变频器应用案例：变频器基本频率的调整及其应用

【摘要】变频器的基本频率是指和最大输出电压对应的频率。虽然在大多数情况下，基本频率以等于电动机的额定频率为宜，一般没有调节的必要，但也绝不是调节的禁区。只要充分了解电动机在调节基本频率后所呈现的特点，并掌握其规律，则适当地调节基本频率，常常能取得很好的运行效果。该文列举了不同工况场合，变频器基本频率的调整方法。

变频器的基本频率是指和最大输出电压对应的频率，用fBA表示。在绝大多数情况下，基本频率应等于电动机的额定频率。

设定了基本频率fBA，也就设定了基本的电压频率比U/f，也就设定了电动机的基本磁通量ΦBA。当变频器的最大输出电压等于电动机的额定电压，基本频率等于额定频率时，电动机的基本磁通量等于额定磁通（ΦBA=ΦN），电动机将处于最佳运行状态。因此，一般说来，基本频率是不宜随意调整的。

但基本频率也并不是绝对不能调整。在某些特殊情况下，调整基本频率是必须的。有时，甚至可以起到意想不到的好效果。

1 变频器与电动机的额定电压不符时的处理

我国的低压电网统一为三相380V、50 Hz。因此，国内市场上一般只有三相380 V的变频器。但在一些进口设备中，常常有电压档次并非380V的电动机。对于这些特殊类型的电动机，能否使用三相380 V的变频器呢？答案是肯定的，举例说明如下。

1.1   三相220 V电动机

许多进口设备中常常有三相220 V的变频器和电动机，设备中自行配备了三相变压器为变频器提供电源。当变频器发生故障后，却难以买到三相220V的变频器，怎么办呢?

在这种情况下，你可以购买三相380 V的变频器。使用时，可以通过提高基本频率的方法来解决。如图1（a）所示。

首先，在U/f坐标系内作出实际需要的U/f线OA，A点对应于50Hz、220V。延长OA至与380V对应的点，如图1（a）中之B点。按比例算出与B点对应的频率为86Hz，则把基本频率预置为86Hz即可。当工作频率为50 Hz时，对应的电压便是220 V了。

1.2 电动机的额定数据为270V、70 Hz

这是一种特殊系列的电动机，在使用三相380V的变频器进行变频调速时，必须使电动机的额定数据得到满足。具体方法是：

如图1（b）所示，首先，在U/f坐标系内找到与70Hz、270V对应的点C，C便是该电动机的额定工作点，直线OC是基本U/f线。

将OC延长至与380 V对应的点D。按比例算出与D点对应的频率为98 Hz，则把基本频率预置为98 Hz即可。这样，98 Hz对应于380 V，而当工作频率为70 Hz时，对应的电压就是270 V了。

2“大马拉小车”的节能措施

所谓“大马拉小车”是指电动机的设计裕量太大，电动机长时间处于轻载运行的状态。如负载所需功率只有40 kW，却采用了75 kW的电动机。

2.1“大马拉小车”存在的问题

异步电动机的磁通和反电动势与频率之比成正比：

式中：

Φ1——电动机的主磁通，Wb

KE——比例常数

E1——定子一相绕组的反电动势，V

f——电流的频率，Hz

U1——定子侧的相电压，V

I1——定子侧的相电流，A

Z1——定子一相绕组的阻抗(包括电阻和漏磁电抗)，Ω

         由（1）知，在相电压U1和频率f都不变的情况下，电动机的负荷率很低时，定子绕组的反电动势E1增大，从而磁通Φ1也增加。这里，负荷率的定义是：

式中：ξ——电动机的负荷率

T’L——负载转矩的折算值，Nm

TMN——电动机的额定转矩，Nm

I1x——电动机的运行电流，A

I1N——电动机的额定电流，A

磁通增加的结果是：

①  磁路内的铁损(涡流损失和磁滞损失)增加；②  电动机的空载损失()增加；③  因为励磁电流基本上是无功电流，故功率因数降低。

就是说，在“大马拉小车”的状态下运行的结果是产生了能源的浪费。

2.2“大马拉小车”的节能途径

由式（1）知，轻负载时，如果适当降低电压U1，可以使磁通减小，磁通Φ1减小为额定磁通Φ1N。因此，“大马拉小车”节能的基本途径便是适当降低电压。当负载很轻时，还可考虑进一步把磁通减小到额定值以下。按国家规定，电压的允许下限值为90%UN，则磁通的允许下限值大体上也可以定为90%Φ1N。

在低频运行的情况下，由于变频器的U/f线是可以任意调整的，要降低电压，只需正确预置U/f线即可实现。

但是，在额定频率的情况下，是不可能通过改变U/f线来调整电压的。只有通过加大基本频率来调整与额定频率对应的电压。如图2所示，当把基本频率加大为58 Hz时，则50 Hz时对应的电压便降至330 V了。

图2 增大基本频率实现降压

2.3 低频重载的节能

某变频拖动系统，电动机数据：PMN=75 kW，nMN=1480r/min，TMN=484Nm；负载数据：TL=1800Nm，nL=220 r/min，PL=41.5kW；传动比λ=4，负载转矩折算到电动机轴上的折算转矩T’L=450Nm，电动机的负荷率ξ=0.93；拖动系统的上限工作频率为33 Hz，如图3（a）所示。

该拖动系统从功率上看，属于“大马拉小车”。但从转矩看，负荷率又较大，接近于满载运行，问题在哪里呢？问题在于变频器上限频率只有33Hz，而当上限频率为33Hz时，电动机的有效功率只有49．5 kW。就是说，电动机没有充分发挥作用。要使电动机充分发挥作用，必须将上限频率提高到等于或接近于额定频率，办法是加大传动比。如图3（b），当把传动比加大为λ=6时，上限频率提高为50 Hz，而负载的折算转矩只有T’L=300Nm，电动机的负荷率减为f=0.62，“大马拉小车”的特点就显示出来了。

该系统把基本频率预置为56 Hz，使50Hz时的电压降为340 V，取得了较好的节能效果。

图3低频重载的节能

3改变基本频率加大转矩的方法3.1实际案例

某负载配用电动机数据：PMN=280 kW，IMN=506A；配用315 kW的变频器。长时间在40 Hz的频率下运行，但电流却达到540A，电动机发热严重。转矩提升功能已经预置到上限值，也未能解决问题。

3.2分析与对策

事实上，该电动机处于过载运行状态，在一般情况下，应加大电动机容量。但考虑到过载的幅度只有6.7％，因此，可考虑通过适当加大U/f来增加磁通量。但多数变频器仅靠转矩提升功能无法加大U/f，如图4（a）中的曲线②所示，40 Hz时的实测电压为308 V。根据式（1）进行的粗略计算知，电动机的磁通量略小于额定值。

如果把基本频率减小为46 Hz，使U/f如图4（b）中的曲线③所示，则可以使40 Hz时的电压增加为340 V。根据式（1）进行的粗略计算知，电动机的磁通量可以比额定磁通增加10%。实测结果表明，电动机的工作电流减小为305～310A。

图4高频区加大转矩

3.3 基本频率的下限值

基本频率是不能减小得太多的，否则将导致电动机磁路的饱和。实测结果表明，普通电动机的磁通量超过额定磁通的10%时，磁路将开始进入磁化曲线的饱和段。

因此，如果必须通过减小基本频率来加大电动机的电磁转矩时，基本频率的下限值应以不低于45Hz为宜。

4 额定转速以上的恒功率性质

电动机的额定功率是指它的最大输出功率。在任何情况下，电动机在运行时的输出功率，都不应超过额定功率。

电动机轴上输出功率的计算公式如下：

式中：

PM——电动机轴上输出的机械功率，kW

TM——电动机的电磁转矩，Nm

nM——电动机的转速，r／min

由式（3）知，当转速超过额定转速时，电动机轴上允许长时间运行的电磁转矩（称为有效转矩）必将小于额定转矩：

式中：

TM——电动机的有效转矩，Nm

PMN——电动机的额定功率，kW

式（4）表明，由于电动机的额定功率等于常数，故电动机的有效转矩与转速成反比，其有效转矩线如图5中之AB段。

图5 额定转速以上的有效转矩曲线

4.1 不同基本频率的高速有效转矩

变频调速系统在额定频率以下运行时，可以通过转矩提升功能和调整基本频率来适当加大有效转矩。那是因为电动机在低速运行时，其运行功率小于额定功率。所以，在不超过额定功率的前提下，有效转矩具有一定的调整余地。

但在额定频率以上运行时，与某一转速对应的有效转矩是唯一的，不能调整的。一方面，有效转矩不允许增大，因为如果增大了，输出功率必将超过额定功率；另一方面，因为电压已经不可能增加，故变频器没有增大有效转矩的手段。

今以基本频率分别是50 Hz、45 Hz和100Hz为例，说明如下。

图6不同基本频率时的高频有效转矩曲线

 （1）fBA=50Hz。基本频率等于额定频率，当运行频率小于50 Hz（fx<50 Hz）时，有效转矩等于额定转矩，且基本上具有恒转矩特点。当运行频率大于50 Hz（fx>50 Hz）时，有效转矩与转速成反比；当运行频率等于100 Hz（fx=100 Hz）时，有效转矩只有额定转矩的1/2。如图6（a）所示。

（2）fBA=45Hz。如上述，基本频率小于额定频率，当电动机在基本频率以下运行时，有效转矩可以适当超过额定转矩。但是，当运行频率等于额定频率时，有效转矩仍等于额定转矩；而当运行频率等于100Hz（fx=100 Hz）时，有效转矩也只有额定转矩的1/2，如图6（b）所示。

（3）fBA =100 Hz。如果把基本频率预置为100Hz，则电动机的基本压频比只有额定值的1/2，在100Hz以下的整个运行范围内，有效转矩都只有额定转矩的1/2，如图6（C）所示。

可见，不论基本频率如何设定，电动机在额定频率以上运行时，其有效转矩都是一样的。

4.2不同极数电动机的高速有效转矩

由式（3）知，容量相同，但额定转速不同的电动机的额定转矩是不一样的：

式中：

TMN——电动机的额定转矩，Nm

nMN——电动机的额定转速，r/min

由式（5）算出不同磁极对数的75 kW电动机的额定转矩如下：

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。

虽然不同磁极对数电动机的额定转矩不相等，但它们在额定转速以上运行时，在相同转速时的有效转矩却是相等的。如图7所示。

图7 不同极数电动机的有效转矩曲线

6极电动机在75Hz时的转速等于4极电动机的额定转速，而在此转速时，两者的有效转矩相等；4极电动机在100 Hz时的转速等于2极电动机的额定转速，而在此转速时两者的有效转矩也相等。

上述特点在某些要求大起动转矩的旧设备改造中特别有用。例如，某橡胶机械，静态时磨擦系数较大，原来采用直流电动机，具有较大起动转矩。改造成变频调速时，选用额定容量和转速都相同的异步电动机时，起动较困难，甚至不能起动。这时，如选用额定转速较低的异步电动机，可得到满意的解决。例如，原来直流电动机的额定转速为1500r/min，改造为变频调速时，选额定转速为980r/min的异步电动机，则其额定转矩比1500 r/min电动机的额定转矩增大了50%，起动就不困难了。而在1500r/min时（fx=75 Hz）的有效转矩基本不变，不影响高速时的带负载能力。

5结语

（1）虽然在大多数情况下，基本频率以等于电动机的额定频率为宜，一般没有调节的必要，但也绝不是调节的禁区。只要充分了解电动机在调节基本频率后所呈现的特点，并掌握其规律，则适当地调节基本频率，常常能取得很好的运行效果。

（2）额定转速以上运行时，电动机运行功率既不可能也不允许超过其额定功率。具体体现就是，在电动机额定转速以上的有效转矩线只有一条。

本文摘自《电世界》2009年第5期   工业企业电气，侵权删。