各类型负载的最高工作频率详解

变频拖动系统的最高工作频率要根据负载的机械特性来决定。分述如下：

5.4.3.1 恒转矩负载

1.基本分析

（1）恒转矩负载的特点

所谓恒转矩负载，是指在不同的转速下，负载的阻转矩恒定不变，其机械特性如图5-24中的曲线②所示（曲线①是电动机在额定频率以下运行时的有效转矩线）。

图5-24 恒转矩负载的高频运行

（2）恒转矩负载对频率的限制

如果负载的阻转矩如曲线③所示，与电动机的额定转矩相等的话，电动机的最高工作频率只能等于额定频率。或者说，电动机允许的工作频率范围是：

f_X≤f_N

但是，大多数生产机械的阻转矩实际上都小于电动机的额定转矩，电动机的负载率常小于1：

γ=T_L/T_MN （5-15）

式中 γ———电动机的负载率；

T_L———负载的阻转矩，N·m；

T_MN———电动机的额定转矩，N·m。

生产机械的负载率可通过测量电动机的运行电流来求出：

γ=I_MX/I_MN （5-16）

式中 I_MX———电动机的运行电流，A；

I_MN———电动机的额定电流，A。

结合式（5-14），最高运行频率的条件是：

T_MN/k_f≥γT_MN

k_f≤1/γ （5-17）

例如，某恒转矩负载的负荷率为γ=70%，则允许的运行频率范围是：

k_f≤1.42

允许的最高工作频率是：

f_max=50×1.42=71Hz

2.恒定负载与变动负载

（1）恒定负载

部分恒转矩负载在运行过程中，阻转矩始终不变，称为恒定负载。例如，流水线中的带式输送机中，传输带上的重物始终不变，如图5-25a所示。对于这类负载，式（5-17）是完全适用的。

图5-25 恒定负载与变动负载

a）恒定负载 b）变动负载

（2）变动负载

部分恒转矩负载，虽然其阻转矩的大小和转速无关，但并不等于负载的轻重也始终不变。如图5-25b所示的输煤机，其传输带上的煤的重量就是一直在变动的。有时候，还可能过载。对于这类负载，其最高工作频率只能是额定频率。

5.4.3.2 恒功率负载

1.基本分析

恒功率负载的基本特点，是在改变转速的过程中，负载消耗的功率不变。即

式（5-18）表明，在恒功率负载中，负载的阻转矩是和转速成反比的，其机械特性如图5-26中之曲线②所示。(https://www.xing528.com)

恒功率负载在最低速时的阻转矩最大，通常，就以此作为选配电动机的主要依据。比较5-26中的曲线①和曲线②可知，在较高转速下运行时，一般不存在过载的问题。

2.卷绕机械的最高工作频率

卷绕机械是最典型的恒功率负载，如图5-27a所示。

图5-26 恒功率负载的高频运行

薄膜在卷绕过程中，要求被卷物的张力F必须保持恒定。为了保持张力恒定，又必须使被卷绕物的线速度v保持恒定。

而为了保持线速度恒定，随着卷绕物半径的增大，负载的转速必须减小。就是说，转速的高低是随被卷物的卷径而变的。所以，卷绕机械在卷绕过程中，是自动地保持着恒功率状态的。

图5-27 恒功率负载示例

a）卷绕机械 b）金属切削机床

此外，卷绕机械在最高速时滞留的时间极短，随着卷径的迅速增大，转速下降得也很快。因此，可不必考虑轴承和动平衡等问题。

对于这类负载，据目前看到的资料所载，最高工作频率可达180Hz。

3.金属切削机床的最高工作频率

金属切削机床在运行过程中，并不能自动地保持恒功率状态，但在不同的转速下，其切削功率要求保持恒定。

以图5-27b所示的车床为例，高速切削都用于精加工，一般不会过载，对过载能力并无要求。但每次切削的时间较长。所以其最高工作频率不宜超过额定频率的2倍。我在实际工作中，所用的最高频率是104Hz。

5.4.3.3 二次方律负载

1.基本特点

二次方律负载的典型实例是离心式风机和水泵，其主要特点是：负载的阻转矩T_L与转速n_L的二次方成正比：

T_L=K_Tn²_L （5-19）

式中 K_T———转矩比例常数。

由于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，如摩擦转矩及其功率等。因此，严格地讲，其转矩表达式应为

T_L=T₀+K_Tn²_L （5-20）

式中 T₀———空载转矩或损失转矩，N·m。

图5-28 二次方律负载的高频运行

其机械特性如图5-28中的曲线②所示。

2.最高工作频率

一般情况下，二次方律负载的最高工作频率不允许超过电动机的额定频率。举例说明如下：

假设工作频率上升10%：

f_X=55Hz=1.1f_N

则由式（5-19），假设损耗转矩等于额定转矩的10%（T₀=0.1T_N），则负载转矩的大小是：

T_LX=[0.1+（1.1）²]T_LN=1.31T_LN

式中 T_LX———工作频率为f_X时的负载转矩，N·m；

T_LN———负载的额定转矩，N·m。

可见，负载转矩比额定转矩增大了31%，将使电动机处于严重过载的状态下。

小小体会

在分析异步电动机允许的最高工作频率时，非但要了解负载的基本特性，还必须了解负载的工况。包括：负载在满负荷时，电动机的负载率、负载在运行过程中的变动情况，等等。