【摘要】變頻器的基本頻率是指和最大輸出電壓對應(yīng)的頻率。雖然在大多數(shù)情況下，基本頻率以等于電動機(jī)的額定頻率為宜，一般沒有調(diào)節(jié)的必要，但也絕不是調(diào)節(jié)的禁區(qū)。只要充分了解電動機(jī)在調(diào)節(jié)基本頻率后所呈現(xiàn)的特點(diǎn)，并掌握其規(guī)律，則適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)基本頻率，常常能取得很好的運(yùn)行效果。該文列舉了不同工況場合，變頻器基本頻率的調(diào)整方法。

變頻器的基本頻率是指和最大輸出電壓對應(yīng)的頻率，用fba表示。在絕大多數(shù)情況下，基本頻率應(yīng)等于電動機(jī)的額定頻率。

設(shè)定了基本頻率fba，也就設(shè)定了基本的電壓頻率比u/f，也就設(shè)定了電動機(jī)的基本磁通量φba。當(dāng)變頻器的最大輸出電壓等于電動機(jī)的額定電壓，基本頻率等于額定頻率時，電動機(jī)的基本磁通量等于額定磁通（φba=φn），電動機(jī)將處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。因此，一般說來，基本頻率是不宜隨意調(diào)整的。

但基本頻率也并不是絕對不能調(diào)整。在某些特殊情況下，調(diào)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(jī)的額定電壓不符時的處理

我國的低壓電網(wǎng)統(tǒng)一為三相380v、50 hz。因此，國內(nèi)市場上一般只有三相380 v的變頻器。但在一些進(jìn)口設(shè)備中，常常有電壓檔次并非380v的電動機(jī)。對于這些特殊類型的電動機(jī)，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(jī)

許多進(jìn)口設(shè)備中常常有三相220 v的變頻器和電動機(jī)，設(shè)備中自行配備了三相變壓器為變頻器提供電源。當(dāng)變頻器發(fā)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(biāo)系內(nèi)作出實(shí)際需要的u/f線oa，a點(diǎn)對應(yīng)于50hz、220v。延長oa至與380v對應(yīng)的點(diǎn)，如圖1（a）中之b點(diǎn)。按比例算出與b點(diǎn)對應(yīng)的頻率為86hz，則把基本頻率預(yù)置為86hz即可。當(dāng)工作頻率為50 hz時，對應(yīng)的電壓便是220 v了。

1.2?電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)為270v、70 hz

這是一種特殊系列的電動機(jī)，在使用三相380v的變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速時，必須使電動機(jī)的額定數(shù)據(jù)得到滿足。具體方法是：

如圖1（b）所示，首先，在u/f坐標(biāo)系內(nèi)找到與70hz、270v對應(yīng)的點(diǎn)c，c便是該電動機(jī)的額定工作點(diǎn)，直線oc是基本u/f線。

將oc延長至與380 v對應(yīng)的點(diǎn)d。按比例算出與d點(diǎn)對應(yīng)的頻率為98 hz，則把基本頻率預(yù)置為98 hz即可。這樣，98 hz對應(yīng)于380 v，而當(dāng)工作頻率為70 hz時，對應(yīng)的電壓就是270 v了。

2“大馬拉小車”的節(jié)能措施

所謂“大馬拉小車”是指電動機(jī)的設(shè)計裕量太大，電動機(jī)長時間處于輕載運(yùn)行的狀態(tài)。如負(fù)載所需功率只有40 kw，卻采用了75 kw的電動機(jī)。

2.1“大馬拉小車”存在的問題

異步電動機(jī)的磁通和反電動勢與頻率之比成正比：

式中：

φ1——電動機(jī)的主磁通，wb

ke——比例常數(shù)

e1——定子一相繞組的反電動勢，v

f——電流的頻率，hz

u1——定子側(cè)的相電壓，v

i1——定子側(cè)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(jī)的負(fù)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(fù)荷率的定義是：

式中：ξ——電動機(jī)的負(fù)荷率

t’l——負(fù)載轉(zhuǎn)矩的折算值，nm

tmn——電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，nm

i1x——電動機(jī)的運(yùn)行電流，a

i1n——電動機(jī)的額定電流，a

磁通增加的結(jié)果是：

①??磁路內(nèi)的鐵損(渦流損失和磁滯損失)增加；②??電動機(jī)的空載損失()增加；③??因?yàn)閯畲烹娏骰旧鲜菬o功電流，故功率因數(shù)降低。

就是說，在“大馬拉小車”的狀態(tài)下運(yùn)行的結(jié)果是產(chǎn)生了能源的浪費(fèi)。

2.2“大馬拉小車”的節(jié)能途徑

由式（1）知，輕負(fù)載時，如果適當(dāng)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(jié)能的基本途徑便是適當(dāng)降低電壓。當(dāng)負(fù)載很輕時，還可考慮進(jìn)一步把磁通減小到額定值以下。按國家規(guī)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(yùn)行的情況下，由于變頻器的u/f線是可以任意調(diào)整的，要降低電壓，只需正確預(yù)置u/f線即可實(shí)現(xiàn)。

但是，在額定頻率的情況下，是不可能通過改變u/f線來調(diào)整電壓的。只有通過加大基本頻率來調(diào)整與額定頻率對應(yīng)的電壓。如圖2所示，當(dāng)把基本頻率加大為58 hz時，則50 hz時對應(yīng)的電壓便降至330 v了。

圖2 增大基本頻率實(shí)現(xiàn)降壓

2.3低頻重載的節(jié)能

某變頻拖動系統(tǒng)，電動機(jī)數(shù)據(jù)：pmn=75 kw，nmn=1480r/min，tmn=484nm；負(fù)載數(shù)據(jù)：tl=1800nm，nl=220 r/min，pl=41.5kw；傳動比λ=4，負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到電動機(jī)軸上的折算轉(zhuǎn)矩t’l=450nm，電動機(jī)的負(fù)荷率ξ=0.93；拖動系統(tǒng)的上限工作頻率為33 hz，如圖3（a）所示。

該拖動系統(tǒng)從功率上看，屬于“大馬拉小車”。但從轉(zhuǎn)矩看，負(fù)荷率又較大，接近于滿載運(yùn)行，問題在哪里呢？問題在于變頻器上限頻率只有33hz，而當(dāng)上限頻率為33hz時，電動機(jī)的有效功率只有49．5 kw。就是說，電動機(jī)沒有充分發(fā)揮作用。要使電動機(jī)充分發(fā)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(dāng)把傳動比加大為λ=6時，上限頻率提高為50 hz，而負(fù)載的折算轉(zhuǎn)矩只有t’l=300nm，電動機(jī)的負(fù)荷率減為f=0.62，“大馬拉小車”的特點(diǎn)就顯示出來了。

該系統(tǒng)把基本頻率預(yù)置為56 hz，使50hz時的電壓降為340 v，取得了較好的節(jié)能效果。

圖3低頻重載的節(jié)能

3改變基本頻率加大轉(zhuǎn)矩的方法3.1實(shí)際案例

某負(fù)載配用電動機(jī)數(shù)據(jù)：pmn=280 kw，imn=506a；配用315 kw的變頻器。長時間在40 hz的頻率下運(yùn)行，但電流卻達(dá)到540a，電動機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。轉(zhuǎn)矩提升功能已經(jīng)預(yù)置到上限值，也未能解決問題。

3.2分析與對策

事實(shí)上，該電動機(jī)處于過載運(yùn)行狀態(tài)，在一般情況下，應(yīng)加大電動機(jī)容量。但考慮到過載的幅度只有6.7％，因此，可考慮通過適當(dāng)加大u/f來增加磁通量。但多數(shù)變頻器僅靠轉(zhuǎn)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(shí)測電壓為308 v。根據(jù)式（1）進(jìn)行的粗略計算知，電動機(jī)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(jù)式（1）進(jìn)行的粗略計算知，電動機(jī)的磁通量可以比額定磁通增加10%。實(shí)測結(jié)果表明，電動機(jī)的工作電流減小為305～310a。

圖4高頻區(qū)加大轉(zhuǎn)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(dǎo)致電動機(jī)磁路的飽和。實(shí)測結(jié)果表明，普通電動機(jī)的磁通量超過額定磁通的10%時，磁路將開始進(jìn)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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩時，基本頻率的下限值應(yīng)以不低于45hz為宜。

4額定轉(zhuǎn)速以上的恒功率性質(zhì)

電動機(jī)的額定功率是指它的最大輸出功率。在任何情況下，電動機(jī)在運(yùn)行時的輸出功率，都不應(yīng)超過額定功率。

電動機(jī)軸上輸出功率的計算公式如下：

式中：

pm——電動機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率，kw

tm——電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，nm

nm——電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，r／min

由式（3）知，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速時，電動機(jī)軸上允許長時間運(yùn)行的電磁轉(zhuǎn)矩（稱為有效轉(zhuǎn)矩）必將小于額定轉(zhuǎn)矩：

式中：

tm——電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩，nm

pmn——電動機(jī)的額定功率，kw

式（4）表明，由于電動機(jī)的額定功率等于常數(shù)，故電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，其有效轉(zhuǎn)矩線如圖5中之a(chǎn)b段。

圖5?額定轉(zhuǎn)速以上的有效轉(zhuǎn)矩曲線

4.1不同基本頻率的高速有效轉(zhuǎn)矩

變頻調(diào)速系統(tǒng)在額定頻率以下運(yùn)行時，可以通過轉(zhuǎn)矩提升功能和調(diào)整基本頻率來適當(dāng)加大有效轉(zhuǎn)矩。那是因?yàn)殡妱訖C(jī)在低速運(yùn)行時，其運(yùn)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(zhuǎn)矩具有一定的調(diào)整余地。

但在額定頻率以上運(yùn)行時，與某一轉(zhuǎn)速對應(yīng)的有效轉(zhuǎn)矩是唯一的，不能調(diào)整的。一方面，有效轉(zhuǎn)矩不允許增大，因?yàn)槿绻龃罅?，輸出功率必將超過額定功率；另一方面，因?yàn)殡妷阂呀?jīng)不可能增加，故變頻器沒有增大有效轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩曲線

（1）fba=50hz?；绢l率等于額定頻率，當(dāng)運(yùn)行頻率小于50 hz（fx<50 hz）時，有效轉(zhuǎn)矩等于額定轉(zhuǎn)矩，且基本上具有恒轉(zhuǎn)矩特點(diǎn)。當(dāng)運(yùn)行頻率大于50 hz（fx>;50 hz）時，有效轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比；當(dāng)運(yùn)行頻率等于100 hz（fx=100 hz）時，有效轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)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(dāng)電動機(jī)在基本頻率以下運(yùn)行時，有效轉(zhuǎn)矩可以適當(dāng)超過額定轉(zhuǎn)矩。但是，當(dāng)運(yùn)行頻率等于額定頻率時，有效轉(zhuǎn)矩仍等于額定轉(zhuǎn)矩；而當(dāng)運(yùn)行頻率等于100hz（fx=100 hz）時，有效轉(zhuǎn)矩也只有額定轉(zhuǎn)矩的1/2，如圖6（b）所示。

（3）fba?=100 hz。如果把基本頻率預(yù)置為100hz，則電動機(jī)的基本壓頻比只有額定值的1/2，在100hz以下的整個運(yùn)行范圍內(nèi)，有效轉(zhuǎn)矩都只有額定轉(zhuǎn)矩的1/2，如圖6（c）所示。

可見，不論基本頻率如何設(shè)定，電動機(jī)在額定頻率以上運(yùn)行時，其有效轉(zhuǎn)矩都是一樣的。

4.2不同極數(shù)電動機(jī)的高速有效轉(zhuǎn)矩

由式（3）知，容量相同，但額定轉(zhuǎn)速不同的電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩是不一樣的：

式中：

tmn——電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，nm

nmn——電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min

由式（5）算出不同磁極對數(shù)的75 kw電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)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(shù)電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩不相等，但它們在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時，在相同轉(zhuǎn)速時的有效轉(zhuǎn)矩卻是相等的。如圖7所示。

圖7?不同極數(shù)電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩曲線

6極電動機(jī)在75hz時的轉(zhuǎn)速等于4極電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，而在此轉(zhuǎn)速時，兩者的有效轉(zhuǎn)矩相等；4極電動機(jī)在100 hz時的轉(zhuǎn)速等于2極電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，而在此轉(zhuǎn)速時兩者的有效轉(zhuǎn)矩也相等。

上述特點(diǎn)在某些要求大起動轉(zhuǎn)矩的舊設(shè)備改造中特別有用。例如，某橡膠機(jī)械，靜態(tài)時磨擦系數(shù)較大，原來采用直流電動機(jī)，具有較大起動轉(zhuǎn)矩。改造成變頻調(diào)速時，選用額定容量和轉(zhuǎn)速都相同的異步電動機(jī)時，起動較困難，甚至不能起動。這時，如選用額定轉(zhuǎn)速較低的異步電動機(jī)，可得到滿意的解決。例如，原來直流電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，改造為變頻調(diào)速時，選額定轉(zhuǎn)速為980r/min的異步電動機(jī)，則其額定轉(zhuǎn)矩比1500 r/min電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩增大了50%，起動就不困難了。而在1500r/min時（fx=75 hz）的有效轉(zhuǎn)矩基本不變，不影響高速時的帶負(fù)載能力。

5結(jié)語

（1）雖然在大多數(shù)情況下，基本頻率以等于電動機(jī)的額定頻率為宜，一般沒有調(diào)節(jié)的必要，但也絕不是調(diào)節(jié)的禁區(qū)。只要充分了解電動機(jī)在調(diào)節(jié)基本頻率后所呈現(xiàn)的特點(diǎn)，并掌握其規(guī)律，則適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)基本頻率，常常能取得很好的運(yùn)行效果。

（2）額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時，電動機(jī)運(yùn)行功率既不可能也不允許超過其額定功率。具體體現(xiàn)就是，在電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速以上的有效轉(zhuǎn)矩線只有一條。

本文摘自《電世界》2009年第5期? ?工業(yè)企業(yè)電氣，侵權(quán)刪。