超额定转速下有效转矩的优化设计

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：

式中 P_M———电动机轴上输出的机械功率，kW；

T_M———电动机的电磁转矩，N·m；

n_M———电动机的转速，r/min。

由式（5-23）可知，当转速超过额定转速时，电动机轴上允许长时间运行的电磁转矩（称为有效转矩）必将小于额定转矩：

式中 T_ME———电动机的有效转矩，N·m；

P_MN———电动机的额定功率，kW。

式（5-24）表明，由于电动机的额定功率等于常数，故电动机的有效转矩与转速成反比，其有效转矩线如图5-40中之AB段。

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。

图5-40 额定转速以上的有效转矩线

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：

图5-41 不同基本频率时的高频有效转矩线

a）基频为50Hz b）基频为45Hz c）基频为100Hz

1.f_BA=50Hz

基本频率等于额定频率，当运行频率小于50Hz（f_X<50Hz）时，有效转矩等于额定转矩，且基本上具有恒转矩特点。当运行频率大于50Hz（f_X>50Hz）时，有效转矩与转速成反比；当运行频率等于100Hz（f_X=100Hz）时，有效转矩只有额定转矩的二分之一：

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如图5-41a所示。

2.f_BA=45Hz

如上所述，当基本频率小于额定频率，且电动机在基本频率以下运行时，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；而当运行频率等于100Hz（f_X=100Hz）时，有效转矩也只有额定转矩的1/2，如图5-41b所示。

3.f_BA=100Hz

如果把基本频率预置为100Hz，则电动机的基本压频比只有额定值的1/2，在100Hz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5-41c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）可知，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：

式中 T_MN———电动机的额定转矩，N·m；

n_MN———电动机的额定转速，r/min。

由式（5-25）算出不同磁极对数的75kW电动机的额定转矩如下：

2p=2：n_MN=2970r/min，T_MN=241N·m；

2p=4：n_MN=1480r/min，T_MN=484N·m；

2p=6：n_MN=980r/min，T_MN=731N·m。

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：

图5-42 不同极数电动机的有效转矩线

6极电动机在75Hz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。