超实用:变频器压频比的正确设定

拙著一篇，贴出来给学变频器应用的同仁参考。原载某中文核心期刊


变 频 器 压 频 比 的 正 确 设 定


摘 要： 结合变频调速的基本控制方式，讨论了电机参数及负载的机械特性与变频器的基准电压、基准频率的关系，以及具体应用中的设定方法。
关键词： 压频比、基准电压、基准频率。

一、前 言：
随着变频调速技术的发展，变频器调速已成为交流调速的主流，在化纤、纺织、钢铁、机械、造纸等行业得到广泛的应用。由于通用变频器一般采用V/f控制，即变压变频（VVVF）方式调速，因此，变频器在使用前正确地设定其压频比，对保证变频器的正常工作至关重要。变频器的压频比由变频器的基准电压与基准频率两项功能参数的比值决定，即基准电压/基准频率=压频比。基准电压与基准频率参数的设定，不仅与电动机的额定电压与额定频率有关（电机的压频比为电机的额定电压与额定频率之比），而且还必须考虑负载的机械特性。对于普通异步电机在一般调速应用时，其基准电压与基准频率按变频器出厂值设定（基准电压380V，基准频率50HZ），即能满足使用要求。但对于某些行业使用的较特殊的电机，就必须根据实际情况重新设定基准电压与基准频率的参数。由于变频器使用说明书以及有关书籍中没有对这两个参数作详细介绍，因此正确的设定该参数对于不少使用者来说，并非是件很容易的事。为此，本文结合变频调速的基本控制方式及负载的机械特性与基准电压基准频率参数的关系，列举实例，详细说明基准电压与基准频率参数的设定方法。
二、变频调速的基本控制方式与基准电压、基准频率的关系：
电机用变频器调速时有两种情况—基频（基准频率）以下调速和基频以上调速（见附图一）。必须考虑的重要因素是：尽量保持电机主磁通为额定值不变。如果磁通过弱（电压过低），电机铁心不能得到充分利用，电磁转矩变小，负载能力下降。如果磁通过强（电压过高），电机处于过励磁状态，电机因励磁电流过大而严重发热。根据电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效值为：E1=4.44f1N1Φm ，式中E1—定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值（V），f1—定子频率（HZ），N1—定子每相绕组有效匝数，Φm—每极磁通量。由式中可以看出，Φm 的值由E1/f1决定，但由于E1难于直接控制，所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。那么要保证Φm不变，只要U1/f1始终为一定值即可。这是基频以下调速时的基本情况，为恒压频比（恒磁通）控制方式，属于恒转矩调速。从图（一）中可以看出，基准频率为恒转矩调速区的最高频率，基准频率所对应的电压即为基准电压，是恒转矩调速区的最高电压，在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。
在基频以上调速时，频率从基频向上可以调至上限频率值，但是由于电机定子相电压不能超过电机额定电压，因此电压不再随频率变化,而保持基准电压值不变，这时电机主磁通必然随频率升高而减弱，转矩相应减小，功率基本保持不变，属于恒功率调速区。由图（一）可见，基准频率为恒功率调速区的最低频率，是恒转矩调速区与恒功率调速区的转折点，而基准电压值在整个恒功率调速区内不再随频率变化而改变。
三、负载的机械特性与基准电压、基准频率的设定。
合理地使用变频器，必须了解所驱动负载的机械特性。根据不同的使用目的，负载基本上可分为恒转矩负载、恒功率负载以及平方转矩负载等三类。恒转矩负载其所需转矩基本不受速度变化的影响（T=定值），对于该类负载，变频器的整个工作区最好运行在基频以下，这时变频器的输出特性正好能够满足负载的要求。恒功率负载在转速越高时，所需转矩越小（T×N=定值），对于恒功率负载来说，电机的工作频率若运行在基频以上，其所要求的机械特性将与变频器的输出特性相吻合。至于平方转矩负载，它所要求的转矩与转速的平方成正比（T/N2=定值），电机应运行在基频以下较为合理。需要注意的是：平方转矩负载的工作频率绝不能超过工频（除非变频器容量大一个等级），否则变频器与电机将严重过载。
四、设定实例
例一：一台化纤纺丝计量泵电机，型号为FTY-550-6，即550(W) 6极三相永磁同步电动机。铭牌参数如下：工作电压：62.5-125-475(V)，工作频率：25-50-190(HZ)，电机功率：275-550-2090(W)，转速：500-1000-3800(r/min)，电流：4（A）。其工作范围较宽，铭牌参数与一般异步电动机不同，左边的数值为电机正常工作时（不失步）的下限，右边数值为电机正常工作时的最大值，中间值为额定值（50HZ时）。该电机压频比为125V/50HZ=2.5，使用三垦SAMCO-I IHF1.5K变频器。若只按电机参数设定，电机的额定电压与额定频率值即为变频器的基准电压与基准频率值，基准电压（代码为cd005）设为125（V），基准频率（cd006）为50（HZ）（出厂值）不变，这样设定,电机工作在基频以下时，电机驱动计量泵毫无问题，但计量泵属于恒转矩负载，若在计量泵要求较高转速如90（HZ）时，那么频率虽然可调至90（HZ），但此时电机工作电压仍为125（V），实际压频比为125V/90HZ=1.39，如图二（a），电磁转矩变小，无法提供负载所需的转矩，使计量泵不能正常工作。正确的设定应为：cd005=475(V)，cd006=190(HZ)，在这里基准电压虽设为475（V），但由于该变频器不具有升压功能，其实际输出电压由输入电压的最大值所决定，所以这样设定只对增大V/f图形的斜率有效，并不是真能达到475（V）。因此也可以这样设定：cd005=380(V),cd006=152(HZ)，变频器的压频比仍为380（V）/152（HZ）=2.5不变，见图二 （b），电机整个工作段都处于恒转矩调速范围，满足了负载特性的要求。
例二：一台纺织用三相异步调速电机，额定功率60（W），额定电压110（V），额定频率50（HZ），调速范围40-110（HZ），额定电流0.34(A),4极，因此该电机的压频比为110V/50HZ=2.2。所驱动负载为恒功率特性。驱动变频器原来准备用富士FRN1.5G11S-4CX（驱动6台电机），但该变频器的基准电压（富士变频器称额定电压）最低只能调到320（V），根据电机的压频比，要保证电机运行在50（HZ）时工作电压为110（V），则基准频率应设为320（V）/2.2=145（HZ），这样电机运行在50（HZ）时，工作电压为110（V），电机能正常工作。但该负载工作转速调节范围较宽，如果要求运行在110（HZ），那么此时电机电压将达242（V），如图三（a）,高出额定电压一倍多，其结果可想而知。若以110（HZ）时电机工作电压为110（V）来设定，则设额定电压为320（V）(最低值)，基准频率为320（HZ），那么电机运行在110（HZ）时，电压正好为电机额定电压。但这时变频器的压频比为320（v）/320（HZ）=1，因此在电机运行于40（HZ）时，其电压仅为40（V），显然没有足够的功率驱动负载。所以该型富士变频器不能满足使用要求。改用三垦SAMCO-iIHF1.5K变频器，设基准电压cd005=110(V),基准频率cd006=50(HZ),这样电机从50（HZ）至110（HZ）调速时其电压值保持在110（V）不变，如图三（b），电机工作在恒功率调速区，与负载的机械特性相符，不会再有超过电机额定电压或功率不足的现象发生。
五、结束语
本文通过例子，详细阐述了根据负载的机械特性和电机参数设定变频器的基准电压和基准频率的方法，可以看出，正确地设定好变频器的基准电压、基准频率，既能充分利用变频器的性能，又能满足负载对变频器的要求。如果设定不当，变频器与电机甚至不能工作，因此，正确的设定变频器的压频比是使用好变频器的关键。

参考文献：
[1] （日）三菱电机株式会社编：变频调速器使用手册，许振茂等译， 兵器工业出版社。1998

[2] 交流调速系统，陈伯时、陈敏逊编著，机械工业出版社。1998

[3] （日）SANKEN电气株式会社：SAMCO-I变频器使用说明书