变频器压频比控制

异步电动机变压变频调速基础第

1章3/23/20231

概述由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。因此现在应用面很广，是本篇的重点。3/23/20232目前，交流变频调速技术以其优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，并已取得了显著的社会效益。电力轧钢造纸化工煤炭纺织船舶机床航天航空广泛应用：3/23/202331.3

变频调速的基本控制方式

变频调速的基本原理充分利用电机绕组铁芯和绕组的截面积主要特征：Tmax为常数变频调速光调频行吗？？3/23/20234一、调频与调压协调控制的必要性异步电机的转速n与定子供电频率之间有以下关系：（1-29）

从上式可知，只要平滑地调节异步电机定子的供电频率f1，同步转速n0随之改变，就可以平滑地调节转速n，从而实现异步电机的无级调速，这就是变频调速的基本原理。3/23/20235在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：

----希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。

如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。一、调频与调压协调控制的必要性3/23/20236对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通m由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。一、调频与调压协调控制的必要性3/23/20237（1-30）

式中

Es—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）—定子频率（Hz）；

f1—定子每相绕组串联匝数；

Ns—基波绕组系数；

kNs—每极气隙磁通量(Wb)。m

定子每相电动势由式（1-30）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m

的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。3/23/20238电压-频率协调控制方式

由式（1-18）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te

和转速n（或转差率s）的要求，电压Us

和频率1

可以有多种配合。在Us

和1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压－频率协调控制。（1-18）

3/23/20239常值即采用恒电动势频率比的控制方式。

二、基频以下的变频调速控制方式由式（1-30）可知，要保持m

不变，当频率f1

从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Es

，使3/23/2023101.保持的严格恒磁通控制

由式（1-30）可得

（1-31）

由式（1-31）可知，要保持磁通m不变，当频率f1从额定频率向下调节时，必须同时降低电动势Es，即采用恒定的电动势频率比的控制方式。这时异步电动机的机械特性将会如何呢？3/23/2023111.保持的严格恒磁通控制由图1-14可知：

将上式代入电磁转矩基本公式，可得

3/23/2023121.保持的严格恒磁通控制上式对s求导，并令dTe/ds=0，可得恒磁通控制转矩最大时的转差率为将sm代入式（1-33）得最大电磁转矩

3/23/2023131.保持的严格恒磁通控制可见，当调速过程中Es/f1为恒值时Temax值是恒定不变的，在低频低速下也能保持这个最大电磁转矩，因此称为恒转矩调速方式。

3/23/202314

2.保持常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制)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，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压Us≈

Eg，则得用易于测量和控制的定子输入相电压Us取代电动势Es，这就是保持的近似恒磁通控制，也称为恒压频比控制或U/f控制，它是开环变频调速系统常用的控制方式。

3/23/2023152.保持常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制)式（1-18）的电磁转矩表达式：

当采用恒压频比控制方式时，式（1-18）可改写为：（1-18）（1-36）

3/23/2023162.保持常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制)当电动机稳态运行时转差率s很小，可以忽略分母中含s项，则式中，由上式可知，当采用恒压频比控制时，对于同一电磁转矩Te，sf1是基本不变的，即n基本不变，这说明恒压频比条件下改变频率时，机械特性是平行下移的。

3/23/2023172.保持常值的近似恒磁通控制(恒压频比的控制)由上节推导的最大转矩表达式

（1-38）

(1)

当转速较高时，f1在额定频率fn附近变化，定、转子的总漏抗远远大于定子电阻Rs,3/23/202318则最大转矩上式表明，频率较高时，恒压频比调速时异步电动机的最大转矩与频率无关，基本上保持不变。

3/23/202319（2）当转速较低时，f1比f1n下降很多，此时定、转子总漏抗随之下降，定子电阻Rs不能忽略，对式（1-38）稍加整理可得可见在不变时，最大转矩Temax是随着定子供电频率f1的下降而减小的。3/23/202320

在低频时Us

和ES都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下图中的b线，无补偿的控制特性则为a线。低频时适当地提高定子电压Us，使最大电磁转矩有所增大，实质上是对异步电机电磁转矩的补偿，可以增强电动机的带负载能力。一般变频器调压调频控制方式都有转矩补偿功能，其理论基础就在于此。3/23/202321带定子压降补偿的恒压频比控制特性3/23/202322

机械特性曲线nON0n图1-17恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性01n12w13w03n02n11wN1w131211N1wwww>>>eT

可见，最大转矩Temax

是随着的1

降低而减小。

频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可增强带载能力。3/23/2023233/23/2023243.恒

Er/1

控制如果把电压－频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒Er/1

控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出3/23/202325代入电磁转矩基本关系式，得现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线。3.恒

Er/1

控制3/23/2023260s10Te几种电压－频率协调控制方式的特性比较图不同电压－频率协调控制方式时的机械特性恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制ab

c3/23/202327显然，恒Er/1

控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的Er/1

呢？3.恒

Er/1

控制3/23/202328

按照式（1-30）电动势和磁通的关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在式（1-30）中，气隙磁通的感应电动势Es

对应于气隙磁通幅值m

，那么，转子全磁通的感应电动势Er

就应该对应于转子全磁通幅值rm

：3.恒

Er/1

控制由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值rm=恒值进行控制，就可以获得恒Er/1

了。这正是矢量控制系统所遵循的原则，第3.3节中将详细讨论。3/23/2023294．几种协调控制方式的比较综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压－频率协调控制可得不同类型的机械特性。

1）恒压频比（Us/1=恒值）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。3/23/2023302）恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到m=恒值，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。

3/23/202331

3）恒Er/1

控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特性，按照转子全磁通rm

恒定进行控制，即得

Er/1=恒值

而且，在动态中也尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。3/23/2023323/23/202333（一）近似恒功率调速方式事实上，电压不变，升高频率的调速方式是近似恒功率调速方式。这时由于定子端电压Us=Usn保持不变，式（1-22）的最大转矩表达式可改写为由上式可知，在电压不变的前提下，随着角频率1的升高，最大转矩Temax随之下降。

3/23/202334

机械特性曲线当角频率提高时，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，如图所示。图1-18基频以上恒压变频调速的机械特性恒功率调速O<<<b1wc1wa1wN1wnc0nb0na0nN0nc1wb1wa1wN1weT3/23/202335（二）严格恒功率控制方式

电动机输出的机械功率为：

要实现严格的恒功率控制，必须使基频以上不同频率对应机械特性的额定功率相等，即

3/23/202336（二）严格恒功率控制方式可推导得到即

（1-54）

通过上述分析，可得出如下结论：（1）为了获得严格的恒功率调速，在频率由基频上调时，应使电压与频率的1/2次方成正比变化，即这时过载倍数保持不变。3/23/202337（2）基频上调、电压不变的控制方式，不能实现严格的恒功率调速。（3）把基频下调和基频上调两种情况结合起来，可得异步电动机变频调速的控制特性如图1-19所示。在基频fn以下为恒转矩调速区，磁通和转矩恒定，功率与频率（转速）成正比；在基频以上为恒功率调速区，功率恒定，磁通和转矩与频率（转速）成反比。3/23/202338

变压变频控制特性f1N图3-2异步电机变压变频调速的控制特性

恒转矩调速UsUsNΦmNΦm恒功率调速ΦmUsf103/23/202339最后，应该指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装