变频器控制的电动机调速系统及其组成

由交流异步电机的转速表达式n＝60f1（1—s）/P可知，如果均匀地改变定子供电频率f，则可平滑地改变异步电机的同步转速n0这样就可以对电机进行调速。变频调速具有调速范围很大、调速无级平滑、负载性质能根据需要加以控制及节省能量等优点。

但是，由于变频调速所用的电源较为复杂，特别是原先采用的G—M系统（可以无级调速的直流发电机—电动机系统）体积庞大、效率低、成本高而未能实际应用。目前，由电力电子器件所组成的变频装置技术已经成熟，性能亦已完善，成本得以降低，因此由变频器控制的变频调速系统获得日益广泛的应用，这种调速方式在国外先进的电动车辆上已有应用。

图9-18所示为交流电机变频调速的主电路和调速特性。对异步电机而言，当电源频率厂变化时，如果电源电压U不变，将会引起磁通量ψ变化。当f小于额定值时，ψ就会大于额定值。由于电机在设计制造时ψ的额定值已在磁化曲线的饱和段附近，所以咖增大就会引起大的励磁电流。为使ψ保持恒定，必须在频率—厂变化的同时改变电源电压U，即满足U/f＝E/f＝常数如图9-18所示。

图9-18　变频调速的主电路原理和调速特性(www.xing528.com)

变频器分为两类。一类为交一交变频器（又称直接变频器），它把固定频率和电压的交流电源直接转换成电压可调的交流电源。交一交变频器输出的交流电源的最高频率不会超过电网频率的1/20～1/3，此装置所用的元件数量很多，其优点是使电机以低速直接拖动生产机械，可省去庞大的齿轮减速器。另一类为交一直一交变频器（又称间接变频器）。它先把交流电源整流成直流，再由逆变器转换成频率和电压可调的交流电源。这种变频器实际上是由整流电路、滤波电路和逆变电路三部分组成，如图9-19所示。随着电力电子器件技术的发展，新型的电力器件如功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管等正逐步取代晶闸管。图9-19所示为功率晶体管控制的交流脉宽调制（SPWM）的变频器电路。

图9-19　通用型变频器的电路

因为逆变器由交流异步电机的定子绕组作为负载存在无功功率储存的问题，所以在交一直一交变频系统中必须设置储能元件。根据无功能量处理方式的不同，变频器可分为电压源型（VSI）和电流源型（CSI）两种。电压源型变频器是在直流一侧并联大电容，使直流回路呈低阻抗，强制输出交流电压呈矩形波；电流源型变频器在直流一侧串联有大电感缓冲无功能量，使直流回路呈高阻抗，强制输出交流电流呈矩形波。

电动车辆中的蓄电池为直流电源，当电动车辆采用交流电机驱动并采用变频器调速控制时，不需要整流和滤波环节，只需要逆变器和相应的控制环节即可。