变频调速系统的机械特性

    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、制动工艺要求。图3.1所示为钻床变频调速系统的组成。

    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。

    所谓机械特性就是描述电动机转速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。

    图3.1    钻床变频调速系统的组成

    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=RTI1Φmcosθ2

式中，Rr为转矩常数；I1为定子电流；Φm为每极的磁通量；cosθ2为转子电流的功率因数。

    根据该公式，可以作出下面的机械特性曲线1（图3.2）。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，为了简化分析这一过程，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。

    图3.2    电力拖动系统的机械特性

    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3.2中的曲线2所示。通常，为了简化分析这一过程，常粗略地将损耗转矩也计算在负载转矩中。

    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。