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变频器中的频率、电压、转速、电流、功率,转矩的关系

时间:2012-09-07 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:李亮 点击:次 字体设置:
异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的,在额定频率下,如果电压一定而只降低频率,那么磁通就过大,磁回路饱和,严重时将烧毁电机。因此,频率与电压要成比例地改变,即改变频率的同时控制变频器输出电压,使电动机的磁通保持一定,避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。
频率下降时电压V也成比例下降,这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的,通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性,可以用开关或标度盘进行选择。
频率下降时完全成比例地降低电压,那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变,将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此,在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。
一、引言
 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出厂值设定(基准电压380V,基准频率50Hz),即满足使用要求。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(见图1)。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 : 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难以直接控制,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。这是基频以下调时速的基本情况,为恒压频比(恒磁通)控制方式,属于恒转 矩调速。从图1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为即为基准电压,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,这时电机主磁通必须随频率升高而减弱,转矩相应减小,功率基本保持不变,属于恒 功率调速区。由图1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,既550W 6极三相永磁同步电动机。铭牌参数如下:工作电压:62.5 - 125 - 475V。工作频率:25 - 50 - 190HZ,电机功率:275 - 550 - 2090W,转速:500 - 1000 - 3800R/min,电流:4A。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)。该电机压频比为125V/50HZ=2.5,使用三 垦SAMCO-I 1HF1.5K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既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125V,基准频率(CD006)为50HZ(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90HZ)时,那么频率虽然可调至90HZ,但此时电机工作电压仍为125V,实际压额比为125/90HZ=1.39,如图2a,电磁转矩变小,无法提供负载所需转矩,使计量泵不能正常工作。正确的设定应为:CD005=475V,CD006=190HZ,在这里基准电压虽设为475V,但由于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决定,所以这样设定只对增大V/F图形的斜率有效,并不真能达到475V。因此也可以这样设定:CD005=380V,CD006=152HZ,变频器的压频比仍为380V/152HZ=2.5不变,,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2:一台纺织用三相异步调速电动机,额定功率60W,额定电压110V,额定频率50HZ,调速范围40-110HZ,额定电流0。34A,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(驱动六台电机)但该变频器的基准电压(富士变频器额定电压)最低只能调到320V,根据电机的压频比,要保证电机运行在50HZ时工作电压为110V,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110HZ那么此时电机电压将达到242V,如图3A,高出额定电压一倍多,其结果可想而知。若以110HZ时电机工作电压为110V来设定,则设额定电压为320V(最低值),基准频率为320HZ,那么电机运行在110HZ时,电压正好为电机额定电压。但这时变频器的压频比为320V/320HZ=1,因此在电机运行于40HZ时,其电压仅为40V,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。改用三星SAMCO-I IHF1.5K变频器,设基准电压CD005=110V,基准频率CD006=50HZ,这样电机从50-110HZ调速时其电压值保持在110V不变,如图3b,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。 
补充:1  电机的转速与频率正比,平时的低电压时,频率不变,电机的转速不变,那么输出的功率一定,电压降低,电流会上升。当频率下降时,电机的转速下降,那么输出功率变小,自然电流会下降,从而不会烧损电机。
      2   为什么变频器的电压与电流成比例的改变?
 异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的,在额定频率下,如果电压一定而只降低频率,那么磁通就过大,磁回路饱和,严重时将烧毁电机。因此,频率与电压要成比例地改变,即改变频率的同时控制变频器输出电压,使电动机的磁通保持一定,避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。
      3  失速防止功能是什么意思?
  如果给定的加速时间过短,变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化,变频器将因流过过电流而跳闸,运转停止,这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转,就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能。

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