變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)

變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.1.2三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是指電動機(jī)在運(yùn)行時，其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即

n＝f(T)。

三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖7-1所示。

圖7-1三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章

1．起動轉(zhuǎn)矩Tst

在n=0(s=1)，T=Tst點，這點的轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩Tst，也稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于Tst時，電動機(jī)將不能起動。

2．額定轉(zhuǎn)矩TN

在n=nN(s=sN)，T=TN點，這點的轉(zhuǎn)矩稱為額定轉(zhuǎn)矩TN。當(dāng)電動機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)矩TN時，sN通常在0.02～0.06之間，轉(zhuǎn)速在很小的范圍內(nèi)變化時，轉(zhuǎn)矩即可在很大的范圍內(nèi)變化，即工作于額定轉(zhuǎn)矩TN時，電動機(jī)具有很硬的機(jī)械特性。第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章

3．最大轉(zhuǎn)矩TM

在n=nL(s=sL)，T=TM點，這點的轉(zhuǎn)矩稱為最大轉(zhuǎn)矩TM。TM的大小象征著電動機(jī)的過載能力，用過載倍數(shù)λ表示，λ＝TM／TN。在任何情況下，電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩都不能大于TM，否則電動機(jī)轉(zhuǎn)速將急劇下降，致使電動機(jī)堵轉(zhuǎn)停止，因此，這一點稱為臨界轉(zhuǎn)速點。臨界轉(zhuǎn)速nL的大小決定了L點的上下位置，從而反映了機(jī)械特性的硬度。第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.1.3三相異步電動機(jī)的起動

起動時定子電流Ist也很大，一般會達(dá)到額定電流IN的4～7倍，除了小容量的三相異步電動機(jī)能直接起動外，一般要采取不同的方法起動，變頻器用降低頻率f1從而也降低了U1的方法來起動電動機(jī)。如圖7-2所示為低頻起動時電動機(jī)的機(jī)械特性曲線。圖7-2低頻起動時電動機(jī)的機(jī)械特性曲線第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.1.4三相異步電動機(jī)的制動電動機(jī)的制動狀態(tài)是指電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反的狀態(tài)。

1．直流制動電動機(jī)制動時，切斷電動機(jī)的三相電源，在定子繞組中通入直流電，產(chǎn)生一恒定磁場，如圖7-3所示。

a)直流制動的原理b)直流制動的機(jī)械特性曲線圖7-3直流制動的原理與機(jī)械特性第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章

2．回饋制動由于某些原因，當(dāng)n＞n1時，轉(zhuǎn)子切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向和電動運(yùn)行狀態(tài)n＜n1正好相反，轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電動勢和電流的方向也相反，電磁轉(zhuǎn)矩T也就和n反向，為制動轉(zhuǎn)矩?；仞佒苿邮菍⑤S上的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，回饋給電源。圖7-4回饋制動的機(jī)械特性曲線第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.2異步電動機(jī)的調(diào)速方式

7.2.1異步電動機(jī)的調(diào)速

1．調(diào)速與速度改變

1）調(diào)速是在負(fù)載沒有改變的情況下，根據(jù)生產(chǎn)過程需要人為地強(qiáng)制性地改變拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。

2）速度改變速度改變是由于負(fù)載的變化而引起拖動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速改變。

第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章

2.調(diào)速指標(biāo)

1）調(diào)速范圍指電動機(jī)在額定負(fù)載時所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速nLmax與最低轉(zhuǎn)速nLmin之比，即

(7-4)2)調(diào)速的平滑性是指相鄰兩級轉(zhuǎn)速的接近程度。

3）調(diào)速特性①

靜態(tài)特性主要是指調(diào)速后機(jī)械特性的硬度。工程上常用靜差度δ來表示

(7-5)②

動態(tài)特性指過渡過程中的性能。第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.2.2異步電動機(jī)的調(diào)速方式1.變極調(diào)速三相異步電動機(jī)的變極調(diào)速屬于有級調(diào)速，通過改變磁極對數(shù)p得到。2.變轉(zhuǎn)差率調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速一般適用于繞線型異步電動機(jī)或轉(zhuǎn)差電動機(jī)。具體的實現(xiàn)方法很多，比如：轉(zhuǎn)子串電阻的串級調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速等。變頻率調(diào)速第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.3對不同負(fù)載類型變頻器的選擇在電力拖動系統(tǒng)中，存在著兩個主要轉(zhuǎn)矩，一個是生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，一個是電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T。這兩個轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系分別叫做負(fù)載的機(jī)械特性n＝f(TL)和電動機(jī)的機(jī)械特性n＝f(T)。由于電動機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械是緊密相連的，它們的機(jī)械特性必須適當(dāng)配合，才能得到良好的工作狀態(tài)。第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.3.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載變頻器的選擇

1.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載是指那些負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小，僅僅取決于負(fù)載的輕重，而和轉(zhuǎn)速大小無關(guān)的負(fù)載。帶式輸送機(jī)和起重機(jī)械都是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的典型例子。

a)b)

圖7-8恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性

a)機(jī)械特性b)功率特性第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章

2.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的基本特點

1)恒轉(zhuǎn)矩由于F和r都和轉(zhuǎn)速的快慢無關(guān)，所以在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速nL的過程中負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩TL保持不變，即具有恒轉(zhuǎn)矩的特點：

TL＝常數(shù)

2)負(fù)載功率與轉(zhuǎn)速成正比根據(jù)負(fù)載的機(jī)械功率PL和轉(zhuǎn)矩TL、轉(zhuǎn)速nL之間的關(guān)系，有：

(7-12)3.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下變頻器的選擇

1）依據(jù)調(diào)速范圍。

2）依據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變動范圍。

3）考慮負(fù)載對機(jī)械特性的要求。第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.3.2恒功率負(fù)載變頻器的選擇

恒功率負(fù)載是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的大小與轉(zhuǎn)速n成反比，而其功率基本維持不變的負(fù)載。恒功率調(diào)速的兩成含義：（1）恒功率的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)矩特性指的是負(fù)載在速度變化時需要電動機(jī)提供的功率為恒定，比如1）運(yùn)輸機(jī)械在運(yùn)輸重載時速度慢，輕載時速度快。無論是高速還是低速，所需動力不變.

（2）電動機(jī)具有輸出恒功率能力。當(dāng)電動機(jī)電壓隨頻率增加時的情況。

總結(jié)：異步電動機(jī)變壓變頻調(diào)速時，通常在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上時采用恒功率調(diào)速。

第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.3.2恒功率負(fù)載變頻器的選擇a）機(jī)械特性b)功率特性圖7-10恒功率負(fù)載的機(jī)械特性和功率特性第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章恒功率負(fù)載的特點

（1）功率恒定恒功率負(fù)載的力F必須保持恒定，且線速度v保持恒定。所以，在不同的轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的功率基本恒定：

PL=Fv＝常數(shù)（2）負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速成反比負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的大小決定于：

TL=Fr(7-13)式中F——卷取物的張力；

r——卷取物的卷取半徑。根據(jù)負(fù)載的機(jī)械功率PL和轉(zhuǎn)矩PL、轉(zhuǎn)速nL之間的關(guān)系，有：

(7-14)即，負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速成反比。第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章

2.恒功率負(fù)載變頻器的選擇對恒功率負(fù)載，一般可選擇通用型的，采用V/f控制方式的變頻器。但對于動態(tài)性能有較高要求的卷取機(jī)械，則必須采用具有矢量控制功能的變頻器。第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.3.3二次方律負(fù)載變頻器的選擇二次方律負(fù)載是指轉(zhuǎn)矩與速度的二次方成正比例變化的負(fù)載，例如：風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)、泵、螺旋槳等機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，機(jī)械特性和功率特性如圖7-12所示。

a)機(jī)械特性b)功率特性圖7-12二次方律負(fù)載的特性第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章1.二次方律負(fù)載的特點二次方律負(fù)載機(jī)械在低速時由于流體的流速低，所以負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，流速增快，負(fù)載轉(zhuǎn)矩和功率也越來越大，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和功率PL可用下式表示：

(7-15)(7-16)

式中T0、P0——分別為電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩?fù)p耗和功率損耗；

KT、KP——分別為二次方律負(fù)載的轉(zhuǎn)矩常數(shù)和功率常數(shù)第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章2.二次方律負(fù)載變頻器的選擇可以選用“風(fēng)機(jī)、水泵用變頻器”。這是因為：1)風(fēng)機(jī)和水泵一般不容易過載，所以，這類變頻器的過載能力較低。為120％，1min(通用變頻器為150％，1min)。因此在進(jìn)行功能預(yù)置時必須注意。由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)工作頻率高于額定頻率時，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩有可能大大超過變頻器額定轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)過載。所以，其最高工作頻率不得超過額定頻率。2)配置了進(jìn)行多臺控制的切換功能。3)配置了一些其他專用的控制功能，如“睡眠”與“喚醒”功能、PID調(diào)節(jié)功能。第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.3.4直線律負(fù)載變頻器的選擇

軋鋼機(jī)和輾壓機(jī)等都是直線負(fù)載。

1.直線律負(fù)載及其特性

(1)轉(zhuǎn)矩特點。負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速nL成正比：

(7-17)(2)功率特點。負(fù)載的功率PL與轉(zhuǎn)速nL的二次方成正比。（7-18）

式中，和——直線律負(fù)載的轉(zhuǎn)矩常數(shù)和功率常數(shù)。

第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章其機(jī)械特性曲線如圖7-13所示。

a)輾壓機(jī)示意圖b)機(jī)械特性c)功率特性圖7-13直線律負(fù)載及其特性第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章

2．變頻器的選擇直線律負(fù)載的機(jī)械特性雖然也有典型意義．但在考慮變頻器時的基本要點與二次方律負(fù)載相同，故不作為典型負(fù)載來討論。第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章7.3.5特殊性負(fù)載變頻器的選擇大部分金屬切削機(jī)床屬于混合特殊性負(fù)載。

1．混合特殊性負(fù)載及其特性金屬切削機(jī)床中的低速段，由于工件的最大加工半徑和允許的最大切削力相同，故具有恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)；而在高速段，由于受到機(jī)械強(qiáng)度的限制，將保持切削功率不變，屬于恒功率性質(zhì)。第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期日《變頻器原理與應(yīng)用（第2版）》第7章特殊性負(fù)載機(jī)械特性和功率特性則如圖7-14所示。

a)機(jī)械特性