变频调速原理详解

交流电动机不论三相异步电动机还是三相同步电动机，它们的转速n公式为

式中，f是频率；p是极对数；s是转差率（0～3%或0～6%）。

由转速公式可见，只要设法改变三相交流电动机的供电频率f，就十分方便地改变了电动机的转速n。比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多，特别是近二十多年来，交流变频调速器得到了突飞猛进的发展，使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。

实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。例如：标准设计的三相异步电动机，380V，50Hz。如果电压不变，只改变频率，会产生什么问题？380V不变，频率下调（小于50Hz），会使电动机气隙磁通Φ（约等于U/f）饱和；反之，380V不变，频率上调（大于50Hz），则使磁通减弱。所以，真正应用变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF（Variable Voltage Variable Fre-quency）装置。

1.感应电动机的稳态模型

根据电动机学原理，在下述3个假定条件下（即忽略空间和时间谐波、忽略磁饱和、忽略铁损），感应电动机的稳态模型可以用T型等效电路表示，如图7-8a所示。图7-8a中的各参数定义如下：R_s、R_r′——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；L_1s、L1′_r——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；L_m——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；U_s、ω₁——定子相电压和供电角频率；I_s、I_r′——定子相电流和折合到定子侧的转子相电流。

忽略励磁电流，则得到如图7-8b所示的简化等效电路。

因此，电流公式可表示为

图7-8 感应电动机等效电路

a）感应电动机T型等效电路b）感应电动机简化等效电路

已知感应电动机传递的电磁功率为

同步机械角速度ω_m1=ω₁/n_p，则感应电动机的电磁转矩为

感应电动机的每极气隙磁通为

式中，E_g是气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；f₁是定子频率；N_s是定子每相绕组串联匝数；K_Ns是定子基波绕组系数。

忽略定子电阻和漏磁感抗压降，则认为定子相电压U_s=E_g。

对T_e公式对s求导，并令dT_e/ds=0，可求出对应于最大转矩时的临界静差：

2.转速开环的感应电动机变压变频调速（VVVF）

变压变频调速是改变同步转速的调速方法，同步转速随频率而变化，为了达到良好的控制效果，常采用电压—频率协调控制（即U/f控制），并分为基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。

（1）基频以下调速 以便充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力。在基频以下采用恒磁通控制方式，要保持Φ_m不变，当频率f₁从额定值f_in向下调节时，必须同时降低E_g，即采用电动势频率比为恒值的控制方式。

然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子电阻和漏磁感抗压降，而认为定子相电压U_s≈E_g，则得

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这是恒压频比的控制方式，其控制特性如图7-9所示。

低频时，U_s和E_g都较小，定子电阻和漏磁感抗压降所占的份量相对较大，可以人为地抬高定子相电压U_s，以便补偿定子压降，称作低频补偿或转矩提升。

（2）基频以上调速 在基频以上调速时，频率从f_iN向上升高，但定子电压U_s却不可能超过额定电压U_SN，只能保持U_s=U_SN不变，这将使磁通与频率成反比地下降，使得感应电动机工作在弱磁状态。

图7-9 恒压频比控制特性

图7-10 感应电动机变压 变频调速的控制特性

把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图7-10所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化而变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定，转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时磁通恒减小，转矩也随着减小。

3.恒压频比时的基本特性

基频以下须采用恒压频比控制，感应电动机的电磁转矩为

当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则：

由此可以推导出带负载时的转速降落Δn为

由此可见，当U_s/ω₁为恒值时，对于同一转矩T_e，Δn基本不变。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率ω₁时，机械特性基本上是平行下移，如图7-11a所示。将最大转矩改写为

可见最大转矩T_emax是随着ω₁的降低而减小的。频率很低时，T_emax很小，电动机带载能力减弱，采用低频定子压降补偿，适当地提高电压U_s，可以增强带载能力。

图7-11 感应电动机变压变频调速机械特性及结构原理

a）感应电动机变压变频调速机械特性b）感应电动机转速开环变压变频调速系统结构原理

在基频f_in以上变频调速时，电压U_S=U_SN不变，机械特性方程式可写成：

而最大转矩表达式可改写成：

当角频率ω₁提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变。由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速却升高了，可以认为输出功率基本不变。图7-11b为感应电动机转速开环变压变频调速系统结构原理图，一般称为通用变频器，被广泛应用于调速性能要求不高的场合。为了避免突加给定造成的过电流，在频率给定后设置了给定积分环节。由于转速开环，现场调试工作量小，使用方便，但转速有静差，低速性能欠佳。

总之，U/f控制是为了得到理想的转矩—速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。U/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。