不同转矩特性电动机负载的变频器模拟
摘要：电力系统中的电动机需要带动不同转矩特性的负载运行，因此在电动机测试时通常需要模拟不同特性的负载。本文研究不同负载的负载特性，然后利用ACS800变频器的直接转矩控制技术实现电动机的转矩控制，并利用其自定义编程技术实现电动机的动态负载加载，完成电动机在不同负载模式下的模拟测试。该方法具有测试精度高、响应速度快、测试成本低等优点。
关键词：转矩特性；直接转矩控制；变频器加载
电动机在实际工作中需要带负载运行，而不同的负载具有不同的转矩特性，通过分析不同的转矩特性可以获得其公式。在电动机测试时，通常需要加入不同转矩特性的负载以验证电动机的性能。ACS800变频器的功能基础是转矩控制技术（DTC），可以直接控制负载电动机的转矩作为被测电动机的模拟负载，并通过转矩控制技术输出不同特性的转矩。
1 常见负载的转矩特性
电力拖动系统中，负载的转矩特性就是电动机的电磁转矩TL与转速n的关系，用方程表示为TL=f（n）。工业类的电机负载转矩关系主要有平方转矩负载，比例转矩负载，恒转矩负载和恒功率负载四种类型。下面详细介绍不同类型的工业类负载。
（1）平方转矩负载。
其负载转矩随转速平方上升，一般记为TL∝n2。通常情况下，这种类型的负载在起动时仅受较小的初始阻力TLO影响，电机起动比较容易。但随着转速越接近额定负载TN，负载转矩变化会迅速增加且变化率越大，至额定负载TN时达到最大。平方转矩负载的工业代表机械是离心式水泵和离心式风机等流体机械。其负载特性可用式1表示：
（2）比例转矩负载。
这类负载的转矩随转速成比例上升，一般记为TL∝n。比例转矩负载的工业的代表机械是压延机械、平整机械、螺旋输送设备等。比例转矩负载的负载特性可用式2表示：
（3）恒转矩负载。
恒转矩负载就是不随转速变化的恒定负载转矩，一般记为TL=K，K是常数。恒转矩负载在任何转速下转矩均不变，可以分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。反抗性负载的典型作用力为摩擦力，其方向总与旋转方向相反。位能性能负载的典型作用力为重力，其方向一直固定不变，与转速无关。恒转矩负载的工业代表机械是吹炼设备、辊压机、传输带运输机、活塞泵、金属切削机床等。其负载特性可用式3表示：
（4）恒功率负载。
这类负载表现为转速越快，负载转矩越小，随着转速的增加，其转矩成反比例减少。一般记为TL∝1/n。一般在低速时，TL也不可能无限增大，在低速区转为恒转矩性质。在高速时，速度越高，负载越小，呈恒功率特性。恒功率负载的工业代表机械是球磨机、车床等。其负载特性可用式4表示：
2 ACS800变频器的转矩控制
ACS800变频器的功能基础是直接转矩控制技术，顾名思义就是直接控制负载电动机的转矩。该技术利用空间矢量的方法，将变频器与负载电动机看作整体。不需要考虑电动机转子的电阻和电感，其计算所用到的坐标系僅仅由定子决定，由于定子的电阻可以直接测量，所以通过简单的测量和计算就可以得到出电动机的磁场及磁链，直接控制电动机的磁链和转矩。直接转矩控制的条件都是通过实际测量获得的，准确的同时不会受到电动机状态变化的影响，减少了动态运行过程的干扰，提高了控制的精度和可靠性。直接转矩控制方式完全避免了传统变频器控制方法的缺点，并且由于其新颖的控制思想、简洁的系统结构，优越的动态和静态性能，在市场上发展得十分迅速。通过直接转矩控制，就可以轻松地实现不同负载的转矩。
3 ACS800变频器的模拟负载编程实现
变频器的传统方式是用户通过设置参数控制变频器的运行。而ACS800自带的自定义编程，内置可编程参数，操作简单易学，不需要使用专门的编程工具即可实现。它的程序由功能块组成，在控制盘上即可实现编程，同时用户可以用方框图的形式表现ACS800的程序，以此来实现不同类型的负载模拟。
ACS800变频器拥有多达15个模块的自定义编程可以让用户自由编制想要的功能，通过变频器的块参数集，可以方便地将一个功能块连接到另外一个功能块上。下图是根据公式1编程的平方负载的程序框图：
同理，对于比例转矩负载，根据公式2，其输出的转矩与当前转速成正比，其编程后的程序框图如图所示。
对于恒转矩负载，其公式十分简单，直接将转矩值输出到转矩控制转换值即可。对于恒功率负载，由公式2与公式4的关系，可以很容易根据图2推算得出恒功率负载的程序框图。
4 结语
ACS800变频器直接转矩控制技术是模拟实现不同转矩特性的负载的优良方法。不同转矩特性的负载通过公式表示后，可以通过ACS800变频器自定义编程很容易地实现电动机不同转矩特性的模拟，其转矩控制技术控制精确，结构简单，其自带的用户自定义编程功能可以很容易地实现不同转矩特性负载的模拟，其测试精度高、响应速度快、测试成本低，是模拟不同转矩特性负载的最佳选择。
参考文献：
[1]徐海，施利春.变频器原理及应用[M].清华大学出版社，2010.
[2]北京ABB电气传动系统有限公司.固件手册ACS800标准控制程序7.x.2010.
