电压信号控制变频器调速

6.2　三相异步电动机的变频调速

交流异步电动机比直流电动机结构简单、价格低廉、运行可靠、维修方便。因此，机械设备绝大部分都用交流电动机拖动。但异步电动机调速性能比直流电动机差，所以长期以来，凡要求调速性能高的场合，一般均采用直流机拖动。

从20世纪60年代起，国外对交流变速传动已经开始重视。特别是晶闸管问世以后，使得采用半导体变流技术的交流调速系统得以实现。尤其是20世纪70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流调速系统的发展创造了有利条件。目前，交流调速系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳定精度、较快的动态响应、较高的工作效率，其静、动特性均可以与直流调速系统相媲美。国际上许多国家交流调速系统已进入实用化、系列化阶段，并出现了逐步取代直流调速系统的势头。自20世纪90年代以来，国产交流调速装置开始进入生产的各个领域，并发挥巨大的经济效益。

6.2.1　交流调速的方案

根据异步电动机的转速公式

式中:f₁为供电电源频率;s为转差率;P为极对数。

因此，异步电动机有三种基本调速方法。

(1)变极调速　改变定子极对数P调速。

(2)变频调速　改变供电电源的频率f₁。

(3)变转差率s调速　可通过改变电动机的某些参数来改变s，例如定子电压、转子电阻、转差电压等，因此变s调速可分为:①转子串电阻调速，绕线转子电动机转子绕组串电阻;②调压调速，改变定子电压;③串级调速，绕线转子电动机转子绕组串电动势;④电磁转差离合器调速，笼型电动机加电磁转差离合器。

6.2.2　变频调速原理

由同步转速可知，只要频率f₁连续可调，就可以平滑地调节转速，但调速时应注意变频与调压的配合。

1.原理

(1)基频(额定频率f_N)以下调速　在基频以下调速时，速度调低。但在调节过程中，必须配合着调节电源电压，否则电动机不能正常运行。其原因从电动机电动势电压平衡方程式

U₁≈E1=4.44f₁NKФ_m(6－2－2)

式中:N为每相绕组的匝数;Ф_m为电动机气隙磁通的最大值;K为电动机的结构系数。

可知，当f₁下降时，如果U₁不变，势必使Ф_m增加，但电动机在设计时，磁路磁通本已选得接近饱和，因此Ф_m上升必然使磁路饱和，励磁电流剧增，这样电动机就无法正常运行。为了防止磁路饱和就应使Ф_m保持不变，即应使常数。

这就表明，在基频以下调速时，要实现恒磁通调速，应使定子电压随频率成正比例地变化，这相当于直流电动机的调压调速。

(2)基频以上调速(速度调高)　当频率上调时，也按比例升高电压这是不行的，因为此时往上调U₁，将超过了额定电压，很可能会超过电动机绝缘耐压限度，因此频率上调时应保持电压不变，即U₁=常数，这时f₁升高，Ф_m下降，相当于直流电动机弱磁调速。

2.变频调速的特性

图6－2－1为异步电动机变频调速时的机械特性曲线。从曲线看出，无论速度是调高(高于基速)，还是调低，Δn都不变，因此机械特性运行段的斜率也基本不变，它是一族平行的曲线。可见变频调速时，在整个调速范围内，机械特性一直保持着较高的硬度。由上面分析看出，只要f₁能连续变化，则速度n也会连续变化。因此，变频调速具有调速范围广(可达10∶1)、平滑、机械特性硬，静差率小等优点。同时它在基频以下调速时U₁/f₁=常数，而Ф_m不变，属于恒转矩调速方式;频率调高时，U₁=常数，而Ф_m下降，故又属于恒功率调速方式。因此整个调速范围的特性与直流电动机降压调速和弱磁调速十分相似。这就说明，调频调速是异步电动机的一种比较合理的调速方法，问题是如何得到平滑可调的变频电源。

图6－2－1　异步电动机变频调速时的机械特性

6.2.3　变频器的基本构成

图6－2－2　变频器的基本构成

变频器分为交－交和交－直－交两种形式。交－交变频器可将工频交流电直接变换成频率、电压均可调的交流，又称直接式变频器。而交－直－交变频器是先把工频交流变成直流，然后再把直流变换成可控的交流电，它的基本构成如图6－2－2所示，由主电路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制电路组成。

1.整流器

整流器的作用是把三相或单相交流电变成直流电。

2.逆变器

逆变器最常见的结构形式是利用六个半导体主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律地控制逆变器中主开关器件的通与断，可以得到任意频率的三相交流电输出。

3.中间直流环节

由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载。

无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。

4.控制电路

控制电路通常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。

6.2.4　变频器的分类

1.按直流电源的性质分类

当逆变器输出侧的负载为交流电动机时，在负载和直流电源之间将有无功功率的交换。用于缓冲无功功率的中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器分成电流型变频器和电压型变频器两大类。

(1)电流型变频器　电流型变频器主电路的典型构成方式如图6－2－3所示。其特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，无功功率将由该电感来缓冲。由于电感的作用，直流电流I_d趋于平稳，电动机的电流波形为方波或阶梯波，电压波形接近正弦波。直流电源的内阻较大，近似于电流源，故称为电流源型变频器或电流型变频器。这种电流型变频器，其逆变器中晶闸管，每周期内工作120°。电流型变频器的一个较突出的优点是:当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈到交流电网，不需在主电路内附加任何设备，只要利用网侧变流器改变其输出电压极性(控制角α＞90°)即可。这种电流型变频器可用于频繁加减速的大容量电动机的传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用。

图6－2－3　电流型变频器

图6－2－4　电压型频器

(2)电压型变频器　电压型变频器典型的一种主电路结构形式如图6－2－4所示，其中用于逆变器晶闸管的换相电路未画出。图中逆变器的每个导电臂，均有一个可控开关器件和一个不可控器件(二极管)反并联组成。这种变频器晶闸管在一个周期内导通180°。中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲。由于大电容的作用，主电路直流电压E_d比较平稳，电动机端的电压为方波或阶梯波。直流电源内阻比较小，相当于电压源，故称为电压源型变频器或电压型变频器。对负载电动机而言，电压型变频器是一个交流电压源，在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。缺点是电动机处于再生发电状态，回馈到直流侧的无功能量难于回馈给交流电网。要实现这部分能量向电网的回馈，必须采用可逆变流器。

2.按输出电压调节方式分类

变频调速时，需要同时调节逆变器的输出电压和频率，以保证电动机的主磁通的恒定。

对输出电压的调节主要有两种方式:PAM方式和PWM方式。

(1)PAM方式　脉冲幅值调节方式(Pulse Amplitude Modulation)，简称PAM方式。是通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压的调节由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压E_d去实现。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数随调节深度的增加而变低。而采用直流斩波器调压时，网侧功率因数在不考虑谐波影响时，可以达到cosΦ≈1

(2)PWM方式　脉冲宽度调节方式(Pulse Width Modulation)，简称PWM方式。变频器中的整流器采用不可控的二极管整流电路。变频器的输出频率和输出电压的调节均由逆变器按PWM方式来完成。利用参考电压波U_r与载频三角波U_c相互比较来决定主开关器件的导通时间而实现调压。利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。这种参考信号为正弦波、输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式，称为正弦PWM调制，简称SP－WM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)方式。

(3)高载波频率的PWM方式　这种方式与上面2条所述的PWM方式的区别仅在于调制频率有很大的提高。主开关器件的工作频率较高，普通的功率晶体管已经不能适应，常采用开关频率较高的IGBT或MOSFET。因为开关频率达到10～20kHz，可以使电动机的噪声大幅度降低(达到了人耳难于感知的频段)。

采用IGBT的高载波频率的PWM通用变频器已经投放市场，正在取代以BJT为开关器件的变频器。

3.按控制方式分类

(1)U/f控制　按照图6－2－5所示的电压、频率关系对变频器的频率和电压进行控制，称为U/f控制方式。基频以下可以实现恒转矩调速，基频以上则可以实现恒功率调速。

图6－2－5　U/f控制方式

U/f方式又称为VVVF(Variable Voltage Vari－able Frequncy)控制方式。主电路中逆变器采用BJT，用PWM控制方式进行控制。逆变器的控制脉冲发生器同时受控于频率指令f*和电压指令U，由U/f曲线发生器(U/f模式形成)决定的。这样经PWM控制之后，变频器的输出频率f、输出电压U之间的关系，就是U/f曲线发生器所确定的关系。由图可见，转速的改变是靠改变频率的设定值f*来实现。

电动机的实际转速要根据负载的大小，即转差率的大小来决定。负载变化时，在f*不变条件下，转子转速将随负载转矩变化而变化，故它常用于速度精度要求不十分严格或负载变动较小的场合。

U/f控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以通用标准异步电动机，所以通用性强，经济性好，是目前变频器中使用较多的一种控制方式。

(2)转差频率控制在没有任何附加措施的情况下，采用U/f控制方式，如果负载变化，转速也会随之变化，转速的变化量与转差率成正比。U/f控制的静态调速精度显然较差，为提高调速精度，采用转差频率控制方式。

根据速度传感器的检测，可以求出转差频率△f，再把它与速度设定值f*相叠加，以该叠加值作为逆变器的频率设定值f*，就实现了转差补偿。这种实现转差补偿的闭环控制方式称为转差频率控制方式。与U/f控制方式相比，其调速精度大为提高。但是使用速度传感器求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而转差频率控制方式的通用性较差。

(3)矢量控制　上述的U/f控制方式和转差频率控制方式的控制思想都建立在异步电动机的动态数学模型。利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制，即模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。

在矢量控制方式中，磁场电流I_m和转矩电流I_t可以根据可测定的电动机定子电压、电流的实际值经计算求得。磁场电流和转矩电流再与相应的设定值相比较并根据需要进行必要的校正。高性能速度调节器的输出信号可以作为转矩电流(或称有功电流)的设定值，动态频率控制df/dt可以保证快速动态响应。

4.按主开关器件分类

逆变器主开关器件的性能，往往对变频器装置的性能有较关键的影响。通用变频器中最常用的主开关器件都是自关断器件，主要有IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、GTO(门极关断晶闸管)和BJT(双极晶体管)。目前采用以IGBT为主开关器件的IPM(智能电力模块)也成为一种趋势。