不同轉(zhuǎn)矩特性電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變頻器模擬

梁冠明

摘要：電力系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)需要帶動(dòng)不同轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載運(yùn)行，因此在電動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí)通常需要模擬不同特性的負(fù)載。本文研究不同負(fù)載的負(fù)載特性，然后利用ACS800變頻器的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，并利用其自定義編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)負(fù)載加載，完成電動(dòng)機(jī)在不同負(fù)載模式下的模擬測(cè)試。該方法具有測(cè)試精度高、響應(yīng)速度快、測(cè)試成本低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)矩特性；直接轉(zhuǎn)矩控制；變頻器加載

電動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作中需要帶負(fù)載運(yùn)行，而不同的負(fù)載具有不同的轉(zhuǎn)矩特性，通過(guò)分析不同的轉(zhuǎn)矩特性可以獲得其公式。在電動(dòng)機(jī)測(cè)試時(shí)，通常需要加入不同轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載以驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)的性能。ACS800變頻器的功能基礎(chǔ)是轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC），可以直接控制負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩作為被測(cè)電動(dòng)機(jī)的模擬負(fù)載，并通過(guò)轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)輸出不同特性的轉(zhuǎn)矩。

1 常見(jiàn)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性

電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性就是電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系，用方程表示為T(mén)L=f（n）。工業(yè)類(lèi)的電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩關(guān)系主要有平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，比例轉(zhuǎn)矩負(fù)載，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和恒功率負(fù)載四種類(lèi)型。下面詳細(xì)介紹不同類(lèi)型的工業(yè)類(lèi)負(fù)載。

（1）平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

其負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方上升，一般記為T(mén)L∝n2。通常情況下，這種類(lèi)型的負(fù)載在起動(dòng)時(shí)僅受較小的初始阻力TLO影響，電機(jī)起動(dòng)比較容易。但隨著轉(zhuǎn)速越接近額定負(fù)載TN，負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化會(huì)迅速增加且變化率越大，至額定負(fù)載TN時(shí)達(dá)到最大。平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的工業(yè)代表機(jī)械是離心式水泵和離心式風(fēng)機(jī)等流體機(jī)械。其負(fù)載特性可用式1表示：

（2）比例轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

這類(lèi)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速成比例上升，一般記為T(mén)L∝n。比例轉(zhuǎn)矩負(fù)載的工業(yè)的代表機(jī)械是壓延機(jī)械、平整機(jī)械、螺旋輸送設(shè)備等。比例轉(zhuǎn)矩負(fù)載的負(fù)載特性可用式2表示：

（3）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載就是不隨轉(zhuǎn)速變化的恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，一般記為T(mén)L=K，K是常數(shù)。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在任何轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩均不變，可以分為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載兩種。反抗性負(fù)載的典型作用力為摩擦力，其方向總與旋轉(zhuǎn)方向相反。位能性能負(fù)載的典型作用力為重力，其方向一直固定不變，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的工業(yè)代表機(jī)械是吹煉設(shè)備、輥壓機(jī)、傳輸帶運(yùn)輸機(jī)、活塞泵、金屬切削機(jī)床等。其負(fù)載特性可用式3表示：

（4）恒功率負(fù)載。

這類(lèi)負(fù)載表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速越快，負(fù)載轉(zhuǎn)矩越小，隨著轉(zhuǎn)速的增加，其轉(zhuǎn)矩成反比例減少。一般記為T(mén)L∝1/n。一般在低速時(shí)，TL也不可能無(wú)限增大，在低速區(qū)轉(zhuǎn)為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。在高速時(shí)，速度越高，負(fù)載越小，呈恒功率特性。恒功率負(fù)載的工業(yè)代表機(jī)械是球磨機(jī)、車(chē)床等。其負(fù)載特性可用式4表示：

2 ACS800變頻器的轉(zhuǎn)矩控制

ACS800變頻器的功能基礎(chǔ)是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，顧名思義就是直接控制負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。該技術(shù)利用空間矢量的方法，將變頻器與負(fù)載電動(dòng)機(jī)看作整體。不需要考慮電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電阻和電感，其計(jì)算所用到的坐標(biāo)系僅僅由定子決定，由于定子的電阻可以直接測(cè)量，所以通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)量和計(jì)算就可以得到出電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)及磁鏈，直接控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制的條件都是通過(guò)實(shí)際測(cè)量獲得的，準(zhǔn)確的同時(shí)不會(huì)受到電動(dòng)機(jī)狀態(tài)變化的影響，減少了動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程的干擾，提高了控制的精度和可靠性。直接轉(zhuǎn)矩控制方式完全避免了傳統(tǒng)變頻器控制方法的缺點(diǎn)，并且由于其新穎的控制思想、簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)越的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能，在市場(chǎng)上發(fā)展得十分迅速。通過(guò)直接轉(zhuǎn)矩控制，就可以輕松地實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載的轉(zhuǎn)矩。

3 ACS800變頻器的模擬負(fù)載編程實(shí)現(xiàn)

變頻器的傳統(tǒng)方式是用戶(hù)通過(guò)設(shè)置參數(shù)控制變頻器的運(yùn)行。而ACS800自帶的自定義編程，內(nèi)置可編程參數(shù)，操作簡(jiǎn)單易學(xué)，不需要使用專(zhuān)門(mén)的編程工具即可實(shí)現(xiàn)。它的程序由功能塊組成，在控制盤(pán)上即可實(shí)現(xiàn)編程，同時(shí)用戶(hù)可以用方框圖的形式表現(xiàn)ACS800的程序，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型的負(fù)載模擬。

ACS800變頻器擁有多達(dá)15個(gè)模塊的自定義編程可以讓用戶(hù)自由編制想要的功能，通過(guò)變頻器的塊參數(shù)集，可以方便地將一個(gè)功能塊連接到另外一個(gè)功能塊上。下圖是根據(jù)公式1編程的平方負(fù)載的程序框圖：

同理，對(duì)于比例轉(zhuǎn)矩負(fù)載，根據(jù)公式2，其輸出的轉(zhuǎn)矩與當(dāng)前轉(zhuǎn)速成正比，其編程后的程序框圖如圖所示。

對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其公式十分簡(jiǎn)單，直接將轉(zhuǎn)矩值輸出到轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)換值即可。對(duì)于恒功率負(fù)載，由公式2與公式4的關(guān)系，可以很容易根據(jù)圖2推算得出恒功率負(fù)載的程序框圖。

4 結(jié)語(yǔ)

ACS800變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是模擬實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載的優(yōu)良方法。不同轉(zhuǎn)矩特性的負(fù)載通過(guò)公式表示后，可以通過(guò)ACS800變頻器自定義編程很容易地實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)矩特性的模擬，其轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)控制精確，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其自帶的用戶(hù)自定義編程功能可以很容易地實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載的模擬，其測(cè)試精度高、響應(yīng)速度快、測(cè)試成本低，是模擬不同轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載的最佳選擇。

參考文獻(xiàn)：

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