电动机变频后的带负载特性.docx

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电动机变频后的带负载特性

第2章　电动机变频后的带负载特性

怎样描绘电动机的

带负载能力？

2．1　异步电动机的机械特性

图2－1　异步电动机的自然机械特性

2．1．1　异步电动机的自然机械特性

1．自然机械特性

2．机械特性的含义

图2－2　机械特性的含义

a）负载较轻　b）对应的工作点　c）负载较重

2．1．2　异步电动机的人工机械特性

1．转子串联电阻的机械特性

图2－3　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

图2－4　改变电压的机械特性

a）电路图　b）机械特性

2．改变电压的机械特性

图2－5　fX≤fN时的机械特性

3．改变频率的机械特性

怎样提高低频时

电动机的带载能力？

2．2　V∕F控制方式

1．低频时临界转矩减小的原因

Ù1＝－È1＋ΔÙ1　→　U1≈E1＋ΔU1

图2－7　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

2．电压补偿（转矩补偿、转矩提升）

图2－6　低频时临界转矩减小的原因

a）运行频率为50Hz　b）运行频率为25Hz　c）运行频率为10Hz

图2－8　负载变化（减轻）对磁通的影响

a）负载减轻后　b）100%负荷率　c）60%负荷率　d）20%负荷率

3．负载变化的影响

4．U∕f线举例

图2－9　U∕f线举例

a）康沃变频器　b）艾默生变频器　c）日立变频器

U∕f线选择的功能名称

转矩提升、转矩补偿、U∕f比选择、U∕f增益设定等。

2．3　U∕f线的选择与调整

2．3．1　基本频率的调整

图2－10　基本频率的定义

a）基本U∕f线　b）变频器的对应关系　c）电动机的对应关系

1．基本频率的定义

基本频率别称：

基频、基础频率、基底频率、最大电压频率

2．调整基本频率实例

图2－11　220V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

（1）220V电动机配380V变频器

图2－12　270V、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

（2）270V、70Hz电动机配380V变频器

2．3．2　转矩提升的预置要点

图2－13　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

1．补偿后的电流－转矩曲线

2．选择举例

（1）风机的U∕f线选择

图2－14　风机的U∕f线

a）风机的机械特性　b）U∕f线的选择

（2）带式输送机的U∕f线选择

图2－15　带式输送机的U∕f线

a）负载示意图　b）负载机械特性　c）U∕f线的选择

（3）变频器从传输带上拆下接至风机的U∕f线调整

图2－16　变频器从传输带上拆下接至风机

a）变频器接至传输带　b）变频器接至风机

图2－17　离心浇铸机的U∕f线选择

a）离心浇铸机示意图　b）机械特性　c）U∕f线选择

（4）离心浇铸机的U∕f线选择

2．4　矢量控制方式

2．4．1　矢量控制的基本思想　

1．直流电动机的特点

图2－18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

2．矢量控制的基本思路

图2－19矢量控制框图

a）频率给定　b）控制框图

2．4．2　电动机参数的自动测量

1．矢量控制需要的参数

（1）电动机的铭牌数据——电压、电流、转速、磁极对数、效率等。

（2）电动机的绕组数据——定子电阻、定子漏磁电抗、转子等效电阻、转子等效漏磁电抗、空载电流等。

2．自动测量的相关功能

表2－1　矢量控制相关功能（艾默生TD3000）

功能码

功能含义

数据码及含义

F1.00

电动机类型选择

0：

异步电动机

F1.01

电动机额定功率

F1.02

电动机额定电压

F1.03

电动机额定电流

F1.04

电动机额定频率

F1.05

电动机额定转速

F1.09

自测定保护

0：

禁止测定　　1：

允许测定

F1.10

自测定进行

0：

无操作　

1：

启动测定

2：

启动测定宏　

2．4．3　有反馈矢量控制和无反馈矢量控制

图2－20有反馈矢量控制方式

a）有反馈矢量控制电路图　b）机械特性曲线簇

1．有反馈矢量控制接法　

2．相关功能

表2－2　有反馈矢量控制的相关功能（艾默生TD3000）

功能码

功能码名称

数据码及含义（或范围）

Fb．00

编码器每转脉冲数

0～9999p∕r

Fb．01

编码器旋转方向

0—正方向；1—反方向

Fb．02

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V∕F控制方式

图2－21　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

3．无反馈矢量控制

4．矢量控制方式的适用范围

（1）矢量控制只能用于一台变频器控制一台电动机的情况下。

（2）电动机容量和变频器要求的配用电动机容量之间，最多只能相差一个档次。

（3）磁极数一般以２、４、６极为宜。

（4）特殊电动机不能使用矢量控制功能。

变频调速后，

怎样描绘

不同频率下的

带负载能力？

2．5　变频调速的有效转矩线

2．5．1有效转矩线的概念

图2－22　额定工作点与有效工作点

1．额定工作点与有效工作点

图2－23ｋU＝ｋƒ时的有效转矩线

a）ｋU＝ｋƒ时的U∕f线　b）有效转矩线的形成　c）有效转矩线

2．ｋU＝ｋƒ时的有效转矩线

2．5．2电动机变频后的有效转矩线

图2－24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

1．ƒX≤ƒN的有效转矩线

图2－25　有效转矩线的改善

a）改善前后的有效转矩线　b）改善方法

2．有效转矩线的改善

2．ƒX＞ƒN的有效转矩线

∵　最大输出电压与功率不变U1X≡U1N，PM≯PMN

∴　　fX↑→Ｕ∕ƒ比↓→主磁通Φ1↓→电磁转矩TMX↓

ƒX＞ƒN时有效转矩的大小与转速成反比：

ＴMEX＝

∝

图2－26　fX＞fN时的机械特性和全频有效转矩线

a）额定频率以上的机械特性　b）全频有效转矩线

拖动系统

离不开

传动机构！

2．6　拖动系统的传动机构

图2－27常见的传动机构

a）连轴器　b）带轮　c）齿轮　d）减速箱　e）螺杆与螺母

2．6．1常见的传动机构

2．6．2　传动系统的折算

１．传动比

λ＝

nL＝

根据输能量守恒的原则，有：

＝

＝

＝

TL＝TM·λ

2．转矩与转速的折算

（1）折算的必要性

图2－28电动机和负载的工作点

（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

nL’＝nL·λ＝nM

2）转矩的折算

TL’＝

3）飞轮力矩的折算

（GDL2）’＝

2．6．3　调整传动比在实际工作中的应用

实例1　某电动机，带重物作园周运动，如图所示。

运行时，到达A点后电动机开始过载，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2－29　重物园周运动

实例2　提高下限频率　某恒转矩负载，电动机容量是22kW，额定转速为1470r∕min，传动比λ＝4，采用无反馈矢量控制变频调速，在最低工作频率（4Hz）时运行不稳定，怎样解决？

（满载运行频率范围为4～40Hz）

计算如表2－3。

表2－3　提高下限频率的计算

负载转速

29.4r∕min～294r∕min

原传动比λ=4

电动机转速

117.6r∕min～1176r∕min

工作频率

4Hz～40Hz

修改传动比λ=6

电动机转速

176.4r∕min～1764r∕min

工作频率

6Hz～60Hz

实例3　传动比与电动机的起动

某锯片磨床，卡盘直径为２ｍ，传动比λ＝５；

电动机的容量为３.７ｋＷ。

1．存在问题

图2－30锯片磨床示意图

起动较困难，升速时间太长。

2．对策

将传动比增大为λ＝7.5，可使折算到电动机轴上的飞轮力矩减小为原来的44%。

结果，卡盘可以在5s内起动起来。

电动机的功率不变，

就可以任意地

变频调速么？

2．7　变频拖动系统的基本规律

2．7．1变频拖动系统必须满足的条件

1．电动机与负载的功率关系

图2－31拖动系统的功率关系

2．电动机与负载的转矩关系

图2－32　拖动系统的转矩关系

2．7．2　拖动系统的重要规律与常见误区

图2－33　电动机的有效功率与转速

a）拖动系统　b）高速时的功率　c）低速时的有效功率

1．电动机降速后的有效功率

（1）规律一　　有效功率随转速下降

（2）常见误区　甩掉减速器

图2－34甩掉减速器

2．负载升速后的有效功率

（1）规律二　负载消耗功率与转速的关系

图2－35　负载功率与转速的关系

a）拖动系统　b）低速时的负载功率　c）高速时的负载功率

图2－36加大工作频率来提高生产率

（2）误区1　加大工作频率来提高生产率

图2－37　减小传动比来提高生产率

（3）误区2　减小传动比来提高生产率

3．电动机额定转矩与额定转速的关系

（1）基本关系

电动机的额定转矩与额定转速是：

TMN＝

∴在PMN相同的前提下，电动机额定转矩的大小与额定转速有关。

以不同磁极对数的电动机为例，如表2－4所示。

表2－4　不同磁极对数电动机的额定转矩（75kW）

磁极数（2p）

额定转速（nMN）

额定转矩（TMN）

　　2

2970r∕min

241N·m

　　4

1480r∕min

484N·m

　　6

980r∕min

731N·m

（2）误区1　减少磁极对数以减小体积

图2－38　减少磁极对数

a）原来为6极电动机　b）改变为4极电动机

（2）误区2　功率相符不等于带得动

某排粉机，原来用三相整流子电动机，容量：

160∕53.3kW，电流：

285∕175A，转速：

1050∕350r∕min。

改造为普通电动机变频调速时

电动机数据：

160kW，275A，1480r∕min。

运行情况：

转速为1050r∕min时，电动机过载，电流达316A。

（1）问题的关键　电动机的额定转矩不符

原电动机的额定转矩是：

TMN0＝

＝

＝1455N·m

改造后电动机的额定转矩是：

TMN＝

＝1032N·m

（2）解决办法　选用6极电动机：

160kW，297A，980r∕min

TMN＝

＝1559N·m

在1050r∕min时的工作频率：

fX＝50×

＝53.6Hz

在1050r∕min时的电动机转矩：

TMX＝1559×

＝1454N·m

按变频器规格中的

“配用电动机容量”

选择变频器

有问题么？

2．8　变频器的选型

2．8．1　变频器容量的选择

1．电动机与变频器额定电流的比较

表2－5　电动机与变频器额定电流的比较

电动机容量（ｋW）

22.0

30.0

37.0

45.0

55.0

75.0

电动机额定电流

IMN（A）

2ｐ＝2

42.2

56.9

70.4

83.9

102.7

140.1

2ｐ＝4

42.5

56.9

69.8

84.2

102.5

139.7

2ｐ＝6

44.6

59.5

72.0

85.4

104.9

142.4

2ｐ＝8

47.6

63.0

78.2

93.2

112.1

152.8

变频器额定电流

康沃

45.0

60.0

75.0

91.0

112.0

150.0

森兰

45.0

60.0

75.0

91.0

115.0

150.0

英威腾

45.0

60.0

75.0

90.0

110.0

150.0

安邦信

61.0

90.0

150.0

艾默生

45.0

60.0

75.0

90.0

110.0

152.0

三菱

43.0

57.0

71.0

86.0

110.0

富士

45.0

60.0

75.0

91.0

112.0

150.0

安川G7

52.0

65.0

80.0

97.0

128.0

165.0

ABB－800

55.0

72.0

86.0

103.0

141.0

166.0

瓦萨CX

48.0

60.0

75.0

90.0

110.0

150.0

丹佛士

44.0

61.0

73.0

90.0

106.0

147.0

2．电动机工况与变频器的选择

图2－39　电动机的发热与散热

a）发热曲线　b）冷却曲线

（1）电动机的温升

图2－40　连续不变负载的容量选择

（2）连续不变负载

图2－41　连续变动负载与断续负载的容量选择

a）连续变动负载　b）断续负载

（3）连续变动负载与断续负载

图2－42　短时负载的容量选择

a）刨床的刀架与横梁　b）短时负载的温升曲线

（4）短时负载

3．一台变频器带多台电动机

（1）电路图

图2－43　一台变频器带多台电动机

（2）多台电动机同时起动和运行

IN＞1.05～1.1×ΣIMN

（3）多台电动机分别起动

IN＞

IST─电动机的起动电流（为额定电流的5～7倍），A；

ΣIST─同时起动电动机的总起动电流，A；

K1─安全系数。

如后起动电动机都从停止状态起动时，K1＝1.2；如后起动电动机有可能从自由制动状态下重新起动时，K1＝1.5～2；

K2──变频器的过载能力，K2＝1.5。

2．8．2　变频器的类别与选择

表2－6　变频器的类别与应用

变频器类别

常见型号举例

主要特点

通

用

变

频

器

普通型

康沃：

CVF－G1、G2

森兰：

SB40、SB61

安邦信：

AMB－G7

英威腾：

INVT－G9

时代：

TVF2000

只有V∕F控制方式，故：

机械特性略“软”；

调速范围较小；

轻载时磁路容易饱和。

高性能型

康沃：

CVF－V1

森兰：

SB80

英威腾：

CHV

台达：

VFD－A、B

艾默生：

VT3000

富士：

5000G11S

安川：

CIMR－G7

ABB：

ACS800

A－B：

PowerFlex700

瓦萨：

VACON　NX

丹佛士：

VLT5000

西门子：

440

具有矢量控制功能，故：

机械特性“硬”；

调速范围大；

不存在磁路饱和问题。

如有转速反馈，则：

机械特性很“硬”；

动态响应能力强；

调速范围很大；

可进行四象限运行。

专用变频器

风机水泵用

康沃、富士、安川等：

P系列

森兰：

SB12

三菱：

FR－A140

艾默生：

TD2100

西门子：

430

只有V∕F控制方式，但增加了：

节能功能；

和工频的切换功能；

睡眠和唤醒功能，等。

起重机械用

三菱：

FR241E

ABB：

ACC600

电梯用

艾默生：

TD3100

安川：

VS－676GL5

注塑机用

康沃：

CVF－ZS∕ZC

英威腾：

INVT－ZS5∕ZS7

张力控制用

艾默生：

TD3300

三垦：

SAMCO－vm05