艾默生：TD2100 专西门子：430 用 起重机械用 三菱：FR241E 变ABB：ACC600 频 电梯用 艾默生：TD3100 器 安川：VS－676GL5
注塑机用 康沃：CVF－ZS∕ZC
英威腾：INVT－ZS5∕ZS7
张力控制用 艾默生：TD3300
三垦：SAMCO－vm05