机械特性分析：额频以下的关键因素

1.机械特性要点

首先假设：在额频以下，电压和频率是成正比的（k_U=k_f），如图7-34a所示。在这种情况下，变频后电动机的机械特性如图7-34b所示，主要特点是：

图7-34 f_X≤f_N时的机械特性

a）k_U=k_f b）机械特性

（1）同步转速n₁随频率的下降而下降。

（2）临界转速n_K也下降，但临界转差基本不变。

（3）临界转矩T_K随频率的下降而略有减小。

（4）机械特性的硬度 所有机械特性基本平行，硬度不变。

2.临界转矩减小的原因

在7.1.3节中讲过，变频调速时，为了保持电动机的主磁通不变，变频器的输出电压与频率之比必须等于常数（k_U=k_f）。而实际上，保持磁通不变的准确方法，是保持反电动势和频率之比等于常数：

保持变频器的输出电压与频率之比等于常数（k_U=k_f）是一种近似的替代方法，而近似替代的结果便导致了低频运行时，带负载能力的下降。今分析如下：

（1）数字举例 某电动机的主要数据是：45kW、50Hz、380V（相电压）、85A（相电流）、1480r/min。满载时的阻抗压降设为30V。为简略起见，在下面的计算中，电路中各量之间的复数关系近似地用代数关系来代替，如图7-35所示。

1）f_X=50Hz满载时定子绕组每相的反电动势

E_1N=U_1N-ΔU_N=380V-30V=350V

图7-35 低频时临界转矩减小的原因

a）额定频率时的磁通 b）频率下降时的磁通

反电动势与频率之比

显然，这时的磁通应该等于额定磁通，由于难以得到公式中比例常数的数据，故磁通大

小用相对值表示，额定磁通的相对值为100%，即Φ_N*=100%如图7-35a所示。

2）f_X=10Hz（k_f=0.2）每相绕组的电压

∵ k_U=k_f=0.2

∴ U_1X=k_UU_1N=0.2×380V=76V

在满载运行的情况下，每相绕组的阻抗压降不变，仍为：

ΔU_N=30V

定子绕组每相的反电动势

E_1X=U_1X-ΔU_N=76V-30V=46V(www.xing528.com)

反电动势与频率之比

磁通的相对值

显然，这时的磁通与额定磁通相比，减小了34%，电动机的带负载能力必将减小。就是说，在（k_U=k_f）的条件下，低频时，实际上并不能保持磁通不变。

老师要补充吗？”

张老师说：“你用图解的方法说明了问题，这很好。我们也可以用解析的方法来进行说明，你方才的一个近似条件仍适用，就是：电路中各量之间的复数关系近似地用代数关系来代替。

（2）解析 假设等效电路中的阻抗压降ΔU和额定电压U_N之比为α：

ΔU=αU_N （7-17）

式中 ΔU——定子绕组的阻抗压降，V；

α——阻抗压降系数；

U_N——电动机的额定相电压，V。

则

式中 E_X——频率为f_X时的反电动势，V；

k_U——电压调节比；

k_f——频率调节比；

f_N——额定频率，Hz。

将式（7-4）代入：

（3）分析

1）k_U=k_f=1，这时的磁通量应等于额定磁通Φ_mN：

式中 Φ_mN——电动机的额定磁通，Wb。

2）k_U=k_f＜1

由式（7-21）可知，频率越低，k_f越小，和K_ΦΦ_mX也越小。

可见，在电压随频率成正比地下降时，电动机的磁通量将有所减小，从而临界转矩和有效转矩也都将减小。

如何使电动机在低频运行时也能得到额定磁通，从而改善其机械特性的方法，在变频器里，称为控制方式。