题目：电气传动基础知识（总第2讲）

讲授内容提要：

电气传动系统的负载特性、变频器及其特点。

教学目的：

掌握电气传动系统的负载特性，掌握变频器及其特点的相关知识。

教学重点：

重点电气传动系统的三种典型负载特性。

教学难点：

电气传动系统的负载特性。

采用教具和教学手段：

多媒体图片展示及实物展示。

授课时间：2014年 9月 2日 授课地点：第一 教学楼 1218 教室

注：此页为每次课首页，教学过程后附；以每次（两节）课为单元编写教案。

第二讲

1.3 电气传动系统的负载特性

阻转矩：何机械在运行过程中，都有阻碍其运动的力或转矩，称之为阻力或阻转矩。负载转矩在极大多数情况下，都呈阻转矩性质。

电气传动系统的负载特性：包负载机械特性和负载功率特性。

负载机械特性通常是指负载阻转矩与负载轴上转速之间的关系。

负载功率特性通常是指负载消耗的功率与负载轴上转速之间的关系。

电气传动系统的负载特性一般分为三种类型：恒转矩负载特性、恒功率负载特性、二次方率负载特性。

1、转矩负载特性

恒转矩负载是指那些负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而与转速大小无关的负载。

转矩特点：TL＝ 常数

功率特点：：PL＝∝nL ,负载功率与转速成正比

2、恒功率负载特性

恒功率负载指负载转矩TL的大小与转速n成反比，而其功率基本维持不变的负载。各种薄膜的卷取机械是恒功率负载的典型例子之一。

功率特点：PL＝Fv＝常数，负载功率的大小与转速的高低无关。

转矩特点：TL＝Fr ，F —— 卷取物的张力，r —— 卷取物的卷取半径。

根据负载的机械功率PL和转矩TL、转速nL之间的关系，有：

,即负载阻转矩的大小与转速成反比。

3、二次方率负载特性

二次方律负载是指转矩与速度的二次方成正比例变化的负载，例如：风扇、风机、泵、螺旋桨等机械的负载转矩。

负载转矩：TL＝T0+KT

负载功率：PL＝P0+KP

（T0 、P0分别为电动机轴上的转矩损耗和功率损耗）(KT 、KP分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数)

特别提示：事实上，无论是哪一类负载特性，即使在空载的情况下，电动机的输出轴上也会有空载转矩和空载损耗，如磨擦转矩及其功率损耗等。因此严格地讲，负载阻转矩表达式应为 ，负载消耗的功率表达式为 。

1.4 变频器及其特点

异步电动机调速系统的种类很多，但是效率最高、性能最好、应用最广泛的是变频调速系统，其中的关键是如何把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电，这些要求恰恰就是变频器的任务。

1、变频器的概念

通俗地讲，变频器就是一种静止式的交流电源供电装置，其功能是将工频交流电(三相或单相)变换成频率连续可调的三相交流电源。

精确的概念描述为：利用电力电子器件的通断作用将电压和频率固定不变的工频交流电源变换成电压和频率可变的交流电源， 供给交流电动机实现软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能的电能变换控制装置称作变频器，其英文简称为VVVF ( VariableVoltage Variable Frequency)。

变频器的控制对象是三相交流异步电动机和同步电动机，标准适配电机极数是2/4极。

变频电气传动的优势：1.平滑软启动，降低启动冲击电流，减少变压器占有量，确保电机安全；2.在机械允许的情况下可通过提高变频器的输出频率提高工作速度；3.无级调速，调速精度大大提高；4. 电机正反向无需通过接触器切换；5. 非常方便接入通讯网络控制，实现生产自动化控制。

2、变频器的特点

变频器诞生于20世纪80年代。随着微机技术、电力电子技术和调速控制理论的不断发展，通用变频器主要经历以下几个发展阶段：20世纪80年代初期的模拟式、20世纪80年代中期的数字式、20世纪90年代以后的智能式、多功能型通用变频器。通用变频器发展主要有以下特点：

（1）功率器件不断更新换代

变频器的发展受到电力半导体器件的限制。20世纪80年代初主要使用门极可关断晶闸管GTO，开关频率低，变频器的调速性能较差。20世纪80年代后期主要使用大功率晶体管GTR，其开关频率一般在2kHZ以下，载波频率和最小脉宽都受到限制，难以得到较为理想的正弦脉宽调制波形，并使异步电机在变频调速时产生噪声。20世纪90年代以后主要使用绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT，其开关频率达到20kHZ以上，变频器的调速性能更优。

（2）应用范围不断扩大

在纺织、印染、塑胶、石油、化工、冶金、造纸、食品、装卸搬运、铁路运输等行业都有着广泛应用。随着各种专用变频器的出现，变频器的应用领域将会进一步扩大，可以说有交流电动机的地方就会有变频器。

（3）控制理论不断成熟

　早期通用变频器主要采用恒压频比（V/F）和SPWM控制方式，随着矢量控制技术、直接转矩控制技术的出现，交流电动机的变频调速机械特性可以和直流电动机的调压调速机械特性相媲美。随着变频调速控制技术的不断成熟、功率电子器件的不断发展、成本的不断降低，变频器的应用日益广泛，在电气传动和节能领域起着越来越重要的作用。

通用变频器未来发展趋势如下：

（1）低电磁噪音、静音化

新型通用变频器除了采用高频载波方式的正弦波SPWM调制实现静音化外(载波频率越高，电磁噪音越小，漏电流噪声越大)，还在通用变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路APFC，而在逆变电路中采取Soft-PWM控制技术等，以改善输入电流波形、降低电网谐波，在抗干扰和抑制高次谐波方面符合EMC国际标准，实现所谓的清洁电能的变换。如三菱公司的柔性PWM控制技术，实现了更低噪音运行。

（2）专用化

新型通用变频器为更好地发挥变频调速控制技术的独特功能，并尽可能满足现场控制的需要，派生了许多专用机型如风机水泵空调专用型、起重机专用型、恒压供水专用型、 交流电梯专用型、纺织机械专用型、机械主轴传动专用型、电源再生专用型、中频驱动专用型、机车牵引专用型等。

（3）系统化

通用变频器除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、系统化方向发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于一体的“全集成自动化”（TIA）平台概念，可以使变频器、伺服装置、控制器及通讯装置等集成配置，甚至自动化和驱动系统、通讯和数据管理系统都可以像驱动装置通常嵌入“全集成自动化”系统那样进行，目的是为用户提供最佳的系统功能。　

（4）网络化

新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议，内装RS485接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设置功能码数据等，通过选件可与现场总线：Profibus-DP、 Interbus-S 、 Device Net 、 Modbus Plus、CC-Link、LONWORKS、Ethernet、CAN Open、T-LINK等通讯。如西门子、VACON、富士、日立、三菱、台安、东洋等品牌的通用变频器，均可通过各自可提供的选件支持上述几种或全部类型的现场总线。

（5）操作傻瓜化

新型通用变频器机内固化的“调试指南”会引导你一步一步地填入调试表格，无需记住任何参数，充分体现了易操作性。如西门子公司的新一代MICROMASTER420/440因采用了一种称为“易于使用”的成功概念，使得在连接技术、安装和调试方面的操作变得非常简单。

（6）内置式应用软件

新型通用变频器可以内置多种应用软件，有的品牌可提供多达130余种的应用软件，以满足现场过程控制的需要，如PID控制软件、张力控制软件、速度级链、速度跟随、电流平衡、变频器功能设置软件、通讯软件等。

（7）参数自调整

用户只要设置数据组编码，而不必逐项设置，通用变频器会将运行参数自动调整到最佳状态（矢量型变频器可对电机参数进行自整定）。

（8）功能设置软件化

变频器的应用 变频调速已经被公认为最理想、最有发展前途的调速方式之一。其优势主要体现在以下几个方面：

（1）变频调速的节能

由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20％～60％，这是因为风机、水泵的耗用功率与转速的三次方成正比，当用户需要的平均流量较小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果是十分可观的。据不完全统计，我国已经进行变频改造的风机、泵类负载约占总容量的5％以上，年节电约400亿KW•h。

（2）变频调速在电动机运行方面的优势

变频调速很容易实现电动机的正反转，起动的加减速时间可以任意设定，进行制动时也很方便。

（3）以提高工艺水平和产品质量为目的的应用

变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以提高企业的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的甚至可以改变原有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。