變頻電機4： 打傘

來自專欄 木偶的提線

之前的文章里提高過變頻電機相比於定速電機在輸出特性上的改變以及運行維度方面的提升，這篇文章會講一下變頻電機設計選型方面的一些技巧，我將之稱為「打傘」。

「傘形」特性曲線

變頻器通過對電機供電頻率的改變可以使電機產生一組在不同頻率下的輸出特性曲線，如下圖：

這組曲線的包絡線組成了電機在變頻器驅動下的轉矩輸出特性（紅色轉矩曲線）：

當然這只是變頻電機理論上的輸出能力，在實際使用中因為損耗導致的散熱的問題會使得變頻電機的額定輸出能力隨著轉速的下降而逐漸降低。原因是當頻率較低（即轉速較慢）時，電機軸帶的風扇因為轉速較低無法提供足夠的風流來冷卻電機。因此就有了下圖中的土黃色曲線。而為了重新獲得低速時缺失的輸出能力，電機製造商會採用使用強迫冷卻（即使用另一台小電機來單獨驅動風扇）的設計來解決這一問題。

如果要為上圖的兩根曲線做一個比喻的話，我會說普通變頻電機的輸出特性是一根傘形的曲線，而擁有強迫冷卻設計的變頻電機怎是」防風傘「曲線。

常見負載類型

如果將電機驅動的各類設備按照負載類型進行分類的話，大體上分為三類：風機（水泵）負載，恆轉矩負載，恆功率負載。這三類負載類型的特點是負載轉矩T同轉速n之間的關係。

風機（水泵）負載

風機（水泵）負載的轉矩T同轉速n之間是二次方關係，也被稱為二次方負載(quadratic load)。因為風機和水泵是普遍使用的設備，因此在日常生活和工業生產領域非常典型與常見。

恆轉矩負載

顧名思義，恆轉矩負載的轉矩T不隨轉速n的變化而改變。傳送帶就是一種典型的恆轉矩負載，因此這也是一種從食品生產到礦石開採領域隨處可見的負載類型。

恆功率負載

同恆轉矩負載一樣，恆功率負載的意義也可以從字面上理解，即轉矩T隨轉速n則增加而減小，而兩者的成績功率P則保持不變。軋鋼機、造紙機以及各種機床都可以歸為此類。

因為設備的多樣性，上述三大負載類型並不能涵蓋所有。當然，很多設備的負載類型回事上述三種類型中任意兩種（或者三種）的組合。更多關於各種設備的負載特性的信息可以在網路和電機拖動的教材中找到，這裡不做進一步展開了。

為負載打傘

同定速電機不同，變頻電機因為要匹配電機在不同轉速下的負載需求，這也就意味著在任何一個轉速下負載的曲線都應該能夠被電機的輸出特性曲線蓋過。因此變頻電機的設計和選型可以稱之為為負載「打傘」這一動作。看下面這個例子：

綠色的傘形曲線是變頻電機的額定輸出曲線，它在900-1100 rpm的範圍內覆蓋了黑色的負載曲線。負載是一個恆轉矩和恆功率的組合。因為負載需要的轉速範圍比較窄，因此沒有強迫冷卻設計的變頻電機也能夠應付這一需求。同樣根據上圖，如果負載的轉速範圍下探到700 rpm一下，那麼我們就要考慮強迫冷卻設計來適應這一改變了。

「打傘」這個概念的另一意義在於：一台變頻電機可以適用於多個負載類型，只要傘形曲線可以覆蓋負載的需求即可。使得一種設計兼顧多種設備的想法相比定速電機更加容易實現。因此對於許多工廠而言，變頻電機不僅可以幫助他們按照生產需要調整速度在單機的層面節能增效，還可以減少備用零部件庫存來降低運營成本。