异步电动机变压变频调速控制原理与优点

异步电动机的同步转速由电源频率和电动机的极数所决定，在改变供电电源频率时，电动机的同步转速随着改变。当电动机负载运行时，电动机转子转速略低于同步转速，即存在转差。转差的大小和电动机的负载大小有关。

保持U/f恒定控制是异步电动机变频调速最基本的控制方式，电动机供电端得到的是既变频又变压的供电电源，并且两者成线性比例关系，又称为VVVF控制模式。

电动机定子的感应电动势

E₁=4.44K_W1Φf₁N₁ （1-4）

式中，K_W1是电动机绕组系数；f₁是电源频率；N₁电动机绕组匝数；Ф是每极磁通。

电动机端电压和感应电动势的关系式为

U₁=E₁+（r₁+jχ₁）I₁ （1-5）

在电动机额定运行情况下，电动机定子电阻和漏电抗的压降较小，电动机的端电压和电动机的感应电动势近似相等。由式（1-4）可以看出，当电动机电源频率变化时，若电动机的电压不随着变化，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。例如当电动机的运行频率降低时，若保持其端电压U₁不变，即保持电动机的感应电动势E₁不变，那么电动机的磁通Ф将增大。由于电动机的设计磁通处于接近饱和区域，磁通的进一步增大将导致电动机出现磁饱和，由此造成电动机绕组中流过过大的励磁电流，绕组发热，增加铜损和铁损；当电动机出现欠励磁时，将严重影响电动机的输出转矩。因此在改变电动机的频率时应同时对电动机的电压或电动势进行控制，以维持电动机的磁通为恒定值。

图1-21是采用恒定U/f比控制的异步电动机变压变频调速的转矩特性曲线，图中横坐标为转速，纵坐标为转矩。由图可看出，随着频率的变化，转矩特性的直线段近似为一组平行线，电动机的最大转矩相同，但产生的最大转矩转差不同，所以对应的转差频率不变。

图1-21 异步电动机变压变频调速的转矩特性曲线

由于电动机的电动势检测比较困难，考虑到在电动机正常运转时电动机的电压和电动势近似相等，通过控制U/f恒定以保持磁通为恒定。但是采用U/f控制后，在低速区电动机的转矩有所下降。这是由于低速时的定子电阻压降所占比重增大，电动机端电压和感应电动势近似相等的条件已不满足的缘故。(www.xing528.com)

U/f恒定的控制常用在P型机变频器上，这类变频器主要用于风机、水泵的调速节能控制，以及用调速范围和精度要求不高的场所。控制的突出优点是可以进行电动机的开环速度控制。

U/f恒定的控制存在的主要问题是低速性能较差。其原因是低速时异步电动机定子电压降所占比重增大，已不容忽略，不能认为定子电压和电动机感应电动势近似相等，仍按U/f恒定的控制已不能保持电动机磁通恒定。电动机磁通的减小，势必造成电动机的电磁转矩减小。U/f恒定的控制时的转速转矩特性如图1-22所示。

除了定子漏阻抗的影响外，变频器桥臂上、下开关器件的互锁时间是影响电动机低速性能的重要原因。对电压型变频器，考虑到电力电子器件的导通和关断需一定时间，为了防止桥臂上、下开关器件在导通切换时直通，造成短路而损坏，在控制其导通时设置一段开关导通延迟时间，在该时间内，桥臂上下电力电子器件处于关断状态，因此又称该延迟时间为互锁时间。互锁时间的长短与电力电子器件的种类有关，对于绝缘栅双极型晶体管（IGBT），互锁时间约为3～10μs。由于互锁时间的存在，变频器的输出电压将比控制电压低。互锁时间造成的电压降还会引起转矩脉动，在一定条件下将会引起转速、电流的振荡。

可以采用补偿端电压的方法，即在低速时适当提升电压，以补偿定子电阻压降和开关互锁时间的影响。采用补偿后的转速-转矩特性如图1-23所示，补偿后的电压-频率曲线如图1-24所示。

图1-22 速度-转矩特性（U/f一定时）

图1-23 速度-转矩特性（有电压补偿时）

图1-24 端电压的补偿