变频器的V/f控制方式及工作原理

    在上一节我们曾经提到，对于异步电动机，只要改变其供电电源的频率，即可以改变电动机的转速，达到进行调速运转的目的。但是，对于一个实际的交流调速控制系统来说，事情远远不是那么简单。这是因为当电动机电源的频率被改变时，电动机的内部阻抗也将随之改变，从而引起励磁电流的变化，使电动机出现励磁不足或励磁过强的情况。在励磁不足的情况下电动机将难以给出足够的转矩，而在励磁过强时电动机又将出现磁饱和，造成电动机功率因数和效率的下降。因此，为了得到理想的转矩_速度特性，在改变电源频率进行调速的同时，必须采取必要的措施来保证电动机的气隙磁通处于高效状态（即保持磁通不变）。这就是V/f控制的出发点。    在图2-3给出的异步电动机等效电路中，设电动机的气隙磁通用Φ表示，则可以看出，励磁电流IM，感应电势E和气隙磁通Φ之间有如下关系    Φ= MIM    (2- 4)    E=j2πfMIM=j2πfΦ    (2-5)因此，为了使气隙磁通Φ在整个调速过程中保持不变，只需在改变电源频率f的同时改变感应电动势E，使其满足    E/f=常值    (2-6)即可。    但是，在电动机的实际调速控制过程中，由于E为电动机的感应电动势，无法直接进行检测和控制，必须采用其他方法才能使式2-6得到满足。    另一方面，从图2-3的等效电路还可以得知。    V=I1Z1+E    (2-7)其中，Z1=j2πL1+r1为定子阻抗。    因此，当定子阻抗上的压降与定子电压相比很小时，由于V≈E，所以，只要控制电源电压和频率，使得    V/f=常值    (2-8)即可使式2-6近似得到满足。    基于式2-8的变频器被称为采用了V/f控制方式的变频器，简称为V/f控制变频器。而与此相对应，基于式2-6的变频器则被称为E/f控制变频器。很明显，E/f控制变频器的特性要优于V/f控制变频器。    初期的通用型变频器基本上采用的是V/f控制方式。但是，由于在实际的电路中存在着定子阻抗上的压降，尤其是当电动机进行低速运转时感应电动势较小，定子阻抗上的压降更不能忽略。因此，为了得到与E/f控制相近的特性，必须对这部分压降进行补偿。为了改善V/f变频器在低频时的转矩特性，使之得到与E/f控制变频器相近的特性，各个厂家都在自己的产品中采取了不同的补偿措施，以保证当电动机在低速区域运行时仍然能够得到较大的输出转矩。这种补偿也称为变频器的转矩增强功能或转矩提升功能。    变频器的转矩增强功能可以分为起始转矩增强功能和全范围转矩自动增强功能。所谓起始转矩增强功能指的是在变频器的低频输出区域按照某一规则在变频器的输出电压上加上一定的补偿，从而达到提高输出转矩的目的。而在具有全范围转矩自动增强功能的变频器中，电压补偿是在电动机的整个运行范围中进行的。    在具有全范围转矩自动增强功能的变频器中，检测电路对电动机的电流和电压进行实时检测，而CPU则按照E/f一定的要求进行计算后求出所需的压降补偿。这种控制方式更接近真正的E/f控制，并且在性能方面优于只采用了简单的起始转矩增强补偿的变频器。    由于E/f控制和V/f控制在控制原理上并无不同，这两种控制方式通常统称为V/f控制。    图2-10给出了采用了V/f控制和E/f控制的电动机转矩一速度特性和定子电流，速度特性比较。从图中可以看出，在低速区域，采用E/f控制的电动机可以给出较大的转矩。
    图2-10    V/f控制与E/f控制时的电动机转矩特性比较    ( a)-V/f控制时的电动机转矩-速度特性和定子电流-速度特性；    (b)-E/f控制时的电动机转矩-速度特性和定子电流-速度特性    V/f控制变频器虽然结构比较简单，但是，由于这种变频器采用的是开环控制方式，其精度和动态特性并不是十分理想，尤其是在低速区电压调整比较困难，难以得到较大的调速范围。所以采用这种控制方式的变频器一般是对控制性能要求不太高的通用变频器。