超實用:變頻器壓頻比的正確設定
拙著一篇，貼出來給學變頻器應用的同仁參考。原載某中文核心期刊
變 頻 器 壓 頻 比 的 正 確 設 定
摘 要： 結合變頻調速的基本控制方式，討論了電機參數及負載的機械特性與變頻器的基準電壓、基準頻率的關系，以及具體應用中的設定方法。
關鍵詞： 壓頻比、基準電壓、基準頻率。
一、前 言：
隨著變頻調速技術的發展，變頻器調速已成為交流調速的主流，在化纖、紡織、鋼鐵、機械、造紙等行業得到廣泛的應用。由于通用變頻器一般采用V/f控制，即變壓變頻（VVVF）方式調速，因此，變頻器在使用前正確地設定其壓頻比，對保證變頻器的正常工作至關重要。變頻器的壓頻比由變頻器的基準電壓與基準頻率兩項功能參數的比值決定，即基準電壓/基準頻率=壓頻比。基準電壓與基準頻率參數的設定，不僅與電動機的額定電壓與額定頻率有關（電機的壓頻比為電機的額定電壓與額定頻率之比），而且還必須考慮負載的機械特性。對于普通異步電機在一般調速應用時，其基準電壓與基準頻率按變頻器出廠值設定（基準電壓380V，基準頻率50HZ），即能滿足使用要求。但對于某些行業使用的較特殊的電機，就必須根據實際情況重新設定基準電壓與基準頻率的參數。由于變頻器使用說明書以及有關書籍中沒有對這兩個參數作詳細介紹，因此正確的設定該參數對于不少使用者來說，并非是件很容易的事。為此，本文結合變頻調速的基本控制方式及負載的機械特性與基準電壓基準頻率參數的關系，列舉實例，詳細說明基準電壓與基準頻率參數的設定方法。
二、變頻調速的基本控制方式與基準電壓、基準頻率的關系：
電機用變頻器調速時有兩種情況—基頻（基準頻率）以下調速和基頻以上調速（見附圖一）。必須考慮的重要因素是：盡量保持電機主磁通為額定值不變。如果磁通過弱（電壓過低），電機鐵心不能得到充分利用，電磁轉矩變小，負載能力下降。如果磁通過強（電壓過高），電機處于過勵磁狀態，電機因勵磁電流過大而嚴重發熱。根據電機原理可知，三相異步電機定子每相電動勢的有效值為：E1=4.44f1N1Φm ，式中E1—定子每相由氣隙磁通感應的電動勢的有效值（V），f1—定子頻率（HZ），N1—定子每相繞組有效匝數，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，所以在電動勢較高時，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。這是基頻以下調速時的基本情況，為恒壓頻比（恒磁通）控制方式，屬于恒轉矩調速。從圖（一）中可以看出，基準頻率為恒轉矩調速區的最高頻率，基準頻率所對應的電壓即為基準電壓，是恒轉矩調速區的最高電壓，在基頻以下調速時，電壓會隨頻率而變化，但兩者的比值不變。
在基頻以上調速時，頻率從基頻向上可以調至上限頻率值，但是由于電機定子相電壓不能超過電機額定電壓，因此電壓不再隨頻率變化,而保持基準電壓值不變，這時電機主磁通必然隨頻率升高而減弱，轉矩相應減小，功率基本保持不變，屬于恒功率調速區。由圖（一）可見，基準頻率為恒功率調速區的最低頻率，是恒轉矩調速區與恒功率調速區的轉折點，而基準電壓值在整個恒功率調速區內不再隨頻率變化而改變。
三、負載的機械特性與基準電壓、基準頻率的設定。
合理地使用變頻器，必須了解所驅動負載的機械特性。根據不同的使用目的，負載基本上可分為恒轉矩負載、恒功率負載以及平方轉矩負載等三類。恒轉矩負載其所需轉矩基本不受速度變化的影響（T=定值），對于該類負載，變頻器的整個工作區最好運行在基頻以下，這時變頻器的輸出特性正好能夠滿足負載的要求。恒功率負載在轉速越高時，所需轉矩越小（T×N=定值），對于恒功率負載來說，電機的工作頻率若運行在基頻以上，其所要求的機械特性將與變頻器的輸出特性相吻合。至于平方轉矩負載，它所要求的轉矩與轉速的平方成正比（T/N2=定值），電機應運行在基頻以下較為合理。需要注意的是：平方轉矩負載的工作頻率絕不能超過工頻（除非變頻器容量大一個等級），否則變頻器與電機將嚴重過載。
四、設定實例
例一：一臺化纖紡絲計量泵電機，型號為FTY-550-6，即550(W) 6極三相永磁同步電動機。銘牌參數如下：工作電壓：62.5-125-475(V)，工作頻率：25-50-190(HZ)，電機功率：275-550-2090(W)，轉速：500-1000-3800(r/min)，電流：4（A）。其工作范圍較寬，銘牌參數與一般異步電動機不同，左邊的數值為電機正常工作時（不失步）的下限，右邊數值為電機正常工作時的最大值，中間值為額定值（50HZ時）。該電機壓頻比為125V/50HZ=2.5，使用三墾SAMCO-I IHF1.5K變頻器。若只按電機參數設定，電機的額定電壓與額定頻率值即為變頻器的基準電壓與基準頻率值，基準電壓（代碼為cd005）設為125（V），基準頻率（cd006）為50（HZ）（出廠值）不變，這樣設定,電機工作在基頻以下時，電機驅動計量泵毫無問題，但計量泵屬于恒轉矩負載，若在計量泵要求較高轉速如90（HZ）時，那么頻率雖然可調至90（HZ），但此時電機工作電壓仍為125（V），實際壓頻比為125V/90HZ=1.39，如圖二（a），電磁轉矩變小，無法提供負載所需的轉矩，使計量泵不能正常工作。正確的設定應為：cd005=475(V)，cd006=190(HZ)，在這里基準電壓雖設為475（V），但由于該變頻器不具有升壓功能，其實際輸出電壓由輸入電壓的最大值所決定，所以這樣設定只對增大V/f圖形的斜率有效，并不是真能達到475（V）。因此也可以這樣設定：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），電機整個工作段都處于恒轉矩調速范圍，滿足了負載特性的要求。
例二：一臺紡織用三相異步調速電機，額定功率60（W），額定電壓110（V），額定頻率50（HZ），調速范圍40-110（HZ），額定電流0.34(A),4極，因此該電機的壓頻比為110V/50HZ=2.2。所驅動負載為恒功率特性。驅動變頻器原來準備用富士FRN1.5G11S-4CX（驅動6臺電機），但該變頻器的基準電壓（富士變頻器稱額定電壓）最低只能調到320（V），根據電機的壓頻比，要保證電機運行在50（HZ）時工作電壓為110（V），則基準頻率應設為320（V）/2.2=145（HZ），這樣電機運行在50（HZ）時，工作電壓為110（V），電機能正常工作。但該負載工作轉速調節范圍較寬，如果要求運行在110（HZ），那么此時電機電壓將達242（V），如圖三（a）,高出額定電壓一倍多，其結果可想而知。若以110（HZ）時電機工作電壓為110（V）來設定，則設額定電壓為320（V）(最低值)，基準頻率為320（HZ），那么電機運行在110（HZ）時，電壓正好為電機額定電壓。但這時變頻器的壓頻比為320（v）/320（HZ）=1，因此在電機運行于40（HZ）時，其電壓僅為40（V），顯然沒有足夠的功率驅動負載。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，設基準電壓cd005=110(V),基準頻率cd006=50(HZ),這樣電機從50（HZ）至110（HZ）調速時其電壓值保持在110（V）不變，如圖三（b），電機工作在恒功率調速區，與負載的機械特性相符，不會再有超過電機額定電壓或功率不足的現象發生。
五、結束語
本文通過例子，詳細闡述了根據負載的機械特性和電機參數設定變頻器的基準電壓和基準頻率的方法，可以看出，正確地設定好變頻器的基準電壓、基準頻率，既能充分利用變頻器的性能，又能滿足負載對變頻器的要求。如果設定不當，變頻器與電機甚至不能工作，因此，正確的設定變頻器的壓頻比是使用好變頻器的關鍵。
參考文獻：
[1] （日）三菱電機株式會社編：變頻調速器使用手冊，許振茂等譯， 兵器工業出版社。1998
[2] 交流調速系統，陳伯時、陳敏遜編著，機械工業出版社。1998
[3] （日）SANKEN電氣株式會社：SAMCO-I變頻器使用說明書
滬公網安備31010802001143號
