变频器对异步电动机U/f控制的原理

    异步电动机的同步转速由电源频率和电机极数决定，在改变频率时，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电动机的同步转速，即存在滑差。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控制方式，它在控制电动机的电源频率变化的同时也控制变频器的输出电压，并使两者之比为恒定，从而使电动机的磁通基本保持恒定。

    电动机定子的感应电动势

   E1=4.44Kw1If1N1    (7-1)

式中  KW1-电动机绕组系数；

   f1-电源频率；

   N1-电动机绕组匝数；

    Φ-每极磁通。

    电动机端电压和感应电动势的关系式为

   U1=E1+(r1+jx1)I1    (7-2)

    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(7-1)可以看出，当电动机电源频率变化时，若电动机电压不随着变化，那么电动机的磁通将会出现饱和或欠励磁。例如当电动机的频率降低时，若继续保持电动机的端电压不变，即继续保持电动机感应电动势E不变，那么，由式(7-1)可知，电动机的磁通Φ将增大。由于电动机设计时其磁通常处于接近饱和值，磁通的进一步增大将导致电动机出现饱和。磁通出现饱和后将会造成电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗。而当电动机出现欠励磁时，将会影响电动机的输出转矩。因此，在改变电动机频率时，应对电动机的电压或电动势进行控制，以维持电动机的磁通恒定。在变频控制时，能保持E/f为恒定，可以维持磁通恒定。

    图7-1是采用恒定E/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，但产生最大转矩转差不同，所对应的转差频率不变。

    图7-1    异步时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比一定以保持磁通为恒定。但是采用U/f比一定控制，在频率降低后，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，电动机端电压和电动势近似相等的条件已不满足。

   U/f比一定的控制常用在通用变频器上。这类变频器主要用于风机、水泵的调速节能，以及对调速范围要求不高的场合。控制的突出优点是可以进行电动机的开环速度控制。

   U/f比一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，已不能忽略，不能认为定子电压和电机感应电动势近似相等，仍按U/f比一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比一定控制时的转速转矩特性。

    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，为了防止桥臂上下器件在导断切换时直通，造成短路而损坏，在控制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。对于大功率晶体管( GTR)，互锁时间约为10~ 30μs。对于绝缘栅晶体管(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降低。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，严重时变频器不能运行。

    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。补偿后的电压一频率变化曲线。采用电压补偿后的转速一转矩特性。

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