电机转矩与变频器的关系以及变频调速时的机械特性分析

1. 电机的旋转速度为什么能够自由地改变？
　电机旋转速度单位为 r/min，即 每分钟旋转次数，也可表示为rpm. 例如：2极电机 50Hz 3000 [r/min]，4极电机 50Hz 1500 [r/min]
　电机的旋转速度同频率成比例
　本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。
　感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。
　　　　 n = 60f/p
　　　　n: 同步速度
　　　　f: 电源频率
　　　　p: 电机极对数
　　改变频率和电压是最优的电机控制方法
　　如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。
　　输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。
　　例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V
2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？
　　　　*1: 工频电源
　　　　 由电网提供的动力电源（商用电源）
　　　　*2: 起动电流
　　　　 当电机开始运转时，变频器的输出电流
　　　　------变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动------
　　　　电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。
　　　　 通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。
　　　　 通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。
　　3. -----当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低-----
　　　　通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. (T=Te, P<=Pe)
　　　　变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。
　　　　当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。
　　　　举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。
　　　　因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. (P=Ue*Ie) 胡海飞13523466304承接节能改造 自动化控制系统改造 控制柜 变频器维修 plc解密编程
　　4. 变频器50Hz以上的应用情况
　　　　大家知道, 对一个特定的电机来说, 其额定电压和额定电流是不变的.如变频器和电机额定值都是: 15kW/380V/30A, 电机可以工作在50Hz以上
　　　　当转速为50Hz时, 变频器的输出电压为380V, 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz, 变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速.
　　　　这时的转矩情况怎样呢?
　　　　因为P=wT (w:角速度, T:转矩). 因为P不变, w增加了, 所以转矩会相应减小.　　
　　　　我们还可以再换一个角度来看:
　　　　电机的定子电压 U = E + I*R (I为电流, R为电子电阻, E为感应电势)
　　　　可以看出, U,I不变时, E也不变.
　　　　而E = k*f*X, (k:常数, f: 频率, X:磁通), 所以当f由50-->60Hz时, X会相应减小
　　　　对于电机来说, T=K*I*X, (K:常数, I:电流, X:磁通), 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.
　　　　同时, 小于50Hz时, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不变时, 磁通(X)为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力. 并称为恒转矩调速(额定电流不变-->最大转矩不变)
　　　　结论: 当变频器输出频率从50Hz以上增加时, 电机的输出转矩会减小.
　　5. 其他和输出转矩有关的因素
　　发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。
　　载波频率: 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率, 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率, 电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。
　　环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.
　　　　海拔高度: 海拔高度增加, 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了.胡海飞13523466304承接节能改造 自动化控制系统改造 控制柜 变频器维修 PLC解密编程
　　6. 矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？
　　　　*1: 转矩提升
　　　　 此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。　　
　　　　*2 改善电机低速输出转矩不足的技术
　　　　使用"矢量控制"，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。
　　　　 *3对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做"转矩提升"（*1）。
　　　　 *4转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。
　　　　 "矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。
　　　　 "矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。
7、对异步电动机进行调控制时，电动机的主磁通应保持额定值不变。三相异步电动机定子每相电动势的有效值为: E1=4.44f1N1Φ 式中 E1---定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值(V)
f1----定子频率(Hz)
N1---定子相绕组有效匝数；
Φ----每极磁通量(Wb)
如果不计定子阻抗压降，则U1≈E1=4.44f1N1Φ 若端电压U1不变，则随着f1的升高，气隙磁通Φ将减小，又从转矩公式: T=CMΦI2COSφ2
可以看出，Φ的减小势必导致电机允许输出转矩T下降，降低电机的出力。同时，电机的最大转矩也将降低，严重时会使电机堵转，若维持端电压U1不变，而减小f1。则气隙磁通Φ将增加。这就会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁损急剧增加，这也是不允许的。因此在许多场合，要求在调频的同时改变定子电压U1，以维持Φ接近不变。下面分两种情况说明：
1.基频以下的恒磁通变频调速
为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通Φ不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/f1常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制，这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。可以近似地保持定子电压U1和频率f1的比值为常数，即认为E1≈U1，保持U1/f1=常数。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。
2.基频以上的弱磁变频调速
这是考虑由基频开始向上调速的情况。频率由额定值向上增大时，电压U1由于受额定电压U1N的限制不能再升高，只能保持U1=U1N不变， 这样必然会使主磁通随着f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，即近似的恒功率调速方式。
保持U1/f1为常数的比例控制方式适用于调速范围不太大或转矩随转速下降而减小的负载，例如风机、水泵等；保持T为常数的恒磁通控制方式适用于调速范围较大的恒转矩性质的负载，例如升降机械、搅拌机、传送带等；保持P为常数的恒功率控制方式适用于负载随转速的增高而变轻的地方，例如主轴传动、卷绕机等。