变频器的负载特性选择原则

    变频调速与机械变速存在本质上的区别，不能将某电动机使用机械变速改为相同功率的变频变速。因为功率是转矩与转速的乘积：

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式中，M为转矩(N·m)；ω为角速度( rad/s)；n为转速(r/min)。

    机械变速时（例如齿转变速、传送带变速），若变比为K，在电动机功率不变时，忽略变速器效率，即转速下降K倍，而转矩可升高K倍，它属于恒功率负载。

    而变频调速的转矩一转速曲线在低于额定频率时，恒转矩运行，电动机不能提高输出转矩。高于额定频率时，转速升高转矩下降。常见的不同负载的机械特性如图2-2所示。图2-2中的曲线3为平方率负载（例如风机、水泵）；曲线2为恒转矩负载（例如传送带），这两种负载在低于额定频率运行时，负载力矩没有增加，所以当在额定频率以下时，可以按电动机功率大小配置变频器的功率。

    图2-2    不同负载的机械特性

    1-恒功率负载;2-恒转矩负载;3-平方率负载

    图2-2中的曲线1是恒功率负载（例如切削机床），低速时力矩增加，而变频器和电动机低于额定频率时电流被限制，力矩不能增加，所以在变频调速系统运行在低速区时，有可能会造成电动机带不动负载，选用时要根据减速造成力矩增加的比例，选用比原电动机功率大的电动机和变频器。例如原来为1. 5kW电动机，负载转矩为9.18N·m，转速为1460 r/min，机械变速后转速降到720r/min，转矩就可达18. 36N·m，而与之配套的电动机和变频器不可能输出18. 36N·m的转矩。因此，变频调速后电动机和变频器需增加的功率是

    选用标准功率为3. 7kW或4kW的电动机和变频器才能保证在低速区时输出要求的转矩。

    在我国将工频50Hz以下区间作为变频器的“恒力矩区”，即频率和转速成比例下降时，电动机为恒力矩特性。在50Hz以上区间为“恒功率区”，即频率和转速越高，电动机力矩越小。变频器的输出频率和拖动电动机的转速成正比，其输入的功率（机械功率）为：转速×转矩。为此，选择变频器时应根据以下原则：

    1)电动机功率在280kW以上应选择电流型变频器（多重化波形），75kW以下的电动机应选择电压型变频器（PWM波型），75~ 280kW的电动机可根据实际情况决定。

    2)根据拖动设备特性选择，机床类设备需要尽可能满足恒功率的硬特性，可选用专用电动机和配足变频器功率，尽可能选用矢量型变频器，并要求变频器带有制动单元。风机、水泵等减力矩负载要选用专用变频器，便于节能运行；对于只需恒力矩的传动系统，可选用通用型、矢量型或F型变频器均可。

    变频器的正确选用对于机械设备及系统的正常运行至关重要，选择变频器首先要满足机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求，然后决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。所谓合适是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比。在实践中常将生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：

    1)恒转矩负载。在恒转矩负载中，负载转矩TL与转速n无关，在任何转速下TL总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线性增加。多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机、搅拌机、传送带、厂内运输电车、吊车的平移机构、吊车的提升机构和提升机等。选型时可选F控制方式的变频器，最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。起重机类负载的特点是起动时冲击很大，因此要求变频器有一定余量。同时，在重物下放时，会有能量回馈，因此要使用制动单元或采用共用母线方式。

    变频器拖动具有恒转矩特性的负载时，低速时的输出转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应考虑标准电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。而对不均性负载（其特性是：负载有时轻，有时重）应按照重负载的情况来选择变频器容量，例如轧钢机械、粉碎机械、搅拌机等。

    对于大惯性负载，如离心机、冲床、水泥厂的旋转窑，此类负载惯性很大，因此起动时可能会振荡，电动机减速时有能量回馈。应该选用容量稍大的变频器来加快起动，避免振荡，并需配有制动单元消耗回馈电能。

    长期低速运行的系统，由于电动机发热量较高，风扇冷却能力降低，因此必须采用加大减速比的方式或改用6级电动机，使电动机运转在较高频率附近。对于低速运行时要求有较硬的机械特性和一定的调速精度，但动态性能方面无较高要求时，可选用具有转矩控制功能的高功能型变频器，以实现恒转矩负载的调速运行。另外，对于拖动恒转矩负载的电动机，如果采用通用标准电动机，则应考虑低速下电动机的强迫通风冷却，以避免电动机在低速运行时发热。

    2)恒功率负载。恒功率负载的特点是需求转矩TL与转速n大体成反比，但其乘积即攻率却近似保持不变。金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负载。

    负载的恒功率性质是针对一定的速度变化范围而言的，当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机的容量和变频器的容量均最小。

    3)流体类负载。在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n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。这种负载所需的功率与速度的三次方成正比。各种风机、水泵和油泵都属于典型的流体类负载，由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负载转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行。

    流体类负载在过载能力方面要求较低，由于负载转矩与速度的二次方成反比，所以低速运行时负载较轻（罗茨风机除外），又因为这类负载对转速精度没有什么要求，故选型时通常以价格为主要原则，应选择普通功能型变频器，只要变频器容量等于电动机容量即可（空压机、深水泵、泥沙泵、快速变化的音乐喷泉需加大容量），目前已有为此类负载配套的专用变频器可供选用。