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1、38怎样描绘拖动系统的带负载能力？第2章电动机变频后的带负载特性21异步电动机的机械特性211异步电动机的自然机械特性图21异步电动机的自然机械特性a）自然机械特性b）机械特性的含义电动机的机械特性：描绘电磁转矩和转速之间关系的曲线。自然机械特性：在不改变任何参数时的机械特性。理想空载点：阻转矩和损耗转矩都等于0时的工作点。起动点：刚合上电源，尚未起转时的工作点。临界点：产生最大转矩的工作点。机械特性说明的问题：从电动机的角度看，转速降低，产生的电磁转矩将增大。1自然机械特性图22机械特性的含义之二a）拖动系统的工作点b）机械特性的含义负载的机械特性：描绘负载的阻转矩与转速之间关系的曲线（曲线
2、）。拖动系统工作点：电动机机械特性（曲线）与负载机械特性（曲线）的交点。负载增大的过程：TLTMTLnMTMTMTL在已经降低了的转速下达到新的平衡。拖动系统的观察结果：负载转矩增加，拖动系统的转速将有所下降。2拖动系统的工作点3机械特性的“硬”与“软”图23机械特性的“硬”与“软”a）硬特性b）软特性硬特性：负载变化时，转速的变化不大。软特性：负载变化时，转速的变化较大。212异步电动机的人工机械特性图24转子串联电阻的机械特性a）转子串联电阻的电路b）机械特性特点：临界转矩不变，临界转速下降，起动转矩增大。优点：有利于起动。缺点：机械特性变软。1转子串联电阻的机械特性2改变电压的机械特性图
3、25改变电压的机械特性a）电路图b）机械特性特点：临界转速不变，临界转矩减小，起动转矩减小。优点：可平滑起动。缺点：不利于起动。图26 fXfN时的机械特性a)变频调速 b)变频机械特性簇理想空载点：随频率的减小而下移。临界转矩：略有减小。机械特性硬度：基本不变。优点：可平滑调速。缺点：低频时带负载能力略有减小。3改变频率的机械特性（kU=kf）转矩变小的关键在磁通！22低频时临界转矩减小的原因图27有效转矩与磁通（1）电磁转矩总是和负载转矩（包括损耗转矩）相平衡的。（2）电磁转矩正比于转子电流和磁通的乘积。（3）电流是不允许超过额定电流的。（4）临界转矩与磁通成正比。221有效转矩与磁通22
4、2与磁通有关的因素223频率下降时的磁通变化（kUkf）假设：（1）U30VI1I1N（约3040V）（2） U1XU1图28低频时临界转矩减小的原因a）运行频率为50Hzb）运行频率为25Hz c）运行频率为10Hz低频时运行特点变频器的输出电压：随频率的减小而下降。电动机的阻抗压降：如负载不变，则阻抗压降也基本不变。反电动势：有所减小。磁通：有所减小。临界转矩：有所减小。当kUkf，I1I1N时，在不同频率下的磁通量fX（Hz）U1X（V）1X（%）fX（Hz）U1X（V）1X（%）503801002015287403049810766630228945382323增大转矩的对策之一VF控
5、制方式231VF控制的基本思想图29电压补偿的原理a）电压补偿的含义b）25Hz时的补偿量c）10Hz时的补偿量转矩提升的基本思想：低频时适当补偿电压，使反电动势保持不变。1设置转矩提升功能图210转矩提升量的定义a）基本Uf线b）转矩提升量基本Uf线：kUkf时的Uf线。基本频率：与最大输出电压对应的频率。转矩提升量：UC%100%2转矩提升后的Uf线图211负载变化（减轻）对磁通的影响a）负荷率减轻至20%b）正常时励磁电流c）饱和时励磁电流变频器的输出电压：只和频率有关，与负载无关。阻抗压降：负载减小时，阻抗压降也随之减小。反电动势：负载减小时，将有所增加。磁通：负载减小时，将有所增加，
6、甚至可使磁路饱和，励磁电流产生尖峰波。3转矩提升存在的问题232 变频器提供的Uf线图212 Uf线的类型之一a）Uf线类别b）恒转矩类Uf线c）二次方类Uf线第一步：预置Uf线类别。第二步：预置转矩提升量。1Uf线的类型之一图213 Uf线的类型之二a）二次方类b）一次方类c）恒转矩类二次方律负载预置范围：0.10.9（0.9对应于10%）。一次方律负载预置范围：1.01.9（1.9对应于10%）。恒转矩负载预置范围：2.020.0（20.0对应于10%）。2Uf线的类型之二3Uf线的类型之三图214 Uf线的类型之三a）三点式Uf线b）多点式Uf线c）折线的预置第一步：作出所需Uf线。第二
7、步：作出近似折线。第三步：预置近似折线各拐点的坐标。 图215自动转矩提升a）自动Uf线b）手动提升过程c）自动提升过程手动提升特点：提升量预置后，不同频率时的补偿量也就确定。自动提升特点：不论频率多大，每次自动搜索的增量都相同。优点：起动转矩大。缺点：容易引起振荡。4自动转矩提升233关于预置转矩提升功能的讨论1转矩提升量的初定（1）满负荷时的最大提升量为：UC%10%（2）测量负载在运行过程中的最大负荷率：max%100%100%（3）转矩提升量约为：UC%10%max% 0.1max%（4）根据运行情况进行调整。图216塑料挤出机转矩提升不足：磁通小于额定磁通，故电流大于额定电流。增大提
8、升量：磁通接近于额定磁通，电流接近于工频运行电流。2提升不足2提升过分图217转矩补偿后的电流转矩曲线a）电压补偿线b）补偿后的电流曲线转矩提升量过大的现象负荷较重时：磁路未饱和，转矩电流居主导地位，负载轻，电流小。负荷较轻时：磁路饱和，励磁电流居主导地位，负载越轻，电流越大。（1）提升过分时的IMf（TL）曲线图218转矩提升预置过分a）风机的机械特性b）Uf线的预置针对二次方律负载：低频运行时负荷率很低，应进行负补偿。（2）提升过分的实例之一图219离心浇铸机的Uf线选择a）离心浇铸机示意图b）机械特性c）Uf线选择40Hz以下：浇铸机处于轻载状态，不必补偿。40Hz以上：浇铸机虽然处于重
9、载状态，因已接近于基本频率，也不必补偿。（3）提升过分的实例之二休息15分234关于预置基本频率的讨论1电动机额定电压不符时的处理图220220V电动机配380V变频器a）对基本频率的设定b）变频器与电动机的对应关系通过增大基本频率，使与50Hz对应的电压为220V。（1）三相220V电动机配380V变频器 图221270V、70Hz电动机配380V变频器a）对基本频率的设定b）变频器与电动机的对应关系第一步：作出所需基本Uf线OA。第二步：延长OA至B，B点对应380V。第三步：算出与B点对应的基本频率。（2）270V、70Hz电动机配380V变频器图222电源电压与基本频率a）电源电压偏低
10、b）降压节能电源电压偏低：为了保证额定磁通和转矩，应降低基本频率。额频时降压节能：“大马拉小车”时，适当加大基本频率，可减小与50Hz对应的电压，实现降压节能。2电源电压与基本频率变频效颦赛“西施”！24增大转矩的对策之二矢量控制方式241矢量控制的基本思想图223 直流电动机的调速a）直流电动机结构示意图b）直流电动机电路c）调速后机械特性直流电动机的特点：（1）有两个互相垂直的磁场。（2）两个电路互相独立。1直流电动机的特点2矢量控制的基本思路图224 矢量控制框图第一步：将给定信号分解成两个互相垂直的磁场信号。第二步：通过一系列等效变换，得到三相旋转磁场信号。实现：（1）转子磁通和主磁通
11、互相垂直；（2）主磁通保持不变。242电动机参数的自动测量（auto-tuning）图225矢量控制所需参数a）铭牌数据b）等效电路参数铭牌数据：额定容量、额定电压、额定电流、额定转速、效率等。等效电路参数：定子绕组的电阻和漏磁电抗；转子等效电路的电阻和漏磁电抗，空载电流。1矢量控制需要的参数图226电动机的空载和堵转试验a）空载试验b）堵转试验空载试验：电动机脱离负载并空转，测量空载电流。电动机不能脱离负载时，空载电流按40%IMN估算。堵转试验：电动机处于堵转状态，适当降低电压，测量短路电压和电流。2电动机的空载和堵转试验3自动测量的相关功能（1）安川G7系列表21自动测量相关功能（安川C
12、IMRG7A）功能码功能含义数据码及含义T101自动测量模式0：旋转自测量；1：静止自测量T102电动机额定功率T103电动机额定电压T104电动机额定电流T105电动机额定频率T106电动机的磁极数T107电动机额定转速旋转自测量：电动机脱离负载。变频器通电，按下RUN键，先让电动机停止1分钟，再让电动机旋转1分钟（转速约为额定转速的50%80%）。按下STOP键，中止自测量。静止自测量：电动机不脱离负载。变频器通电，按下RUN键，让电动机停止1分钟。按下STOP键，中止自测量。（2）V5H系列表22自动测量相关功能（V5H系列）功能码功能含义数据码及含义P901电动机的磁极数P902电动机
13、额定转速P903电动机额定功率P904电动机额定电流P915参数自整定1：静止自整定；2：旋转自整定自整定过程中，如出现过电流或过电压，可适当延长加、减速时间。变频器与电动机容量不匹配时，应选择静止自整定。此外，在静止自整定时，电动机的空载电流应预置为额定电流的40%。243有反馈矢量控制和无反馈矢量控制图227 有反馈矢量控制方式a）直接安装与接线b）过渡轴c）过渡轴套d）联接附件有反馈矢量控制：外部有转速反馈的矢量控制。转速反馈器件：旋转编码器，有轴型和轴套型之分。变频电动机：选用轴套型编码器，直接套在电动机输出轴上。普通电动机：须通过过渡轴套或过渡轴以安装编码器。联接附件：如变频器不具备
14、直接与编码器相接的端子，则通过专用的联接附件与编码器相接。1有反馈矢量控制接法2相关功能（艾默生TD3000）功能码功能码名称数据码及含义（或范围）Fb00编码器每转脉冲数09999prFb01编码器旋转方向0正方向；1反方向Fb02编码器断线后处理方法0以自由制动方式停机；1切换为开环VF控制方式图228无反馈矢量控制方式a）无反馈矢量控制示意图b）机械特性曲线簇无反馈矢量控制：无外部转速反馈的矢量控制。3无反馈矢量控制图229不宜采用的场合a）带多台电动机b）容量差两档以上c）8极以上d）特殊电机要点：矢量控制在进行矢量变换时，部分变换系数是按照4极的配用电动机容量来设定的。因此，当电动机
15、的磁极数和实际容量的差别较大时，矢量变换将出现较大误差。4矢量控制方式的适用范围25增大转矩的对策之三直接转矩控制方式图230直接转矩控制框图1直接转矩控制属于脉冲调速方式。2脉冲的形成由实测转矩与基准转矩比较而得（bangbang控制）。3以保持磁通恒定作为辅助控制。251控制框图252主要优、缺点1优点（1）动态响应能力强；（2）只需一个参数（定子绕组电阻），初次通电就能测定。2缺点（1）转矩有脉动，低频时较显著。（2）脉冲频率较低，噪音较大。何谓有效转矩？26变频调速的有效转矩线261 有效转矩线的概念图231额定工作点与有效工作点有效转矩：非额定状态下，允许长时间运行的最大转矩。1额定
16、工作点与有效工作点2U时的有效转矩线图232 kUk时的有效转矩线a）kUk时的Uf线b）有效转矩线的形成c）有效转矩线有效转矩线：不同频率时有效工作点的联线。性质：是表示允许正常工作范围的界线，不是特性曲线。262 电动机变频后的有效转矩线图233 散热和有效转矩线的关系a）各种损失与转速的关系b）散热系数与转速的关系c）低频时的有效转矩线低频时的有效转矩取决于散热：频率低转速低散热变差。1XN的有效转矩线2有效转矩线的改善图234有效转矩线的改善a）改善前后的有效转矩线b）外部强制冷却c）变频电动机变频电动机的主要特点：（1）有一个直接与电源相接的风扇，以便散热。（2）输出轴较长，以便安装
17、编码器。（3）磁路裕量较大，不易饱和，用户便于掌握。（4）槽绝缘加强，不易击穿。3 XN的有效转矩线最大输出电压与功率不变U1XU1N，PMPMN图235fXfN时的机械特性和有效转矩线a）2倍频以下线b）额频以上机械特性c）有效转矩线高频时有效转矩的恒功率性质一方面：因变频器的输出电压不可能超过额定电压，故fXfN时，比减小，磁通减小，临界转矩也减小。另一方面：频率升高转速升高因功率不能增加，故有效转矩减小。fX比主磁通1临界转矩TKX27电动机机械特性的调整机械特性软、硬可随意！271机械特性变硬（转差补偿）图236转差补偿a）运行有转差 b）转差的补偿转差补偿：在给定频率不变的情况下，负
18、载增大时，适当提高输出频率。1转差补偿的含义2转差补偿的应用举例图237转差补偿的应用a）额定频率时的补偿 b）低频运行时的补偿额频运行时：可使实际转速高于额定转速。很低频率时：可使电动机很低速运行。272机械特性变软（下垂特性）图238下垂特性a）电动扶梯上升b）负载重，转速低下垂特性的含义：加大转差，使机械特性变软。下垂特性的作用：重负载时降低转速。1下垂特性的含义2下垂特性的应用举例图239桥式起重机的大车大车的拖动特点：两侧各由一台电动机拖动，由同一台变频器供电。休息15分钟电气工程师勿忘传动机构！28传动机构是拖动系统的组成部分281传动机构及其作用图240传动机构的作用a）传动比为
19、1b）传动比为5传动比增大时：（1）转速降低（2）转矩增大传动机构的作用2原理nL根据能量守恒的原则，有：TLTM减速器输出轴上的转矩比电动机的输出转矩增大了倍！图241传动比与有效转矩（从负载侧看）a）拖动系统举例b）有效转矩线曲线负载机械特性；曲线5时，减速器输出轴的有效转矩从负载侧看拖动系统5：TM48452420Nm（曲线）TL（2258 Nm）能带动。282传动系统为啥要折算？图242 电动机和负载的工作点在同一个nf（T）坐标系里：电动机轴上的数据是50,1440，工作点在Q1。负载轴上的数据是200,360，工作点在Q2。将Q1和Q2变成一点的方法：所有数据都折算到同一轴上。折算
20、的必要性 2折算的基本原则 稳态过程：折算前后，传动机构所传递的功率不变。动态过程：折算前后，旋转部分储存的动能不变。3折算公式（1）转速的折算 nLnLnM（2）转矩的折算 TL（3）飞轮力矩的折算（GDL2）经减速器减速后，电动机轴上的飞轮力矩减小了2倍！十分有利于电动机的起动。经减速器减速后，相当于使电动机轴上的负载减轻了倍！图243传动比与折算转矩（从电动机侧看）a）拖动系统举例b）有效转矩线曲线电动机额定转矩；曲线5时，负载的折算转矩从电动机侧看拖动系统 5：TL22585451.6Nm（曲线）TMN（484 Nm）能带动。实例：某电动机，带重物作园周运动，如图所示。运行时，到达A点
21、后电动机开始过载，到达B点时容易堵转，怎样解决？（上限频率为45Hz）。将传动比加大10%，则在电动机转矩相同的情况下，带负载能力也加大10%。但这时的上限频率应加大为49.5Hz。 图244重物园周运动加大传动比的结果： 使变速箱输出轴的转矩增大。或使折算到电动机轴上的负载转矩减小。传动比改变后，工作频率的计算举例负载转速传动比电动机转速电动机额定转速工作频率296（不变）25921480（不变）20.441184405148050nN1500148020r/minfX能量守恒须牢记！29变频拖动系统的基本规律291 变频拖动系统必须满足哪些条件？图245 拖动系统的功率关系电动机轴上的额定
22、输出功率必须大于负载所需功率！1电动机与负载的功率关系2电动机与负载的转矩关系图246拖动系统的转矩关系电动机的有效转矩必须大于负载的折算转矩！292拖动系统的重要规律与常见误区图247 甩掉减速器不要减速箱，把频率降低为原来的15，一样减速。 误区一 可以甩掉减速器吗？图248 甩掉减速器a）原来数据b）甩掉减速器的数据（1）电动机在10Hz时的有效功率只有额定功率的15！（2）电动机的额定转矩也远小于负载转矩。错误原因电动机降速后的有效功率要随转速下降 误区二 通过加大工作频率来提高生产率，可以吗？图249加大工作频率来提高生产率a）原工作状态 b）加大工作频率频率增加1.2倍，线速度也增
23、加1.2倍，可提高劳动生产率？图250 加大工作频率来提高生产率a）原有数据码 b）频率加大后数据（1）在额定频率以上运行时，电动机的有效转矩减小。（2）负载的转速提高后，负载所需的功率将增加！错误原因负载升速后所需功率加大误区三 能否拖动，主要看转矩图251 用4极电动机代替6极电动机a）6极电动机拖动 b）4极电动机拖动容量相同的电动机，额定转速高者转矩小。实例1：用4极电动机代替6极电动机实例2：用大容量电动机代替小容量电动机图252 用15kW电动机代替11kW电动机a）11kW 、6极电动机拖动 b）15kW 、4极电动机拖动带负载能力的关键要看额定转矩！ 综合实例 某排粉机，原拖动系统数据:三相整流子电动机额定功率: 160kW;额定电流：285A，工作电流：234A，负荷率：A0.82;额定转速：1050350rmin; 传动比：2改造为普通电动机变频调速时：电动机数据：160kW，275A，1480 rmin。运行情况：转速为1050rmin时，电动机过载，电流达316A。1基本分析图253 改造前后的数据a）改造前的数据 b）改造后的数据同容量电动机替换时，一定要比较替换前后的额定转矩。2解决办法改选6极电动机图254 加大磁极对数前后的数据a）改造前的数据 b）加大磁极对数后的数据增加磁极数的结果：额定转速减小。额定转矩增大。在一定范围内可以加大带负载能力。
