2013年1月BETVICTOR体育官网泵与系统专栏重点介绍了变频驱动器(VFD)降低频率时电机马力(HP)的降低。我多次被要求重新审视这个主题，并解释在广泛的频率范围内HP和扭矩之间的关系。
马力与扭矩关系
电动机产生的马力和扭矩之间的关系可能有点令人困惑。当电机由变频器控制时，它可能会令人困惑。
在线性环境中，功是作用在物体上的力和物体由于这个力而移动的距离的乘积:
W = fd
在旋转环境中，扭矩等于功，但它的值稍微复杂一些。扭矩等于施加的力，它到旋转轴的距离(半径)和施加力的角度(θ):
T = f(r sin θ)
在美国，扭矩用磅英尺(lb-ft)表示。当我在学校的时候，单位是英尺磅(ft-lbs)，我仍然使用旧的单位。扭矩表示完成了多少功，但它没有显示完成功的速度。
功率是执行扭矩(做功)的速率:
P = t/时间
在美国，我们使用HP作为功率单位。下面的两个方程显示了电机转速变化时HP和转矩的关系。这个常数，5252，是詹姆斯瓦特原始测试数据(33000)除以2 π的结果。
HP = (t × rpm) / 5,252
t = (HP × 5,252) / rpm
根据这种关系，当速度降低一半时，如果HP保持不变，扭矩必须翻倍。为了在较低的速度下产生相同的马力，电机每转一圈需要做两倍的工作，这就需要两倍的扭矩。这就是为什么900转电机的轴和框架通常比相同马力的1800转电机的轴和框架大。
变频器介绍
当交流电机的速度由变频器控制时，马力或转矩将根据频率的变化而变化。图1提供了这些更改的图形化说明。X轴是0到120赫兹的电机转速。Y轴是马力和扭矩的百分比。在60赫兹(基本电机速度)，HP和扭矩都在100%。当变频器降低频率和电机转速时，它也降低电压以保持伏特/赫兹比恒定。扭矩保持在100%，但马力与速度的变化成正比。
在30赫兹时，HP只有60赫兹时的50%。发生这种情况的原因是，由于电机旋转次数减少，单位时间内产生的总扭矩也减少了50%。您可以使用HP和扭矩方程来验证这种关系。
图1所示。功率和转矩随频率的变化而变化
当变频器将频率提高到60赫兹以上时，HP和扭矩就会完全翻转。HP保持在100%，扭矩随着频率的增加而减小。转矩减小是因为电机阻抗随着频率的增加而增加。由于变频器不能将电压提高到电源电压以上，电流随着频率的增加而减小，从而降低了可用转矩。
从理论上讲，扭矩由基本速度与较高速度的比率(60赫兹/ 90赫兹= 67%)减小。在实际应用中，其他因素可能会使实际可用扭矩大大低于图1所示的理论值。这些包括增加轴承摩擦，增加风扇负载和额外的转子风量。当转速超过60赫兹时，电机的满载转矩必须降额。典型的制造商的降额指南建议使用基频与最大频率比的速度高达90赫兹。在速度超过90赫兹时，通常使用比率的平方。
最终用户应检查与他们的制造商之前操作电机高于其基本速度。转子平衡，轴承寿命和临界转速是典型的问题。高达200马力的高质量，1800转和1200转电机应该能够处理高达两倍的基本速度而不会出现问题。超过50马力的3600转电机通常不允许超速。国家电气制造商协会(NEMA) MG1提供了制造商必须满足的几个超速指南。
你有没有犯过用460伏电压驱动230伏电机的错误?如果是这样，你可能注意到房间里有很多烟。然而，在某些应用程序中，这实际上是可行的。在高于基本速度的情况下提供恒定扭矩的一种新方法是在460伏变频器上运行230伏电机。在这些应用中，驱动器被编程为提供120赫兹的全电压，然后随着速度的降低成比例地降低电压。在90赫兹时，输出电压为345伏，在60赫兹时，输出电压为电机铭牌电压(230伏)。在整个速度范围内，伏特/赫兹比率保持恒定的3.83。