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电工小创新(十九)

第三篇 变频调速篇 第五章 变频器应用中的几个问题

发布日期:2016-06-16 作者:网络
 5.4.3.1 恒转矩负载
1.基本分析
(1)恒转矩负载的特点
         所谓恒转矩负载,是指在不同的转速下,负载的阻转矩恒定不变,其机械特性如图5-24 中的曲线②所示(曲线①是电动机在额定频率以下运行时的有效转矩线)。


(2)恒转矩负载对频率的限制
         如果负载的阻转矩如曲线③所示,与电动机的额定转矩相等的话,电动机的最高工作频率只能等于额定频率。或者说,电动机允许的工作频率范围是:


2.恒定负载与变动负载
(1)恒定负载
         部分恒转矩负载在运行过程中,阻转矩始终不变,称为恒定负载。例如,流水线中的带式输送机中,传输带上的重物始终不变,如图5-25(a)所示。对于这类负载,式(5-17)是完全适用的。
(2)变动负载
         部分恒转矩负载,虽然其阻转矩的大小和转速无关,但并不等于负载的轻重也始终不变。如图5-25b)所示的输煤机,其传输带上的煤的重量就是一直在变动的。有时候,还可能过载。对于这类负载,其最高工作频率只能是额定频率。

  5.4.3.2 恒功率负载
1.基本分析
      恒功率负载的基本特点,是在改变转速的过程中,负载消耗的功率不变。即:
       =C
       TL ∝ C/nL (5-18)
        式(5-18)表明,在恒功率负载中,负载的阻转矩是和转速成反比的,其机械特性如图5-26 中之曲线②所示。恒功率负载在最低速时的阻转矩最大,通常,就以此作为选配电动机的主要依据。比较5-26 中的曲线①和曲线②可知,在较高转速下运行时,一般不存在过载的问题。
 
2.卷绕机械的最高工作频率
      卷绕机械是最典型的恒功率负载。如图5-27(a)所示,薄膜在卷绕过程中,要求被卷物的张力F 必须保持恒定。为了保持张力恒定,又必须使被卷绕物的线速度v 保持恒定。
而为了保持线速度恒定,随着卷绕物半径的增大,负载的转速必须减小。就是说,转速的高低是随被卷物的卷径而变的。所以,卷绕机械在卷绕过程中,是自动地保持着恒功率状态的。
此外,卷绕机械在最高速时滞留的时间极短,随着卷径的迅速增大,转速下降得也很快。因此,可不必考虑轴承和动平衡等问题。对于这类负载,据目前看到的资料所载,最高工作频率可达180Hz。
 
3.金属切削机床的最高工作频率
     金属切削机床在运行过程中,并不能自动地保持恒功率状态,但在不同的转速下,其切削功率要求保持恒定。以图5-27(b)所示的车床为例,高速切削都用于精加工,一般不会过载,对过载能力并无要求。但每次切削的时间较长。所以其最高工作频率不宜超过额定频率的2 倍。我在实际工作中,所用的最高频率是104Hz。

5.4.3.3 二次方律负载
1.基本特点
      二次方律负载的典型实例是离心式风机和水泵,其主要特点是:负载的阻转矩TL 与转速nL 的二次方成正比:

2.最高工作频率
    一般情况下,二次方律负载的最高工作频率不允许超过电动机的额定频率。举例说明如下:假设工作频率上升10%:

      可见,负载转矩比额定转矩增大了31%,将使电动机处于严重过载的状态下。

小小体会
     在分析异步电动机允许的最高工作频率时,非但要了解负载的基本特性,还必须了解负载的工况。包括:负载在满负荷时,电动机的负载率、负载在运行过程中的变动情况,等等。5.5 变频调速取代其他调速电动机
 
5.5 变频调速取代其他调速电动机

讨论背景
      当变频调速取代其他调速电动机时,人们常常用额定容量和额定转速相同或接近的异步电动机去取代。这在一般情况下,也是可以的。问题是,常常会有一些比较特殊的情况,使变频调速系统无法胜任。笔者就自己的经历介绍如下。
 
5.5.1 变频调速取代直流电动机
5.5.1.1 一般情况
 
     在大多数情况下,对于原有的直流调速系统,只需用一台容量和转速接近的异步电动机取代直流电动机,并进行变频调速就可以了,如图5-29 所示。图(a)是变频调速拖动系统,图(b)是直流电动机拖动系统。
 
5.5.1.2 特殊情况

1.实例
      有一台橡胶机械,采用直流电动机调速,因故障率较高,需要改造成变频调速。直流电动机的铭牌数据是:75kW、1500r/min、220V、383A。电动机的额定转矩是:


      橡胶机械需要较大的起动转矩,故采用了“ 有反馈矢量控制” 方式。但是,在满载起动时,却怎么也起动不起来。
 
2.原因分析
      直流电动机在没有任何反馈的情况下,随着电枢电压的上升,起动转矩也不断增加,一直到能够起动为止。虽然,起动电流较大,换向器会产生很大的火花。但起动起来后,随着转速的上升。电流将很快下降,换向器的火花也很快恢复正常。一般说来,直流电动机的起动转矩可达额定转矩的2.5 倍左右:

很明显,4 极异步电动机的起动转矩比直流电动机小多了,所以难以起动。
 
3.解决方法
改用6 极异步电动机,则电动机的额定转速为980 r/min。则额定转矩为:

     因此,当异步电动机的额定转速比直流电动机低一个挡次(例如,直流电动机的额定转速为1500 r/min,而异步电动机为980 r/min)时,两者的有效转矩线如图5-30 所示。
 
     图中,曲线①是直流电动机的有效转矩线,曲线②是6 极异步电动机变频后的有效转矩线。
 
5.5.2 变频调速取代滑差电动机
5.5.2.1 初始考虑
 
根据滑差电动机的特点,曾经提出三个方案:
方案1:滑差电动机的励磁电流保持为最大值,拖动电动机实行变频调速;
方案2:将滑差电动机的两个旋转部分联接到一起,拖动电动机实行变频调速;
方案3:用一台同容量的异步电动机代替电磁调速电动机,进行变频调速。
 
实践结果分述如下
5.5.2.2 保持最大励磁电流

1.方案特点
把励磁电流保持在最大位置,然后对拖动电动机实施变频调速,如图5-31(a)所示。
 
2.实践效果
完全不能使用。
 
3.原因分析
当拖动电动机的工作频率下降时,滑差电动机的理想空载点下移,其机械特性如图(b)中之曲线①、②、③、
④所示。由于没有了转速反馈,机械特性得不到改善,所以不能用。

5.5.2.3 用同容量异步电动机取代

1.方案特点
用一台同容量的异步电动机代替电磁调速电动机,进行变频调速,如图5-32(a)所示。
也可以从节约经费出发,把第二级的两个部分用机械的方法联接在一起,如图(b)所示。

2.实践效果
基本可用。但在低速时的带负载能力不如滑差电动机。
 
3.原因分析
滑差电动机在加入了转速负反馈后,在额定励磁电流下,低速时的电磁转矩反而比高速时大。就是说,它在低速时的有效转矩,是可以大于额定转矩的。据有的产品介绍,在最低速时的有效转矩可达额定转矩的1.7 倍。究其原因,则因为拖动电动机的功率不变,故在一定程度上具有恒功率的特点,即,低速时转矩大。而变频调速在调频过程中,其有效转矩是不可能超过额定转矩的。所以,电磁调速电动机低速时能带动的负载,变频调速却带不动。
 
4.解决办法
采用6 极异步电动机,如图5-33(a)所示。在图(b)中,曲线1 是4 极异步电动机变频后的有效转矩线。6 极异步电动机的额定转矩约为4 极电动机的1.5 倍,其有效转矩线如图中之曲线②所示。曲线③是电磁调速电动机的有效转矩线。由图知,采用了6 极异步电动机后,低速时的有效转矩大于电磁调速电动机的有效转矩,生产机械就能够在低速下运行了。

5.5.3 变频调速取代整流子电动机
5.5.3.1 实例

1. 改造前数据
某排粉机,原来用三相整流子电动机,额定容量:160kW,额定电流:285A,额定转速:350 ~ 1050r∕min。满载运行时,实测电流为234A,负载率γ≈82%。

2. 改造后数据
改造为普通电动机变频调速时,选用的电动机数据:160kW,275A,1480 r∕min(额定转差为20 r∕min)。运行情况:转速为1050r∕min 时,电动机过载,电流达316A。
 
5.5.3.2 原因分析
 
1. 从转矩看
(1)原来电动机的额定转矩


    可见,改造后,虽然异步电动机的额定功率和原电动机相等,但运行在1050r∕min 时的有效功率却小了许多。
 
5.5.3.3 解决办法
改用6 极电动机, 电动机的额定数据:160kW,297A,980 r∕min
 
1. 从转矩看
    因为原电动机的最高转速是1050r∕min,故改用6 极电动机时的最高工作频率:

 
2. 从功率看
    变频调速后,在额定频率以上运行时,具有恒功率特点,其有效功率仍为160kW。所以,改用6 极电动机是可行的,实际运行情况也令人满意。
 
小小体会
    用变频调速取代其他调速电动机时,一定要分析清楚被取代电动机的主要特性和负载的工作特点。不能只注意电动机的容量,而必须同时校验电动机的容量和转矩。


 
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