李方園（1973－）

男，浙江舟山人，畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作。

摘要：變頻調速系統也就是由電動機帶動機械設備以可以自由調節的速度進行旋轉的運行系統。在該系統中，必須了解電動機的機械特性，同時也需要了解負載設備的機械特性以及運行的工藝特性，才能進行合理的變頻調速配置，最終確保機械設備的正常工作。

關鍵詞：變頻器；機械特性；負載；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

     變頻調速系統一般都是針對電力拖動而言，主要是由變頻器、電動機和工作機械等裝置組成的機電系統。電力拖動的任務就是使電動機實現由電能向機械能的轉換，完成工作機械啟動、運轉、調速、制動工藝作業的要求。

1   變頻調速系統的基本概念

    簡而言之，變頻調速系統也就是由電動機帶動機械設備以可以自由調節的速度進行旋轉的運行系統。在該系統中，必須了解電動機的機械特性，同時也需要了解負載設備的機械特性以及運行的工藝特性，才能進行合理的變頻調速配置，最終確保機械設備的正常工作。

1.1 機械特性

    機械特性是描述電動機轉速n與轉矩T之間的關系n=f(T)的函數特性。在變頻調速系統中，有兩種機械特性，即電動機的機械特性和機械設備（或負載設備）的機械特性。

    以異步電動機為例，電動機內產生轉矩的根本原因就是電流和磁場間相互作用的結果，即電磁轉矩。電磁轉矩的大小與電流和磁通量的乘積成正比：

   
    Tm=RTI1ФmCOSθ2

    式中，RT為轉矩常數，I1為定子電流，Фm為每極的磁通量，θ2為轉子電流的功率因數。

根據該公式，可以作出如圖1所示的機械特性曲線1。

    但是，作為拖動機械設備的原動轉矩，應該是電動機軸上的輸出轉矩，是由電磁轉矩克服了電動機內部的摩擦損耗和通風損耗的結果。但由于，摩擦損耗和通風損耗都很小，為了簡化分析的過程，常粗略地把異步電動機機械特性中的轉矩看作是電動機軸上的輸出轉矩。

    負載的機械特性是描述機械設備的阻轉矩和轉速之間的關系曲線。如鼓風機的阻轉矩TL與轉速nL的平方成正比：

    TL=T0+KTnL2

式中，T0為轉矩損耗，主要由傳動機構及軸承等的摩擦損耗所致；KT為常數。

    由上式得到的負載特性如圖1中所示的曲線2。通常，為了簡化分析的過程，常粗略地將損耗轉矩也計算在負載轉矩中。

      

圖1   電力拖動系統的機械特性

    因此，機械特性中的電動機轉矩Tm可以看作是電動機輸出軸的轉矩；負載轉矩TL可以看作是負載阻轉矩和損耗轉矩之和。

    電力拖動系統的工作狀態必須由電動機的機械特性和負載的機械特性共同決定，也就是當動轉矩（即電動機的轉矩）與阻轉矩（即負載的轉矩）剛剛平衡的時候，電動機就處于穩定運行狀態。具體地說，由圖1中的曲線1和曲線2處于交點Q時，電動機和負載的轉矩處于平衡狀態，這時的穩定運行速度為nQ，拖動系統的功率PQ則由下式進行計算：

    PQ=TQnQ/9550

    式中，如TQ的單位為N·m，nQ的單位為r/min，則PQ的單位為kW。

    Q點稱為電力拖動的工作點，也是變頻調速系統的工作點。

1.2 負載的機械特性分類

    正確地把握變頻器驅動的機械負載對象的機械特性（即轉速－轉矩特性）是選擇電動機及變頻器容量、決定其控制方式的基礎。機械負載種類繁多、包羅萬象，但歸納起來，主要有以下三種：恒轉矩負載、平方降轉矩負載和恒功率負載。

1.2.1恒轉矩負載

    對于傳送帶、攪拌機、擠出機等摩擦負載以及行車、升降機等勢能負載，無論其速度變化與否，負載所需要的轉矩基本上是一個恒定的數值，此類負載就稱為恒轉矩負載，其特性如圖2a所示。

                                圖2   轉速－轉矩特性
                   （a）恒轉矩負載（b）平方降轉矩負載（c）恒功率負載

    例如，行車或吊機所吊起的重物，其重量在地球引力的作用下產生的重力是永遠不變的，所以無論升降速度大小，在近似勻速運行條件下，即為恒轉矩負載。由于功率與轉矩、轉速兩者之積成正比，所以機械設備所需要的功率與轉矩、轉速成正比。電動機的功率應與最高轉速下的負載功率相適應。

1.2.2平方降轉矩負載

    離心風機和離心泵等流體機械，在低速時由于流體的流速低，所以負載只需很小的轉矩。隨著電動機轉速的增加，而氣體或液體的流速加快，所需要的轉矩大小以轉速平方的比例增加或減少，這樣的負載稱為平方降轉矩負載，其特性如圖2b所示。

    在這種方式下，因為負載所消耗的能量正比于轉速的三次方，所以通過變頻器控制流體機械的轉速，與以往那種單純依靠風門擋板或截流閥來調節流量的定速風機或定速泵相比，可以大大節省浪費在擋板、管壁上的能源，從而起到節能的顯著作用。

1.2.3恒功率負載

    機床的主軸驅動、造紙機或塑料片材的中心卷取部分、卷揚機等輸出功率為恒值，與轉速無關，這樣的負載特性稱為恒功率負載，其特性如圖2c所示。

    例如，卷紙機要求以一定的速度和相同的張力卷取紙張。在卷取初期，由于轉矩可以較小，但隨著紙卷直徑的逐漸變大，紙卷的轉速也隨之變低，而轉矩必須相應增大。

1.3 負載的運行工藝分類

    由于不同的工藝要求對機械設備也提出了不同的工作狀態和控制模式，歸納起來主要有以下幾種：

1.3.1連續恒定負載

    連續恒定負載是指負載在足夠長的時間里連續運行，并且在運行期間，轉矩基本不變。所謂“足夠長的時間”是指這段時間內，電動機的溫升將足以達到穩定值。典型例子就是恒速運行的風機。

1.3.2連續變動負載

    連續變動負載是指負載是在足夠長的時間里連續運行的，但在運行期間，轉矩是經常變動的。車床在車削工件時的工況以及塑料擠出機的主傳動就是這種負載的典型案例。

    這類負載除了滿足溫升方面大的要求外，還必須注意負載對過載能力的要求。

1.3.3斷續負載

    斷續負載是指負載時而運行，時而停止。在運行期間，溫升不足以達到穩定值；在停止期間，溫升也不足以降至零。起重機械如行車、電梯等都屬于這類負載。

    這類負載常常是允許電動機短時間過載的，因此，在滿足溫升方面要求的同時，還必須有足夠的過載能力。有時，過載能力可能是更主要的方面。

1.3.4短時負載

    負載每次運行的時間很短，在運行期間，溫升達不到穩定值；而每二次運行之間的間隔時間很長，足以使電動機的溫升下降至零。水閘門的拖動系統屬于這類負載。

    對于這類負載，電動機只要有足夠的過載能力即可。

1.3.5沖擊負載

    加有沖擊的負載叫沖擊負載。例如，在軋鋼機的鋼錠壓入瞬間產生的沖擊負載、沖壓機沖壓瞬間產生的沖擊負載等最具代表性。這類機械，沖擊負載的產生事先可以預測，容易處理。

    當然，也有一些不測現象產生的沖擊負載，入處理含有粉塵、粉體空氣的風機，當管道中長期堆積的粉體硬塊落入葉片上時，就是一種沖擊負載。

    沖擊負載會引起兩個問題：（1）過流跳閘；（2）速度的過渡變動。

    對于沖擊負載，國內通常都使用YH系列高轉差率三相異步電動機，它是Y系列電機的派生系列，具有堵轉轉矩大、堵轉電流小、轉差率高和機械特性軟等特點，尤其適用于不均勻沖擊負載以及正、反轉次數多的工作場合，如錘擊機、剪刀機、沖壓機和鍛冶機等機械設備。

1.3.6脈動轉矩負載

    在往復式壓縮機中利用曲軸將電機的旋轉運動轉換成往返運動，轉矩隨著曲軸的角度而變動。在這種情況下，電動機的電流隨著負載的變化而產生大的脈動。這類負載是一種周期性的曲軸類負載，它必須考慮到飛輪慣量GD2，因為一旦采用加大飛輪的方法來平滑脈動轉矩時，加減速時間就會隨之增加，否則減速時的回饋能量就會變大。

1.3.7負負載

    當負載要求電機產生的轉矩與電機轉動方向相反時，此類負載就是負負載。負負載的類型通常有兩種：

    （1）由于速度控制需要而在四象限運行的機械設備。

    如起重機下放重物運轉時，電機向著被負載牽引的方向旋轉，此時電機產生的轉矩是阻礙重物下放的，即與旋轉方向相反。這類負載包括行車、吊機、電梯等升降機械和傾斜下坡的皮帶輸送機。

    （2）由于轉矩控制需要而在四象限運行的機械設備。

    在卷取片材狀物料進行加工作業時，為了給加工物施加張力而設置的卷送轉送裝置就是負負載。這里使用的電機速度決定于其對應的卷取機和原動機的運轉速度，而電機只被要求用來產生制動轉矩。這類負載包括造紙用的放卷和收卷設備、鋼鐵用的夾送輥、紡織用的卷染機等。

1.3.8大起動轉矩負載

    類似攪拌機、擠出機、金屬加工機床等在啟動初期必須克服很大的摩擦力才能啟動，因此很多情況下都被當作重載使用。

1.3.9大慣性負載

    離心分離機等負載慣性大，不僅啟動費力，而且停車也要費時。

2   變頻器的選擇

    交流電動機利用變頻器組成調速系統時，應合理選擇變頻器的容量及其外圍設備。

2.1 根據負載的機械特性選擇變頻器

2.1.1恒轉矩負載

    帶式輸送機是恒轉矩負載的典型例子。恒轉矩負載的基本特點為，在負荷一定的情況下，負載阻轉矩取決于皮帶與滾筒間的磨擦阻力和滾筒的半徑。這類負載轉矩和轉速的快慢無關，所以在調節轉速過程中，負載的阻轉矩保持不變。

    恒轉矩負載在選擇變頻調速系統時，除了按常規要求外，應對變頻器的控制方式進行選擇。

    （1）負荷的調速范圍。在調速范圍不大的情況下，選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器。當調速范圍很大時，應考慮采用有反饋的矢量控制方式。

    （2）恒轉矩負載只是在負荷一定的情況下負載阻轉矩是不變的，但對于負荷變化時其轉距仍然隨負荷變化。當轉矩變動范圍不大時，可選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器，但對于轉矩變動范圍較大的負載，應考慮采用無反饋的矢量控制方式。

    （3）如果負載對機械特性的要求不高，可考慮選擇較為簡易的V/F控制方式的變頻器，而在要求較高的場合，則必須采用有反饋的矢量控制方式。

    從理想的角度來說，對于恒轉矩類負載或有較高靜態轉速精度要求的機械則應采用具有轉矩控制功能的高性能變頻器。因為這種變頻器低速轉矩大，靜態機械特性硬度大，不怕負載沖擊，具有挖土機特性。艾默生公司的TD3000、AB公司的PowerFlex700系列、安川公司的VS-616G7系列、西門子公司的6SE70系列變頻器屬于此類。

2.1.2平方降轉矩負載

    風機類、泵類負載是工業現場應用最多的設備，變頻器在這類負載上的應用最多。它是一種平方降轉矩負載。一般情況下，具有V/f恒壓頻比控制模式的變頻器基本都能滿足這類負載的要求，下面根據這類變頻器的主要特點介紹選型時需要注意的問題。

（1）避免過載

    風機和水泵一般不容易過載，選擇變頻器的容量時保證其稍大于或等于電動機的容量即可；同時選擇的變頻器的過載能力要求也較低，一般達到120％，1min即可。但在變頻器功能參數選擇和預置時應注意，由于負載的阻轉矩與轉速的平方成正比，當工作頻率高于電動機的額定頻率時，負載的阻轉矩會超過額定轉矩，使電動機過載。所以，要嚴格控制最高工作頻率不能超過電機額定頻率。

    （2）啟/停時變頻器加速時間與減速時間的匹配

    由于風機和泵的負載轉動慣量比較大，其啟動和停止時與變頻器的加速時間和減速時間匹配是一個非常重要的問題。在變頻器選型和應用時，應根據負荷參數計算變頻器的加速時間和減速時間來選擇最短時間，以便在變頻器啟動時不發生過流跳閘和變頻器減速時不發生過電壓跳閘的情況。但有時在生產工藝中，對風機和泵的啟動時間要求很嚴格，如果上述計算的時間不能滿足需求時，應該對變頻器進行重新設計選型。

    （3）避免共振

    由于變頻器是通過改變電動機的電源頻率來改變電機轉速實現節能效果的，就有可能在某一電機轉速下與負荷軸系的共振點、共振頻率重合，造成負荷軸系不能容忍的振動，有時會造成設備停運或設備損壞，所以在變頻器功能參數選擇和預置時，應根據負荷軸系的共振頻率，通過設定跳躍頻率點和寬度，避免系統發生共振現象。

    （4）憋壓與水錘效應

    泵類負載在實際運行過程中，容易發生憋壓和水錘效應，所以變頻器選型時，在功能設定時要針對這個問題進行單獨設定。

    憋壓

    泵類負載在低速運行時，由于關閉出口門使壓力升高，從而造成泵汽蝕。在變頻器功能設定時，通過限定變頻器的最低頻率來限定泵流量的臨界點最低轉速，可避免此類現象的發生。

    水錘效應

    泵類負載在突然斷電時，由于泵管道中的液體重力而倒流。若逆止閥不嚴或沒有逆止閥，將導致電機反轉，因電機發電而使變頻器發生故障或燒壞。在變頻器系統設計時，應使變頻器按減速曲線停止，在電機完全停止后再斷開主電路，或者設定“斷電減速停止”功能，可避免該現象的發生。

    根據變頻器在基本運行頻率以上的弱磁恒功率特性，可以將此應用于高速磨床等主軸電機的傳動系統中。

    對于中心卷取的負載，變頻器選擇應根據空卷直徑和滿卷直徑比來選擇變頻器的調速范圍，如卷取金屬片材時對于低速要求有高轉矩輸出的，必須選擇具有矢量控制的變頻器。

2.2根據負載的工藝特性選擇變頻器

    正確選用變頻器的類型，首先要按照生產機械的類型、調速范圍、靜態速度精度、起動轉矩的要求，然后決定選用哪種控制方式的變頻器最合適。所謂合適是既要好用，又要經濟，以滿足工藝和生產的基本條件和要求為前提。

    不同類型變頻器的主要性能、應用場合如表1所示。

                         表1   不同類型變頻器的主要性能、應用場合

    變頻器的容量直接關系到變頻調速系統的運行可靠性，因此，合理的容量將保證最優的投資。變頻器的容量選擇在實際操作中存在很多誤區，這里給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補充。

    大多數變頻器容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項，變頻器生產廠家由本國或本公司生產的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。

    選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流是一個反映半導體變頻裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應仔細了解設備的工藝情況及電動機參數，例如潛水電泵、繞線轉子電動機的額定電流要大于普通籠形異步電動機額定電流，冶金工業常用的輥道用電動機不僅額定電流大很多，同時它允許短時處于堵轉工作狀態，且輥道傳動大多是多電動機傳動。應保證在無故障狀態下負載總電流均不允許超過變頻器的額定電流。

    系統效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統效率才較高。從效率角度出發，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：

    （1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。

    （2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。

    （3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。

    （4）經測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。

    （5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節能程序的設置，以利達到較高的節能效果。

    變頻器負載率b與效率h的關系曲線如圖3所示。

 
                             圖3   負載率與效率的關系曲線

    可見：當b=50%時，h=94%；當b=100%時，h=96%。雖然b增一倍，h變化僅2%，但對中大功率例幾百千瓦至幾千千瓦電動而言亦是可觀的。系統效率等于變頻器效率與電動機效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時，則系統效率才較高。從效率角度出發，在選用變頻器功率時，要注意以下幾點：（1）變頻器功率值與電動機功率值相當時最合適，以利變頻器在高的效率值下運轉。（2）在變頻器的功率分級與電動機功率分級不相同時，則變頻器的功率要盡可能接近電動機的功率，但應略大于電動機的功率。（3）當電動機屬頻繁起動、制動工作或處于重載起動且較頻繁工作時，可選取大一級的變頻器，以利用變頻器長期、安全地運行。（4）經測試，電動機實際功率確實有富余，可以考慮選用功率小于電動機功率的變頻器，但要注意瞬時峰值電流是否會造成過電流保護動作。（5）當變頻器與電動機功率不相同時，則必須相應調整節能程序的設置，以利達到較高的節能效果。

2.3.3從計算功率的角度

    對于連續運轉的變頻器必須同時滿足以下3個計算公式：

    （1）滿足負載輸出：PCN≥PM/η

    （2）滿足電動機容量：PCN≥3kUeIe×10-3

    （3）滿足電動機電流：ICN≥kIe

    式中PCN為變頻器容量（單位kVA），PM為負載要求的電動機軸輸出功率（單位kW），Ue為電動機額定電壓（單位V），Ie為電動機額定電流（單位A），η為電動機效率(通常約為0．85)，cosφ為電動機功率因數(通常約為0．75)，k是電流波形補償系數（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應有所增加，通常k約為1.05～1.1）。