【摘要】變頻器的基本頻率是指和最大輸出電壓對應的頻率。雖然在大多數情況下，基本頻率以等于電動機的額定頻率為宜，一般沒有調節的必要，但也絕不是調節的禁區。只要充分了解電動機在調節基本頻率后所呈現的特點，并掌握其規律，則適當地調節基本頻率，常常能取得很好的運行效果。該文列舉了不同工況場合，變頻器基本頻率的調整方法。
變頻器的基本頻率是指和最大輸出電壓對應的頻率，用fba表示。在絕大多數情況下，基本頻率應等于電動機的額定頻率。
設定了基本頻率fba，也就設定了基本的電壓頻率比u/f，也就設定了電動機的基本磁通量φba。當變頻器的最大輸出電壓等于電動機的額定電壓，基本頻率等于額定頻率時，電動機的基本磁通量等于額定磁通（φba=φn），電動機將處于最佳運行狀態。因此，一般說來，基本頻率是不宜隨意調整的。
但基本頻率也并不是絕對不能調整。在某些特殊情況下，調整基本頻率是必須的。有時，甚至可以起到意想不到的好效果。
1?變頻器與電動機的額定電壓不符時的處理
我國的低壓電網統一為三相380v、50 hz。因此，國內市場上一般只有三相380 v的變頻器。但在一些進口設備中，常常有電壓檔次并非380v的電動機。對于這些特殊類型的電動機，能否使用三相380 v的變頻器呢？答案是肯定的，舉例說明如下。
1.1???三相220 v電動機
許多進口設備中常常有三相220 v的變頻器和電動機，設備中自行配備了三相變壓器為變頻器提供電源。當變頻器發生故障后，卻難以買到三相220v的變頻器，怎么辦呢?
在這種情況下，你可以購買三相380 v的變頻器。使用時，可以通過提高基本頻率的方法來解決。如圖1（a）所示。
首先，在u/f坐標系內作出實際需要的u/f線oa，a點對應于50hz、220v。延長oa至與380v對應的點，如圖1（a）中之b點。按比例算出與b點對應的頻率為86hz，則把基本頻率預置為86hz即可。當工作頻率為50 hz時，對應的電壓便是220 v了。
1.2?電動機的額定數據為270v、70 hz
這是一種特殊系列的電動機，在使用三相380v的變頻器進行變頻調速時，必須使電動機的額定數據得到滿足。具體方法是：
如圖1（b）所示，首先，在u/f坐標系內找到與70hz、270v對應的點c，c便是該電動機的額定工作點，直線oc是基本u/f線。
將oc延長至與380 v對應的點d。按比例算出與d點對應的頻率為98 hz，則把基本頻率預置為98 hz即可。這樣，98 hz對應于380 v，而當工作頻率為70 hz時，對應的電壓就是270 v了。
2“大馬拉小車”的節能措施
所謂“大馬拉小車”是指電動機的設計裕量太大，電動機長時間處于輕載運行的狀態。如負載所需功率只有40 kw，卻采用了75 kw的電動機。
2.1“大馬拉小車”存在的問題
異步電動機的磁通和反電動勢與頻率之比成正比：
式中：
φ1——電動機的主磁通，wb
ke——比例常數
e1——定子一相繞組的反電動勢，v
f——電流的頻率，hz
u1——定子側的相電壓，v
i1——定子側的相電流，a
z1——定子一相繞組的阻抗(包括電阻和漏磁電抗)，ω
由（1）知，在相電壓u1和頻率f都不變的情況下，電動機的負荷率很低時，定子繞組的反電動勢e1增大，從而磁通φ1也增加。這里，負荷率的定義是：
式中：ξ——電動機的負荷率
t’l——負載轉矩的折算值，nm
tmn——電動機的額定轉矩，nm
i1x——電動機的運行電流，a
i1n——電動機的額定電流，a
磁通增加的結果是：
①??磁路內的鐵損(渦流損失和磁滯損失)增加；②??電動機的空載損失()增加；③??因為勵磁電流基本上是無功電流，故功率因數降低。
就是說，在“大馬拉小車”的狀態下運行的結果是產生了能源的浪費。
2.2“大馬拉小車”的節能途徑
由式（1）知，輕負載時，如果適當降低電壓u1，可以使磁通減小，磁通φ1減小為額定磁通φ1n。因此，“大馬拉小車”節能的基本途徑便是適當降低電壓。當負載很輕時，還可考慮進一步把磁通減小到額定值以下。按國家規定，電壓的允許下限值為90%un，則磁通的允許下限值大體上也可以定為90%φ1n。
在低頻運行的情況下，由于變頻器的u/f線是可以任意調整的，要降低電壓，只需正確預置u/f線即可實現。
但是，在額定頻率的情況下，是不可能通過改變u/f線來調整電壓的。只有通過加大基本頻率來調整與額定頻率對應的電壓。如圖2所示，當把基本頻率加大為58 hz時，則50 hz時對應的電壓便降至330 v了。
圖2 增大基本頻率實現降壓
2.3低頻重載的節能
某變頻拖動系統，電動機數據：pmn=75 kw，nmn=1480r/min，tmn=484nm；負載數據：tl=1800nm，nl=220 r/min，pl=41.5kw；傳動比λ=4，負載轉矩折算到電動機軸上的折算轉矩t’l=450nm，電動機的負荷率ξ=0.93；拖動系統的上限工作頻率為33 hz，如圖3（a）所示。
該拖動系統從功率上看，屬于“大馬拉小車”。但從轉矩看，負荷率又較大，接近于滿載運行，問題在哪里呢？問題在于變頻器上限頻率只有33hz，而當上限頻率為33hz時，電動機的有效功率只有49．5 kw。就是說，電動機沒有充分發揮作用。要使電動機充分發揮作用，必須將上限頻率提高到等于或接近于額定頻率，辦法是加大傳動比。如圖3（b），當把傳動比加大為λ=6時，上限頻率提高為50 hz，而負載的折算轉矩只有t’l=300nm，電動機的負荷率減為f=0.62，“大馬拉小車”的特點就顯示出來了。
該系統把基本頻率預置為56 hz，使50hz時的電壓降為340 v，取得了較好的節能效果。
圖3低頻重載的節能
3改變基本頻率加大轉矩的方法3.1實際案例
某負載配用電動機數據：pmn=280 kw，imn=506a；配用315 kw的變頻器。長時間在40 hz的頻率下運行，但電流卻達到540a，電動機發熱嚴重。轉矩提升功能已經預置到上限值，也未能解決問題。
3.2分析與對策
事實上，該電動機處于過載運行狀態，在一般情況下，應加大電動機容量。但考慮到過載的幅度只有6.7％，因此，可考慮通過適當加大u/f來增加磁通量。但多數變頻器僅靠轉矩提升功能無法加大u/f，如圖4（a）中的曲線②所示，40 hz時的實測電壓為308 v。根據式（1）進行的粗略計算知，電動機的磁通量略小于額定值。
如果把基本頻率減小為46 hz，使u/f如圖4（b）中的曲線③所示，則可以使40 hz時的電壓增加為340 v。根據式（1）進行的粗略計算知，電動機的磁通量可以比額定磁通增加10%。實測結果表明，電動機的工作電流減小為305～310a。
圖4高頻區加大轉矩
3.3基本頻率的下限值
基本頻率是不能減小得太多的，否則將導致電動機磁路的飽和。實測結果表明，普通電動機的磁通量超過額定磁通的10%時，磁路將開始進入磁化曲線的飽和段。
因此，如果必須通過減小基本頻率來加大電動機的電磁轉矩時，基本頻率的下限值應以不低于45hz為宜。
4額定轉速以上的恒功率性質
電動機的額定功率是指它的最大輸出功率。在任何情況下，電動機在運行時的輸出功率，都不應超過額定功率。
電動機軸上輸出功率的計算公式如下：
式中：
pm——電動機軸上輸出的機械功率，kw
tm——電動機的電磁轉矩，nm
nm——電動機的轉速，r／min
由式（3）知，當轉速超過額定轉速時，電動機軸上允許長時間運行的電磁轉矩（稱為有效轉矩）必將小于額定轉矩：
式中：
tm——電動機的有效轉矩，nm
pmn——電動機的額定功率，kw
式（4）表明，由于電動機的額定功率等于常數，故電動機的有效轉矩與轉速成反比，其有效轉矩線如圖5中之ab段。
圖5?額定轉速以上的有效轉矩曲線
4.1不同基本頻率的高速有效轉矩
變頻調速系統在額定頻率以下運行時，可以通過轉矩提升功能和調整基本頻率來適當加大有效轉矩。那是因為電動機在低速運行時，其運行功率小于額定功率。所以，在不超過額定功率的前提下，有效轉矩具有一定的調整余地。
但在額定頻率以上運行時，與某一轉速對應的有效轉矩是唯一的，不能調整的。一方面，有效轉矩不允許增大，因為如果增大了，輸出功率必將超過額定功率；另一方面，因為電壓已經不可能增加，故變頻器沒有增大有效轉矩的手段。
今以基本頻率分別是50 hz、45 hz和100hz為例，說明如下。
圖6不同基本頻率時的高頻有效轉矩曲線
（1）fba=50hz。基本頻率等于額定頻率，當運行頻率小于50 hz（fx<50 hz）時，有效轉矩等于額定轉矩，且基本上具有恒轉矩特點。當運行頻率大于50 hz（fx>;50 hz）時，有效轉矩與轉速成反比；當運行頻率等于100 hz（fx=100 hz）時，有效轉矩只有額定轉矩的1/2。如圖6（a）所示。
（2）fba=45hz。如上述，基本頻率小于額定頻率，當電動機在基本頻率以下運行時，有效轉矩可以適當超過額定轉矩。但是，當運行頻率等于額定頻率時，有效轉矩仍等于額定轉矩；而當運行頻率等于100hz（fx=100 hz）時，有效轉矩也只有額定轉矩的1/2，如圖6（b）所示。
（3）fba?=100 hz。如果把基本頻率預置為100hz，則電動機的基本壓頻比只有額定值的1/2，在100hz以下的整個運行范圍內，有效轉矩都只有額定轉矩的1/2，如圖6（c）所示。
可見，不論基本頻率如何設定，電動機在額定頻率以上運行時，其有效轉矩都是一樣的。
4.2不同極數電動機的高速有效轉矩
由式（3）知，容量相同，但額定轉速不同的電動機的額定轉矩是不一樣的：
式中：
tmn——電動機的額定轉矩，nm
nmn——電動機的額定轉速，r/min
由式（5）算出不同磁極對數的75 kw電動機的額定轉矩如下：
①??2p=2：nmn=2970r/min，tmn=241nm；
②?2p=4：nmn=1480r/min，tmn=484 nm；
③?2p=6：nmn=980r/min，tmn=731nm。
雖然不同磁極對數電動機的額定轉矩不相等，但它們在額定轉速以上運行時，在相同轉速時的有效轉矩卻是相等的。如圖7所示。
圖7?不同極數電動機的有效轉矩曲線
6極電動機在75hz時的轉速等于4極電動機的額定轉速，而在此轉速時，兩者的有效轉矩相等；4極電動機在100 hz時的轉速等于2極電動機的額定轉速，而在此轉速時兩者的有效轉矩也相等。
上述特點在某些要求大起動轉矩的舊設備改造中特別有用。例如，某橡膠機械，靜態時磨擦系數較大，原來采用直流電動機，具有較大起動轉矩。改造成變頻調速時，選用額定容量和轉速都相同的異步電動機時，起動較困難，甚至不能起動。這時，如選用額定轉速較低的異步電動機，可得到滿意的解決。例如，原來直流電動機的額定轉速為1500r/min，改造為變頻調速時，選額定轉速為980r/min的異步電動機，則其額定轉矩比1500 r/min電動機的額定轉矩增大了50%，起動就不困難了。而在1500r/min時（fx=75 hz）的有效轉矩基本不變，不影響高速時的帶負載能力。
5結語
（1）雖然在大多數情況下，基本頻率以等于電動機的額定頻率為宜，一般沒有調節的必要，但也絕不是調節的禁區。只要充分了解電動機在調節基本頻率后所呈現的特點，并掌握其規律，則適當地調節基本頻率，常常能取得很好的運行效果。
（2）額定轉速以上運行時，電動機運行功率既不可能也不允許超過其額定功率。具體體現就是，在電動機額定轉速以上的有效轉矩線只有一條。
本文摘自《電世界》2009年第5期? ?工業企業電氣，侵權刪。
：余翰林
：18857411608
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