5.6 關(guān)于基本頻率的討論
討論背景
在大多數(shù)情況下，基本頻率的預(yù)置是比較固定的，不必進(jìn)行調(diào)整。但在實(shí)際應(yīng)用中，卻常常有可以靈活處理的情形。本節(jié)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(duì)應(yīng)的。大多數(shù)變頻器把基本頻率定義為和變頻器的最大輸出電壓對(duì)應(yīng)的頻率，如圖5-34（a）所示。
基本頻率用fBA 表示。在絕大多數(shù)情況下，基本頻率應(yīng)等于電動(dòng)機(jī)的額定頻率，如圖5-34（b）所示。
2．設(shè)定基本頻率的意義
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比），也就設(shè)定了電動(dòng)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(dòng)機(jī)的額定電壓，基本頻率等于額定頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的基本磁通量等于額定磁通（ΦBA ＝ ΦN），電動(dòng)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(duì)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(shí)，甚至可以起到意想不到的好的效果。
5.6.2 變頻器與電動(dòng)機(jī)的額定電壓不符時(shí)的處理
我國(guó)的低壓電網(wǎng)，統(tǒng)一為三相、380V、50Hz。因此，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上一般只有三相380V 的變頻器。但在一些進(jìn)口設(shè)備中，常常有電壓擋次并非380V 的電動(dòng)機(jī)。對(duì)于這些特殊類型的電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)許多進(jìn)口設(shè)備中，常常有三相220V 的變頻器和電動(dòng)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，可以購(gòu)買三相380V 的變頻器。使用時(shí)，通過提高基本頻率的方法來解決。如圖5-35（a）所示。
我國(guó)的低壓電網(wǎng)，統(tǒng)一為三相、380V、50Hz。因此，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上一般只有三相380V 的變頻器。但在一些進(jìn)口設(shè)備中，常常有電壓擋次并非380V 的電動(dòng)機(jī)。對(duì)于這些特殊類型的電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)許多進(jìn)口設(shè)備中，常常有三相220V 的變頻器和電動(dòng)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，可以購(gòu)買三相380V 的變頻器。使用時(shí)，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(biāo)系內(nèi)作出實(shí)際需要的U∕f 線OA，A 點(diǎn)對(duì)應(yīng)于50Hz，220V。延長(zhǎng)OA 至與380V 對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，如圖（a）中之B 點(diǎn)。按比例算出與B 點(diǎn)對(duì)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50Hz 時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓便是220V 了。
2．電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為270V、70Hz
這是一種特殊系列的電動(dòng)機(jī)，在使用三相380V 的變頻器進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，必須使電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)得到滿足。
具體方法是：
首先，在U∕f 坐標(biāo)系內(nèi)找到與（70Hz、270V）對(duì)應(yīng)的點(diǎn)C。則C 點(diǎn)便是該電動(dòng)機(jī)的額定工作點(diǎn)，直線OC 是基本U∕f 線。將OC 延長(zhǎng)至與380V 對(duì)應(yīng)的點(diǎn)D。按比例算出與D點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率為98Hz，則把基本頻率預(yù)置為98Hz 即可，如圖（b）所示。這樣，98Hz 對(duì)應(yīng)于380V，而當(dāng)工作頻率為70Hz 時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率就是270V 了。
5.6.3 大馬拉小車的節(jié)能措施
所謂“ 大馬拉小車”，是指電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)裕量太大，電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于輕載運(yùn)行的狀態(tài)。圖5-36 是具體例子之一，負(fù)載所需功率只有40kW，卻配用了75 kW 的電動(dòng)機(jī)。
5.6.3.1 大馬拉小車存在的問題
1．電動(dòng)機(jī)的磁通增加
異步電動(dòng)機(jī)的磁通和反電動(dòng)勢(shì)與頻率成正比：
5.6.3.2 大馬拉小車的節(jié)能途徑
1．基本途徑
由式（5-21）知，輕負(fù)載時(shí)，如果適當(dāng)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(jié)能的基本途徑，便是適當(dāng)降低電壓。當(dāng)負(fù)載很輕時(shí)，還可考慮進(jìn)一步把磁通減小到額定值以下。按國(guó)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。
2．低頻時(shí)的調(diào)整
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)。
3．額定頻率以上的調(diào)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(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(duì)應(yīng)的電壓。如圖5-37 所示，當(dāng)把基本頻率加大為58Hz 時(shí)，50 Hz 時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓便降至330V 了。
5.6.3.3 低頻重載的節(jié)能
1．功率和轉(zhuǎn)矩的差異
傳動(dòng)比λ ＝ 4，負(fù)載轉(zhuǎn)矩折算到電動(dòng)機(jī)軸上的折算轉(zhuǎn)矩TL’ ＝ 450 N·m，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率為γ ＝ 0.93；拖動(dòng)系統(tǒng)的上限工作頻率為33Hz，如圖5-38 （a）所示。該拖動(dòng)系統(tǒng)從功率上看，屬于大馬拉小車。但從轉(zhuǎn)矩看，負(fù)載率又較大，接近于滿載運(yùn)行。功率與轉(zhuǎn)矩在節(jié)能問題
上出現(xiàn)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(fā)生，就在于其上限頻率只有33 Hz，而當(dāng)上限頻率為33 Hz 時(shí)，電動(dòng)機(jī)的有效功率只有49.5kW。就是說，電動(dòng)機(jī)沒有充分發(fā)揮作用。要使電動(dòng)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(dòng)比。如圖（b），當(dāng)把傳動(dòng)比加大為λ ＝ 6時(shí)，上限頻率提高為50 Hz，而負(fù)載的折算轉(zhuǎn)矩只有TL’ ＝300 N·m，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率減為λ ＝ 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50 Hz 時(shí)的電壓降為340V，取得了較好的節(jié)能效果。
5.6.4 40Hz 加大轉(zhuǎn)矩的方法
5.6.4.1 實(shí)際案例
某負(fù)載，電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)：PMN ＝ 280 kW，IMN ＝ 506A，配用315 kW 的變頻器。常時(shí)間在40Hz 的頻率下運(yùn)行，但電流達(dá)到540A，電動(dòng)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。
5.6.4.2 分析與對(duì)策
事實(shí)上，該電動(dòng)機(jī)處于過載運(yùn)行狀態(tài)，在一般情況下，應(yīng)加大電動(dòng)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 比來增加磁通量。但多數(shù)變頻器僅靠轉(zhuǎn)矩提升功能無法加大U∕f 比，如圖5-39 （a）中的曲線②所示，40 Hz 時(shí)的實(shí)測(cè)電壓為308V。
根據(jù)粗略計(jì)算知，電動(dòng)機(jī)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(shí)的電壓增加為340V。根據(jù)粗略的估算，電動(dòng)機(jī)的磁通量可以比額定磁通增加10%。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，電動(dòng)機(jī)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(dǎo)致電動(dòng)機(jī)磁
路的飽和。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，普通電動(dòng)機(jī)的磁通量超過額定磁通的10% 時(shí)，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(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，基本頻率的下限值應(yīng)以不低于45Hz 為宜。
5.6.5 額定轉(zhuǎn)速以上的有效轉(zhuǎn)矩
5.6.5.1 概述
電動(dòng)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(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的輸出功率，都不應(yīng)超過額定功率。電動(dòng)機(jī)軸上輸出功率的計(jì)算公式如下：
5.6.5.2 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(shí)，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?dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，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(shí)，與某一轉(zhuǎn)速對(duì)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50Hz、45Hz 和100Hz 為例，說明如下：
率以下運(yùn)行時(shí)，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(shí)，有效轉(zhuǎn)矩仍等于額定轉(zhuǎn)矩；
而當(dāng)當(dāng)運(yùn)行頻率等于100 Hz（fX ＝ 100 Hz）時(shí)，有效轉(zhuǎn)矩也只有額定轉(zhuǎn)矩的1 ／ 2，如圖（b）所示。
3．fBA ＝ 100 Hz如果把基本頻率預(yù)置為100 Hz，則電動(dòng)機(jī)的基本壓頻比只有額定值的1 ／ 2，在100 Hz 以下的整個(gè)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（c）所示。
可見，不論基本頻率如何設(shè)定，電動(dòng)機(jī)在額定頻率以上運(yùn)行時(shí)，其有效轉(zhuǎn)矩都是一樣的。
5.6.5.3 不同極數(shù)電動(dòng)機(jī)的高速有效轉(zhuǎn)矩
由式（5-24）知，容量相同，但額定轉(zhuǎn)速不同的電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩是不一樣的：
雖然不同磁極對(duì)數(shù)電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩不相等，但它們?cè)陬~定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，在相同轉(zhuǎn)速時(shí)的有效轉(zhuǎn)矩卻是相等的。如圖5-42 所示：
6 極電動(dòng)機(jī)在75 Hz 時(shí)的轉(zhuǎn)速等于4 極電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，而在此轉(zhuǎn)速時(shí)，兩者的有效轉(zhuǎn)矩相等；
4 極電動(dòng)機(jī)在100Hz 時(shí)的轉(zhuǎn)速等于2 極電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，而在此轉(zhuǎn)速時(shí)，兩者的有效轉(zhuǎn)矩也相等。
小小體會(huì)
1．雖然在大多數(shù)情況下，基本頻率以等于電動(dòng)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(dòng)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．當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以上運(yùn)行時(shí)，其運(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，在額定轉(zhuǎn)速以上的有效轉(zhuǎn)矩線只有一條。
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