不同轉矩特性電動機負載的變頻器模擬

梁冠明

摘要：電力系統中的電動機需要帶動不同轉矩特性的負載運行，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變頻器的直接轉矩控制技術實現電動機的轉矩控制，并利用其自定義編程技術實現電動機的動態負載加載，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、測試成本低等優點。

關鍵詞：轉矩特性；直接轉矩控制；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矩特性，通過分析不同的轉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矩控制技術（DTC），可以直接控制負載電動機的轉矩作為被測電動機的模擬負載，并通過轉矩控制技術輸出不同特性的轉矩。

1 常見負載的轉矩特性

電力拖動系統中，負載的轉矩特性就是電動機的電磁轉矩TL與轉速n的關系，用方程表示為TL=f（n）。工業類的電機負載轉矩關系主要有平方轉矩負載，比例轉矩負載，恒轉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類負載。

（1）平方轉矩負載。

其負載轉矩隨轉速平方上升，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。但隨著轉速越接近額定負載TN，負載轉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。平方轉矩負載的工業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）比例轉矩負載。

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

（3）恒轉矩負載。

恒轉矩負載就是不隨轉速變化的恒定負載轉矩，一般記為TL=K，K是常數。恒轉矩負載在任何轉速下轉矩均不變，可以分為反抗性恒轉矩負載和位能性恒轉矩負載兩種。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，與轉速無關。恒轉矩負載的工業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。

這類負載表現為轉速越快，負載轉矩越小，隨著轉速的增加，其轉矩成反比例減少。一般記為TL∝1/n。一般在低速時，TL也不可能無限增大，在低速區轉為恒轉矩性質。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變頻器的轉矩控制

ACS800變頻器的功能基礎是直接轉矩控制技術，顧名思義就是直接控制負載電動機的轉矩。該技術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矩。直接轉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變化的影響，減少了動態運行過程的干擾，提高了控制的精度和可靠性。直接轉矩控制方式完全避免了傳統變頻器控制方法的缺點，并且由于其新穎的控制思想、簡潔的系統結構，優越的動態和靜態性能，在市場上發展得十分迅速。通過直接轉矩控制，就可以輕松地實現不同負載的轉矩。

3 ACS800變頻器的模擬負載編程實現

變頻器的傳統方式是用戶通過設置參數控制變頻器的運行。而ACS800自帶的自定義編程，內置可編程參數，操作簡單易學，不需要使用專門的編程工具即可實現。它的程序由功能塊組成，在控制盤上即可實現編程，同時用戶可以用方框圖的形式表現ACS800的程序，以此來實現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。下圖是根據公式1編程的平方負載的程序框圖：

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

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

4 結語

ACS800變頻器直接轉矩控制技術是模擬實現不同轉矩特性的負載的優良方法。不同轉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電動機不同轉矩特性的模擬，其轉矩控制技術控制精確，結構簡單，其自帶的用戶自定義編程功能可以很容易地實現不同轉矩特性負載的模擬，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電氣傳動系統有限公司.固件手冊ACS800標準控制程序7.x.2010.