不同轉(zhuǎn)矩特性電動機負載的變頻器模擬

梁冠明

摘要：電力系統(tǒng)中的電動機需要帶動不同轉(zhuǎn)矩特性的負載運行，因此在電動機測試時通常需要模擬不同特性的負載。本文研究不同負載的負載特性，然后利用ACS800變頻器的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)實現(xiàn)電動機的轉(zhuǎn)矩控制，并利用其自定義編程技術(shù)實現(xiàn)電動機的動態(tài)負載加載，完成電動機在不同負載模式下的模擬測試。該方法具有測試精度高、響應速度快、測試成本低等優(yōu)點。

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

電動機在實際工作中需要帶負載運行，而不同的負載具有不同的轉(zhuǎn)矩特性，通過分析不同的轉(zhuǎn)矩特性可以獲得其公式。在電動機測試時，通常需要加入不同轉(zhuǎn)矩特性的負載以驗證電動機的性能。ACS800變頻器的功能基礎是轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DTC），可以直接控制負載電動機的轉(zhuǎn)矩作為被測電動機的模擬負載，并通過轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)輸出不同特性的轉(zhuǎn)矩。

1 常見負載的轉(zhuǎn)矩特性

電力拖動系統(tǒng)中，負載的轉(zhuǎn)矩特性就是電動機的電磁轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系，用方程表示為TL=f（n）。工業(yè)類的電機負載轉(zhuǎn)矩關(guān)系主要有平方轉(zhuǎn)矩負載，比例轉(zhuǎn)矩負載，恒轉(zhuǎn)矩負載和恒功率負載四種類型。下面詳細介紹不同類型的工業(yè)類負載。

（1）平方轉(zhuǎn)矩負載。

其負載轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速平方上升，一般記為TL∝n2。通常情況下，這種類型的負載在起動時僅受較小的初始阻力TLO影響，電機起動比較容易。但隨著轉(zhuǎn)速越接近額定負載TN，負載轉(zhuǎn)矩變化會迅速增加且變化率越大，至額定負載TN時達到最大。平方轉(zhuǎn)矩負載的工業(yè)代表機械是離心式水泵和離心式風機等流體機械。其負載特性可用式1表示：

（2）比例轉(zhuǎn)矩負載。

這類負載的轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速成比例上升，一般記為TL∝n。比例轉(zhuǎn)矩負載的工業(yè)的代表機械是壓延機械、平整機械、螺旋輸送設備等。比例轉(zhuǎn)矩負載的負載特性可用式2表示：

（3）恒轉(zhuǎn)矩負載。

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

（4）恒功率負載。

這類負載表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速越快，負載轉(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TL∝1/n。一般在低速時，TL也不可能無限增大，在低速區(qū)轉(zhuǎn)為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)。在高速時，速度越高，負載越小，呈恒功率特性。恒功率負載的工業(yè)代表機械是球磨機、車床等。其負載特性可用式4表示：

2 ACS800變頻器的轉(zhuǎn)矩控制

ACS800變頻器的功能基礎是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，顧名思義就是直接控制負載電動機的轉(zhuǎn)矩。該技術(shù)利用空間矢量的方法，將變頻器與負載電動機看作整體。不需要考慮電動機轉(zhuǎn)子的電阻和電感，其計算所用到的坐標系僅僅由定子決定，由于定子的電阻可以直接測量，所以通過簡單的測量和計算就可以得到出電動機的磁場及磁鏈，直接控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。直接轉(zhuǎn)矩控制的條件都是通過實際測量獲得的，準確的同時不會受到電動機狀態(tài)變化的影響，減少了動態(tài)運行過程的干擾，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，并且由于其新穎的控制思想、簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)越的動態(tài)和靜態(tài)性能，在市場上發(fā)展得十分迅速。通過直接轉(zhuǎn)矩控制，就可以輕松地實現(xiàn)不同負載的轉(zhuǎn)矩。

3 ACS800變頻器的模擬負載編程實現(xiàn)

變頻器的傳統(tǒng)方式是用戶通過設置參數(shù)控制變頻器的運行。而ACS800自帶的自定義編程，內(nèi)置可編程參數(shù)，操作簡單易學，不需要使用專門的編程工具即可實現(xiàn)。它的程序由功能塊組成，在控制盤上即可實現(xiàn)編程，同時用戶可以用方框圖的形式表現(xiàn)ACS800的程序，以此來實現(xiàn)不同類型的負載模擬。

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

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

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

4 結(jié)語

ACS800變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是模擬實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)矩特性的負載的優(yōu)良方法。不同轉(zhuǎn)矩特性的負載通過公式表示后，可以通過ACS800變頻器自定義編程很容易地實現(xiàn)電動機不同轉(zhuǎn)矩特性的模擬，其轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)控制精確，結(jié)構(gòu)簡單，其自帶的用戶自定義編程功能可以很容易地實現(xiàn)不同轉(zhuǎn)矩特性負載的模擬，其測試精度高、響應速度快、測試成本低，是模擬不同轉(zhuǎn)矩特性負載的最佳選擇。

參考文獻：

[1]徐海，施利春.變頻器原理及應用[M].清華大學出版社，2010.

[2]北京ABB電氣傳動系統(tǒng)有限公司.固件手冊ACS800標準控制程序7.x.2010.