5.6 關于基本頻率的討論
討論背景
在大多數情況下，基本頻率的預置是比較固定的，不必進行調整。但在實際應用中，卻常常有可以靈活處理的情形。本節將把這些靈活處理的情形作一匯總。
5.6.1 基本頻率的定義
5.6.1 基本頻率的定義
1. 基本頻率的定義
基本頻率的大小是和變頻器的輸出電壓相對應的。大多數變頻器把基本頻率定義為和變頻器的最大輸出電壓對應的頻率，如圖5-34（a）所示。
基本頻率用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，如圖5-34（b）所示。
2．設定基本頻率的意義
設定了基本頻率fBA，也就設定了基本的電壓頻率比（U∕f比），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的效果。
5.6.2 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、50Hz。因此，國內市場上一般只有三相380V 的變頻器。但在一些進口設備中，常常有電壓擋次并非380V 的電動機。對于這些特殊類型的電動機，能否使用三相380V 的變頻器呢？答案是肯定的，舉例說明如下：1．三相220V 電動機許多進口設備中，常常有三相220V 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，可以購買三相380V 的變頻器。使用時，通過提高基本頻率的方法來解決。如圖5-35（a）所示。
我國的低壓電網，統一為三相、380V、50Hz。因此，國內市場上一般只有三相380V 的變頻器。但在一些進口設備中，常常有電壓擋次并非380V 的電動機。對于這些特殊類型的電動機，能否使用三相380V 的變頻器呢？答案是肯定的，舉例說明如下：1．三相220V 電動機許多進口設備中，常常有三相220V 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，可以購買三相380V 的變頻器。使用時，通過提高基本頻率的方法來解決。如圖5-35（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（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50Hz 時，對應的電壓便是220V 了。
2．電動機的額定數據為270V、70Hz
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：
首先，在U∕f 坐標系內找到與（70Hz、270V）對應的點C。則C 點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380V 對應的點D。按比例算出與D點對應的頻率為98Hz，則把基本頻率預置為98Hz 即可，如圖（b）所示。這樣，98Hz 對應于380V，而當工作頻率為70Hz 時，對應的頻率就是270V 了。
5.6.3 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。圖5-36 是具體例子之一，負載所需功率只有40kW，卻配用了75 kW 的電動機。
5.6.3.1 大馬拉小車存在的問題
1．電動機的磁通增加
異步電動機的磁通和反電動勢與頻率成正比：
5.6.3.2 大馬拉小車的節能途徑
1．基本途徑
由式（5-21）知，輕負載時，如果適當降低電壓U1，可以使磁通減小至額定磁通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。
2．低頻時的調整
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。
3．額定頻率以上的調整
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5-37 所示，當把基本頻率加大為58Hz 時，50 Hz 時對應的電壓便降至330V 了。
5.6.3.3 低頻重載的節能
1．功率和轉矩的差異
傳動比λ ＝ 4，負載轉矩折算到電動機軸上的折算轉矩TL’ ＝ 450 N·m，電動機的負載率為γ ＝ 0.93；拖動系統的上限工作頻率為33Hz，如圖5-38 （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，負載率又較大，接近于滿載運行。功率與轉矩在節能問題
上出現了矛盾。
2．解決方案
5.6.4.3 基本頻率的下限值
上述問題之所以發生，就在于其上限頻率只有33 Hz，而當上限頻率為33 Hz 時，電動機的有效功率只有49.5kW。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（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TL’ ＝300 N·m，電動機的負載率減為λ ＝ 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50 Hz 時的電壓降為340V，取得了較好的節能效果。
5.6.4 40Hz 加大轉矩的方法
5.6.4.1 實際案例
某負載，電動機數據：PMN ＝ 280 kW，IMN ＝ 506A，配用315 kW 的變頻器。常時間在40Hz 的頻率下運行，但電流達到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。
5.6.4.2 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 比來增加磁通量。但多數變頻器僅靠轉矩提升功能無法加大U∕f 比，如圖5-39 （a）中的曲線②所示，40 Hz 時的實測電壓為308V。
根據粗略計算知，電動機的磁通量略小于額定值。如果把基本頻率減小為46Hz，使U∕f 線如圖（b）中的曲線③所示，則可以使40 Hz 時的電壓增加為340V。根據粗略的估算，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。
5.6.4.3 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。
5.6.5 額定轉速以上的有效轉矩
5.6.5.1 概述
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：
5.6.5.2 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50Hz、45Hz 和100Hz 為例，說明如下：
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；
而當當運行頻率等于100 Hz（fX ＝ 100 Hz）時，有效轉矩也只有額定轉矩的1 ／ 2，如圖（b）所示。
3．fBA ＝ 100 Hz如果把基本頻率預置為100 Hz，則電動機的基本壓頻比只有額定值的1 ／ 2，在100 Hz 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（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。
5.6.5.3 不同極數電動機的高速有效轉矩
由式（5-24）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：
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5-42 所示：
6 極電動機在75 Hz 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100Hz 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。
小小體會
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．當電動機在額定轉速以上運行時，其運行功率既不可能，也不允許超過其額定功率。具體體現就是，在額定轉速以上的有效轉矩線只有一條。
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