6.1  變頻器壓頻比的正確設(shè)置

6.1.1  變頻器壓頻比

由于通用變頻器一般采用U/F（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）控制，即采用變壓變頻（VVVF）方式調(diào)速，因此，變頻器在使用前正確地設(shè)置壓頻比，對(duì)保證變頻器的正常工作至關(guān)重要。

U/F是指變頻器運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出電壓和輸出頻率之比，它是變頻器最常用最簡(jiǎn)單的控制方式。U與F的比例關(guān)系是考慮了電機(jī)特性而預(yù)先決定的，通常在控制器的存儲(chǔ)裝置（ROM）中存有幾種特性，可以用變頻器的內(nèi)部設(shè)定參數(shù)進(jìn)行選擇。

保持U/F比恒定控制是異步電機(jī)變頻調(diào)速的最基本的控制方式，它在控制變頻器輸出電源頻率變化的同時(shí)控制變頻器輸出的電壓，并使二者之比U/F為恒定，從而使電機(jī)的磁通保持恒定。在電機(jī)額定運(yùn)行情況下，電機(jī)的定子電阻和漏抗的電壓降比較小，電機(jī)的端電壓和電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)近似相等。

U/F比恒定控制存在的主要問(wèn)題是低速性能較差，其原因是低速時(shí)異步電機(jī)定子電阻電壓降所占比例變大，已不能忽略，不能再認(rèn)為電機(jī)定子電壓和電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)近似相等，仍按U/F比一定控制已不能保持電機(jī)磁通恒定。電機(jī)磁通的減小必然造成電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩減�。涣硗庾冾l器功率器件的死區(qū)時(shí)間也是影響電機(jī)低速性能的重要原因，死區(qū)時(shí)間造成電壓下降同時(shí)還會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在一定條件下還會(huì)引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩。

U/F比恒定控制常用于通用變頻器上。這類(lèi)變頻器主要用于風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速功能，以及對(duì)調(diào)速范圍要求不高的場(chǎng)合。U/F比恒定控制的突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行電機(jī)的開(kāi)環(huán)速度控制。

6.1.2  基頻參數(shù)設(shè)置

變頻器基頻參數(shù)的示意圖如圖6-1所示，基頻以下，變頻器的輸出電壓隨輸出頻率的變化而變化，U/F=常數(shù)，適合恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性。基頻以上，變頻器的輸出電壓維持電源額定電壓不變，適合恒功率負(fù)載特性。

基頻參數(shù)設(shè)置應(yīng)該以負(fù)載的額定參數(shù)設(shè)置，而不能根據(jù)負(fù)載特性設(shè)置，若負(fù)載為電動(dòng)機(jī)即使電動(dòng)機(jī)選型不適合負(fù)載特性，也必須盡量遵循電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，否則，電動(dòng)機(jī)容易過(guò)流或過(guò)載。例如：電動(dòng)機(jī)的額定工作頻率為50Hz，基頻應(yīng)設(shè)置為50Hz；如果電動(dòng)機(jī)的額定工作頻率為60Hz，基頻應(yīng)設(shè)置為60Hz；如果電動(dòng)機(jī)的額定工作頻率為100Hz，基頻應(yīng)設(shè)置為100Hz。

如果電動(dòng)機(jī)選擇專(zhuān)用的交流變頻電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)一般都標(biāo)注恒轉(zhuǎn)矩、恒功率調(diào)速范圍。如果標(biāo)注5～100Hz為恒轉(zhuǎn)矩，100～150Hz為恒功率，基頻應(yīng)該設(shè)置為100Hz。

基頻參數(shù)直接反映變頻器輸出電壓和輸出頻率的關(guān)系，如果設(shè)置不當(dāng)容易造成負(fù)載的過(guò)流或過(guò)載。例如一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)的額定工作頻率為50Hz，額定電壓380V。如果變頻器的基頻設(shè)置低于50Hz，如圖6-2中的基頻1，U/F比例高，同等頻率的輸出電壓高，輸出電流高，在啟動(dòng)時(shí)，容易造成過(guò)流。如果變頻器的基頻設(shè)置高于50Hz，如圖6-3中的基頻2，U/F比例低，同等頻率的輸出電壓低，輸出電流低，在啟動(dòng)時(shí)，容易造成無(wú)法啟動(dòng)而過(guò)載。

如果負(fù)載在低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩較大，而轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償(U/F比)預(yù)置得較小，則低速時(shí)帶不動(dòng)負(fù)載。反之，如果負(fù)載在低速時(shí)的轉(zhuǎn)矩較輕而轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償(U/F比)預(yù)置得較大，則補(bǔ)償過(guò)分，低速時(shí)電動(dòng)機(jī)的磁路將飽和，勵(lì)磁電流發(fā)生畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因勵(lì)磁電流峰值過(guò)高而導(dǎo)致“過(guò)電流”跳閘。

調(diào)試時(shí)，U/F比的預(yù)置宜由小逐漸加大，每加大一檔，觀察在最低頻時(shí)能否帶得動(dòng)負(fù)載，還應(yīng)觀察空載時(shí)會(huì)不會(huì)跳閘。一直調(diào)整到在最低頻率下運(yùn)行時(shí)，既能帶得動(dòng)負(fù)載，又不會(huì)空載跳閘時(shí)為止。

6.1.3  基頻設(shè)置的注意事項(xiàng)

U/F類(lèi)型的選擇包括最高頻率、基本頻率和轉(zhuǎn)矩類(lèi)型等。最高頻率是變頻器、電動(dòng)機(jī)可以運(yùn)行的最高頻率。由于變頻器自身的最高頻率可能較高，當(dāng)電動(dòng)機(jī)容許的最高頻率低于變頻器的最高頻率時(shí)，應(yīng)按電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載的要求進(jìn)行設(shè)置。

基本頻率是變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒功率控制和恒轉(zhuǎn)矩控制的分界線，應(yīng)按電動(dòng)機(jī)的額定電壓設(shè)置。轉(zhuǎn)矩類(lèi)型指的是負(fù)載是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載還是變轉(zhuǎn)矩負(fù)載。應(yīng)根據(jù)變頻器使用說(shuō)明書(shū)中的U/F類(lèi)型圖和負(fù)載的特點(diǎn)，選擇其中的一種類(lèi)型。如恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，即速度變化轉(zhuǎn)矩恒定，如運(yùn)輸機(jī)械類(lèi)，U/F曲線應(yīng)設(shè)置為恒定特性。若變轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如泵、通風(fēng)機(jī)等負(fù)載，U/F應(yīng)設(shè)置成平方律遞減特性(轉(zhuǎn)矩以速度的平方變化的負(fù)載)。例如根據(jù)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況和實(shí)際要求，將最高頻率設(shè)置為83.4Hz，基本頻率設(shè)置為工頻50Hz。負(fù)載類(lèi)型：50Hz以下為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，50～83.4Hz為恒功率負(fù)載。

基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率參數(shù)的設(shè)置，不僅與電動(dòng)機(jī)的額定電壓與額定頻率有關(guān)（電動(dòng)機(jī)的壓頻比為電動(dòng)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(duì)于普通異步電動(dòng)機(jī)在一般調(diào)速應(yīng)用時(shí)，其基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率按出廠值設(shè)置（基準(zhǔn)電壓380V，基準(zhǔn)頻率50Hz），即能滿足使用要求。但對(duì)于某些行業(yè)使用較特殊的電動(dòng)機(jī)，就必須根據(jù)實(shí)際情況重新設(shè)置基準(zhǔn)電壓與基準(zhǔn)頻率的參數(shù)。

電動(dòng)機(jī)采用變頻器調(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。在壓頻比設(shè)置時(shí)必須考慮的重要因素是：盡量保持電動(dòng)機(jī)主磁通為額定值不變。如果磁通過(guò)弱（電壓過(guò)低），電動(dòng)機(jī)鐵心不能得到充分利用，電磁轉(zhuǎn)矩變小，帶負(fù)載能力下降。如果磁通過(guò)強(qiáng)（電壓過(guò)高），電動(dòng)機(jī)處于過(guò)勵(lì)磁狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)因勵(lì)磁電流過(guò)大而嚴(yán)重發(fā)熱。

（1）基頻以下調(diào)速

為了充分利用鐵心材料，一個(gè)重要的因素是希望保持每極磁通量為額定值不變。磁通太弱，沒(méi)有充分利用，造成浪費(fèi)。磁通過(guò)大又會(huì)使鐵心飽和，則勵(lì)磁電流劇增，繞組過(guò)分發(fā)熱，功率因數(shù)降低，甚至損壞電機(jī)。所以在調(diào)頻時(shí)希望能保持磁通恒定。即實(shí)現(xiàn)恒磁通變頻調(diào)速，這樣，調(diào)速時(shí)才能保持電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變。對(duì)于他勵(lì)直流電機(jī)，因勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)電樞反應(yīng)的補(bǔ)償合適，保持Φ_m不變很容易做到。對(duì)于三相異步電機(jī)，定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值是：

式中：N₁為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；K_N1為基波繞組系數(shù)；Φ_m為每極氣隙磁通，Wb；E_g為氣隙磁通在定子每相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，V；F₁為定子電源頻率，Hz。

由此可得：

上式表明，為了保持Φ_m不變，在改變電源頻率f₁的同時(shí)，必須按比例改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E_g，才能有效地利用鐵心。在一定調(diào)速范圍內(nèi)維持磁通恒定，在相同的轉(zhuǎn)矩相位角的條件下，如果能夠控制電機(jī)的電流為恒定，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒定，稱(chēng)為恒轉(zhuǎn)矩控制，即電機(jī)在速度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力。由于恒定U₁/F₁控制能在一定調(diào)速范圍內(nèi)近似維持磁通恒定，因此恒定U₁/F₁控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制。要保持Φ_m不變，當(dāng)頻率F₁變化時(shí)，必須同時(shí)改變電動(dòng)勢(shì)E_g的大小，使E_g/F₁＝常值，即采用恒定電動(dòng)勢(shì)與頻率比的控制方式（恒定Eg/F₁控制）。因電機(jī)定子電壓為

U₁＝E_g+(r₁+jx₁)I₁

式中：U₁為定子電壓，r₁為定子電阻，x₁為定子漏磁電抗，I₁為定子電流。

如果在電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷?/span>U₁，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持E_g/F₁為恒值，則無(wú)論頻率高低，每極磁通Φ_m均為常值，就可實(shí)現(xiàn)恒定E_g/F₁控制。

由于電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)檢測(cè)和控制比較困難，恒定E_g/F₁控制的穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于下面講的恒定U₁/F₁控制，它正是恒定U₁/F₁控制中補(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)。在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)定子電阻r₁和定子漏磁電抗x₁的壓降較小，可以忽略，則電機(jī)定子電壓U₁與定子感應(yīng)電動(dòng)E_g近似相等，即：U₁≈E_g，則得U₁/F₁＝常值，因此可以通過(guò)控制U₁/F₁恒定，以保持氣隙磁通基本恒定。恒定U₁/F₁控制是異步電機(jī)變頻調(diào)速的最基本控制方式，它在控制電機(jī)的電源頻率變化的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比U₁/F₁為恒定，從而使電機(jī)的磁通基本保持恒定。

恒定U₁/F₁控制的出發(fā)點(diǎn)是電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，它的控制效果只有在穩(wěn)態(tài)時(shí)才符合要求。在過(guò)渡過(guò)程中，電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩需要按照電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算。因此恒定U₁/F₁控制的電機(jī)系統(tǒng)難以滿足動(dòng)態(tài)性能的要求。在啟動(dòng)時(shí)，為了使系統(tǒng)能滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的條件，頻率的變化應(yīng)盡可能緩慢，以避免電機(jī)出現(xiàn)失速現(xiàn)象，即電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相差很大�；�差增大，造成電機(jī)中流過(guò)很大的電流，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩將減小。

恒定U₁/F₁控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行電機(jī)的開(kāi)環(huán)速度控制。

恒定U₁/F₁控制存在的主要問(wèn)題是低速性能較差。這是由于低速時(shí)異步電機(jī)定子電阻壓降所占比重增大，已不能忽略，電機(jī)的電壓和電勢(shì)近似相等的條件已不滿足，仍按U₁/F₁恒定控制已不能保持電機(jī)磁通恒定。電機(jī)磁通的減小，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。因此，在低頻運(yùn)行的時(shí)候，要適當(dāng)?shù)募哟?/span>U₁/F₁的值，以補(bǔ)償定子壓降。

若采用開(kāi)環(huán)控制，則除了定子漏阻抗的影響外，變頻器橋臂上下開(kāi)關(guān)元件的互鎖時(shí)間也是影響電機(jī)低速性能的重要原因。對(duì)電壓型變頻器，考慮到電力半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均需一定時(shí)間，為防止上下元件在導(dǎo)通/關(guān)斷切換時(shí)出現(xiàn)直通，造成短路而損壞，在控制導(dǎo)通時(shí)設(shè)置一段開(kāi)關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間。在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間內(nèi)，橋臂上下電力半導(dǎo)體器件均處于關(guān)斷狀態(tài)，因此又將開(kāi)關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間稱(chēng)為互鎖時(shí)間�；ユi時(shí)間的長(zhǎng)短與電力半導(dǎo)體器件的種類(lèi)有關(guān)。由于互鎖時(shí)間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓低。在低頻的時(shí)候，變頻器的輸出電壓比較低，PWM逆變脈沖的占空比比較小，這時(shí)互鎖時(shí)間的影響就比較大，從而導(dǎo)致電機(jī)的低速性能降低�；ユi時(shí)間造成的壓降還會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在一定條件下將會(huì)引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時(shí)變頻調(diào)速系統(tǒng)不能運(yùn)行。

如果把電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓U₁進(jìn)一步再提高一些，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，便的到恒定E_r/F₁控制，其機(jī)械特性是一條直線。顯然，恒定E_r/F₁控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。當(dāng)頻率恒定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)與磁通成正比。氣隙磁通E_g的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)于氣隙磁通Φ_m，那么，轉(zhuǎn)子磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E_r就應(yīng)該對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通Φ_r

E_r=4.44F₁N₁K_N1Φ_r

由此看見(jiàn)，只要能夠按照轉(zhuǎn)子磁通Φ_r＝恒值進(jìn)行控制，就可獲得恒定E_r/F₁控制。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則。在頻率低于供電的額定電源頻率時(shí)屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，但是在頻率較低時(shí)，定子漏阻抗壓降已不能忽略，因此要人為地提高定子電壓，以作漏抗壓降的補(bǔ)償，維持E_g/F₁≈常數(shù)，此時(shí)變頻器輸出U₁/F₁系如圖6-4中的曲線2，而不再是曲線1。

多數(shù)變頻器在頻率低于電機(jī)額定頻率時(shí),輸出的電壓U₁和頻率F₁類(lèi)似圖6-4中曲線2，并且隨著設(shè)置不同而改變補(bǔ)償曲線的形狀，使用時(shí)要根據(jù)實(shí)際電機(jī)運(yùn)行情況調(diào)整。

（2）基頻以上調(diào)速

當(dāng)電機(jī)的電壓隨著頻率的增加而升高時(shí)，若電機(jī)的電壓已達(dá)到電機(jī)的額定電壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電機(jī)的絕緣。為此，在電機(jī)達(dá)到額定電壓后，即使頻率增加仍維持電機(jī)電壓不變。這樣，電機(jī)所能輸出的功率由電機(jī)的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化。

在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從基頻往上增加，但電壓卻不能超過(guò)額定電壓，此時(shí)，電機(jī)調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來(lái)，可得圖6-5所示的異步電機(jī)變頻調(diào)速的控制特性。如果電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電機(jī)都能在溫升允許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化；按照電力傳動(dòng)原理，在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)，而在基頻以上，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。

此時(shí)變頻器的輸出頻率F₁提高，但變頻器的電源電壓由電網(wǎng)電壓決定，不能繼續(xù)提高。根據(jù)公式(1-6)，E_g不能變，F₁提高必然使Ф_m下降，由于Ф_m與電流或轉(zhuǎn)矩成正比，因此也就使轉(zhuǎn)矩下降，轉(zhuǎn)矩雖然下降了，但因轉(zhuǎn)速升高了，所以它們兩的乘積并未變，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積表征著功率。因此這時(shí)候電機(jī)處在恒功率輸出的狀態(tài)下運(yùn)行。異步電機(jī)變頻調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩和恒功率區(qū)域狀態(tài)的特性如圖6-6所示。

由以上分析可知通用變頻器對(duì)異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，輸出頻率和電壓是按一定規(guī)律改變的，在額定頻率以下，變頻器的輸出電壓隨輸出頻率升高而升高，即所謂變壓變頻調(diào)速(VVVF)。

實(shí)際上多數(shù)變頻調(diào)速場(chǎng)合是用于額定頻率以下，低頻時(shí)采用的補(bǔ)償都是為了解決低頻轉(zhuǎn)矩的下降，其采用的方式多種多樣。有矢量控制技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)以及擬超導(dǎo)技術(shù)等。其作用不外乎動(dòng)態(tài)地改變低頻時(shí)的變頻器輸出電壓、輸出相位或輸出頻率，也就是利用電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)時(shí)地而不是固定地改變圖6-6中曲線1的形狀達(dá)到低速時(shí)力矩提升，并且穩(wěn)定運(yùn)行，又不至于電流太大而造成故障�；�頻以上頻器的輸出電壓維持電源額定電壓不變，適合變頻調(diào)速系統(tǒng)的恒功率負(fù)載特性。

因?yàn)槊颗_(tái)變頻器應(yīng)用到什么負(fù)載上是不確定的，而不同負(fù)載在低頻時(shí)對(duì)U/F比的要求又很不一致。為此，各種變頻器在U/F控制模式下，提供了任意預(yù)置U/F比的功能。使用戶可以根據(jù)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)負(fù)載的輕重來(lái)選擇U/F比，如圖6-7所示。