系统设计及应用实例

Dm in 2i
Fset
60Vseti
Dm in
1 975
Vset Fset 102
(k w)
显然，电动机功率应与负载功率相等。
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2）电动机恒转矩调速
电动机工作在恒转矩区，因此，电动机额定转速应取nmax，额定转矩应
取Tmax，电动机功率
P2
Tmaxnmax 975
Dm F ax set 2i
的低成本简易型变频器。
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2. 恒转矩类负载 对挤压机、搅拌机、传送带、厂内运输电车、起重机等一类负载，要 求在低速时电动机输出额定转矩，并且要求有足够的过载能力，可以采用 开环矢量控制方式。 对轧钢、造纸、塑料薄膜加工线这一类对动态性能要求较高的生产机 械，可采用闭环矢量控制方式。 3. 恒功率负载 机床主轴和轧钢机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等 要求的转矩大体与转速成反比，这一类负载就属于恒功率负载。负载调速 时，工作在恒功率区或恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。异步电 动机在额定频率以下工作在恒磁通区调速时，最大允许输出转矩不变，属 于恒转矩调速；在额定频率以上，弱磁通区调速时，最大允许输出转矩与 速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速范围与 负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的条件下，电动机 的容量和变频器的容量均最小。多数情况是存在“不匹配”的条件，如对 卷取机、开卷机，在全调速范围内是属于恒功率负载，电动机工作在恒转 矩区和恒功率区，这种情况下电动机的选择见例一。
因此转矩表达式应为： 功率表达式为：
TL T0 KT nL2
PL P0 KPnL3
式中，T0为空载转矩；P0为空载功率。
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图9-1所示为典型的二次方律负载的机械特性和功率特性。
n
n
Hale Waihona Puke Baidu
(r/min)
1500
1000 500
0 9.4 22.7
45 TL (N·m)
0 0.49 2.38
7.5 PL (kW)
(a)机械特性
(b)功率特性
图9-1二次方律负载及其特性
这一类负载低速时转矩小，无高的动态性能要求，一般采用V/f控制。 当所需的风量、流量减小时，利用变频调速来调节风量、流量，较比通
过阀门调节可以大幅度节约电能。由于功率与转速的三次方成正比，所
以不应使风机、泵类负载超工频运行。市场上有专门为这一类负载设计
第9章 系统设计及应用实例
9.1 通用变频器的选择
9.1.1负载转矩特性
1.二次方律负载
风机、泵类等属于二次方律负载，负载转矩TL与转速nL二次方成正比，
即
TL
K
T
n
2 L
式中，KT为二次方律负载的转矩常数。
负载功率PL与转速的三次方成正比，即
PL
KT nL2 nL 9550
K
p
n
3 L
式中，Kp为二次方律负载的功率常数。 由于空载状态下，电动机的输出轴上存在空载转矩，如摩擦转矩等，
Dmin Fset 2i
60Vseti 1
Dmin 975
FsetVset 102
(k w)
bc段，电动机工作在恒转矩区，电动机额定转矩取Tmax，电动机功率 为
P4
TmaxnN 975
DmaxFset 60Vseti 1
2i DN 975
Vset Fset Dmax Vset Fset Dmax Dmin
实际选择时，电动机容量应比计算值大，至少留有10%的裕量。
60Vseti 1
Dmin 975
Vset Fset Dmax d Vset Fset (kw)
102 Dmin
102
电动机功率要比负载功率大d倍。 3）最大力矩法
取电动机额定转速nN满足 nmin nN nmax
最大力矩法指额定转速以下，电动机工作在恒转矩区；额定转速以上，
电动机工作在恒功率区。
Tm a x
Dm a x 2i
Fset (kg m)
Tm in
Dm in 2i
Fset (kg m)
由此，可得电动机的负载特性如图9-4所示。
n
n max
n min
0
Tmin
Tmax
T
图9-4 电动机负载特性
1）电动机恒功率调速
电动机恒功率调速，则电动机功率可用负载特性上任一点来计算
P1
Tm innm a x 975
n 60Vseti (r / min) D
电动机最高转速和最低转速分别是：
调速比
nmax
60Vseti
Dmin
(r
/
min)
nmin
60Vseti (r / min)
Dmax
d nmax Dmax nmin Dmin
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F set
n
D
i
M
图9-3 卷取电动机
电动机最大转矩和最小转矩分别是
102 DN
102 Dmin DN
d Vset Fset Dmin (kW) 102 DN
由于P4>P3，电动机功率应取P4。采用最大力矩法，电动机功率P4较 比恒转矩调速功率P2减小Dmin/DN倍。恒功率调速的电动机功率P1最小， 与负载功率PL相等。
以上讨论针对恒功率负载，电动机在不同工作区域容量的计算方法。
n
图 9-5 中 ， 额 定 转 速 nN 将 电 动
n max
a
机功率曲线分成两段，与nN对应的
卷径为： 转矩为：
DN
60Vseti
nN
TN
DN 2i
Fset
nN
b
n min
0 Tmin TN
c
T Tmax
图9-5 最大转矩图
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ab段，电动机工作在恒功率区，取a点计算电动机功率为
P3
Tminnmax 975
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例一 卷取机电动机容量计算 卷取机工作原理如图9-2所示。
压轧辊
活套 M
Vset
卷取机
Fset
D
I set
M
Vset 变频器 A
Fact
变频器
Vset
B
n act
图9-2 卷取机工作原理图
变频器A控制压轧辊电动机，使带材以恒定线速度Vset(m/s)通过压轧辊。 变频器B控制卷取机电动机转速，使其以恒定张力Fset (kg)卷取带材。保持 张力恒定或按一定规律变化是开卷机、卷取机电力传动系统最重要的性能 指标。活套是用来检测张力的，带材张力变大或变小都将使活套偏离设定
位置，因此，通过检测活套位置就可以得到张力反馈值Fact。
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负载功率
PL Vset Fset 102 (kw)
是一个恒功率负载。
图9-3中，电动机转矩
T DFset (kg m) 2i
式中，D为卷筒直径，单位m；i为减速比。
设卷取机空筒直径为D0，满卷直径为Dmax。
电动机转速为