变频调速的控制原理

第三章 变频调速的控制原理

变频调速拖动系统的发展日新月异，它就是由变频器供电的电动机带动生产机械运转的系统。描述转速n 和转矩T 之间的关系）（T f n =称为机械特性。电力拖动系统的稳态工作情况取决于电动机和负载的机械特性。因此，要学习变频调速的控制原理，有必要了解负载的机械特性和电动机的机械特性。

§3-1 各类负载的机械特性分析

负载的机械特性决定于负载阻转矩的构成以及负载对工况的限制和要求。工矿企业中，生产机械的类型很多，它们的机械特性也各不相同。但大体上说，主要有三类：

一、 恒转矩负载

1.转矩特点

在不同的转速下，负载的阻转矩基本恒定：

const T L =

即负载阻转矩L T 的大小与转速L n 的高低无关，其机械特性曲线如图2-1-1b)所示。

2.功率特点

负载的功率L P 和转矩L T 、转速L n 之间的关系是9550L L L n T P =

, 即负载功率与转速成正比。

3.典型实例 带式输送机是恒转矩负载的典型例子之一。

负载转矩的大小决定于传动带与滚筒间的摩擦阻力F 和滚筒半径r ：

Fr T L = 由于F 和r 都和转速的快慢无关，所以在调节转速L n 的过程中，转矩L T 保持不变，即具有恒转矩的特点。

二、 恒功率负载

1.功率特点

在不同的转速下，负载的功率基本恒定：

const P L =

即负载功率的大小与转速的高低无关。

2.转矩特点

L

L L n P T 9550=

即负载转矩的大小与转速成反比。

3.典型实例

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：随着“薄膜卷”的卷径逐渐增大，卷取辊的转速应该逐渐减小，以保持薄膜卷的线速度恒定，从而也保持了张力的恒定。

负载阻转矩的大小决定于卷取物的张力F （在卷取过程中，要求张力保持恒定）和卷取物的卷取半径r （随着卷取物不断卷到卷取辊上，r 将越来越大）

Fr T L =

由于具有以上特点，因此，在卷取过程中，拖动系统的功率是恒定的：

const Fv P L ==

式中v －卷取物的线速度，在卷取过程中，为了使张力大小保持不变，要求线速度也保持恒定。

三、 二次方率负载

1.转矩特点

负载的阻转矩L T 与转速L n 的二次方成正比：

2

L T L n K T = 其机械特性曲线如图2-1-3 b)所示。

2.功率特点

负载的功率L P 与转速L n 的三次方成正比： 32

9550L P L L T L n K n n K P == 式中 T K 、P K －二方律负载的转矩常数和功率常数。

3.典型实例

离心式风机和水泵都属于典型的二次方率负载。以风扇叶片为例。事实上，即使在空载的情况下，电动机的输出轴上，也会有损耗转矩0T ,如摩擦转矩等。因此，严格的讲，其转矩表达式应为：

2

0L T L n K T T += 功率表达式为：

2

0L P L n K P P += 式中 0P －空载损耗。

§3-2异步电动机的机械特性

一、异步电动机的等效电路

常见的异步电动机的等效电路。

二、固有机械特性

电动机内电流和磁场的相互作用的结果是产生了电磁转矩。以异步电动机为例，电磁转矩的大小与电流和磁通量的乘积成正比，

22

1cos ϕφI C T m M M '= 式中，M C －转矩常数

2

I '－折算到定子侧的转子电流； m φ－每极的磁通；

2cos ϕ－转子电流的功率因数；

异步电动机的机械特性)(T f n =。

如果式2-2-1中各参数均处于额定状态，电动机按规定的接线方式接线，定子及转子电路中不外接电阻（电抗或电容）时所获得的机械特性称为异步电动机的固有机械特性。

固有机械特性曲线的形状主要决定于以下三点：

(1)理想空载点),0(0n n T M M ==：理想空载点E 的位置主要反映了理想空载转速的大小。在异步电动机中，理想空载转速就是旋转磁场的转速(同步转速)： p

f n 600= (2)起动点(0,==M S M n T T )：起动点S 主要说明当电动机刚接通电源，尚未转起来时的起动转矩S T 的大小。

(3)最大转矩点(K M T T =，K M n n =)：最大转矩点的位置对于评价机械特性来说，是十分重要的，今说明如下。

1) 电动状态最大转矩点)(P P n T P ，

P T 是临界转矩，也叫最大转矩, 是异步电动机所能产生的最大电磁转矩，其大小放映了电动机的过载能力。P n 是临界转速，它的大小决定了P 点的上下位置，从而主要反映了机械特性的硬度。

2)回馈制动最大转矩点)(P P n T P '''，

在回馈制动时异步电动机的过载能力较电动状态时大，即 m m

T T 〉' 回馈制动的原理将在后面详细介绍。

二、制动机械特性

电动机中，凡电磁转矩的方向和转子的实际旋转方向相反的状态，统称为制动状态。

1.回馈制动

（1） 原理

当异步电动机的转子转速M n 超过同步转速0n 时，电动机便处于回馈制动状态。这时的异步电动机实际上处于发电的状态，或者说，拖动系统的动能被“再生”成电能了。其基本特征是：

1）0n 与M n 同方向；

2）M n n <0

（2）机械特性

回馈制动的机械特性是电动状态机械特性向第二象限的延伸，如图2-2-4所示。

当起重机放下重物时，因为转子转速超过了同步转速，故工作点顺着原机械特性曲线1向第二象限移动，直至电磁制动转矩M T -与重物的牵引转矩G T 相等，这时的工作点已移至G 点（G G M n T T ,=-）。

当变频调速系统降速时，由于频率降低，机械特性变成了曲线2。但由于拖动系统的惯性，系统的转速不可能突变，因而工作点将从曲线1上的Q 点（Q T 、Q n ）按转速未变的原则“跳转”到曲线2上。由于曲线2上与转速Q n 对应的点是第二象限的B 点，于是得到反方向的制动转矩B T ,使拖动系统迅速降速。

2.能耗制动（直流制动）

（1）方法和原理

在定子绕组里通入直流电流，从而产生一个固定磁场。由于磁场不动，所以，转子绕组按其旋转方向切割磁力线，从而产生制动转矩，

直流制动的原理与再生制动十分类似，但它却不能象再生制动那样把拖动系统的动能再生成电能反馈回去，而只能让拖动系统的动能完全消耗掉，故成为能耗制动。

（2）机械特性

直流制动的原理与再生制动类似，所以，其机械特性实际上就是Hz f 0=再生制动的机械特性。当系统直流制动时，由于拖动系统的惯性，系统的转速不可能突变，因而工作点将从曲线1上的Q 点（Q T 、Q n ）按转速未变的原则“跳转”到曲线2上。由于曲线2上与转速Q n 对应的点是第二象限的B 点，于是得到反方向的制动转矩B T ,使拖动系统迅速降速。

3.反接制动

（1）状态特征

电动机的实际旋转方向与电磁转矩的旋转方向相反时的状态即为反接制动状态。

（2）定子两相反接的反接制动