5.6 关于基本频率的讨论
讨论背景
在大多数情况下，基本频率的预置是比较固定的，不必进行调整。但在实际应用中，却常常有可以灵活处理的情形。本节将把这些灵活处理的情形作一汇总。
5.6.1 基本频率的定义
5.6.1 基本频率的定义
1. 基本频率的定义
基本频率的大小是和变频器的输出电压相对应的。大多数变频器把基本频率定义为和变频器的最大输出电压对应的频率，如图5-34（a）所示。
基本频率用fBA 表示。在绝大多数情况下，基本频率应等于电动机的额定频率，如图5-34（b）所示。
2．设定基本频率的意义
设定了基本频率fBA，也就设定了基本的电压频率比（U∕f比），也就设定了电动机的基本磁通量ΦBA。当变频器的最大输出电压等于电动机的额定电压，基本频率等于额定频率时，电动机的基本磁通量等于额定磁通（ΦBA ＝ ΦN），电动机将处于最佳运行状态。因此，一般说来，基本频率是不宜随意调整的。
但基本频率也并不是绝对不能调整。在某些特殊情况下，调整基本频率是必须的。有时，甚至可以起到意想不到的好的效果。
5.6.2 变频器与电动机的额定电压不符时的处理
我国的低压电网，统一为三相、380V、50Hz。因此，国内市场上一般只有三相380V 的变频器。但在一些进口设备中，常常有电压挡次并非380V 的电动机。对于这些特殊类型的电动机，能否使用三相380V 的变频器呢？答案是肯定的，举例说明如下：1．三相220V 电动机许多进口设备中，常常有三相220V 的变频器和电动机，设备中自行配备了三相变压器为变频器提供电源。当变频器发生故障后，却难以买到三相220V 的变频器，怎么办呢？在这种情况下，可以购买三相380V 的变频器。使用时，通过提高基本频率的方法来解决。如图5-35（a）所示。
我国的低压电网，统一为三相、380V、50Hz。因此，国内市场上一般只有三相380V 的变频器。但在一些进口设备中，常常有电压挡次并非380V 的电动机。对于这些特殊类型的电动机，能否使用三相380V 的变频器呢？答案是肯定的，举例说明如下：1．三相220V 电动机许多进口设备中，常常有三相220V 的变频器和电动机，设备中自行配备了三相变压器为变频器提供电源。当变频器发生故障后，却难以买到三相220V 的变频器，怎么办呢？在这种情况下，可以购买三相380V 的变频器。使用时，通过提高基本频率的方法来解决。如图5-35（a）所示。
首先，在U∕f 坐标系内作出实际需要的U∕f 线OA，A 点对应于50Hz，220V。延长OA 至与380V 对应的点，如图（a）中之B 点。按比例算出与B 点对应的频率为86Hz，则把基本频率预置为86Hz 即可。当工作频率为50Hz 时，对应的电压便是220V 了。
2．电动机的额定数据为270V、70Hz
这是一种特殊系列的电动机，在使用三相380V 的变频器进行变频调速时，必须使电动机的额定数据得到满足。
具体方法是：
首先，在U∕f 坐标系内找到与（70Hz、270V）对应的点C。则C 点便是该电动机的额定工作点，直线OC 是基本U∕f 线。将OC 延长至与380V 对应的点D。按比例算出与D点对应的频率为98Hz，则把基本频率预置为98Hz 即可，如图（b）所示。这样，98Hz 对应于380V，而当工作频率为70Hz 时，对应的频率就是270V 了。
5.6.3 大马拉小车的节能措施
所谓“ 大马拉小车”，是指电动机的设计裕量太大，电动机长时间处于轻载运行的状态。图5-36 是具体例子之一，负载所需功率只有40kW，却配用了75 kW 的电动机。
5.6.3.1 大马拉小车存在的问题
1．电动机的磁通增加
异步电动机的磁通和反电动势与频率成正比：
5.6.3.2 大马拉小车的节能途径
1．基本途径
由式（5-21）知，轻负载时，如果适当降低电压U1，可以使磁通减小至额定磁通Φ1N。因此，大马拉小车节能的基本途径，便是适当降低电压。当负载很轻时，还可考虑进一步把磁通减小到额定值以下。按国家规定，电压的允许下限值为90%UN，则磁通的允许下限值大体上也可以定为90%Φ1N。
2．低频时的调整
在低频运行的情况下，由于变频器的U∕f 线是可以任意调整的，要降低电压，只需正确预置U∕f 线即可实现。
3．额定频率以上的调整
但是，在额定频率的情况下，是不可能通过改变U∕f线来调整电压的。只有通过加大基本频率来调整与额定频率对应的电压。如图5-37 所示，当把基本频率加大为58Hz 时，50 Hz 时对应的电压便降至330V 了。
5.6.3.3 低频重载的节能
1．功率和转矩的差异
传动比λ ＝ 4，负载转矩折算到电动机轴上的折算转矩TL’ ＝ 450 N·m，电动机的负载率为γ ＝ 0.93；拖动系统的上限工作频率为33Hz，如图5-38 （a）所示。该拖动系统从功率上看，属于大马拉小车。但从转矩看，负载率又较大，接近于满载运行。功率与转矩在节能问题
上出现了矛盾。
2．解决方案
5.6.4.3 基本频率的下限值
上述问题之所以发生，就在于其上限频率只有33 Hz，而当上限频率为33 Hz 时，电动机的有效功率只有49.5kW。就是说，电动机没有充分发挥作用。要使电动机充分发挥作用，必须将上限频率提高到等于或接近于额定频率，办法是加大传动比。如图（b），当把传动比加大为λ ＝ 6时，上限频率提高为50 Hz，而负载的折算转矩只有TL’ ＝300 N·m，电动机的负载率减为λ ＝ 0.62，大马拉小车的特点就显示出来了。该系统把基本频率预置为56 Hz，使50 Hz 时的电压降为340V，取得了较好的节能效果。
5.6.4 40Hz 加大转矩的方法
5.6.4.1 实际案例
某负载，电动机数据：PMN ＝ 280 kW，IMN ＝ 506A，配用315 kW 的变频器。常时间在40Hz 的频率下运行，但电流达到540A，电动机发热严重。转矩提升功能已经预置到上限值，也未能解决问题。
5.6.4.2 分析与对策
事实上，该电动机处于过载运行状态，在一般情况下，应加大电动机容量。但考虑到过载的幅度只有6.7%，因此，可考虑通过适当加大U∕f 比来增加磁通量。但多数变频器仅靠转矩提升功能无法加大U∕f 比，如图5-39 （a）中的曲线②所示，40 Hz 时的实测电压为308V。
根据粗略计算知，电动机的磁通量略小于额定值。如果把基本频率减小为46Hz，使U∕f 线如图（b）中的曲线③所示，则可以使40 Hz 时的电压增加为340V。根据粗略的估算，电动机的磁通量可以比额定磁通增加10%。实测结果表明，电动机的工作电流减小为305 ～ 310A。
5.6.4.3 基本频率的下限值
基本频率是不能减小得太多的，否则将导致电动机磁
路的饱和。实测结果表明，普通电动机的磁通量超过额定磁通的10% 时，磁路将开始进入磁化曲线的饱和段。因此，如果必须通过减小基本频率来加大电动机的电磁转矩时，基本频率的下限值应以不低于45Hz 为宜。
5.6.5 额定转速以上的有效转矩
5.6.5.1 概述
电动机的额定功率，是指它的最大输出功率。在任何情况下，电动机在运行时的输出功率，都不应超过额定功率。电动机轴上输出功率的计算公式如下：
5.6.5.2 不同基本频率的高速有效转矩
变频调速系统在额定频率以下运行时，可以通过转矩提升功能和调整基本频率来适当加大有效转矩。那是因为电动机在低速运行时，其运行功率小于额定功率。所以，在不超过额定功率的前提下，有效转矩具有一定的调整余地。
但在额定频率以上运行时，与某一转速对应的有效转矩是唯一的，不能调整的。一方面，有效转矩不允许增大，因为如果增大了，输出功率必将超过额定功率；另一方面，因为电压已经不可能增加，故变频器没有增大有效转矩的手段。
今以基本频率分别是50Hz、45Hz 和100Hz 为例，说明如下：
率以下运行时，有效转矩可以适当超过额定转矩。但是，当运行频率等于额定频率时，有效转矩仍等于额定转矩；
而当当运行频率等于100 Hz（fX ＝ 100 Hz）时，有效转矩也只有额定转矩的1 ／ 2，如图（b）所示。
3．fBA ＝ 100 Hz如果把基本频率预置为100 Hz，则电动机的基本压频比只有额定值的1 ／ 2，在100 Hz 以下的整个运行范围内，有效转矩都只有额定转矩的1 ／ 2，如图（c）所示。
可见，不论基本频率如何设定，电动机在额定频率以上运行时，其有效转矩都是一样的。
5.6.5.3 不同极数电动机的高速有效转矩
由式（5-24）知，容量相同，但额定转速不同的电动机的额定转矩是不一样的：
虽然不同磁极对数电动机的额定转矩不相等，但它们在额定转速以上运行时，在相同转速时的有效转矩却是相等的。如图5-42 所示：
6 极电动机在75 Hz 时的转速等于4 极电动机的额定转速，而在此转速时，两者的有效转矩相等；
4 极电动机在100Hz 时的转速等于2 极电动机的额定转速，而在此转速时，两者的有效转矩也相等。
小小体会
1．虽然在大多数情况下，基本频率以等于电动机的额定频率为宜，一般没有调节的必要，但也绝不是调节的禁区。只要充分了解电动机在调节基本频率后所呈现的特点，并掌握其规律，则适当地调节基本频率，常常能取得很好的运行效果。
2．当电动机在额定转速以上运行时，其运行功率既不可能，也不允许超过其额定功率。具体体现就是，在额定转速以上的有效转矩线只有一条。
