超實(shí)用:變頻器壓頻比的正確設(shè)定
拙著一篇，貼出來給學(xué)變頻器應(yīng)用的同仁參考。原載某中文核心期刊
變 頻 器 壓 頻 比 的 正 確 設(shè) 定
摘 要： 結(jié)合變頻調(diào)速的基本控制方式，討論了電機(jī)參數(shù)及負(fù)載的機(jī)械特性與變頻器的基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)頻率的關(guān)系，以及具體應(yīng)用中的設(shè)定方法。
關(guān)鍵詞： 壓頻比、基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)頻率。
一、前 言：
隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，變頻器調(diào)速已成為交流調(diào)速的主流，在化纖、紡織、鋼鐵、機(jī)械、造紙等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。由于通用變頻器一般采用V/f控制，即變壓變頻（VVVF）方式調(diào)速，因此，變頻器在使用前正確地設(shè)定其壓頻比，對保證變頻器的正常工作至關(guān)重要。變頻器的壓頻比由變頻器的基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率兩項(xiàng)功能參數(shù)的比值決定，即基準(zhǔn)電壓/基準(zhǔn)頻率=壓頻比。基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率參數(shù)的設(shè)定，不僅與電動(dòng)機(jī)的額定電壓與額定頻率有關(guān)（電機(jī)的壓頻比為電機(jī)的額定電壓與額定頻率之比），而且還必須考慮負(fù)載的機(jī)械特性。對于普通異步電機(jī)在一般調(diào)速應(yīng)用時(shí)，其基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率按變頻器出廠值設(shè)定（基準(zhǔn)電壓380V，基準(zhǔn)頻率50HZ），即能滿足使用要求。但對于某些行業(yè)使用的較特殊的電機(jī)，就必須根據(jù)實(shí)際情況重新設(shè)定基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率的參數(shù)。由于變頻器使用說明書以及有關(guān)書籍中沒有對這兩個(gè)參數(shù)作詳細(xì)介紹，因此正確的設(shè)定該參數(shù)對于不少使用者來說，并非是件很容易的事。為此，本文結(jié)合變頻調(diào)速的基本控制方式及負(fù)載的機(jī)械特性與基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)頻率參數(shù)的關(guān)系，列舉實(shí)例，詳細(xì)說明基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率參數(shù)的設(shè)定方法。
二、變頻調(diào)速的基本控制方式與基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)頻率的關(guān)系：
電機(jī)用變頻器調(diào)速時(shí)有兩種情況—基頻（基準(zhǔn)頻率）以下調(diào)速和基頻以上調(diào)速（見附圖一）。必須考慮的重要因素是：盡量保持電機(jī)主磁通為額定值不變。如果磁通過弱（電壓過低），電機(jī)鐵心不能得到充分利用，電磁轉(zhuǎn)矩變小，負(fù)載能力下降。如果磁通過強(qiáng)（電壓過高），電機(jī)處于過勵(lì)磁狀態(tài)，電機(jī)因勵(lì)磁電流過大而嚴(yán)重發(fā)熱。根據(jù)電機(jī)原理可知，三相異步電機(jī)定子每相電動(dòng)勢的有效值為：E1=4.44f1N1Φm ，式中E1—定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動(dòng)勢的有效值（V），f1—定子頻率（HZ），N1—定子每相繞組有效匝數(shù)，Φm—每極磁通量。由式中可以看出，Φm 的值由E1/f1決定，但由于E1難于直接控制，所以在電動(dòng)勢較高時(shí)，可忽略定子漏阻抗壓降，而用定子相電壓U1代替。那么要保證Φm不變，只要U1/f1始終為一定值即可。這是基頻以下調(diào)速時(shí)的基本情況，為恒壓頻比（恒磁通）控制方式，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。從圖（一）中可以看出，基準(zhǔn)頻率為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高頻率，基準(zhǔn)頻率所對應(yīng)的電壓即為基準(zhǔn)電壓，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)的最高電壓，在基頻以下調(diào)速時(shí)，電壓會(huì)隨頻率而變化，但兩者的比值不變。
在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率從基頻向上可以調(diào)至上限頻率值，但是由于電機(jī)定子相電壓不能超過電機(jī)額定電壓，因此電壓不再隨頻率變化,而保持基準(zhǔn)電壓值不變，這時(shí)電機(jī)主磁通必然隨頻率升高而減弱，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小，功率基本保持不變，屬于恒功率調(diào)速區(qū)。由圖（一）可見，基準(zhǔn)頻率為恒功率調(diào)速區(qū)的最低頻率，是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)與恒功率調(diào)速區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，而基準(zhǔn)電壓值在整個(gè)恒功率調(diào)速區(qū)內(nèi)不再隨頻率變化而改變。
三、負(fù)載的機(jī)械特性與基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)頻率的設(shè)定。
合理地使用變頻器，必須了解所驅(qū)動(dòng)負(fù)載的機(jī)械特性。根據(jù)不同的使用目的，負(fù)載基本上可分為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載以及平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載等三類。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載其所需轉(zhuǎn)矩基本不受速度變化的影響（T=定值），對于該類負(fù)載，變頻器的整個(gè)工作區(qū)最好運(yùn)行在基頻以下，這時(shí)變頻器的輸出特性正好能夠滿足負(fù)載的要求。恒功率負(fù)載在轉(zhuǎn)速越高時(shí)，所需轉(zhuǎn)矩越小（T×N=定值），對于恒功率負(fù)載來說，電機(jī)的工作頻率若運(yùn)行在基頻以上，其所要求的機(jī)械特性將與變頻器的輸出特性相吻合。至于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，它所要求的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比（T/N2=定值），電機(jī)應(yīng)運(yùn)行在基頻以下較為合理。需要注意的是：平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的工作頻率絕不能超過工頻（除非變頻器容量大一個(gè)等級），否則變頻器與電機(jī)將嚴(yán)重過載。
四、設(shè)定實(shí)例
例一：一臺(tái)化纖紡絲計(jì)量泵電機(jī)，型號為FTY-550-6，即550(W) 6極三相永磁同步電動(dòng)機(jī)。銘牌參數(shù)如下：工作電壓：62.5-125-475(V)，工作頻率：25-50-190(HZ)，電機(jī)功率：275-550-2090(W)，轉(zhuǎn)速：500-1000-3800(r/min)，電流：4（A）。其工作范圍較寬，銘牌參數(shù)與一般異步電動(dòng)機(jī)不同，左邊的數(shù)值為電機(jī)正常工作時(shí)（不失步）的下限，右邊數(shù)值為電機(jī)正常工作時(shí)的最大值，中間值為額定值（50HZ時(shí)）。該電機(jī)壓頻比為125V/50HZ=2.5，使用三墾SAMCO-I IHF1.5K變頻器。若只按電機(jī)參數(shù)設(shè)定，電機(jī)的額定電壓與額定頻率值即為變頻器的基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率值，基準(zhǔn)電壓（代碼為cd005）設(shè)為125（V），基準(zhǔn)頻率（cd006）為50（HZ）（出廠值）不變，這樣設(shè)定,電機(jī)工作在基頻以下時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)計(jì)量泵毫無問題，但計(jì)量泵屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，若在計(jì)量泵要求較高轉(zhuǎn)速如90（HZ）時(shí)，那么頻率雖然可調(diào)至90（HZ），但此時(shí)電機(jī)工作電壓仍為125（V），實(shí)際壓頻比為125V/90HZ=1.39，如圖二（a），電磁轉(zhuǎn)矩變小，無法提供負(fù)載所需的轉(zhuǎn)矩，使計(jì)量泵不能正常工作。正確的設(shè)定應(yīng)為：cd005=475(V)，cd006=190(HZ)，在這里基準(zhǔn)電壓雖設(shè)為475（V），但由于該變頻器不具有升壓功能，其實(shí)際輸出電壓由輸入電壓的最大值所決定，所以這樣設(shè)定只對增大V/f圖形的斜率有效，并不是真能達(dá)到475（V）。因此也可以這樣設(shè)定：cd005=380(V),cd006=152(HZ)，變頻器的壓頻比仍為380（V）/152（HZ）=2.5不變，見圖二 （b），電機(jī)整個(gè)工作段都處于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，滿足了負(fù)載特性的要求。
例二：一臺(tái)紡織用三相異步調(diào)速電機(jī)，額定功率60（W），額定電壓110（V），額定頻率50（HZ），調(diào)速范圍40-110（HZ），額定電流0.34(A),4極，因此該電機(jī)的壓頻比為110V/50HZ=2.2。所驅(qū)動(dòng)負(fù)載為恒功率特性。驅(qū)動(dòng)變頻器原來準(zhǔn)備用富士FRN1.5G11S-4CX（驅(qū)動(dòng)6臺(tái)電機(jī)），但該變頻器的基準(zhǔn)電壓（富士變頻器稱額定電壓）最低只能調(diào)到320（V），根據(jù)電機(jī)的壓頻比，要保證電機(jī)運(yùn)行在50（HZ）時(shí)工作電壓為110（V），則基準(zhǔn)頻率應(yīng)設(shè)為320（V）/2.2=145（HZ），這樣電機(jī)運(yùn)行在50（HZ）時(shí)，工作電壓為110（V），電機(jī)能正常工作。但該負(fù)載工作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍較寬，如果要求運(yùn)行在110（HZ），那么此時(shí)電機(jī)電壓將達(dá)242（V），如圖三（a）,高出額定電壓一倍多，其結(jié)果可想而知。若以110（HZ）時(shí)電機(jī)工作電壓為110（V）來設(shè)定，則設(shè)額定電壓為320（V）(最低值)，基準(zhǔn)頻率為320（HZ），那么電機(jī)運(yùn)行在110（HZ）時(shí)，電壓正好為電機(jī)額定電壓。但這時(shí)變頻器的壓頻比為320（v）/320（HZ）=1，因此在電機(jī)運(yùn)行于40（HZ）時(shí)，其電壓僅為40（V），顯然沒有足夠的功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載。所以該型富士變頻器不能滿足使用要求。改用三墾SAMCO-iIHF1.5K變頻器，設(shè)基準(zhǔn)電壓cd005=110(V),基準(zhǔn)頻率cd006=50(HZ),這樣電機(jī)從50（HZ）至110（HZ）調(diào)速時(shí)其電壓值保持在110（V）不變，如圖三（b），電機(jī)工作在恒功率調(diào)速區(qū)，與負(fù)載的機(jī)械特性相符，不會(huì)再有超過電機(jī)額定電壓或功率不足的現(xiàn)象發(fā)生。
五、結(jié)束語
本文通過例子，詳細(xì)闡述了根據(jù)負(fù)載的機(jī)械特性和電機(jī)參數(shù)設(shè)定變頻器的基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)頻率的方法，可以看出，正確地設(shè)定好變頻器的基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)頻率，既能充分利用變頻器的性能，又能滿足負(fù)載對變頻器的要求。如果設(shè)定不當(dāng)，變頻器與電機(jī)甚至不能工作，因此，正確的設(shè)定變頻器的壓頻比是使用好變頻器的關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)：
[1] （日）三菱電機(jī)株式會(huì)社編：變頻調(diào)速器使用手冊，許振茂等譯， 兵器工業(yè)出版社。1998
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滬公網(wǎng)安備31010802001143號
