交流變頻調(diào)速基本原理

1、交流變頻調(diào)速基本原理一 異步電動(dòng)機(jī)概述1 異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)原理 異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由定子主磁通和轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生的。 磁場(chǎng)以n 0轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，產(chǎn)生轉(zhuǎn)子 電流 通電的轉(zhuǎn)子繞組相對(duì)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電磁力 電磁力使轉(zhuǎn)子繞組以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向相同2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)實(shí)際上是三個(gè)交變磁場(chǎng)合成的結(jié)果。這三個(gè)交變磁場(chǎng)應(yīng)滿足： 在空間位置上互差2/3 rad電度角。這一點(diǎn)，由定子三相繞組的布置來保證 在時(shí)間上互差2/3 rad相位角（或1/3周期）。這一點(diǎn)，由通入的三相交變電流來保證3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流的必要條件是轉(zhuǎn)子繞組切割定子磁場(chǎng)的磁力線。因此，轉(zhuǎn)子的

2、轉(zhuǎn)速n必須低于定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n 0，兩者之差稱為轉(zhuǎn)差： nn 0n轉(zhuǎn)差與定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速（常稱為同步轉(zhuǎn)速）之比，稱為轉(zhuǎn)差率： sn / n 0同步轉(zhuǎn)速n 0由下式?jīng)Q定： n 060 f / p式中，f為輸入電流的頻率，p為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。由此可得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 n60 f（1s）/ p二 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速由轉(zhuǎn)速n60 f（1s）/ p可知異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速有以下幾方法：1 改變磁極對(duì)數(shù)p （變極調(diào)速）定子磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)取決于定子繞組的結(jié)構(gòu)。所以，要改變p，必須將定子繞組制為可以換接成兩種磁極對(duì)數(shù)的特殊形式。通常一套繞組只能換接成兩種磁極對(duì)數(shù)。 變極調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、機(jī)械特性較硬、效率高、既

3、適用于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，又適用于恒功率調(diào)速；其缺點(diǎn)是有極調(diào)速，且極數(shù)有限，因而只適用于不需平滑調(diào)速的場(chǎng)合。2 改變轉(zhuǎn)差率s （變轉(zhuǎn)差率調(diào)速）以改變轉(zhuǎn)差率為目的調(diào)速方法有：定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、串極調(diào)速等。定子調(diào)壓調(diào)速當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，隨著電機(jī)定子電壓的降低，主磁通減少，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減少，轉(zhuǎn)子電流減少，轉(zhuǎn)子受到的電磁力減少，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)速減小，從而達(dá)到速度調(diào)節(jié)的目；同理，定子電壓升高，轉(zhuǎn)速增加。調(diào)壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，采用閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，機(jī)械特性較硬，調(diào)速范圍較寬，缺點(diǎn)是低速時(shí)，轉(zhuǎn)差功率損耗較大，功率因素低，電流大，效率低。調(diào)壓調(diào)速既非恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也非恒功率調(diào)速，比較適

4、合于風(fēng)機(jī)泵類特性的負(fù)載。分體機(jī)上的室內(nèi)風(fēng)機(jī)就是利用定子電壓調(diào)速的方法進(jìn)行調(diào)速的，其調(diào)速電路如下圖。根據(jù)風(fēng)機(jī)速度的反饋信號(hào)，控制晶閘管SCR導(dǎo)通的相角，從而控制風(fēng)機(jī)定子的輸入電壓，以控制風(fēng)機(jī)的風(fēng)速。前面講在空間位置上互差2/3 rad電度角的三相繞組通以在時(shí)間上互差2/3 rad相位角（或1/3周期）三相交變電流可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同樣，在空間位置上互差/2 rad電度角的兩相繞組通以在時(shí)間上互差/2 rad相位角（或1/2周期）兩相交變電流也可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。下圖中，電容C的作用就是把一相電流移相，以產(chǎn)生兩相在時(shí)間上互差/2 rad相位角（或1/2周期）交變電流，在空間位置上互差/2 rad電度角的

5、兩相繞組是由風(fēng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來保證的。 轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速 當(dāng)定子電壓一定時(shí)，電機(jī)主磁通不變，若減小定子電阻，則轉(zhuǎn)子電流增大，轉(zhuǎn)子受到的電磁力增大，轉(zhuǎn)差率減小，轉(zhuǎn)速降低；同理增大定子電阻，轉(zhuǎn)速增加。 轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備和線路簡(jiǎn)單，投資不高，但其機(jī)械特性較軟，調(diào)速范圍受到一定限制，且低速時(shí)轉(zhuǎn)差功率損耗較大，效率低，經(jīng)濟(jì)效益差。目前，轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速只在一些調(diào)速要求不高的場(chǎng)合采用。電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速 異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的異步電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)，通過改變電磁轉(zhuǎn)差離合器的勵(lì)磁電流進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。 電磁轉(zhuǎn)差離合器由電樞和磁極兩部分組成，二者之間沒有機(jī)械的聯(lián)系，均可自由旋轉(zhuǎn)。離合器的

6、電樞與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸相連并以恒速旋轉(zhuǎn)，磁極與工作機(jī)械相連。 電磁轉(zhuǎn)差離合器的工作原理是：如果磁極內(nèi)勵(lì)磁電流為零，電樞與磁極間沒有任何電磁聯(lián)系，磁極與工作機(jī)械靜止不動(dòng)，相當(dāng)于負(fù)載被“脫離”；如果磁極內(nèi)通入直流勵(lì)磁電流，磁極即產(chǎn)生磁場(chǎng)，電樞由于被異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，因而電樞與磁極間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在電樞繞組中產(chǎn)生電流，并產(chǎn)生力矩，磁極將沿著電樞的運(yùn)轉(zhuǎn)方向而旋轉(zhuǎn)，此時(shí)負(fù)載相當(dāng)于被“合上”，調(diào)節(jié)磁極內(nèi)通入的直流勵(lì)磁電流，就可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，能平滑調(diào)速，采用閉環(huán)控制后可擴(kuò)大調(diào)速范圍，運(yùn)用于通風(fēng)類或恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載；其缺點(diǎn)是低速時(shí)損耗大，效率低。串極調(diào)速 前面介紹的定子

7、調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速均存在著轉(zhuǎn)差功率損耗較大、效率低的問題，是很大的浪費(fèi)。如何能夠?qū)⑾挠谵D(zhuǎn)子電阻上的功率利用起來，同時(shí)又能提高調(diào)速性能？串極調(diào)速就是在這樣的指導(dǎo)思想下提出來的。 串極調(diào)速的基本思想是將轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)差功率通過變換裝置加以利用，以提高設(shè)備的效率。 串極調(diào)速的工作原理實(shí)際上是在轉(zhuǎn)子回路中引入了一個(gè)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率相同的可控的附加電動(dòng)勢(shì)，通過控制這個(gè)附加電動(dòng)勢(shì)的大小，來改變轉(zhuǎn)子電流的大小，從而改變轉(zhuǎn)速。見下圖。 串極調(diào)速具有機(jī)械特性比較硬、調(diào)速平滑、損耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，便于向大容量發(fā)展，但它也存在著功率因素較低的缺點(diǎn)。3 改變頻率f （變頻調(diào)速）當(dāng)極對(duì)

8、數(shù)p不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子電源頻率成正比，因此，連續(xù)的改變供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣、調(diào)速平滑性能好、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，可以方便的實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速，整個(gè)調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速十分相似，并可與直流調(diào)速相比美。三 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速1變頻器與逆變器、斬波器變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動(dòng)機(jī)供電，并構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的變換器，是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的控制裝置。逆變器是將固定直流電壓變換成固定的或可調(diào)的交流電壓的裝置（DCAC變換）。將固定直流電壓變換成

9、可調(diào)的直流電壓的裝置稱為斬波器（DCDC變換）。2變壓變頻調(diào)速（VVVF）在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素是，希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。如果磁通太弱，即電機(jī)出現(xiàn)欠勵(lì)磁，將會(huì)影響電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，由TMKT F M I 2 COS j 2 (式中 TM ：電磁轉(zhuǎn)矩，F(xiàn) M ：主磁通，I 2 ：轉(zhuǎn)子電流，COS j 2 ：轉(zhuǎn)子回路功率因素，KT ：比例系數(shù))，可知，電機(jī)磁通的減小，勢(shì)必造成電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。由于電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)的磁通常處于接近飽和值，如果進(jìn)一步增大磁通，將使電機(jī)鐵心出現(xiàn)飽和，從而導(dǎo)致電機(jī)中流過很大的勵(lì)磁電流，增加電機(jī)的銅損耗和鐵損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱

10、而損壞電機(jī)。因此，在改變電機(jī)頻率時(shí)，應(yīng)對(duì)電機(jī)的電壓進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，以維持電機(jī)磁通的恒定。為此，用于交流電氣傳動(dòng)中的變頻器實(shí)際上是變壓（Variable Voltage，簡(jiǎn)稱VV）變頻（Variable Frequency，簡(jiǎn)稱VF）器，即VVVF。所以，通常也把這種變頻器叫作VVVF裝置或VVVF。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的控制方式不同，變壓變頻調(diào)速可分為恒定壓頻比（V/F）控制變頻調(diào)速、矢量控制（FOC）變頻調(diào)速、 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速等。3變頻器分類從變頻器主電路的結(jié)構(gòu)形式上可分為交直交變頻器和交交變頻器。交直交變頻器首先通過整流電路將電網(wǎng)的交流電整流成直流電，再由逆變電路將直流電逆變?yōu)轭l率和幅值均可

11、變的交流電。交直交變頻器主電路結(jié)構(gòu)如下圖。 交交變頻器把一種頻率的交流電直接變換為另一種頻率的交流電，中間不經(jīng)過直流環(huán)節(jié)，又稱為周波變換器。它的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。 常用的交交變頻器輸出的每一相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正、反向兩組按一定周期相互切換，在負(fù)載上就獲得交變的輸出電壓u 0。輸出電壓u 0的幅值決定于各組整流裝置的控制角a，輸出電壓u 0的頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。如果控制角a一直不變，則輸出平均電壓是方波，要的到正弦波輸出，就在每一組整流器導(dǎo)通期間不斷改變其控制角。對(duì)于三相負(fù)載，交交變頻器其他兩相也各用一套反并聯(lián)的可逆線路，輸出平均電壓相位依次相差120

12、°。交交變頻器由其控制方式?jīng)Q定了它的最高輸出頻率只能達(dá)到電源頻率的1/31/2，不能高速運(yùn)行，這是它的主要缺點(diǎn)。但由于沒有中間環(huán)節(jié)，不需換流，提高了變頻效率，并能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，因而多用于低速大功率系統(tǒng)中，如回轉(zhuǎn)窯、軋鋼機(jī)等。從變頻電源的性質(zhì)上看，可分為電壓型變頻器和電流型變頻器。對(duì)交直交變頻器，電壓型變頻器與電流型變頻器的主要區(qū)別在于中間直流環(huán)節(jié)采用什么樣的濾波器。電壓型變頻器的主電路典型形式如下圖。在電路中中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波，直流電壓波形比較平直，使施加于負(fù)載上的電壓值基本上不受負(fù)載的影響，而基本保持恒定，類似于電壓源，因而稱之為電壓型變頻器。 電壓型變頻器逆變輸出的交流

13、電壓為矩形波或階梯波，而電流的波形經(jīng)過電動(dòng)機(jī)負(fù)載濾波后接近于正弦波，但有較大的諧波分量。由于電壓型變頻器是作為電壓源向交流電動(dòng)機(jī)提供交流電功率，所以主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行幾乎不受負(fù)載的功率因素或換流的影響；缺點(diǎn)是當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路或在變頻器運(yùn)行狀態(tài)下投入負(fù)載，都易出現(xiàn)過電流，必須在極短的時(shí)間內(nèi)施加保護(hù)措施。電流型變頻器與電壓型變頻器在主電路結(jié)構(gòu)上基本相似，所不同的是電流型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波，見下圖，直流電流波形比較平直，使施加于負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，基本不受負(fù)載的影響，其特性類似于電流源，所以稱之為電流型變頻器。 電流型變頻器逆變輸出的交流電流為矩形波或階梯波，當(dāng)負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，電壓

14、波形接近于正弦波。電流型變頻器的整流部分一般采用相控整流，或直流斬波，通過改變直流電壓來控制直流電流，構(gòu)成可調(diào)的直流電源，達(dá)到控制輸出的目的。電流型變頻器由于電流的可控性較好，可以限制因逆變裝置換流失敗或負(fù)載短路等引起的過電流，保護(hù)的可靠性較高，所以多用于要求頻繁加減速或四象限運(yùn)行的場(chǎng)合。一般的交交變頻器雖然沒有濾波電容，但供電電源的低阻抗使它具有電壓源的性質(zhì)，也屬于電壓型變頻器。也有的交交變頻器用電抗器將輸出電流強(qiáng)制變成矩形波或階梯波，具有電流源的性質(zhì)，屬于電流型變頻器。交直交變頻器根據(jù)VVVF調(diào)制技術(shù)不同，分為PAM和PWM兩種。PAM是把VV和VF分開完成的，稱為脈沖幅值調(diào)制（Pulse

15、 Amplitude Modulation）方式，簡(jiǎn)稱PAM方式。PAM調(diào)制方式又有兩種：一種是調(diào)壓采用可控整流，即把交流電整流為直流電的同時(shí)進(jìn)行相控整流調(diào)壓，調(diào)頻采用三相六拍逆變器，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，但由于輸入環(huán)節(jié)采用晶閘管可控整流器，當(dāng)電壓調(diào)得較低時(shí)，電網(wǎng)端功率因素較低，而輸出環(huán)節(jié)采用晶閘管組成的三相六拍逆變器，每周換相六次，輸出的諧波較大。其基本結(jié)構(gòu)見圖a；另一種是采用不控整流、斬波調(diào)壓，即整流環(huán)節(jié)采用二極管不控整流，只整流不調(diào)壓，再單獨(dú)設(shè)置PWM斬波器，用脈寬調(diào)壓，調(diào)頻仍采用三相六拍逆變器，這種方式雖然多了一個(gè)環(huán)節(jié)，但調(diào)壓時(shí)輸入功率因素不變，克服了上面那種方式中輸入功率因數(shù)低

16、的缺點(diǎn)。而其輸出逆變環(huán)節(jié)未變，仍有諧波較大的問題。其基本結(jié)構(gòu)見圖b。PWM是將VV與VF集中于逆變器一起來完成的，稱為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）方式，簡(jiǎn)稱PWM方式。PWM調(diào)制方式采用不控整流，則輸入功率因素不變，用PWM逆變同時(shí)進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)頻，則輸出諧波可以減少。其基本結(jié)構(gòu)見圖c。 在VVVF調(diào)制技術(shù)發(fā)展的早期均采用PAM方式，這是由于當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體器件是普通晶閘管等半控型器件，其開關(guān)頻率不高，所以逆變器輸出的交流電壓波形只能是方波。而要使方波電壓的有效值隨輸出頻率的變化而改變，只能靠改變方波的幅值，即只能靠前面的環(huán)節(jié)改變中間直流電壓的大小。隨著全控型快速半導(dǎo)

17、體開關(guān)器件BJT、IGBT、GTO等的發(fā)展，才逐漸發(fā)展為PWM方式。由于PWM方式具有輸入功率因數(shù)高、輸出諧波少的優(yōu)點(diǎn)，因此在中小功率的變頻器中，幾乎全部采用PWM方式，但由于大功率、高電壓的全控型開關(guān)器件的價(jià)格還較昂貴，所以為降低成本，在數(shù)百千瓦以上的大功率變頻器中，有時(shí)仍需要使用以普通晶閘管為開關(guān)器件的PAM方式。四 變壓變頻協(xié)調(diào)控制前面講在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，為保持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定，需要對(duì)電機(jī)的電壓與頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。那么應(yīng)該怎樣對(duì)電機(jī)的電壓與頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制呢？對(duì)此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況?；l，即基本頻率f 1，是變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制的分界線，

18、應(yīng)按電動(dòng)機(jī)的額定電壓（指額定輸出電壓，是變頻器輸出電壓中的最大值，通常它總是和輸入電壓相等）進(jìn)行設(shè)定，即在大多數(shù)情況下，額定輸出電壓就是變頻器輸出頻率等于基本頻率時(shí)的輸出電壓值，所以，基本頻率又等于額定頻率f N（即與電動(dòng)機(jī)額定輸出電壓對(duì)應(yīng)的頻率）。異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí)，通常在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上采用恒功率調(diào)速。1 基頻以下調(diào)速在一定調(diào)速范圍內(nèi)維持磁通恒定，在相同的轉(zhuǎn)矩相位角的條件下，如果能夠控制電機(jī)的電流為恒定，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒定，稱為恒轉(zhuǎn)矩控制，即電機(jī)在速度變化的動(dòng)態(tài)過程中，具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力。由于恒定U 1 / f 1控制能在一定調(diào)速范圍內(nèi)近似維持磁通恒定，因此

19、恒定U 1 / f 1控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制。嚴(yán)格地說，只有控制E g / f 1 恒定才能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒定。 恒定氣隙磁通F M控制（恒定E g / f 1控制）根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)定子的感應(yīng)電勢(shì) E g =4.44 f 1 N 1 K N1 F M （式中 E g為氣隙磁通在每相定子感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，f 1為電源頻率，N 1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)，K N1為與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，F(xiàn) M為每極氣隙磁通），可知，要保持F M不變，當(dāng)頻率f 1變化時(shí)，必須同時(shí)改變電動(dòng)勢(shì)E g的大小，使 E g / f 1常值即采用恒定電動(dòng)勢(shì)與頻率比的控制方式。（恒定E g / f 1控制） 又，電機(jī)定子電壓 U 1E g

20、 + ( r 1 + j x 1 ) I 1（式中 U 1為定子電壓，r 1為定子電阻，x 1為定子漏磁電抗，I 1為定子電流），如果在電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中，適當(dāng)?shù)靥岣唠妷篣 1，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持E g / f 1為恒值，則無論頻率高低，每極磁通F M均為常值，就可實(shí)現(xiàn)恒定E g / f 1控制。恒定E g / f 1控制的穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于下面講的恒定U 1 / f 1控制，它正是恒定U 1 / f 1控制中補(bǔ)償定子壓降所追求的目標(biāo)。恒定壓頻比控制（恒定U 1 / f 1控制）根據(jù)上面的公式，在電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)定子電阻r 1和定子漏磁電抗x 1的壓降較小，可以忽略，則

21、電機(jī)定子電壓U 1與定子感應(yīng)電動(dòng)E g近似相等，即 U 1E g則得 U 1 / f 1常值這就是恒壓頻比的控制方式。（恒定U 1 / f 1控制） 由于電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)檢測(cè)和控制比較困難，考慮到在電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)的電壓和電勢(shì)近似相等，因此可以通過控制U 1 / f 1恒定，以保持氣隙磁通基本恒定。恒定U 1 / f 1控制是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的最基本控制方式，它在控制電動(dòng)機(jī)的電源頻率變化的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，并使二者之比U 1 / f 1為恒定，從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。恒定U 1 / f 1控制的出發(fā)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，它的控制效果只有在穩(wěn)態(tài)時(shí)才符合要求。在過渡過程中，電

22、動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩需要按照電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析計(jì)算。因此恒定U 1 / f 1控制的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)難以滿足動(dòng)態(tài)性能的要求。在起動(dòng)時(shí)，為了使系統(tǒng)能滿足穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的條件，頻率的變化應(yīng)盡可能緩慢，以避免電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失速現(xiàn)象，即電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相差很大?；钤龃?，造成電動(dòng)機(jī)中流過很大的電流，電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩將減小。恒定U 1 / f 1控制最容易實(shí)現(xiàn)，它的變頻機(jī)械特性基本上是平行下移，硬度也較好，能夠滿足一般的調(diào)速要求，突出優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行電機(jī)的開環(huán)速度控制。恒定U 1 / f 1控制存在的主要問題是低速性能較差。這是由于低速時(shí)異步電動(dòng)機(jī)定子電阻壓降所占比重增大，已不能忽略，電機(jī)的電壓和電

23、勢(shì)近似相等的條件已不滿足，仍按U 1 / f 1恒定控制已不能保持電機(jī)磁通恒定。電機(jī)磁通的減小，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的減小。因此，在低頻運(yùn)行的時(shí)候，要適當(dāng)?shù)募哟骍 1 / f 1的值，以補(bǔ)償定子壓降。若采用開環(huán)控制，則除了定子漏阻抗的影響外，變頻器橋臂上下開關(guān)元件的互鎖時(shí)間也是影響電機(jī)低速性能的重要原因。對(duì)電壓型變頻器，考慮到電力半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均需一定時(shí)間，為防止上下元件在導(dǎo)通/關(guān)斷切換時(shí)出現(xiàn)直通，造成短路而損壞，在控制導(dǎo)通時(shí)設(shè)置一段開關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間。在開關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間內(nèi)，橋臂上下電力半導(dǎo)體器件均處于關(guān)斷狀態(tài)，因此又將開關(guān)導(dǎo)通延遲時(shí)間稱為互鎖時(shí)間。互鎖時(shí)間的長(zhǎng)短與電力半導(dǎo)體器件的種類有關(guān)。由于

24、互鎖時(shí)間的存在，變頻器的輸出電壓將比控制電壓低。在低頻的時(shí)候，變頻器的輸出電壓比較低，PWM逆變脈沖的占空比比較小，這時(shí)互鎖時(shí)間的影響就比較大，從而導(dǎo)致電機(jī)的低速性能降低。互鎖時(shí)間造成的壓降還會(huì)引起轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在一定條件下將會(huì)引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時(shí)變頻器不能運(yùn)行。對(duì)磁通進(jìn)行閉環(huán)控制是改善U 1 / f 1恒定控制性能的十分有效的方法。采用磁通控制后，電機(jī)的電流波形的到明顯改善，氣隙磁通更加接近圓形。恒定轉(zhuǎn)子磁通F r控制（恒定E r / f 1控制）如果把電壓、頻率協(xié)調(diào)控制中的電壓U 1進(jìn)一步再提高一些，把轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉，便的到恒定E r / f 1控制，其機(jī)械特性是一條直線。顯

25、然，恒定E r / f 1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可以獲得和直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。這正是高性能交流變頻調(diào)速所要求的性能。問題是，怎樣控制變頻器的電壓和頻率才能獲得恒定E r / f 1的呢？按照電動(dòng)勢(shì)與磁通的關(guān)系 E g =4.44 f 1 N 1 K N1 F M 可以看出，當(dāng)頻率恒定時(shí)，電動(dòng)勢(shì)與磁通成正比。在上式中，氣隙磁通E g的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)于氣隙磁通F M，那么，轉(zhuǎn)子磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E r就應(yīng)該對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通F r E r =4.44 f 1 N 1 K N1 F r由此看見，只要能夠按照轉(zhuǎn)子磁通 F r恒值進(jìn)行控制，就可獲得恒定E r / f 1控制。這正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原

26、則。2 基頻以上調(diào)速當(dāng)電機(jī)的電壓隨著頻率的增加而升高時(shí)，若電機(jī)的電壓已達(dá)到電機(jī)的額定電壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電機(jī)的絕緣。為此，在電機(jī)達(dá)到額定電壓后，即使頻率增加仍維持電機(jī)電壓不變。這樣，電機(jī)所能輸出的功率由電機(jī)的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化。具有恒功率特性。在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從基頻往上增加，但電壓卻不能超過額定電壓，此時(shí)，電機(jī)調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。3 V/F控制與V/F曲線V/F控制在恒定U 1 / f 1控制中，頻率f 1下降時(shí)，定子電阻壓降在U 1中所占比例增大，造成氣隙磁通F M和轉(zhuǎn)矩下降，采取適當(dāng)提高U 1 / f 1的方法，來低償定子電阻壓降的增大，而保持F M恒值，最終使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩得到補(bǔ)償。這種方法稱為轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，因?yàn)樗峭ㄟ^提高U 1 / f 1而得到的，故又稱V/F控制或電壓補(bǔ)償。許多書中則直譯為轉(zhuǎn)矩提升（Torque boost）?；綱/F曲線U 1 / f 1恒值時(shí)的V/F曲線稱為基本V/F曲線（見下圖中曲線a），它表明了沒有補(bǔ)償時(shí)的電壓U 1和頻率f 1之間的關(guān)系。它是進(jìn)行V/F控制時(shí)的基準(zhǔn)線。全補(bǔ)償V/F曲線不論f 1為多大（在f 1f N的范圍內(nèi)