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0020世界第五讲在各类负载的应用下
第五讲知己知彼用变频器(下)(-2)
宜昌市自动化研究所 张燕宾
_______________________________________________________________________________
摘 要:
本文介绍了几种典型负载的机械特性。
并分别说明了恒转矩负载和恒功率负载在应用变频器拖动系统时,所遇到的主要问题和对策。
关键词:
负载的机械特性 恒转矩负载 恒功率负载 二次方律负载 起动转矩 调速范围 电磁制动器 四象限运行 系统容量
Abstract:
Thistextintroducedthemechanicalcharacteristicofmanytypicalloads.Explainedwhiletheconstanttorqueortheconstantpowerloadsmakeuseoftheinverterdrivingsystem.Manyproblemsyouwillmeet.Andsomemeasuresyouhavetouse.
Keywords:
mechanicalcharacteristicofloadsconstanttorqueloadsconstantpowerloadsreducedtorqueloadsstarttorquespeedcontrolrangemagneticbrakefourquadrantdrivesystempower
______________________________________________________________________
5.3 负载特性是上帝
任何机械在运行过程中,都有阻碍运动的力或转矩,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。
因此,所谓负载的机械特性,也就是负载的阻转矩与转速的关系。
在分析负载的机械特性时,首先应弄清其阻转矩是怎么形成的,然后再分析当转速变化时,阻转矩的变化规律。
5.3.1 恒转矩低速功率小
带式输送机是恒转矩负载的典型例子之一,其基本结构和工作情况如图5-20a)所示。
如图,负载的阻力来之于皮带与滚筒间的磨擦力,作用半径就是滚筒的半径。
故负载阻转矩的大小决定于:
TL=F·r
式中,F─皮带与滚筒间的磨擦阻力;
图5-20恒转矩负载及其特性
a)带式输送机b)机械特性c)功率特性
r─滚筒的半径。
(1)转矩特点
由于F和r的大小都和转速的快慢无关,所以在调节转速nL的过程中,负载的阻转矩TL保持不变,即具有恒转矩的特点:
TL=const
其机械特性曲线如图5-20b)所示。
必须注意:
这里所说的转矩大小的是否变化,是相对于转速变化而言的,不能和负载轻重变化时,转矩大小的变化相混淆。
或者说,“恒转矩”负载的特点是:
负载转矩的大小,仅仅取决于负载的轻重,而和转速大小无关。
拿带式输送机来说,当传输带上的物品较多时,不论转速有多大,负载转矩都较大;而当传输带上的物品较少时,也不论转速有多大,负载转矩都较小。
(2)功率特点
在负载转矩TL不变的情况下,负载功率PL的特点是:
PL=
∝nL(5-8)
即:
负载功率与转速成正比,其有效功率线如图5-20c)所示。
5.3.2 恒功率高频转矩孬
图5-21恒功率负载及其特性
a)薄膜卷b)机械特性c)功率特性
各种薄膜的卷取机械是恒功率负载的典型例子之一,如图5-21a)所示。
其工作特点是:
为了保证在卷绕过程中,被卷物的物理性能不发生变化,随着“薄膜卷”的卷径不断增大,卷取辊的转速应逐渐减小,以保持薄膜的线速度恒定,从而也保持了张力的恒定。
(1)功率特点
因为要保持线速度和张力恒定:
F=const
v=const
式中,F—被卷薄膜的张力,N;
v—被卷薄膜的线速度,m∕min。
所以,在不同的转速下,负载的功率基本恒定:
PL=Fv=const;
即,负载功率的大小与转速的高低无关,其功率特性曲线如图5-21c)所示。
(2)转矩特点
如图5-21a),负载阻转矩的大小决定于:
TL=F·r
式中,r─卷取物的卷取半径。
随着卷取物不断地卷绕到卷取辊上,r将越来越大。
由于PL不变,故有:
TL=
∝
(5-9)
即,负载阻转矩的大小与转速成反比,如图5-21b)所示。
5.3.3 混合型切削机床找
大部分金属切削机床都属于混合型负载,其主要特点是:
(1)低速段
通用机床的低速段,由于允许的最大进刀量都是相同的,故负载转矩也相同,具有恒转矩性质。
(2)高速段
在高速段,由于受床身机械强度和振动以及刀具强度等的影响,速度越高,允许的最大进刀量越小,负载转矩也越小,但要求切削功率保持不变,故具有恒功率性质。
(3)计算转速
图5-22机床的机械特性
a)机械特性b)功率特性
恒转矩区和恒功率区的分界转速,称为计算转速,用nD表示,如图5-22所示。
关于计算转速大小的规定因机床的种类而不同,如:
在老系列车床中,一般规定:
从最低速起,以全部转速档次的三分之一的最高速作为计算转速。
例如,CA6140型普通车床主轴的转速共分24级:
n1、n2、n3、……n24,则第八档转速(n8)为计算转速。
但随着刀具强度和切削技术的提高,计算转速已经大为提高。
近年来,在一些新系列车床中,已逐渐提高为以最高转速的(1∕4~1∕2)作为计算转速:
nD≈
(5-10)
在A系列龙门刨床中,最高刨削速度为vmax=90m∕min,而计算(分界)刨削速度规定为vD=25m∕min。
5.3.4二次方律风机水泵包
图5-23 二次方律负载及其特性
a)风扇叶片 b)机械特性 c)功率特性
二次方律负载的典型实例是离心式风机和水泵,如图5-23a)所示。
这类负载大多用于控制流体(气体或液体)的流量。
由于流体本身无一定形状,且在一定程度上具有可压缩性(尤其是气体),故难以详细分析其阻转矩的形成,本文将只引用有关的结论。
(1)转矩特点
负载的阻转矩TL与转速nL的二次方成正比:
TL=KT·nL2
(5-11)
其机械特性曲线如图5-23b)所示。
(2)功率特点
负载的功率PL与转速nL的三次方成正比:
PL=
=KP·nL3(5-12)
以上两式中,KT和KP分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数。
功率特性曲线如图5-23c)所示。
事实上,即使在空载的情况下,电动机的输出轴上,也会有损耗转矩T0和损耗功率P0,如磨擦转矩及其功率等。
因此,严格地讲,其转矩表达式应为:
TL=T0+KT·nL2(5-13)
功率表达式为:
PL=P0+KP·nL3(5-14)
5.4恒转矩变频抓要点
图5-24有效转矩线
恒转矩负载在应用变频调速系统时,必须注意的主要问题,有以下几个方面。
5.4.1 调速范围须实现
5.4.1.1调速范围和负荷率的关系
变频器在外部无强迫通风的状态下提供的有效转矩线如图5-24所示。
图中的横坐标是电动机的允许负荷率σA。
这里,负荷率的定义是:
电动机轴上的负载转矩TL’(负载折算到电动机轴上的转矩)与电动机额定转矩TMN的比值,用σ表示:
σ=
(5-15)
由图知,在拖动恒转矩负载时,允许的工作频率范围是和实际的负荷率有关的:
实际负荷率越大,允许的工作频率范围越小;反之,实际负荷率越小,则工作频率范围越大。
不同负荷率时的调速范围如表5-2所示。
表5-2不同负荷率时的转速范围表
负荷率(%)
最高频率(Hz)
最低频率(Hz)
调速范围
100
50
20
2.5
90
56
15
3.7
80
62
11
5.6
70
70
6
11.6
60
78
6
13.0
5.4.1.2满足调速范围的途径
以某恒转矩负载为例:
要求最高转速为720r∕min;最低转速为80r∕min(调速范围αn=9)。
满负荷时负载侧的转矩为140N·m。
原选电动机的数据:
PN=11kW,nN=1440r∕min。
原有传动装置的传动比为λ=2。
今采用变频调速,用户要求不增加额外的装置,如转速反馈装置及风扇等。
但可以适当改变皮带轮的直径,在一定的范围内调整传动比。
相关的计算如下:
(1)电动机的额定转矩根据电动机的额定功率和额定转速求出:
TMN=
=72.95N·m
(2)负载转矩的折算值根据负载转矩与传动比求出:
TL’=
=70N·m
(3)电动机的负荷率根据电动机轴上的负载转矩与额定转矩求出:
σ=
=0.96
(4)核实允许的变频范围
由图5-24知,当负荷率为0.96时,允许频率范围是19~52Hz,调频范围为
αƒ=
=2.74<<αn(=9)
显然,与负载要求的调速范围相去甚远。
(5)减小负荷率的思考
由图5-24,如果负荷率为70%的话,则允许调频范围为(6~70)Hz,调频范围为
αƒ=
=11.7>αn(=9)
电动机轴上的负载转矩应限制在:
TL’≤72.95×70%=51N·m
确定传动比:
λ’≥
=2.745
选λ’=2.75
(6)校核
电动机的转速范围
nMmax=720×2.75=1980r∕min
nMmin=80×2.75=220r∕min
额定转差率
s=
=0.04
工作频率范围假设在调速过程中,转差率不变,则
ƒmax=
=
=68.75Hz<70Hz
图5-25电磁制动电动机
ƒmin=
=7.64Hz>6Hz
可见,增大了传动比后,就可以减小电动机的负荷率,使工作频率在允许范围内。
5.4.2 带式输送较简便
某饮料灌装输送带,其主要工位有:
灌装、加盖、贴标签等,属于间歇输送式。
电动机的额定容量为5.5kW,额定转速为960r∕min。
由于要求输送带在转换工位时必须准确停住,不允许出现滑动,故采用YEJ系列电磁制动电动机,其原电路如图5-25所示。
今欲采用变频调速系统,其要点如下:
5.4.2.1变频器的选择
(1)变频器的容量因饮料灌装输送带不大会有严重过载的情形,因此,可选与5.5kW电动机相配的变频器(SN=8.5kVA,IN=14.2A)。
(2)变频器的型号由于饮料灌装输送带在运行过程中负载变化和调速范围均不大,即使是只有V∕F控制方式的通用型变频器也可选用。
当然,如选用具有无反馈矢量控制方式的变频器则更好。
5.4.2.2主要功能预置
(1)转矩提升传输带从静止状态起动时,静摩擦力往往较大,需要有较大的起动转矩。
所以,U∕f比应适当预置得大一些。
(2)加、减速时间由于是间歇输送方式,起动和制动比较频繁,而起动和制动过程是不进行工作的过渡过程。
所以,加、减速时间应尽量地短。
但这时,应注意两点:
一是为了防止在起动和制动过程中因过电流或过电压而跳闸,应预置加、减速防止跳闸功能;
二是急剧而又频繁的减速,容易引起直流电路中泵升电压的升高。
所以,应接入制动电阻和制动单元。
5.4.3 起重吊钩是关键
5.4.3.1起升机构的大致组成
图5-26起升机构的结构
如图5-26,M是电动机,DS是减速机构,R是卷筒,r是卷筒的半径,G是重物。
5.4.3.2起升机构的转矩分析
在起升机构中,主要有三种转矩:
(1)电动机的转矩TM即由电动机产生的转矩,是主动转矩,其方向可正可负;
(2)重力转矩TG由重物及吊钩等作用于卷筒的转矩,其大小等于重物及吊钩等的重量G与卷筒半径r的乘积:
TG=G·r(5-16)
TG的方向永远是向下的。
(3)磨擦转矩T0由于减速机构的传动比较大,最大可达50(λ=50),因此,减速机构的磨擦转矩(包括其他损失转矩)不可忽略。
磨擦转矩的特点是,其方向永远与运动方向相反。
5.4.3.3起升过程中电动机的工作状态
图5-27重物上升时的工作点
(1)重物上升重物的上升,完全是电动机正向转矩作用的结果。
这时,电动机的旋转方向与转矩方向相同,处于电动机状态,其机械特性在第Ⅰ象限,如图5-27中之曲线①和所示,工作点为A点,转速为n1;
当通过降低频率而减速时,在频率刚下降的瞬间,机械特性已经切换至曲线②了,工作点由A点跳变至A’点,进入第Ⅱ象限,电动机处于再生制动状态(发电机状态),其转矩变为反方向的制动转矩,使转速迅速下降,并重又进入第一象限,至B点时,又处于稳定运行状态,B点便是频率降低后的新的工作点,这时,转速已降为n2。
(2)空钩(包括轻载)下降
图5-28空钩下降时的工作点
空钩(或轻载)时,由于受减速机构的磨擦转矩的阻碍,重物自身将不能下降,必须由电动机反向运行来实现。
电动机的转矩和转速都是负的,故机械特性曲线在第Ⅲ象限,如图5-28中之曲线③,工作点为C点,转速为n3;
当通过降低频率而减速时,在频率刚下降的瞬间,机械特性已经切换至曲线④,工作点由C点跳变至C’点,进入第Ⅳ象限,电动机处于反向的再生制动状态(发电机状态),其转矩变为正方向,以阻止重物快速下降,所以也是制动转矩,使下降的速度减慢,并重又进入第三象限,至D点时,又处于稳定运行状态,D点便是频率降低后的新的工作点,这时,转速为n4。
(3)重载下降
图5-29重载下降时的工作点
重载时,重物自身的重力将超过磨擦转矩,具有依靠自重而下降的能力,电动机的旋转速度将超过同步转速而进入再生制动状态。
电动机的旋转方向是反转(下降)的,但其转矩的方向却与旋转方向相反,是正方向的,其机械特性如图5-29的曲线⑤所示,工作点为E点,转速为n5。
这时,电动机的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不断加速、达到使重物匀速下降的目的。
在这种情况下,磨擦转矩也将阻碍重物下降,故重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。
5.4.3.4与原拖动系统的比较
这里的原拖动系统专指绕线转子异步电动机拖动系统。
图5-30绕线转子异步电动机的机械特性
(1)重物上升机械特性也在第Ⅰ象限,如图5-30中之曲线①所示,转速为n1。
降速是通过转子电路串入电阻来实现的,这时,机械特性为曲线②,工作点由A点跳变至A’点,电动机的转矩大为减小,拖动系统因带不动负载而减速,直至到达B点时,电动机的转矩重新和负载转矩平衡,工作点转移至B点,转速为降n2。
(2)轻载下降其工作特点与重物上升时相同,只是转矩和转速都是负的,机械特性在第Ⅲ象限,如图5-30的曲线③和曲线④所示。
(3)重载下降重载下降时,电动机从接法上说,是正方向的,产生的转矩也是正的。
但由于在转子电路中串入了大量电阻,使机械特性倾斜至如曲线⑤所示。
这时,电动机产生的正转矩比重力产生的转矩小,非但不能带动重物上升,反而由于重物的拖动,电动机的实际旋转方向是负的,其工作点在机械特性向第四象限的延伸线上,如图中之E点,这时,转速为n5。
这种工作状态的特点是:
电动机的转矩是正的、却被重物“倒拉”着反转了,称为倒拉式反接制动状态。
与变频调速方式相比较,在重载下降时,两种调速方法的工作点都在第四象限,但电动机的工作状态是不同的。
5.4.3.5溜钩的防止
(1)产生溜钩的原因与危害起升机构中,由于重物具有重力的原因,如没有专门的制动装置,重物在空中是停不住的。
为此,电动机轴上必须加装制动器,常用的有电磁铁制动器和液压电磁制动器等。
多数制动器都采用常闭式的,即:
线圈断电时制动器依靠弹簧的力量将轴抱住;线圈通电时松开。
在重物开始升降或停住时,要求制动器和电动机的动作之间,必须紧密配合。
由于制动器从抱紧到松开,以及从松开到抱紧的动作过程需要时间(约0.6s,因电动机的容量大小而异),而电动机转矩的产生或消失,是在通电或断电瞬间就立刻反映的。
因此,两者在动作的配合上极易出现问题。
如电动机已经通电,而制动器尚未松开,将导致电动机的严重过载;反之,如电动机已经断电,而制动器尚未抱紧,则重物必将下滑,即出现溜钩现象。
(2)原拖动系统的防溜钩措施
一是由“停止”到运行电磁制动器线圈与电动机同时通电。
这时,存在着以下问题:
对于电动机来说,在刚通电瞬间,电磁制动器尚未松开,而电动机已经产生了转矩,这必将延长起动过程中大电流存在的时间;
对于制动器来说,在松开过程中,必将具有闸瓦与制动轮之间进行滑动磨擦的过程,影响闸瓦的寿命。
二是由运行到“停止”使制动器先于电动机0.6s断电,以确保电动机在制动器已经抱住的情况下断电。
这时:
对于电动机来说,由于在断电前制动器已经在逐渐地抱紧了,必将加大断电前的电流;
对于制动器来说,在开始抱紧和电动机断电之间,在闸瓦与制动轮之间必有滑动磨擦的过程,影响闸瓦的寿命。
即使这样,在要求重物准确停位的场合,仍不能满足要求。
操作人员往往通过反复点动来达到准确停位的目的。
这又将导致电动机和传动机构不断受到冲击、以及继电器、接触器的频繁动作,从而影响它们的寿命。
5.4.3.6变频调速系统中的防镏钩措施
图5-31重物的升降过程
变频器防止镏钩的基本指导思想,是让上述过程在很低的频率下进行,从而使电动机的电流和闸瓦的摩擦大为减小。
具体过程如下:
(1)重物从停住转为升降的过程
一是设定一个“升降起始频率”ƒSD当变频器的工作频率上升到ƒSD时,将暂停上升。
为了确保当制动电磁铁松开后,变频器已能控制住重物的升降而不会溜钩,所以,在工作频率到达ƒSD的同时,变频器将开始检测电流,并设定检测电流所需时间tSC;
二是发出“松开指令”当变频器确认已经有足够大的输出电流时,将发出一个“松开指令”,使制动电磁铁开始通电;
三是设定一个fRD的维持时间tRDtRD的长短应略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间;
四是变频器将工作频率上升至所需频率。
图5-32重物的停住过程
上述过程如图5-31所示。
(2)重物停住的控制过程
1)设定一个“停止起始频率”ƒBS当变频器的工作频率下降到ƒBS(如3Hz)时,变频器将输出一个“频率到达信号”,发出制动电磁铁断电指令;
2)设定一个ƒBS的维持时间tBBtBB的长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱住所需要的时间;
3)变频器将工作频率下降至0。
上述过程如图5-32所示。
5.5 恒功率容量是关键
5.5.1 实现变频调速的主要问题
以某卷取机为例:
负载的转速范围为(53~318)r∕min,电动机的额定转速为960r∕min,传动比λ=3。
其机械特性如图5-33b)的曲线①所示。
图中,横坐标是电动机转矩TM和负载转矩TL;纵坐标是电动机转速nM和负载转速nL。
进行计算时,为了便于比较,负载的转矩和转速都用折算值。
图5-33电动机拖动恒功率负载
a)卷取示意图b)机械特性
5.5.1.1最高转速时的负载功率
∵TL’=TLmin’=10N·m
nL’=nLmax’=960r∕min
∴PL=
≈1kW
5.5.1.2最低转速时的负载功率
∵TL’=TLmax’=60N·m
nL’=nLmin’
=153r∕min
∴PL=
≈1kW
就是说,在卷绕的全过程中,负载的功率是恒定的。
5.5.1.3所需电动机的容量
(1)电动机的额定转矩必须能够带动卷径最大时的负载转矩:
TMN≥TLmax’=60N·m
(2)电动机的额定转速必须满足负载的最高转速:
nMN≥nLmax’=960r∕min
(3)电动机的容量应满足:
PMN≥
≈6kW
选PMN=7.5kW
可见,所选电动机的容量比负载实际所需功率增大了7.5倍。
这是因为,电动机既要满足负载的最大转矩,又要满足负载的最高转速,故所需容量为:
PMN≥
而负载实际所需功率为:
PL=
两者之比为:
≥
=αn
式中,αn为负载的调速范围。
可见,变频调速系统的容量比负载实际所需功率大了αn倍,是很浪费的。
5.5.2 电动机容量与传动比的确定
5.5.2.1基本考虑
图5-34多倍频率带卷取机
a)二倍频率带卷取机 b)三倍频率带卷取机
考虑到电动机在X>N时的有效转矩线也具有恒功率性质,所以,应该尽量利用电动机的恒功率区来带动恒功率负载,使两者的特性比较吻合。
5.5.2.2ƒX≤2ƒN时的电动机容量
当ƒmax=2ƒN时,因为电动机的最高转速比原来增大了一倍,则传动比λ’也必增大一倍,为λ’=6。
图5-34a)画出了传动比增大后的机械特性曲线。
其计算结果如下:
(1)电动机的额定转矩因为λ’=2λ,所以负载转矩的折算值减小了一半:
TMN≥TLmax’=30N·m
(2)电动机的容量虽然电动机的最高转速增大了,但额定转速未变,故:
PMN≥
≈3kW
取PMN=3.7kW
可见,所需电动机的容量减小了一半。
如果最高频率达到额定频率的3倍,则可进一步将电动机的容量减小为2.2kW,如图b)所示。
电动机如果长时间在过高频率下工作,会引起轴承磨损及动平衡等方面的问题,一般不推荐在2倍频率以上运行。
但卷取机在最高频率下运行的时间极短,随着半径的迅速增大,卷辊的转速将迅速下降。
所以,上述方案是可行的。
5.5.3 车床实例
某意大利产SAG型精密车床,原拖动系统采用电磁离合器配合齿轮箱进行调速。
由于电磁离合器损坏率较高,国内无配件,进口件又十分昂贵,故改用变频调速。
具体情况如下:
5.5.3.1基本数据
(1)主轴转速共分八档:
75、120、200、300、500、800、1200、2000r∕min;
(2)电动机额定容量2.2kW;
(3)电动机额定转速1440r∕min;
5.5.3.2主要计算数据
(1)调速范围
αL=
=
=26.67
(2)计算转速根据机械工程师提供的数据,计算转速的大小为:
nD=300r∕min
即:
nL≤300r∕min为恒转矩区;nL≥500r∕min为恒功率区。
(3)各档转速下的负载转矩负载的实际功率按2kW计算,则各档转速下负载转矩的计算结果如表5-3所示。
表5-3各档转速下的负载转矩
档 次
1
2
3
4
5
6
7
8
转速(r∕min)
75
120
200
300
500
800
1200
2000
转矩(N·m)
63.7
63.7
63.7
63.7
38.2
23.9
15.9
9.55
说 明
恒 转 矩 区
恒 功 率 区
图5-35额频以下带车床
(4)电动机额定转矩
TMN=
=
=14.6N·m
5.5.3.3对调速方案的
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- 0020 世界 第五 各类 负载 应用