1．基本分析
（1）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)
所謂恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，是指在不同的轉(zhuǎn)速下，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩恒定不變，其機(jī)械特性如圖5-24 中的曲線②所示（曲線①是電動(dòng)機(jī)在額定頻率以下運(yùn)行時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩線）。
5.4.3.2 恒功率負(fù)載
小小體會(huì)
（2）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載對頻率的限制
如果負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩如曲線③所示，與電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩相等的話，電動(dòng)機(jī)的最高工作頻率只能等于額定頻率。或者說，電動(dòng)機(jī)允許的工作頻率范圍是：
2．恒定負(fù)載與變動(dòng)負(fù)載
（1）恒定負(fù)載
部分恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在運(yùn)行過程中，阻轉(zhuǎn)矩始終不變，稱為恒定負(fù)載。例如，流水線中的帶式輸送機(jī)中，傳輸帶上的重物始終不變，如圖5-25（a）所示。對于這類負(fù)載，式（5-17）是完全適用的。
（2）變動(dòng)負(fù)載
部分恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，雖然其阻轉(zhuǎn)矩的大小和轉(zhuǎn)速無關(guān)，但并不等于負(fù)載的輕重也始終不變。如圖5-25b）所示的輸煤機(jī)，其傳輸帶上的煤的重量就是一直在變動(dòng)的。有時(shí)候，還可能過載。對于這類負(fù)載，其最高工作頻率只能是額定頻率。
5.4.3.2 恒功率負(fù)載
1．基本分析
恒功率負(fù)載的基本特點(diǎn)，是在改變轉(zhuǎn)速的過程中，負(fù)載消耗的功率不變。即：
=C
TL ∝ C/nL （5-18）
式（5-18）表明，在恒功率負(fù)載中，負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩是和轉(zhuǎn)速成反比的，其機(jī)械特性如圖5-26 中之曲線②所示。恒功率負(fù)載在最低速時(shí)的阻轉(zhuǎn)矩最大，通常，就以此作為選配電動(dòng)機(jī)的主要依據(jù)。比較5-26 中的曲線①和曲線②可知，在較高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，一般不存在過載的問題。
2．卷繞機(jī)械的最高工作頻率
卷繞機(jī)械是最典型的恒功率負(fù)載。如圖5-27（a）所示，薄膜在卷繞過程中，要求被卷物的張力F 必須保持恒定。為了保持張力恒定，又必須使被卷繞物的線速度v 保持恒定。
而為了保持線速度恒定，隨著卷繞物半徑的增大，負(fù)載的轉(zhuǎn)速必須減小。就是說，轉(zhuǎn)速的高低是隨被卷物的卷徑而變的。所以，卷繞機(jī)械在卷繞過程中，是自動(dòng)地保持著恒功率狀態(tài)的。
此外，卷繞機(jī)械在最高速時(shí)滯留的時(shí)間極短，隨著卷徑的迅速增大，轉(zhuǎn)速下降得也很快。因此，可不必考慮軸承和動(dòng)平衡等問題。對于這類負(fù)載，據(jù)目前看到的資料所載，最高工作頻率可達(dá)180Hz。
3．金屬切削機(jī)床的最高工作頻率
金屬切削機(jī)床在運(yùn)行過程中，并不能自動(dòng)地保持恒功率狀態(tài)，但在不同的轉(zhuǎn)速下，其切削功率要求保持恒定。以圖5-27（b）所示的車床為例，高速切削都用于精加工，一般不會(huì)過載，對過載能力并無要求。但每次切削的時(shí)間較長。所以其最高工作頻率不宜超過額定頻率的2 倍。我在實(shí)際工作中，所用的最高頻率是104Hz。
5.4.3.3 二次方律負(fù)載
1．基本特點(diǎn)
二次方律負(fù)載的典型實(shí)例是離心式風(fēng)機(jī)和水泵，其主要特點(diǎn)是：負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩TL 與轉(zhuǎn)速nL 的二次方成正比：
2．最高工作頻率
一般情況下，二次方律負(fù)載的最高工作頻率不允許超過電動(dòng)機(jī)的額定頻率。舉例說明如下：假設(shè)工作頻率上升10%：
可見，負(fù)載轉(zhuǎn)矩比額定轉(zhuǎn)矩增大了31%，將使電動(dòng)機(jī)處于嚴(yán)重過載的狀態(tài)下。
小小體會(huì)
在分析異步電動(dòng)機(jī)允許的最高工作頻率時(shí)，非但要了解負(fù)載的基本特性，還必須了解負(fù)載的工況。包括：負(fù)載在滿負(fù)荷時(shí)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率、負(fù)載在運(yùn)行過程中的變動(dòng)情況，等等。5.5 變頻調(diào)速取代其他調(diào)速電動(dòng)機(jī)
5.5 變頻調(diào)速取代其他調(diào)速電動(dòng)機(jī)
討論背景
當(dāng)變頻調(diào)速取代其他調(diào)速電動(dòng)機(jī)時(shí)，人們常常用額定容量和額定轉(zhuǎn)速相同或接近的異步電動(dòng)機(jī)去取代。這在一般情況下，也是可以的。問題是，常常會(huì)有一些比較特殊的情況，使變頻調(diào)速系統(tǒng)無法勝任。筆者就自己的經(jīng)歷介紹如下。
5.5.1 變頻調(diào)速取代直流電動(dòng)機(jī)
5.5.1.1 一般情況
在大多數(shù)情況下，對于原有的直流調(diào)速系統(tǒng)，只需用一臺容量和轉(zhuǎn)速接近的異步電動(dòng)機(jī)取代直流電動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行變頻調(diào)速就可以了，如圖5-29 所示。圖（a）是變頻調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)，圖（b）是直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。
5.5.1.2 特殊情況
1．實(shí)例
有一臺橡膠機(jī)械，采用直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速，因故障率較高，需要改造成變頻調(diào)速。直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)是：75kW、1500r/min、220V、383A。電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩是：
橡膠機(jī)械需要較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故采用了“ 有反饋矢量控制” 方式。但是，在滿載起動(dòng)時(shí)，卻怎么也起動(dòng)不起來。
2．原因分析
直流電動(dòng)機(jī)在沒有任何反饋的情況下，隨著電樞電壓的上升，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也不斷增加，一直到能夠起動(dòng)為止。雖然，起動(dòng)電流較大，換向器會(huì)產(chǎn)生很大的火花。但起動(dòng)起來后，隨著轉(zhuǎn)速的上升。電流將很快下降，換向器的火花也很快恢復(fù)正常。一般說來，直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的2.5 倍左右：
很明顯，4 極異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比直流電動(dòng)機(jī)小多了，所以難以起動(dòng)。
3．解決方法
改用6 極異步電動(dòng)機(jī)，則電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為980 r/min。則額定轉(zhuǎn)矩為：
因此，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速比直流電動(dòng)機(jī)低一個(gè)擋次（例如，直流電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，而異步電動(dòng)機(jī)為980 r/min）時(shí)，兩者的有效轉(zhuǎn)矩線如圖5-30 所示。
圖中，曲線①是直流電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線，曲線②是6 極異步電動(dòng)機(jī)變頻后的有效轉(zhuǎn)矩線。
5.5.2 變頻調(diào)速取代滑差電動(dòng)機(jī)
5.5.2.1 初始考慮
根據(jù)滑差電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，曾經(jīng)提出三個(gè)方案：
方案1：滑差電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流保持為最大值，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)行變頻調(diào)速；
方案2：將滑差電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部分聯(lián)接到一起，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)行變頻調(diào)速；
方案3：用一臺同容量的異步電動(dòng)機(jī)代替電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行變頻調(diào)速。
實(shí)踐結(jié)果分述如下：
5.5.2.2 保持最大勵(lì)磁電流
1．方案特點(diǎn)
把勵(lì)磁電流保持在最大位置，然后對拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)施變頻調(diào)速，如圖5-31（a）所示。
2．實(shí)踐效果
完全不能使用。
3．原因分析
當(dāng)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)的工作頻率下降時(shí)，滑差電動(dòng)機(jī)的理想空載點(diǎn)下移，其機(jī)械特性如圖（b）中之曲線①、②、③、
④所示。由于沒有了轉(zhuǎn)速反饋，機(jī)械特性得不到改善，所以不能用。
5.5.2.3 用同容量異步電動(dòng)機(jī)取代
1．方案特點(diǎn)
用一臺同容量的異步電動(dòng)機(jī)代替電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行變頻調(diào)速，如圖5-32（a）所示。
也可以從節(jié)約經(jīng)費(fèi)出發(fā)，把第二級的兩個(gè)部分用機(jī)械的方法聯(lián)接在一起，如圖（b）所示。
2．實(shí)踐效果
基本可用。但在低速時(shí)的帶負(fù)載能力不如滑差電動(dòng)機(jī)。
3．原因分析
滑差電動(dòng)機(jī)在加入了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋后，在額定勵(lì)磁電流下，低速時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩反而比高速時(shí)大。就是說，它在低速時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩，是可以大于額定轉(zhuǎn)矩的。據(jù)有的產(chǎn)品介紹，在最低速時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的1.7 倍。究其原因，則因?yàn)橥蟿?dòng)電動(dòng)機(jī)的功率不變，故在一定程度上具有恒功率的特點(diǎn)，即，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大。而變頻調(diào)速在調(diào)頻過程中，其有效轉(zhuǎn)矩是不可能超過額定轉(zhuǎn)矩的。所以，電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)低速時(shí)能帶動(dòng)的負(fù)載，變頻調(diào)速卻帶不動(dòng)。
4．解決辦法
采用6 極異步電動(dòng)機(jī)，如圖5-33（a）所示。在圖（b）中，曲線1 是4 極異步電動(dòng)機(jī)變頻后的有效轉(zhuǎn)矩線。6 極異步電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩約為4 極電動(dòng)機(jī)的1.5 倍，其有效轉(zhuǎn)矩線如圖中之曲線②所示。曲線③是電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線。由圖知，采用了6 極異步電動(dòng)機(jī)后，低速時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩大于電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，生產(chǎn)機(jī)械就能夠在低速下運(yùn)行了。
5.5.3 變頻調(diào)速取代整流子電動(dòng)機(jī)
5.5.3.1 實(shí)例
1. 改造前數(shù)據(jù)
某排粉機(jī)，原來用三相整流子電動(dòng)機(jī)，額定容量：160kW，額定電流：285A，額定轉(zhuǎn)速：350 ～ 1050r∕min。滿載運(yùn)行時(shí)，實(shí)測電流為234A，負(fù)載率γ≈82%。
2. 改造后數(shù)據(jù)
2. 改造后數(shù)據(jù)
改造為普通電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，選用的電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)：160kW，275A，1480 r∕min（額定轉(zhuǎn)差為20 r∕min）。運(yùn)行情況：轉(zhuǎn)速為1050r∕min 時(shí)，電動(dòng)機(jī)過載，電流達(dá)316A。
5.5.3.2 原因分析
1. 從轉(zhuǎn)矩看
（1）原來電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩
可見，改造后，雖然異步電動(dòng)機(jī)的額定功率和原電動(dòng)機(jī)相等，但運(yùn)行在1050r∕min 時(shí)的有效功率卻小了許多。
5.5.3.3 解決辦法
改用6 極電動(dòng)機(jī)， 電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)：160kW，297A，980 r∕min
1. 從轉(zhuǎn)矩看
因?yàn)樵妱?dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速是1050r∕min，故改用6 極電動(dòng)機(jī)時(shí)的最高工作頻率：
2. 從功率看
變頻調(diào)速后，在額定頻率以上運(yùn)行時(shí)，具有恒功率特點(diǎn)，其有效功率仍為160kW。所以，改用6 極電動(dòng)機(jī)是可行的，實(shí)際運(yùn)行情況也令人滿意。
小小體會(huì)
用變頻調(diào)速取代其他調(diào)速電動(dòng)機(jī)時(shí)，一定要分析清楚被取代電動(dòng)機(jī)的主要特性和負(fù)載的工作特點(diǎn)。不能只注意電動(dòng)機(jī)的容量，而必須同時(shí)校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的容量和轉(zhuǎn)矩。
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