如何影响电子元器件的运作？

5.1.1.1 拖动系统必须满足的条件

电力拖动系统（见图5-1）的根本任务，就是要电动机带着生产机械旋转起来。要完成这个任务，必须满足两个基本条件：

1.带得动

（1）拖动系统的动力

电动机之所以能够旋转，是因为它能产生电磁转矩T_M。或者说，电磁转矩是拖动系统能够运行的基本动力。

图5-1 拖动系统的根本矛盾

（2）生产机械的阻力

生产机械本身是不能旋转的，说明它存在着阻止旋转的力量。或者说，它在被电动机带动的过程中，存在着阻转矩T_L，也叫负载转矩。

（3）带得动的条件

电动机要带得动生产机械旋转，它所产生的电磁转矩必须能够克服生产机械的阻转矩：

T_M≥T_L （5-1）

当然，还会有一些摩擦转矩、通风转矩等，统称为损耗转矩T₀。但为了简便起见，我们在以后的讨论中，常不考虑损耗转矩。这有两种理解：一是说损耗转矩很小，可以忽略不计；二是说，把损耗转矩也合并到阻转矩里了。

2.不发热

电动机是否发热要看功率。就是说，生产机械在旋转时，是要消耗功率的。如果电动机的功率P_M不能满足生产机械所需功率P_L的话，电动机必将因发热而不能持久。所以，拖动系统能够持续运行的必要条件是，电动机的额定功率必须不小于生产机械消耗的功率：

P_M≥P_L （5-2）

5.1.1.2 变频调速与机械调速

1.机械调速的特点

在变频调速普及以前，人们都习惯于机械调速（见图5-2）。机械调速有以下特点：

图5-2 机械调速实例

a）带轮调速 b）齿轮箱调速

（1）恒功率

因为电动机的功率是不变的，所以，如果将传动机构的损耗功率忽略不计的话，则负载侧得到的功率总是和电动机的功率相等的。或者说，负载侧得到的功率是恒定的。

（2）减速机构具有转矩放大作用

电动机侧输出的机械功率是：

式中 P_M———电动机输出的机械功率，kW；

T_M———电动机的电磁转矩，N·m；

n_M———电动机的转速，r/min。

负载侧得到的机械功率是：

式中 P_L———负载轴上的输入功率，kW；

T_L———负载的阻转矩，N·m；

n_L———负载的转速，r/min。

忽略掉传动机构的损耗功率，有：

化简之，得

T_L/T_M=n_M/n_L=λ

T_L=T_M·λ （5-5）

式中 λ———传动机构的传动比，λ=n_M/n_L。

可见，当负载侧的转速下降时，它所得到的转矩是增大的。

（3）低速运行电流小

为了简便起见，我们假设负载的转矩是不变的，即恒转矩负载。

低速运行意味着传动机构的传动比较大，如上所述，这里负载所得到的转矩将被放大，而负载转矩未变，电动机处于轻载状态，所以，电流必减小。

从另一个角度看，由式（5-4）可知，恒转矩负载在低速运行时，所消耗的功率减小，电动机的电流也就跟着减小了。

2.变频调速的特点

从效果上说，实现变频调速后，在低速运行时，系统的输入电流也必减小。这一点是和机械调速相一致的。

但在变频调速时，电动机和生产机械之间的传动机构，一般不再调节其传动比。因此，在带动恒转矩负载时，不论转速（频率）多高，电动机的电流是基本不变的。

那么，怎么体现系统输入电流的变化呢？

原来，变频调速系统在频率下降时，电动机的输入电压也要跟着下降。如图5-3所示，当工作频率为50Hz时，电动机的输入电压等于380V，处于额定状态，它的输入、输出功率都可以达到额定值，如图5-3a所示。

图5-3 变频调速的特点

a）工作频率为50Hz b）工作频率为25Hz

但当工作频率为25Hz时，电动机的输入电压约等于190V，如果负载转矩不变的话，电动机的电流也不变，结果是，电动机的输入功率将只有额定功率的一半，如图5-3b所示。

于是，如同变压器一样，低压侧电流大，高压侧电流小。所以，在低速运行时，系统的输入电流是减小的。在图5-3中，必有：

I_M2≈I_M1I_S2<I_S1(www.xing528.com)

5.1.1.3 变频调速系统的能量传递

如图5-4所示，变频调速系统各环节的功率如下：

图5-4 变频调速系统的能量传递

1.电源功率

即变频调速系统从电源吸取的电功率，其计算公式如下：

式中 P_S———变频器的输入功率，kW；

U_S———电源线电压，V；

I_S———电源线电流，A；

λ———全功率因数。

2.直流回路功率

P_D=U_DI_D （5-7）

式中 P_D———直流回路的电功率，kW；

U_D———直流回路电压，V；

I_D———直流回路电流，A。

3.变频器的输出功率

变频器的输出端是和电动机相接的，所以，其输出功率也是电动机的输入功率，计算公式如下：

式中 P_M1———变频器的输出功率，kW；

U_M———变频器的输出线电压，也是电动机的输入线电压，V；

I_M———变频器的输出线电流，也是电动机的输入线电流，A；

cosφ₁———电动机定子侧的功率因数。

4.电动机轴上的输出功率

电动机输出的是轴上的机械功率，计算公式如式（5-3）所示：

式中 P_M2———电动机输出的机械功率，kW；

T_M———电动机的电磁转矩，N·m；

n_M———电动机的转速，r/min。

5.负载消耗功率

负载得到的也是机械功率，计算公式如式（5-4）所示：

式中 P_L———负载轴上的输入功率，kW；

T_L———负载的阻转矩，N·m；

n_L———负载的转速，r/min。

5.1.1.4 频率下降后的功率变化

毫无疑问，在每两个环节之间进行转换时，都会有功率的损耗。但因为这些损耗功率所占比例都很小，可以忽略不计。则可以认为，各环节的功率都是近似相等的。要大一起大，要小一起小。

当变频器的输出频率减小，使负载转速下降时，各环节的功率将减小，但减小的原因各不相同，分述如下：

1.负载消耗的功率P_L

由式（5-4）可知，因为是恒转矩负载（T_L=C），所以转速n_L下降时，P_L也必下降。

2.电动机的输出功率P_M2

因为电动机的电磁转矩总是和负载转矩相平衡的，当拖动恒转矩负载时，电磁转矩也是不变的。则由式（5-3）可知，当转速n_M随频率下降，输出功率P_M2将减小。

3.电动机的输入功率P_M1

由式（5-8）可知，因电磁转矩不变，故电流大小也不变，但变频器的输出电压要随频率下降，所以，电动机的输入功率（也就是变频器的输出功率）减小。

4.直流回路的电流I_D

由式（5-7）可知，因为直流电压U_D是不变的，所以直流电流I_D将随功率P_D的减小而减小。

5.变频器的输入电流I_S

由式（5-6）可知，因电源电压U_S是不变的，故输入电流I_S随功率P_S而减小。

5.1.1.5 结论

变频器在低频运行时，由于其输出电压要随频率同时下降，所以输入电流比输出电流小。

这和变压器是相同的。在降压变压器里，在损耗功率忽略不计的情况下，高压侧和低压侧的功率是相等的。而功率又和电压与电流的乘积成正比，所以高压侧的电流小、低压侧的电流大，如图5-5a所示。

图5-5 变频器和变压器的类比

a）变压器 b）变频器

变频器其实也一样，所不同的只是变频器输出侧的电压是随频率的下降而下降的，其输入侧是高压侧，所以输入侧的电流比输出侧的电流小，如图5-5b所示。