变频拖动系统及其应用

重力负载就是负载具有一定的势能，典 型代表是起重机械和向下传输的传动带。 这类负载本身的重力加速度会改变电动 机的运行状态。
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第4章变频拖动系统及其应用
重力负载的特点
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第4章变频拖动系统及其应用
重力负载的特点
在起升机构中，主要有三种转矩:
电动机的转矩TM：主动转矩，其方向可正可负;
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第4章变频拖动系统及其应用
恒转矩负载的特点
恒转矩负载的启动
恒转矩负载启动通常是重载启动 重载启动时可以预置启动频率
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第4章变频拖动系统及其应用
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第4章变频拖动系统及其应用
恒转矩负载的调速范围
调速范围和负载率的关系
负荷率是指电动机轴上的负载转矩TL（负 载折算到电动机轴上的转矩）与电动机额 定转矩TMN的比值。
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第4章变频拖动系统及其应用
恒功率负载调速时的主要问题
以某卷取机为例: 负载的转速范围为53～318r/min，电动机
的额定转速为960r/min，传动比λ＝3。 其机械特性如图所示。
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第4章变频拖动系统及其应用
恒功率负载调速时的主要问题
最高转速时的负载功率
∵TL＝TLmin＝10N·m nL＝nLmax＝960 r/min
起升过程中电动机的工作状态
空钩（包括轻载）下降
空钩（或轻载）时，由于受减速机构的磨 擦转矩的阻碍，重物自身将不能下降，必 须由电动机反向运行来实现。电动机的转 矩和转速都是负的，故机械特性曲线在第 Ⅲ象限。
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第4章变频拖动系统及其应用
起升过程中电动机的工作状态
重载下降
重载时，重物自身的重力将超过磨擦转矩， 具有依靠自重而下降的能力，电动机的旋 转速度将超过同步转速而进入再生制动状 态。电动机的旋转方向是反转（下降）的， 但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正 方向的。
变频调速系统的四象限运行
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起升过程中电动机的工作状态
重物上升
重物的上升，完全是电动机正向转矩作用 的结果。
当通过降低频率而减速时，在频率刚下降 的瞬间，电动机处于再生制动状态，其转 矩变为反方向的制动转矩，使转速迅速下 降。
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第4章变频拖动系统及其应用
启动、制动不频繁的负载
加速时间预置以启动电流不超过允许范围为准， 减速时间预置以制动直流电压不超过允许范围 为准。
频繁启动、制动的负载
加减速时间尽量短，但应防止不必要的跳闸， 可以预置加减速防止跳闸功能，特殊需要接入 制动电阻。
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第4章变频拖动系统及其应用
4.5 重力负载的变频调速
第4章变频拖动系统及其应用
全频范围的有效转矩线
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第4章变频拖动系统及其应用
4.4 恒转矩负载的变频调速
任何机械在运行过程中，都有阻碍运动的力或 转矩，称之为阻力或阻转矩。负载转矩在极大 多数情况下，都呈阻转矩性质。
因此，所谓负载的机械特性，也就是负载的阻 转矩与转速的关系。在分析负载的机械特性时， 首先应弄清其阻转矩是怎么形成的，然后再分 析当转速变化时，阻转矩的变化规律。
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第4章变频拖动系统及其应用
额定频率上的有效转矩线
fX＞fN时的特点
允许电流不变：电动机的额定电流是由电 动机的允许温升决定的，所以，不管在多 大的频率下工作，电动机的允许工作电流 是不变的。
电动机的输入功率基本不变：因为电动机 的输入电压和允许电流都不变，功率因数 的变化不大，所以，当频率fX上升时，其 最大输入功率的大小基本不变。
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第4章变频拖动系统及其应用
恒转矩负载的特点
带式输送机是恒转矩负载的典型例子。 负载的阻力来之于皮带与滚筒间的摩擦 力，作用半径就是滚筒的半径。故负载 阻转矩的大小决定皮带与滚筒间的磨擦 阻力和滚筒的半径。
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第4章变频拖动系统及其应用
恒转矩负载的特点
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第4章变频拖动系统及其应用
4.1 变频后的电动机
电动机的铭牌数据
额定电压、额定电流 额度容量、额定转矩 转速、效率、功率因数 电动机的定额
根据负载不同可以分为：连续、断续短时
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4.1 变频后的电动机
变频电动机
有专用冷却风扇 输出轴较长 磁路余量大 加强槽绝缘 增加轴承的绝缘
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第4章变频拖动系统及其应用
电动机的有效转矩线
有效转矩线的概念
额定工作点 有效工作点 有效转矩线
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2.5 变频调速的有效转矩线
有效转矩线的概念
有效转矩线与工作点
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电动机的有效转矩线
有效转矩线的概念
有效转矩线与工作点
拖动系统的工作点是有由负载的机械特性 曲线和电动机机械特性曲线的交点决定。
要使拖动系统在全调速范围内都能够正常 运行，必须使有效转矩线把负载的机械特 性曲线的运行段包括在内。
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电动机的有效转矩线
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有效转矩线的概念
理想有效转矩线：变频器在额定频率以下 工作时，通过合适的转矩补偿，都能够在 全频率范围内得到理想的恒转矩有效转矩 线。
电动机的发热与散热
铁损PFe─频率下降时，铁心的涡流损失和 磁滞损失都有所减小，故铁损pFe将随频率 的下降而减少。
机械损失Pme─转速下降，机械的磨擦损失 和通风损失也都减少。
综合起来，电动机的功耗PΣ和频率的关系 如图中之曲线④所示。
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第4章变频拖动系统及其应用
电动机的有效转矩线
恒转矩负载的功能预置要点
上下限频率的预置要点
上限频率的预置：上限频率应尽量接近基 本频率。
上限频率低于基本频率，电动机的有效输出功 率将减小；上限频率高于基本频率，电动机的 有效转矩将减小；
下限频率预置：
下限频率应尽量提高
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第4章变频拖动系统及其应用
恒转矩负载的功能预置要点
加减速时间预置
恒转矩负载的特点
这里所说的转矩大小的是否变化，是相对于 转速变化而言的，不能和负载轻重变化时， 转矩大小的变化相混淆。
恒转矩负载的特点是:负载转矩的大小，仅仅 取决于负载的轻重，而和转速大小无关。拿 带式输送机来说，当传输带上的物品较多时， 不论转速有多大，负载转矩都较大；而当传 输带上的物品较少时，也不论转速有多大， 负载转矩都较小。
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第4章变频拖动系统及其应用
电动机的有效转矩线
电动机的散热
普通电动机中，主要是靠转子的扇叶来进 行通风散热的。显然转速越低，风量越小， 散热也就越差。
实际的有效转矩：
综合上述，电动机的有效转矩与频率的关 系如图曲线①所示。
如果能够充分改善散热条件（如外加强迫通 风）就可以得到如图中曲线③所示的恒转矩 的有效转矩线。
∴PL＝ TLmin× nLmax/9550 ≈1kW
最低转速时的负载功率
∵TL＝TLmax＝60N·m nL＝nLmin＝159r/min
∴PL＝ TLmax×nLmin/9550 ≈1kW
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第4章变频拖动系统及其应用
恒功率负载调速时的主要问题
所需电动机的容量:
电动机的额定转矩必须能够带动卷径最 大时的负载转矩: TMN≥ TLmax＝60N·m
大转矩，又要满足负载的最高转速。
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第4章变频拖动系统及其应用
电动机容量与传动比的确定
电动机在fX＞fN时的有效转矩线也具有 恒功率性质，所以，应该尽量利用电动
机的恒功率区来带动恒功率负载，使两 者的特性比较吻合。
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第4章变频拖动系统及其应用
电动机容量与传动比的确定
fX≤2fN时的电动机容量
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第4章变频拖动系统及其应用
电动机的有效转矩线
电动机的发热与散热
电动机的功耗：功耗是导致电动机发热的 原因。电动机各部分的损耗随频率而变化。 铜损PCu─由于电动机允许长时间通过 的电流（额定电流）是不变的，所以铜损 PCu的大小与频率无关。
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电动机的有效转矩线
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第4章变频拖动系统及其应用
恒转矩负载的调速范围
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第4章变频拖动系统及其应用
恒转矩负载的调速范围
由图知，在拖动恒转矩负载时，允许的 工作频率范围是和实际的负荷率有关。
实际负荷率越大，允许的工作频率范围 越小，反之，实际负荷率越小，则工作 频率范围越大。
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第4章变频拖动系统及其应用
电动机的有效转矩线
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第4章变频拖动系统及其应用
额定频率上的有效转矩线
fX＞fN时的特点
输出电压不变：因为变频器的输出电压不 可能超过电源电压，所以，当fX＞fN时， 其输出电压不可能和频率一起上升，而只 能保持恒值：U1X≡US
主磁通减小：由于U1X≡US ，反电动势E1X 的大小也基本不变。所以，当fX＞fN时， 随着fX的上升，U/f比将下降，主磁通Φ1 也将减小。
重力转矩TG：重物及吊钩等作用于卷筒的转矩， 其大小等于重物及吊钩等的重量G与卷筒半径r 的乘积， TG的方向永远是向下的。
磨擦转矩T0：由于减速机构的传动比较大，减 速机构的磨擦转矩（包括其他损失转矩）不可 忽略。磨擦转矩的特点是，其方向永远与运动 方向相反。
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第4章变频拖动系统及其应用
起升过程中电动机的工作状态
溜钩的防止
提升机构中，由于重物具有重力的原因， 如没有专门的制动装置，重物在空中是停 不住的。为此，电动机轴上必须加装制动 器，常用的有电磁铁制动器和液压电磁制 动器等。多数制动器都采用常闭式的，即 线圈断电时制动器依靠弹簧的力量将轴抱 住，线圈通电时松开。
各种薄膜的卷取机械是恒功率负载的典 型例子之一。
其工作特点是：为了保证在卷绕过程中， 被卷物的物理性能不发生变化，随着 “薄膜卷”的卷径不断增大，卷取辊的 转速应逐渐减小，以保持薄膜的线速度 恒定，从而也保持了张力的恒定。
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第4章变频拖动系统及其应用
4.6 恒功率负载的变频调速
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第4章变频拖动系统及其应用
起升过程中电动机的工作状态
变频调速系统中的防溜钩措施
变频器防止溜钩的基本指导思想，是让上 述过程在很低的频率下进行，从而使电动 机的电流和闸瓦的摩擦大为减小。
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第4章变频拖动系统及其应用
4.6 恒功率负载的变频调速
第4章变频拖动系统及其应用
第4章 变频拖动系统及其应用
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第4章变频拖动系统及其应用
第4章 变频器拖动系统及其应用
§4.1 后的电动机 §4.2 变频器应用的基础知识 §4.3 变频拖动系统的基本规律 §4.4 恒转矩负载的变频调速 §4.5 重力负载的变频调速 §4.6 恒功率负载的变频调速 §4.7 二次方率负载的变频调速
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第4章变频拖动系统及其应用
起升过程中电动机的工作状态
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第4章变频拖动系统及其应用
起升过程中电动机的工作状态
在重物开始升降或停住时，要求制动器和电 动机的动作之间，必须紧密配合。
由于制动器从抱紧到松开，以及从松开到抱 紧的动作过程需要时间（约0.6s，因电动机 的容量大小而异），而电动机转矩的产生或 消失是在通电或断电瞬间就立刻反映的。因 此两者在动作的配合上极易出现问题。如电 动机已经通电，而制动器尚未松开，将导致 电动机的严重过载；反之如电动机已经断电， 而制动器尚未抱紧，则重物必将下滑，即出 现溜钩现象。
电动机的额定转速必须满足负载的最高 转速: nMN≥nLmax＝960r/min
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第4章变频拖动系统及其应用
恒功率负载调速时的主要问题
电动机的容量应满足: PMN≥ TLmax× nLmax ≈6kW
选PMN＝7.5kW 可见，所选电动机的容量比负载实际
所需功率增大了7.5倍。 这是因为，电动机既要满足负载的最
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第4章变频拖动系统及其应用
额定频率上的有效转矩线
由于最大输入功率不变，如假设电动机的 效率也不变，则电动机的输出功率基本不 变。所以，在额定频率以上的有效转矩线 具有恒功率的特点。即有效转矩的大小与 转速成反比。
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第4章变频拖动系统及其应用
额定频率上的有效转矩线
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