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1、1.4 负载转矩特性及其与调速方式的配合负载转矩特性及其与调速方式的配合第第 一一 章章主讲教师：杜春水主讲教师：杜春水山东大学2024/7/231 （一）恒转矩负载（一）恒转矩负载 式中，PL是负载功率（kW）。 恒转矩负载的恒转矩负载的静负载转矩在任何转速下总保静负载转矩在任何转速下总保持恒定或基本恒定持恒定或基本恒定 ，其基本特点是，其基本特点是 一、负载转矩特性分类一、负载转矩特性分类2024/7/232n负载的转矩特性负载的转矩特性是指生产机械负载的静态阻转矩和转速之间的关系。n生产机械的种类不同，工艺要求不同，它们的转矩特性也各不相同。n比较典型的负载转矩特性通常可分为三种：n恒转
2、矩负载、恒功率负载和平方转矩负载恒转矩负载、恒功率负载和平方转矩负载一、负载的转矩特性一、负载的转矩特性2024/7/233恒转矩负载特点：恒转矩负载特点：转矩特点：在不同的转速下，负载的阻转矩基本转矩特点：在不同的转速下，负载的阻转矩基本恒定，即负载转矩的大小与转速无关；恒定，即负载转矩的大小与转速无关；功率特点：负载功率与速度成正比。功率特点：负载功率与速度成正比。1.1.恒转矩负载恒转矩负载式中，式中，PL是负载功率（是负载功率（kW）。对于恒转矩负载来说，其负载功率）。对于恒转矩负载来说，其负载功率PL与转速成正比变化与转速成正比变化（1-55）2024/7/234n恒转矩负载：恒转矩
3、负载：n传送带、搅拌机、挤压机等传送带、搅拌机、挤压机等摩擦类负载摩擦类负载n起重机、提升机等起重机、提升机等重力负载重力负载。 n 空气压缩机、罗茨鼓风机、球磨机、注塑空气压缩机、罗茨鼓风机、球磨机、注塑机、往复式注塞泵等。机、往复式注塞泵等。2024/7/2351. 1. 恒转矩负载恒转矩负载 以传送带为例，其静负载转矩的大小决定于以传送带为例，其静负载转矩的大小决定于 （1-56） 上式中，上式中，F是滚轮与皮带之间的摩擦力；是滚轮与皮带之间的摩擦力；r是滚轮是滚轮的半径，两者都与转速无关，所以在调节转速的过程的半径，两者都与转速无关，所以在调节转速的过程中，转矩中，转矩TL保持不变保持
4、不变 2024/7/236负载要求：低速区的转矩要足负载要求：低速区的转矩要足够大，并且要有足够的转矩过载够大，并且要有足够的转矩过载能力。能力。 1. 1. 恒转矩负载恒转矩负载通用变频器（通用变频器（U/fU/f控制）控制）-利用利用转矩提升功能转矩提升功能-既满足低速起动既满足低速起动和低速稳定运行的需要，又不会和低速稳定运行的需要，又不会过励磁。过励磁。 2024/7/237恒转矩负载的功率与转速成正比，转速越高，负恒转矩负载的功率与转速成正比，转速越高，负载所需的功率越高，电动机的功率应满足最高转速载所需的功率越高，电动机的功率应满足最高转速下的负载功率要求。下的负载功率要求。1.
5、1. 恒转矩负载恒转矩负载如果需要在低速下稳速运行，应该考虑到由于负如果需要在低速下稳速运行，应该考虑到由于负载转矩不变，电动机定子电流亦基本不变，而通用载转矩不变，电动机定子电流亦基本不变，而通用标准标准（非变频专用）（非变频专用）异步电动机的散热能力却变坏异步电动机的散热能力却变坏的特点，采取相应的措施。的特点，采取相应的措施。 2024/7/2381. 1. 恒转矩负载调速系统恒转矩负载调速系统开环人为调节工作频率开环人为调节工作频率闭环自动调节工作频率闭环自动调节工作频率2024/7/239（二）恒功率负载（二）恒功率负载 2. 2. 恒功率负载恒功率负载恒功率负载的特点：恒功率负载的
6、特点：恒功率负载的特点：恒功率负载的特点：（1 1 1 1）负载转矩与转速大致成反比）负载转矩与转速大致成反比）负载转矩与转速大致成反比）负载转矩与转速大致成反比（2 2 2 2）负载功率基本保持不变，与转速无关）负载功率基本保持不变，与转速无关）负载功率基本保持不变，与转速无关）负载功率基本保持不变，与转速无关 TL0PLnLTL，PL图1-25 恒功率负载的特性2024/7/23102. 2. 恒功率负载恒功率负载 负载：轧钢机、造纸机、负载：轧钢机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等。开卷机等。 各种机床也属于恒功率负各种机床也属于恒功率负载，其特点：粗
7、加工时进刀载，其特点：粗加工时进刀量大，转矩大，转速低，精量大，转矩大，转速低，精加工时进刀量小，转矩小，加工时进刀量小，转矩小，转速高。转速高。 2024/7/2311上式中，F是被卷物的张力，r是被卷物的半径。 在卷绕过程中，在卷绕过程中，要求线速度要求线速度v和张力和张力F保持保持恒定，因此，恒定，因此，拖动系统的功率保持不变：拖动系统的功率保持不变： 以薄膜卷取机为例，其负载转矩的大小决定于以薄膜卷取机为例，其负载转矩的大小决定于 （1-59） 若要若要保证线速度保证线速度v和张力和张力F恒定，转速需与转矩大小成恒定，转速需与转矩大小成反比变化。反比变化。 2. 2. 恒功率负载恒功率
8、负载2024/7/2312 变频器供电异步电动机在驱动恒功率负载时，通变频器供电异步电动机在驱动恒功率负载时，通常考虑常考虑在某转速以下采用恒转矩调速方式，而在高于在某转速以下采用恒转矩调速方式，而在高于该转速时才采用恒功率调速方式该转速时才采用恒功率调速方式。 当当速速度度很很低低时时，受受设设备备机机械械强强度度的的限限制制，TL不不可可能能无无限限增增大大，因因此此负负载载的的恒恒功功率率性性质质应应该该是是就就一一定定的的速速度度变变化化范范围围内内而而言言的的，一一般般是是在在较较高高转转速速范范围围内内，低低速速下下则转变为恒转矩性质。则转变为恒转矩性质。 2. 2. 恒功率负载恒
9、功率负载2024/7/2313n应根据生产机械的特性和工艺要求仔细选择传动方案的应根据生产机械的特性和工艺要求仔细选择传动方案的恒转矩区和恒功率区。恒转矩区和恒功率区。n在恒转矩区变频器应控制电动机运行于恒磁通调速条件在恒转矩区变频器应控制电动机运行于恒磁通调速条件下，最大允许输出转矩保持不变；下，最大允许输出转矩保持不变；n 在恒功率区变频器应控制电动机进行弱磁升速，在恒功率区变频器应控制电动机进行弱磁升速，保持保持输输 出出功率基本不变。功率基本不变。2. 2. 恒功率负载恒功率负载2024/7/23143.3.平方转矩负载平方转矩负载 在各种风机、水泵、油泵中，随着叶轮的转动，空气或液体
10、在一定的速度范围内所产生的阻力大致与转速一定的速度范围内所产生的阻力大致与转速n的二次方成正比的二次方成正比。随着转速的减小，转矩按转速的二次方减小，即 随着转速的降低，平方转矩负载所需的转矩以平方的比例减小，所以低频时的负载电流很小，即使使用普通异步电动机也不会发生过热现象。 2024/7/2315n平方转矩负载所需的功率与速度的3次方成正比，即 （1-61）3.3.平方转矩负载平方转矩负载 2024/7/2316 一般一般U/fU/f控制变频器都预先设置了平方转矩负载用的控制变频器都预先设置了平方转矩负载用的U/fU/f特性。特性。 由于负载机械不同，飞轮惯量由于负载机械不同，飞轮惯量GD
11、2差别较大，当差别较大，当GD2较大且起动较快时，应事先校核起动转矩是否满足要求。较大且起动较快时，应事先校核起动转矩是否满足要求。 由于高速时所需功率随转速增长过快，所以由于高速时所需功率随转速增长过快，所以通常不通常不应使风机、水泵类负载超工频运行，以免发生过载。应使风机、水泵类负载超工频运行，以免发生过载。考考虑电动机的容量时，应按虑电动机的容量时，应按机械最高可能转速机械最高可能转速（一般为额（一般为额定转速）下的功率来决定。定转速）下的功率来决定。 3.3.平方转矩负载平方转矩负载 2024/7/2317二、调速方式二、调速方式u电机常用的有两种典型调速方式，即恒转矩调速方式和恒功率
12、调速方式。u如果输出转矩和转速无关，则为恒转矩调速方式。u如果输出转矩和转速成反比，则为恒功率调速方式。所谓调速方式，是指在电机得到充分利用的条件下，电机所谓调速方式，是指在电机得到充分利用的条件下，电机输出转矩和转速之间的关系。输出转矩和转速之间的关系。2024/7/2318三、调速方式与负载特性的配合三、调速方式与负载特性的配合 n为了充分利用电动机，恒转矩调速方式适合拖动恒转矩负载；恒功率调速方式适合拖动恒功率负载。 有些生产机械，在较低的转速范围内具有近似恒转矩的特性，而在较高的转速范围内具有恒功率的特性，例如初轧机。对于此类设备，采用基速以下恒压频比、基速以上弱磁调速的方法，就能与负
13、载特性实现较好的配合，使电动机得到较充分的利用。2024/7/2319 调速方法与负载特性的配合是否恰当可以用图1-27来说明。（a）在任何转速下都有TL=Tea（相“匹配”），是理想的配合情况，电动机的容量和变频器的容量均最小。 三、调速方式与负载特性的配合三、调速方式与负载特性的配合图图1-27（a）表示电动机和负载的）表示电动机和负载的恒转矩和恒功率调速范围相一致恒转矩和恒功率调速范围相一致2024/7/2320三、调速方式与负载特性的配合三、调速方式与负载特性的配合 为了使电动机在nmax与nmin之间的任何转速下都能长期可靠运行，应当使Tea等于最低转速时的静负载转矩，这样，在其它转
14、速下，电动机得不到充分利用。因此，这种配合不好。 图图1-27（b）恒转矩调速恒转矩调速与恒功率负与恒功率负载载相配合相配合2024/7/2321三、调速方式与负载特性的配合三、调速方式与负载特性的配合图1-27（d）恒转矩调速与平方转矩负载配合 虚线表虚线表示使电示使电动机得动机得到充分到充分利用的利用的转矩转矩Tea 图1-27(e)恒功率调速与平方转矩负载配合 这两种情况下电动机都得不到充分利用。不过,采用恒转矩调速比采用恒功率调速与鼓风机负载配合要好一些。2024/7/2322 还有一些生产机械的静负载基本上是恒功率的，但是调速范围较大，如果采用弱磁调速，它的调速范围满足不了要求，只有
15、采用恒转矩调速或恒转矩、恒功率分区调速。虽然电动机也得不到充分利用，但是比采用恒转矩调速要好些。 三、调速方式与负载特性的配合三、调速方式与负载特性的配合图1-27（f）表示恒转矩、恒功率分区调速与恒功率负载配合。2024/7/2323三、调速方式与负载特性的配合三、调速方式与负载特性的配合变频器输出特性也就是负载力矩输出方式基本分两种：1.常数关系（对应恒转矩方式）恒转矩方式：力矩（输出电流决定）大小决定于负载固有的特性，跟其输出频率无太大关系，指数关系（对应风机类负载方式）指数关系（指数一般大于1！）其转矩同频率的关系为平方、立方等（也有小数）的关系，意思是频率高也就是负载速度快时，其转矩相应的增大了，如风机，泵等。 2024/7/2324风机、泵类等平方转矩：低速下负载转矩较小，宜选择专用或普通功能型通用变频器。恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械：选择有转矩控制功能的高功能型通用变频器，其特点：低速转矩、静态机械特性硬度大，抗负载冲击，有挖土机特性。为实现大调速比的恒转矩调速，常采用加大通用变频器容量的办法。对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械（如造纸机械、注塑机、轧钢机等），应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器。2024/7/2325
