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李方园（1973－）

男，浙江舟山人，毕业于浙江大学电气自动化专业，高级工程师，长期从事于变频器等现代工控产品的应用与研究工作。

摘要：变频调速系统也就是由电动机带动机械设备以可以自由调节的速度进行旋转的运行系统。在该系统中，必须了解电动机的机械特性，同时也需要了解负载设备的机械特性以及运行的工艺特性，才能进行合理的变频调速配置，最终确保机械设备的正常工作。

关键词：变频器；机械特性；负载；配置

Abstract:  AC inverter system is a running system in which AC motor drives the mechanical equipment and can adjust the rotation speed. In this system, by understanding the mechanical characteristics, the load and the technics, we can finally decide how to configure the AC inverter and make sure the normal condition of the equipment.

key words: AC inverter；mechanical characteristic；load；configuration

     变频调速系统一般都是针对电力拖动而言，主要是由变频器、电动机和工作机械等装置组成的机电系统。电力拖动的任务就是使电动机实现由电能向机械能的转换，完成工作机械启动、运转、调速、制动工艺作业的要求。

1   变频调速系统的基本概念

    简而言之，变频调速系统也就是由电动机带动机械设备以可以自由调节的速度进行旋转的运行系统。在该系统中，必须了解电动机的机械特性，同时也需要了解负载设备的机械特性以及运行的工艺特性，才能进行合理的变频调速配置，最终确保机械设备的正常工作。

1.1 机械特性

    机械特性是描述电动机转速n与转矩T之间的关系n=f(T)的函数特性。在变频调速系统中，有两种机械特性，即电动机的机械特性和机械设备（或负载设备）的机械特性。

    以异步电动机为例，电动机内产生转矩的根本原因就是电流和磁场间相互作用的结果，即电磁转矩。电磁转矩的大小与电流和磁通量的乘积成正比：

   
    Tm=RTI1ФmCOSθ2

    式中，RT为转矩常数，I1为定子电流，Фm为每极的磁通量，θ2为转子电流的功率因数。

根据该公式，可以作出如图1所示的机械特性曲线1。

    但是，作为拖动机械设备的原动转矩，应该是电动机轴上的输出转矩，是由电磁转矩克服了电动机内部的摩擦损耗和通风损耗的结果。但由于，摩擦损耗和通风损耗都很小，为了简化分析的过程，常粗略地把异步电动机机械特性中的转矩看作是电动机轴上的输出转矩。

    负载的机械特性是描述机械设备的阻转矩和转速之间的关系曲线。如鼓风机的阻转矩TL与转速nL的平方成正比：

    TL=T0+KTnL2

式中，T0为转矩损耗，主要由传动机构及轴承等的摩擦损耗所致；KT为常数。

    由上式得到的负载特性如图1中所示的曲线2。通常，为了简化分析的过程，常粗略地将损耗转矩也计算在负载转矩中。

      

图1   电力拖动系统的机械特性

    因此，机械特性中的电动机转矩Tm可以看作是电动机输出轴的转矩；负载转矩TL可以看作是负载阻转矩和损耗转矩之和。

    电力拖动系统的工作状态必须由电动机的机械特性和负载的机械特性共同决定，也就是当动转矩（即电动机的转矩）与阻转矩（即负载的转矩）刚刚平衡的时候，电动机就处于稳定运行状态。具体地说，由图1中的曲线1和曲线2处于交点Q时，电动机和负载的转矩处于平衡状态，这时的稳定运行速度为nQ，拖动系统的功率PQ则由下式进行计算：

    PQ=TQnQ/9550

    式中，如TQ的单位为N·m，nQ的单位为r/min，则PQ的单位为kW。

    Q点称为电力拖动的工作点，也是变频调速系统的工作点。

1.2 负载的机械特性分类

    正确地把握变频器驱动的机械负载对象的机械特性（即转速－转矩特性）是选择电动机及变频器容量、决定其控制方式的基础。机械负载种类繁多、包罗万象，但归纳起来，主要有以下三种：恒转矩负载、平方降转矩负载和恒功率负载。

1.2.1恒转矩负载

    对于传送带、搅拌机、挤出机等摩擦负载以及行车、升降机等势能负载，无论其速度变化与否，负载所需要的转矩基本上是一个恒定的数值，此类负载就称为恒转矩负载，其特性如图2a所示。

                                图2   转速－转矩特性
                   （a）恒转矩负载（b）平方降转矩负载（c）恒功率负载

    例如，行车或吊机所吊起的重物，其重量在地球引力的作用下产生的重力是永远不变的，所以无论升降速度大小，在近似匀速运行条件下，即为恒转矩负载。由于功率与转矩、转速两者之积成正比，所以机械设备所需要的功率与转矩、转速成正比。电动机的功率应与最高转速下的负载功率相适应。

1.2.2平方降转矩负载

    离心风机和离心泵等流体机械，在低速时由于流体的流速低，所以负载只需很小的转矩。随着电动机转速的增加，而气体或液体的流速加快，所需要的转矩大小以转速平方的比例增加或减少，这样的负载称为平方降转矩负载，其特性如图2b所示。

    在这种方式下，因为负载所消耗的能量正比于转速的三次方，所以通过变频器控制流体机械的转速，与以往那种单纯依靠风门挡板或截流阀来调节流量的定速风机或定速泵相比，可以大大节省浪费在挡板、管壁上的能源，从而起到节能的显著作用。

1.2.3恒功率负载

    机床的主轴驱动、造纸机或塑料片材的中心卷取部分、卷扬机等输出功率为恒值，与转速无关，这样的负载特性称为恒功率负载，其特性如图2c所示。

    例如，卷纸机要求以一定的速度和相同的张力卷取纸张。在卷取初期，由于转矩可以较小，但随着纸卷直径的逐渐变大，纸卷的转速也随之变低，而转矩必须相应增大。

1.3 负载的运行工艺分类

    由于不同的工艺要求对机械设备也提出了不同的工作状态和控制模式，归纳起来主要有以下几种：

1.3.1连续恒定负载

    连续恒定负载是指负载在足够长的时间里连续运行，并且在运行期间，转矩基本不变。所谓“足够长的时间”是指这段时间内，电动机的温升将足以达到稳定值。典型例子就是恒速运行的风机。

1.3.2连续变动负载

    连续变动负载是指负载是在足够长的时间里连续运行的，但在运行期间，转矩是经常变动的。车床在车削工件时的工况以及塑料挤出机的主传动就是这种负载的典型案例。

    这类负载除了满足温升方面大的要求外，还必须注意负载对过载能力的要求。

1.3.3断续负载

    断续负载是指负载时而运行，时而停止。在运行期间，温升不足以达到稳定值；在停止期间，温升也不足以降至零。起重机械如行车、电梯等都属于这类负载。

    这类负载常常是允许电动机短时间过载的，因此，在满足温升方面要求的同时，还必须有足够的过载能力。有时，过载能力可能是更主要的方面。

1.3.4短时负载

    负载每次运行的时间很短，在运行期间，温升达不到稳定值；而每二次运行之间的间隔时间很长，足以使电动机的温升下降至零。水闸门的拖动系统属于这类负载。

    对于这类负载，电动机只要有足够的过载能力即可。

1.3.5冲击负载

    加有冲击的负载叫冲击负载。例如，在轧钢机的钢锭压入瞬间产生的冲击负载、冲压机冲压瞬间产生的冲击负载等最具代表性。这类机械，冲击负载的产生事先可以预测，容易处理。

    当然，也有一些不测现象产生的冲击负载，入处理含有粉尘、粉体空气的风机，当管道中长期堆积的粉体硬块落入叶片上时，就是一种冲击负载。

    冲击负载会引起两个问题：（1）过流跳闸；（2）速度的过渡变动。

    对于冲击负载，国内通常都使用YH系列高转差率三相异步电动机，它是Y系列电机的派生系列，具有堵转转矩大、堵转电流小、转差率高和机械特性软等特点，尤其适用于不均匀冲击负载以及正、反转次数多的工作场合，如锤击机、剪刀机、冲压机和锻冶机等机械设备。

1.3.6脉动转矩负载

    在往复式压缩机中利用曲轴将电机的旋转运动转换成往返运动，转矩随着曲轴的角度而变动。在这种情况下，电动机的电流随着负载的变化而产生大的脉动。这类负载是一种周期性的曲轴类负载，它必须考虑到飞轮惯量GD2，因为一旦采用加大飞轮的方法来平滑脉动转矩时，加减速时间就会随之增加，否则减速时的回馈能量就会变大。

1.3.7负负载

    当负载要求电机产生的转矩与电机转动方向相反时，此类负载就是负负载。负负载的类型通常有两种：

    （1）由于速度控制需要而在四象限运行的机械设备。

    如起重机下放重物运转时，电机向着被负载牵引的方向旋转，此时电机产生的转矩是阻碍重物下放的，即与旋转方向相反。这类负载包括行车、吊机、电梯等升降机械和倾斜下坡的皮带输送机。

    （2）由于转矩控制需要而在四象限运行的机械设备。

    在卷取片材状物料进行加工作业时，为了给加工物施加张力而设置的卷送转送装置就是负负载。这里使用的电机速度决定于其对应的卷取机和原动机的运转速度，而电机只被要求用来产生制动转矩。这类负载包括造纸用的放卷和收卷设备、钢铁用的夹送辊、纺织用的卷染机等。

1.3.8大起动转矩负载

    类似搅拌机、挤出机、金属加工机床等在启动初期必须克服很大的摩擦力才能启动，因此很多情况下都被当作重载使用。

1.3.9大惯性负载

    离心分离机等负载惯性大，不仅启动费力，而且停车也要费时。

2   变频器的选择

    交流电动机利用变频器组成调速系统时，应合理选择变频器的容量及其外围设备。

2.1 根据负载的机械特性选择变频器

2.1.1恒转矩负载

    带式输送机是恒转矩负载的典型例子。恒转矩负载的基本特点为，在负荷一定的情况下，负载阻转矩取决于皮带与滚筒间的磨擦阻力和滚筒的半径。这类负载转矩和转速的快慢无关，所以在调节转速过程中，负载的阻转矩保持不变。

    恒转矩负载在选择变频调速系统时，除了按常规要求外，应对变频器的控制方式进行选择。

    （1）负荷的调速范围。在调速范围不大的情况下，选择较为简易的V/F控制方式的变频器。当调速范围很大时，应考虑采用有反馈的矢量控制方式。

    （2）恒转矩负载只是在负荷一定的情况下负载阻转矩是不变的，但对于负荷变化时其转距仍然随负荷变化。当转矩变动范围不大时，可选择较为简易的V/F控制方式的变频器，但对于转矩变动范围较大的负载，应考虑采用无反馈的矢量控制方式。

    （3）如果负载对机械特性的要求不高，可考虑选择较为简易的V/F控制方式的变频器，而在要求较高的场合，则必须采用有反馈的矢量控制方式。

    从理想的角度来说，对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械则应采用具有转矩控制功能的高性能变频器。因为这种变频器低速转矩大，静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。艾默生公司的TD3000、AB公司的PowerFlex700系列、安川公司的VS-616G7系列、西门子公司的6SE70系列变频器属于此类。

2.1.2平方降转矩负载

    风机类、泵类负载是工业现场应用最多的设备，变频器在这类负载上的应用最多。它是一种平方降转矩负载。一般情况下，具有V/f恒压频比控制模式的变频器基本都能满足这类负载的要求，下面根据这类变频器的主要特点介绍选型时需要注意的问题。

（1）避免过载

    风机和水泵一般不容易过载，选择变频器的容量时保证其稍大于或等于电动机的容量即可；同时选择的变频器的过载能力要求也较低，一般达到120％，1min即可。但在变频器功能参数选择和预置时应注意，由于负载的阻转矩与转速的平方成正比，当工作频率高于电动机的额定频率时，负载的阻转矩会超过额定转矩，使电动机过载。所以，要严格控制最高工作频率不能超过电机额定频率。

    （2）启/停时变频器加速时间与减速时间的匹配

    由于风机和泵的负载转动惯量比较大，其启动和停止时与变频器的加速时间和减速时间匹配是一个非常重要的问题。在变频器选型和应用时，应根据负荷参数计算变频器的加速时间和减速时间来选择最短时间，以便在变频器启动时不发生过流跳闸和变频器减速时不发生过电压跳闸的情况。但有时在生产工艺中，对风机和泵的启动时间要求很严格，如果上述计算的时间不能满足需求时，应该对变频器进行重新设计选型。

    （3）避免共振

    由于变频器是通过改变电动机的电源频率来改变电机转速实现节能效果的，就有可能在某一电机转速下与负荷轴系的共振点、共振频率重合，造成负荷轴系不能容忍的振动，有时会造成设备停运或设备损坏，所以在变频器功能参数选择和预置时，应根据负荷轴系的共振频率，通过设定跳跃频率点和宽度，避免系统发生共振现象。

    （4）憋压与水锤效应

    泵类负载在实际运行过程中，容易发生憋压和水锤效应，所以变频器选型时，在功能设定时要针对这个问题进行单独设定。

    憋压

    泵类负载在低速运行时，由于关闭出口门使压力升高，从而造成泵汽蚀。在变频器功能设定时，通过限定变频器的最低频率来限定泵流量的临界点最低转速，可避免此类现象的发生。

    水锤效应

    泵类负载在突然断电时，由于泵管道中的液体重力而倒流。若逆止阀不严或没有逆止阀，将导致电机反转，因电机发电而使变频器发生故障或烧坏。在变频器系统设计时，应使变频器按减速曲线停止，在电机完全停止后再断开主电路，或者设定“断电减速停止”功能，可避免该现象的发生。

    根据变频器在基本运行频率以上的弱磁恒功率特性，可以将此应用于高速磨床等主轴电机的传动系统中。

    对于中心卷取的负载，变频器选择应根据空卷直径和满卷直径比来选择变频器的调速范围，如卷取金属片材时对于低速要求有高转矩输出的，必须选择具有矢量控制的变频器。

2.2根据负载的工艺特性选择变频器

    正确选用变频器的类型，首先要按照生产机械的类型、调速范围、静态速度精度、起动转矩的要求，然后决定选用哪种控制方式的变频器最合适。所谓合适是既要好用，又要经济，以满足工艺和生产的基本条件和要求为前提。

    不同类型变频器的主要性能、应用场合如表1所示。

                         表1   不同类型变频器的主要性能、应用场合

    变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器的容量选择在实际操作中存在很多误区，这里给出了三种基本的容量选择方法，它们之间互为补充。

    大多数变频器容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。

    选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解设备的工艺情况及电动机参数，例如潜水电泵、绕线转子电动机的额定电流要大于普通笼形异步电动机额定电流，冶金工业常用的辊道用电动机不仅额定电流大很多，同时它允许短时处于堵转工作状态，且辊道传动大多是多电动机传动。应保证在无故障状态下负载总电流均不允许超过变频器的额定电流。

    系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：

    （1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。

    （2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。

    （3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。

    （4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。

    （5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。

    变频器负载率b与效率h的关系曲线如图3所示。

 
                             图3   负载率与效率的关系曲线

    可见：当b=50%时，h=94%；当b=100%时，h=96%。虽然b增一倍，h变化仅2%，但对中大功率例几百千瓦至几千千瓦电动而言亦是可观的。系统效率等于变频器效率与电动机效率的乘积，只有两者都处在较高的效率下工作时，则系统效率才较高。从效率角度出发，在选用变频器功率时，要注意以下几点：（1）变频器功率值与电动机功率值相当时最合适，以利变频器在高的效率值下运转。（2）在变频器的功率分级与电动机功率分级不相同时，则变频器的功率要尽可能接近电动机的功率，但应略大于电动机的功率。（3）当电动机属频繁起动、制动工作或处于重载起动且较频繁工作时，可选取大一级的变频器，以利用变频器长期、安全地运行。（4）经测试，电动机实际功率确实有富余，可以考虑选用功率小于电动机功率的变频器，但要注意瞬时峰值电流是否会造成过电流保护动作。（5）当变频器与电动机功率不相同时，则必须相应调整节能程序的设置，以利达到较高的节能效果。

2.3.3从计算功率的角度

    对于连续运转的变频器必须同时满足以下3个计算公式：

    （1）满足负载输出：PCN≥PM/η

    （2）满足电动机容量：PCN≥3kUeIe×10-3

    （3）满足电动机电流：ICN≥kIe

    式中PCN为变频器容量（单位kVA），PM为负载要求的电动机轴输出功率（单位kW），Ue为电动机额定电压（单位V），Ie为电动机额定电流（单位A），η为电动机效率(通常约为0．85)，cosφ为电动机功率因数(通常约为0．75)，k是电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，通常k约为1.05～1.1）。