淺談變頻起動器的應用

陳念仙

提　　要：
1980年代後近年來隨著電腦科技技術進步，並帶動工業趨向自動化、小型化，各
國航運界紛紛與電子業、電腦業的學術及工程界結合，進行這方面的研究，加上
艦船推進裝備開始採用汽旋機，開啟了輪機裝備控制廣泛結合電子與自動控制的
新紀元，並陸續發展出來具有避碰、航海、導航等功能的電腦系統，由於電腦科
技與電子通訊科技的發展，一般工業技術也持續隨著大幅度的推進，數位式控制
對工業界產生了重大的影響，新型變頻起動器，除了可以改善傳統型式馬達起動
器的缺點以外，對於大轉矩及須頻繁起停的負載裝備，更可凸顯其完美的起動特
性。
關鍵詞：變頻超動器

壹、前言

製造業生產流程控制、航空載具操作、艦船控制、船舶航行等系統日益依賴電子
航儀裝備航行，不僅提高航行的安全與人相結合，也減輕人員操作工作上的負荷
與壓力，為了發揮該系統最大功能，系統中相關控制台的佈置，須符合人體工學
及單人操作的設計。
近年，由於半導體元件的進步以及單晶片電腦控制技術實用化，變頻起動器外型
變小、高效性能、價格便宜，使得傳統動力用馬達定速運轉或利用機械做為變換
轉速，漸漸被具有節省能源與提高效率的變頻器替代，變頻器已成為工業馬達控
制的主流。
貳、變頻起動器的構成
變頻器(Inverter)又稱為交流馬達驅動器(AC motor drive)，它是一種電子/電機
裝置，可接受一般市電，可依據需求改變輸出至電動馬達端的電壓大小及頻率，
以達到控制馬達轉速的目的。
因為變頻器必須跟馬達匹配使用，因此變頻器也隨馬達應用領域廣泛而變成多樣
化。鼠籠式感應電動機，因其構造簡單、效率及功率因素等運轉特性優良，而變
頻起動器因為具有變速簡單，且因半導體元件的進步，使得變頻起動器外型變小
，性能高、價格便宜。感應電動機速率的變動可參考下列公式得之：
N=120fx1/Px(1-S)
N：馬達轉速(RPM)
f：頻率(HZ)
P：馬達極數
S：馬達轉差率
其特性曲線如下：
特性曲線分析：
一、由圖一與二兩曲線圖得知，變頻起動轉矩平緩增加至負載轉矩；直接起動與
Y-△起動則均有轉矩高峰出現，不利於發電機轉軸機械結構。
二、由圖三與四兩曲線圖得知，直接起動時之瞬間起動電流可達7倍額定電流左右
，Y-△起動電流則約2-3倍額定電流；變頻起動電流最小，電動機以緩慢上昇方式
達至額定電流，對發電機之衝擊最小。
參、變頻啟動器與傳統啟動器的比較
一、變頻啟動器(優點)：(如圖五)
(一)沒有電壓及頻率的限制，可以操作於200伏至480伏電壓及50HZ至60HZ頻率範
圍內之電源。
(二)產生的啟動電流小(額定電流2倍)，可降低供電系統的容量。
(三)因使用電子式SCR無接點開關，使用壽命長，且不須維修及保養。
(四)電子無接點式，不受粉塵影響，可適用於較易產生塵土之工廠。
(五)因使用緩衝降壓起動方式，可增加皮帶及齒輪之壽命。
(六)可調整起動扭力，最大可達90％轉矩，因此可在重負載下，依次完成啟動。
(七)組合模組化設計，安裝容易，維修方便，可降低庫存料配件。
(八)具LED故障檢測顯示，可以快速檢測出故障原因，減少人力消耗。
(九)備有電子式安全保護裝置，當系統故障、溫度過高時，自動切斷供電電源，
以保護馬達不致燒毀。
(十)可節約能源，當馬達運轉於低負載時，自動降低電壓及電流，可發揮節約能
源功能。
二、傳統啟動器(缺點)：(如圖六)
(一)傳統電磁開關有220V、380V、440V電壓與50HZ、60HZ頻率限制。
(二)起動電流大(額定電流6倍)，致須要較大之系統供電容量。
(三)傳統電磁開關為有接點式開關，接點較易故障，須經常維修保養及更換。
(四)因為傳統電磁開關為接點式，易受粉塵堆積使導電不良，以致馬達容易燒毀
。
(五)傳統直接起動式轉矩過大，容易使皮帶與齒輪損毀。
(六)傳統電磁開關起動扭力固定，當大負載起動時易造成無熔絲開關(No Fuse B
reaker, NFB)過載跳脫。
(七)傳統電磁開關起動器，因線路複雜，維修不易，開關規格較多，須準備較多
庫存料件。
(八)無液晶顯示器(LED)故障檢測顯示，故障時需消耗較多人力、時間維修。
(九)無電子式安全保護裝置，當系統故障、溫度過高時，無法自動切斷供電電源
，導致馬達較易燒毀。
(十)傳統電磁開關起動器於輕負載時，只能降低電流，而無法降低電壓，無法達
到節約能源功能。
伍、結語
一般使用傳統方式起動馬達時，電源容量最少需要這台電動機容量的2倍才足以讓
電機起動，但是採用變頻起動裝置，幾乎不需考慮電源容量裕度的問題，可減少
電力備載容量、降低設廠投資成本。目前國內工業界及遠洋漁船都已大量使用該
裝置，獲得很大經濟效益。
本軍部分老舊艦艇，因配合裝備更新及生活設施的改進，電力裝備增加，且原有
發電機容量並未更新，艦上感應式馬達裝備起動時瞬間(空調、海水泵等大負荷裝
備)電流，這種高倍率的啟動電流所產生的啟動轉矩，都會引起負載機械的轉軸發
生機械性的衝擊、大啟動電流對發電機造成巨大負荷及對系統裝備產生不穩定因
素，這些都是裝備潛在的故障因素。本軍目前有下列使用變頻起動裝置案例：本
軍某新建案於建造規範內訂定10KW以上馬達起動時，其控制器需裝設變頻起動裝
置；另本軍中權艦及龍、綏江艦於空調裝備更新後，因空調主機容量增加原使用
Y-△起動所產生的瞬間起動電流過大，對艦上發電機及系統裝備造成影響，經採
用變頻起動方式後獲至很好的效果，改善艦艇發電機容量不足的問題。
＜參考資料＞
一、「最完美的感應式馬達起動裝置」電機技師月刊，第26期。
二、夏自強，「變頻器的應用」。