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变频器的驱动恒功率负载

 渊勇 2015-10-13
    卷扬机、机床主轴等恒功率负载,其特性如图4-9所示。
恒功率负载
    4-9    恒功率负载
    变频驱动系统在基频转速(50Hz60Hz)以上的范围内,可由变频器控制其输出电压为一定值,使电机产生的转矩性质为恒功率特性,所以,在基频转速以上,采用普通异步电动机和通用变频器,能满足像机床主轴那样高速时转矩变小的特性。而在基频转速以下的范围内,由于变频器采用V/f恒值控制,电机的输出功率与转速成正比,电机产生的转矩与负载所需转矩相反。我们知道,电动机产生的转矩为磁通乘以转子电流,所以,在驱动恒功率负载时,为了确保低速高转矩,需要加大磁通量和电机转子电流(当然也要加大电机的定子电流),这就必须大大增加电机和变频器的容量。
    如图4-10所示,驱动恒功率负载时,一般将转速0~1.0(pu)之间作为恒转矩区域,转速超过1.0(pu)以上的范围作为恒功率区域。1.0(pu)的转速称之为基频转速。以基频转速的m(m>1)倍转速进行恒功率运转,称之为1m的恒功率运转。
运用普通电动机驱动1:2恒功率输出
    4-10    运用普通电动机驱动12恒功率输出
    (a)-负载要求的转矩特性;(b)-驱动a负载时电机的输出界限;
    (c)-以基频速度为标准(转差频率恒定时);(d)-以基频
    速度为标准(增大转差频率时)
    如图4-10a12的恒功率控制时的特性。例如采用矢量控制时,当转差频率fa为一定时,在恒功率区域,对电动机电压(变频器输出电压)与转速(变频器输出频率)的比以√m的比例进行控制,可推算出转矩与(B/f2成正比,因此在转速2.0 (pu)点上,转矩有如下关系:
    TM(E/f)2=(1/m)2= 1/m=1/2
即,转矩为基频转速时的1/2
    在图4-10a中,若电动机定子绕组产生的电压降被忽略,可视,而且,在恒转矩区域(低频时),为增强转矩而进行的电压补偿也被忽略不计。因此变频器能输出的最大输出电压与变频器电源电压几乎一样,最高转速(图中转速为2.0(pu)的点)的输出电压为最大输出电压。例如变频器电源电压为380V,转速为2.0(pu)时,电动机电压为380V。而在基频转速时的电压为1/2倍,约266V
    4-10b表示在上述条件下选择的变频器及电动机所能够输出的界限。如图中虚线所示,保持E/f到变频器的电源电压为止为一定值,可实现恒转矩特性。若驱动图4-10a那样的负载,图4-10b中电机能够输出的恒转矩范围过宽了。
    4-10c是以基频转速点为变频器最大输出电压,恒功率区域电压固定的输出特性。由于最高转速时的E/f值是基频转速以下E/f恒值时的1/2,转矩是恒转矩时的1/4,若按P=TMn/975进行计算,功率是恒功率时的1/2。以上是保持转差频率fs为一定的情况,实际V/f控制的变频器会使fs增大,输出的是如图4-10d的恒功率特性。
    对于一般的普通异步电动机来说,由于受到电动机机构的限制,只能实现12最大13的恒功率运转。为了使机床主轴驱动拥有更广泛的恒功率运转范围,有的厂家专门设计了可进行绕组切换的电机,以达到降低基频转速的目的。当采用矢量控制的变频器对其驱动时,恒功率范围可达112以上。

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