通用变频器的保持U/f恒定

    异步电动机的同步转速由电源频率和电动机极数决定，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，它在控制电动机的电源频率变化的同时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。    对于三相异步电动机，定子每相感应电动势的有效值是：    E1=4. 44KM f1N1ΦM    (2-4)式中 KM-电动机基波绕组系数；    f1-电源频率，Hz；    N1-电动机定子每相绕组串联匝数；    ΦM-每极气隙磁通，Wb。    上式表明，为了保持ΦM不变，在改变电源频率f1的同时，必须按比例改变感应电动势E1，才能有效地利用铁心。    图2-7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，由图中可以看出，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。    (1)基频以下调速    由式(2-4)可知，要保持ΦM不变，就要使E1／f1=常数。但绕组中的感应电动势是难以直接控制的．我们所能控制的是定子外加电压和定子频率。由图2-8异步电动机稳态等效电路可知电动机定子电压与感应电动势之间存在式(2-5)所示关系。
    图2-7    异步电动机变压变频调速的转矩特性曲线
    图2-8    异步电动机稳态等效电路和感应电动势    U1=E1+(R1+jω1L12)I1=E1+ZI1    (2-5)    式中，Z为异步电动机等效定子阻抗。    只要频率不是太低，式(2-5)中的定子阻抗压降ZI1就比E1小得多。因此，在电动机正常运转时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子外加电压与定子感应电动势近似相等，即U1≈E1，则得U1/f1=常数。这是恒压频比的控制方式（简称U/f控制），即只要保持外加电压U1和频率f1的比值恒定，气隙磁通就可以近似保持恒定。    但是采用U/f比恒定控制，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。    除了定子漏阻抗的影响外，逆变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。    此时，可以采用补偿电压的方法，即在低速时人为地把电压U1抬高一些，以便近似地补偿定子压降。如图2-9所示，带定子压降补偿的恒压频比控制特性为b线，无补偿的控制特性为a线。    (2)基频以上调速    如图2-10所示，当外加电源的频率超过电动机的额定频率时，即基频以上，电压不能上升，保持气隙磁通近似恒定，电压恒定而频率增加时，将迫使磁通与频率成反比例减小，为恒功率调速，弱磁升速。
    图2-9    恒压频比控制特性
    图2-10    异步电动机变频控制特性    (3) U/f比恒定控制运行中的不稳定现象及解决措施    当异步电动机用U/f比恒定控制的电源驱动时，在轻载时常会出现不稳定现象。在工频(50Hz)附近，这种不稳定现象很少发生。但在半速(20～30Hz)附近，电动机的电流会出现频率为10～20Hz的振荡，同时电动机的转速也发生摇摆，电动机发出不均匀的噪声。严重时变频器保护将会动作，造成系统运行中止。在电动机加速过程中如出现振荡，则无法完成驱动过程。    造成电动机不稳定的原因有很多。事实上，即使是采用正弦电压供电，在过渡过程时也有可能出现电流与转速的摇摆。从本质上说，2阶以上的系统存在产生振荡的内部因素，在一定条件下即可发生振荡。而描述异步电动机的状态方程式大于或等于4阶，具有产生振荡的内部条件。使用PWM方式的变频电源供电，在电源中存在极其丰富的谐波，这些谐波在电机中产生脉动转矩。脉动转矩成为异步电动机产生振荡的外部条件。通常转子电阻大的异步电动机和电机重载时不易发生振荡。    可以采取以下一些措施抑制变频器一异步电动机系统的振荡。    ①增大系统的机械转动惯量    异步电动机的振荡属机电联合振荡，增大转动惯量可以减小转矩脉动所引起的转速摇摆，从而抑制变频器一异步电动机系统的振荡。    ②增大电压型变频器直流侧的滤波电容    增大电容可以减小直流侧电压的纹波。    ③减小电压型变频器逆变桥上、下元件的互锁时间    即采用开关速度更快的电力半导体器件，或者降低PWM的调制频率，以减小互锁时间所造成的电压的下降。    ④改变PWM控制方式    例如将异步方式PWM改为同步方式PWM。异步方式PWM将会产生比基波频率低的谐波，低频谐波含量更丰富，相比之下，同步方式PWM的低次谐波含量小，对抑制振荡有好处。    ⑤构成电流负反馈或转矩负反馈控制    电流或转矩的调节过程比较快速，抑制效果好。