变频器的转矩控制功能及其应用

其转矩控制模式如图 ５ 所示。
２）运行特点 以卷绕机械为例，随着被卷物卷径 Ｄ 的逐
渐增大，必然有
①负载的阻转矩随卷径的增大而增大
Ｄ
Ｔ ＝Ｆ· （４）
Ｌ
２
②负载的转速随卷径的增大而减小
ｎＬ＝ π ｖ Ｄ ∝ １Ｄ （５）
③拖动系统的运行功率将保持恒定
ＰＬ＝Ｆ·ｖ＝Ｃ 因此，这种负载通常被称为恒功率负载。
EA应用与方案 电气传动
近年来，不少变频器增添了“转矩控制”功能，使变频调速系统在某些领域应 用时，其拖动性能有了进一步的提高。
变频器的转矩控制功能及其应用
□宜昌市自动化研究所 张燕宾
转速控制与转矩控制
１．转速控制 变频调速在绝大多数情况下，都是通过调节频率来调节 电动机转速的，称为转速控制，其特点如图１ａ 和图１ｂ所示。 当调节变频器的给定信号ＵＧ时，变频器的输出频率ｆＸ和电动 机的转速 ｎＭ 将随 ＵＧ 的改变而改变。 ２．转矩控制 转矩控制是一种特殊的控制方式，当变频器的给定信号 ＵＧ改变时，受调节的不是频率，而是电动机轴上电磁转矩ＴＭ， 如图 １ｃ 和图 １ｄ所示。
电动机的给定转矩 ＸＴＭ 不变，则：ａ．在 ｔ１前：负载转矩 ＴＬ小于 与 ＸＴＭ 对应的 ＴＭＸ，ＴＪ ＞ ０，拖动系统将加速，加速度随 ＴＪ 的 减小而减小，故升速过程呈半Ｓ状，一直加速到上限转速ｎＨ 为止。ｂ．ｔ１～ｔ２段：拖动系统的转速已经上升到上限转速ｎＨ，尽 管与负载转矩相比，转矩给定信号仍较大，但因为电动机的 转速已经和同步转速接近了，故电动机的实际转矩处于和负
ｄｔ ＧＤ２ 式中 ｄｎ／ｄｔ——拖动系统的加速度；
ＧＤ２——拖动系统的飞轮力矩。 式（２）表明： ①加速度与动态转矩成正比
ｄｎ ＴＪ↑→ ｄ ｔ ↑ ＴＪ↓→ ｄｄ ｔ ｎ ↓
电气时代 ２００５ 年第 ２ 期 ｜ 85
EA 应用与方案 电气传动
ＯＦＦ
转速控制 （减速停止） 转速指令 转矩限制
ｔ３
３）转矩控制与转速控制的区别 两种控制方式的区别如 附表所示。
０ ｔ ｔ ｔ ｔ １ ２ ３ ａ）
在转矩控制模式下，由于变频器输出频率的大小不能调 节。因此，很难使拖动系统在上限频率和下限频率之间的某 一转速下等速运行。
４．转矩控制和转速控制的切换 转矩控制方式常常应用于拖动系统在某个特定阶段的特 殊运行状态，而很少应用于运行的全过程。因此，它和转速 控制方式之间，常常需要进行相互切换。通常，切换工作是 通过控制外接输入端子的状态来进行的。 １）输入端子的安排 如图３ａ所示，开关量控制端子中： Ｓ１预置为控制变频器的运行与停止，Ｓ３预置为转矩控制与转 速控制的切换端子。模拟量输入端子中，Ａ１预置为频率给定 输入端，Ａ３预置为转矩给定输入端。 ２）切换时序 如图３ｂ所示，在ｔ１时段，变频器的Ｓ１端子 已经得到运行指令（ＫＡ“１ ＯＮ”），但Ｓ３端子尚未得到切换指令 （ＫＡ“２ ＯＦＦ”），变频器处于转速控制模式，其转速大小由Ａ１端 输入的给定信号决定，电动机转矩的上限值由Ａ３端给定信号 的大小决定。 在 ｔ２时段，变频器的 Ｓ３端子得到切换指令（ＫＡ“２ ＯＮ”）， 变频器将切换成转矩控制模式，其转矩大小由Ａ３端输入的给 定信号决定，变频器输出频率的上限值由Ａ１端给定信号的大 小决定。 在ｔ３时段，变频器的Ｓ１端子的运行指令结束（ＫＡ“１ ＯＦＦ”），
Ｅ
运行指令 Ｏ Ｆ Ｆ （端子Ｓ１ 输入）
切换信号
ＯＦＦ
（端子Ｓ３ 输入）
控制模式 转速控制
频率给定 （端子Ａ１ 输入）
转矩给定 （端子Ａ３ 输入）
转速指令 转矩限制
ｔ１
ＯＮ ＯＮ
转速控制 转速限制
转矩指令 ｔ２
ａ） ｂ） 图３ 转矩控制与转速控制的切换 ａ）输入端子安排 ｂ）切换的时序
负载转矩
０
ｔ
ｎ
ｔ
ｎＨ
③ 系统转速
０ ｔ ａ）
③ 系统转速
ｔ ｂ）
图４ 转矩控制用于起动 ａ）负载转矩较小时 ｂ）负载转矩较大时
当拖动系统已经起动后，如果电动机的转矩给定信号还 在继续增大，会导致动态转矩和加速度的不断增加，一直加 速到上限转速时为止。如上所述，加速度的不断增加将引起 乘客的不舒适。所以，当起动到一定转速后，应切换为转速 控制，使拖动系统按预置的加速时间加速到正常的运行速度。
原理，由于转子切割磁力线的速度下降，所产生的转矩也必 下降，直至 ＴＭ ＝ ＴＬ 时，拖动系统将在上限转速 ｎＨ 下稳定运 行。因此，当拖动系统的转速上升到上限转速时，电动机的
转矩并不取决于转矩给定信号，但转矩给定信号保证了拖动 系统将在上限转速下运行。
３）转矩给定信号不变、负载转矩改变 在图２ａ中，假设
１）转速控制的起动过程 在转速控制模式下，动态转矩
的大小不可能根据负载轻重自动进行调整。为了防止发生起
动不起来的情况，总是按负载转矩最大的情况来预置起动转
矩。这样，在负载较轻的情况下，就容易在起动瞬间因发生
冲击而抖动。火车在起动时常常会发生冲击，就是例子之一。
２）转矩控制的起动过程 在转矩控制模式下，可以使电
转矩控制在恒张力控制中的应用
卷绕机械的工作特点：卷绕机械有各种薄膜的收卷或放 卷机械，如塑料薄膜、金属薄膜、纸张等在生产过程中都需 要有收卷和放卷的工序，还有各种线材（如电线和电缆等）的收 卷或放卷机械等。
１）基本要求 在各种薄膜或线材的生产过程中，都要求： ①被卷物的张力 Ｆ 必须保持恒定
Ｆ＝Ｃ ②被卷物的线速度 ｖ 也必须保持恒定
转矩控制只有在“有转速反馈的矢量控制”方式下才能
进行。因此，是矢量控制方式中的一种特殊控制功能。这和 某些变频器中的“直接转矩控制”是两回事。
３．转矩控制时的运行特点 １）拖动系统的状态 拖动系统的状态取决于系统的动态 转矩ＴＪ ＴＪ＝ＴＭ－ＴＬ （１） 式中 ＴＪ——动态转矩，单位为Ｎｍ； ＴＭ ——电动机的转矩，单位为 Ｎｍ； ＴＬ ——负载转矩，单位为Ｎｍ； ＴＪ＞０——系统加速； ＴＪ＜０——系统减速； ＴＪ＝０——系统等速运行。 ２）转矩给定信号与电动机转矩 一方面，电动机的输出 转矩 ＴＭ 取决于转矩给定信号 ＸＴＭ：当负载转矩 ＴＬ小于电动机 转矩 ＴＭ 时，拖动系统必加速；另一方面，变频器在转矩控制 模式下运行时，必须设置上限频率ｆＨ：当拖动系统的转速上升 到接近于上限频率所对应的同步转速时，根据异步电动机的
载转矩相平衡的状态。ｃ．ｔ２～ｔ３段：当负载转矩ＴＬ超过了与ＸＴＭ 对应的 ＴＭＸ，ＴＪ ＜０，拖动系统将降速。ｄ．ｔ３以后：当负载转矩 ＴＬ 又小于ＴＭＸ 时，拖动系统又将加速到上限转速ｎＨ，与ｔ１～ｔ２
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电气传动 EA应用与方案
段的状态类似。但因是由小逐渐增大的，故升速过程呈相反 的半 Ｓ 状。
动机的电磁转矩从 ０ 开始逐渐增大，直至能够克服负载转矩
时，动态转矩和加速度才从 ０ 开始缓慢增加，从而使起动过程
十分平稳。在图 ４ 中，图 ａ 是负载较轻时的情形；图 ｂ 是负载
较重时的情形。
ＴＬ Ｘ ＴＸ
ＴＬ１ ０ ｎ ｎＨ
０
转矩 ① 给定信号 ② 负载转矩
ＴＬ Ｘ ＴＸ ②
ＴＬ２ ①
转矩 给定信号
转矩控制在牵引装置中的应用
１．牵引装置对起动的要求 主要的牵引装置如电气机车和电梯等，其拖动系统的主 要特点如下：ａ．负载的轻重是随机的 电气机车和电梯中的 乘客时多时少，无规律可循。ｂ．对起动过程的要求较高 实 践证明，在电气机车和电梯中，乘客的感觉和速度大小无关， 但与加速度有关，与加速度的变化率关系更大。因此，要求 起动和加速过程必须十分平稳。 ２．拖动系统的加速度 １）拖动系统加速度的计算 ｄ ｎ ＝ ３ ７ ５ Ｔ Ｊ （２）
薄膜
ｖ＝Ｃ Ｆ ＝Ｃ
Ｄ ＴＬ
ＴＬ
＝ Ｆ·
Ｄ ２
Ｐ ＝ Ｆ·ｖ ＝Ｃ
ｎＬ
ＴＬ ＸＴＸ
Ｘ ＴＭ ０
ｎ ｎｍａｘ
②
ＴＬ
①
ｂ）
Ｄ
④
Ｍ
Ｔ Ｍ ＝ Ｃ ｎｍｉｎ
ｎＭ
０ Ｄｍｉｎ
Ｄｍａｘ Ｄ
ａ）
ｃ）
图５ 转矩控制模式在张力控制中的应用 ａ）卷绕示意图 ｂ）转矩与卷径 ｃ）转速与卷径
＝ｖ Ｃ
① ５０．００ Ｈｚ
＋１０Ｖ
ＵＧ
１０Ｖ
ＶＲＦ ＧＮＤ
ａ）
② ２５．００ Ｈｚ
＋１０Ｖ
ＵＧ ５Ｖ
ＶＲＦ ＧＮＤ
① １００．００ ％
＋１０Ｖ
ＵＧ
１０Ｖ
ＶＲＦ ＧＮＤ
ｃ）
②
５０．００ ％
＋１０Ｖ
ＵＧ
５Ｖ
ＶＲＦ ＧＮＤ
Ｔ ＭＸ Ｔ ＭＮ
（％）
ｆ ｘ Ｈｚ
５０
Ｍ
２５
ｎＭ ②
① ｂ）
０ ５ １０
０
ｔ １１
ｔ１２
ｔ
ｂ）
图２ 转矩控制时的转速 ａ）转矩给定信号不变 ｂ）负载转矩不变
附表 转矩控制与转速控制的比较
控制方式 转速大小 转矩大小 系统的加减速
转速控制 由频率给定信号决定 与负载转矩相平衡，有上限值 由给定信号的增加或减小来决定
转矩控制 不能控制，只有上、下限值 由转矩给定信号决定 由动态转矩的正、负来决定
ｄｎ ＴＪ＜０→ ｄ ｔ ＜０
②加速度与飞轮力矩成反比 ｄｎ
ＧＤ２↑→ ↓ ｄｔ
ｄｎ ＧＤ２↓→ ↑
ｄｔ
２）拖动系统的加速时间
∫Ｇ Ｄ ｎ ２
２
ｄｎ
ＧＤ２（ｎ － ｎ ）
ｔ ＝ ＝ ２ １ （３）
ＴＬ ＸＴ Ｘ ＸＴＭ
①
ＴＬ
０
ｎｆ
ｎＨ
Ｘ
③
ｆＨ
② ｔ
ＴＬ ＸＴ Ｘ
ＴＬ
０
ｎ ｎ
ｆＸ
Ｈ
ＸＴＭ ① ②
ｔ ｆＨ
③
这时，即使Ｓ３ 端子仍保持为“ＯＮ”状态，变频器也将自动切 换成转速运行模式后减速和停止。
ＫＡ１ ＫＡ２
Ｒ Ｐ ４～２ ０ ｍ Ａ ０ ～＋ １ ０ Ｖ
ＵＦ
Ｓ１ Ｓ
３
ＳＣ ＋Ｖ Ａ１ Ａ２ Ａ３ ＡＣ
１，２
ｎ ３７５ １
Ｔ Ｊ
３７５Ｔ Ｊ
式中 ｔ ——从ｎ 加速（或减速）至ｎ 所需的时间；
１，２
１
２
ｎ１——加速（或减速）前的转速；
ｎ２——加速（或减速）ຫໍສະໝຸດ 的转速。式（３）表明，加速时间与动态转矩成反比
ＴＪ↑→ｔ１，２↓ ＴＪ↓→ｔ１，２↑ ３．不同控制方式的起动过程
４）负载转矩不变、转矩给定信号改变 在图２ｂ中，假设
负载转矩 ＴＬ不变，则：ａ． 在ｔ１１前：与 ＸＴＭ对应的ＴＭＸ小于ＴＬ， ＴＪ ＜０，拖动系统将不能起动。ｂ． ｔ１～ｔ２ 段：ＴＭＸ超过了ＴＬ，ＴＪ ＞０，拖动系统开始起动并加速，直到上限转速ｎＨ。ｃ． ｔ２以后： 尽管ＸＴＭ始终保持一个较大的数值，但因电动机的转速已经接 近于同步转速，电动机的实际输出转矩将减小为与负载转矩 相平衡的状态。
ＵＧ ／ Ｖ
１００
①
Ｍ
５０
ＴＭＸ②
ｄ）
０ ５ １０ ＵＧ ／ Ｖ
图１ 转速控制与转矩控制
ａ）转速控制的给定与显示 ｂ）频率给定线
ｃ）转矩控制的给定与显示 ｄ）转矩给定线
当给定信号为 １０ Ｖ 时，电动机的电磁转矩为额定值
（１００％ＴＭＮ），如图１ｄ 之状态①；当给定信号为 ５ Ｖ时，电动机 的电磁转矩为 ５０％ＴＭＮ，如图 １ｄ 之状态②。