变频器的U/f控制方式及控制特性

    作为变频器调速控制方式，U/f控制比较简单，多用于通用变频器、风机、泵类机械的节能运行及生产流水线的工作台传动等。另外，一些家用电器也采用U/f控制的变频器。

    图2-29所示为一种典型的全数字U/f控制IGBT-SPWM变频调速系统原理图。它包括主电路、驱动电路、控制电路、保护信号采集与综合电路。

    变频器的主电路由不可控制整流器UR、SPWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型采用大电容C滤波，同时对感性负载电流衰减起储能作用。由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管。为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串入限流电阻（或电抗）Ro。合上电源以后，延时用开关将Ro短路，以免造成附加损耗。

    由于二极管整流器不能为异步电机再生制动提供反向电流的途径，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻（如图2-29中的Rb）吸收制动能量。制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路电压（通称泵升电压）升高到一定限制值时，通过泵升限制电路使开关器件Vb导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻Rb上。为了便于散热。制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。

    整流器UR采用三相桥式全波整流，由于其输出端接有滤波的大电容，其导通角必定小，因此，输入电流呈脉冲波形，这样的电流会有较大的谐波成分，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的SPWM变频器，都应在输入端设置进线电抗器Lin，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。Lin也可用来抑制电源电压不平衡的影响。

    图2-29    SPWM变频调速系统原理图

    现代SPWM变频器的控制电路基本上都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接收各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的SPWM信号。微机芯片主要采用16位的单片机或32位的DSP，有一些变频器采用RISC。

    在市场上，U/f控制变频器分为两大类，一类是价格比较便宜的普通功能型U/f控制通用变频器，另一类则是新一代的高功能型U/f控制通用变频器。

    普通功能型的U/f控制通用变频器属于第一代产品，近似的恒磁通控制方式，是一种频率开环控制系统。定子频率和电压之间的关系曲线的形状，即U/f模式，可以在控制面板上进行设定或选择。U/f模式是普通功能型通用变频器的核心功能。为了保证通用变频器的性能，通常还有瞬停再启动功能，变频器和电网间的自动切换功能，控制信号的设定、调整功能，联锁信号的输入和输出功能，以及对变频器、电机的保护功能，对故障信息的存储和显示功能等。

    这种控制方式虽属普通功能型，但由于全数字控制方式软件的灵活性，也表现出较优异的功能和性能，有较强的通用性，得到广泛的应用。

    此类变频器的主要缺点是：由于是人为选定U/f曲线模式的方法，很难根据负载转矩的变化恰当地调整电机的转矩。负载冲击或启动过快，有时会引起过电流跳闸。由于定子电流不总是与转子电流成正比，所以根据定子电流调节变频器电压的方法，并不反映负载转矩。因此，定子电压也不能根据负载转矩的改变而恰当地改变电磁转矩。特别是在低速下，定子电压的设定值相对较低。实行准确的“电压补偿”很困难，这是第一个缺点。采用U/f控制方式，无法准确地控制电机的实际转速，这是因为设定频率值是定子电流的频率而电机的转速由转差率（负载）决定，所以U/f控制方式的静态稳定性不高，这是它的第二个缺点。转速很低时，转矩不足，这是它的第三个缺点。

    上述的普通功能型U/f控制通用变频器的缺点，都是由于变频器没有转矩控制功能引起的。为了提高变频器的性能，人们采取了一系列的措施，其着眼点都在于实现转矩控制功能。

    新一代高功能型通用变频器，是指具有转矩控制功能的（无速度传感器）U/f控制式通用变频器。富士公司的FRENIC5000G7/P7，G9/P9，三垦公司的SAMCO-L系列均属于此类，它们采用32位DSP或双16位CPU进行控制，运算速度大幅度提高；采用了磁通补偿器、转差补偿器和电流限制控制器，用以实现转矩控制功能。

    采用这种控制方式，可使极低速度下的转矩过载能力达到或超过150%；频率设定范围达到1：30；电机的静态机械特性的硬度高于在工频电网上运行的自然机械特性的硬度，具有“挖土机”特性和“无跳闸”能力。

    具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，其原理图如图2-30所示。控制电路中包括实现转矩控制和对逆变器进行PWM控制两部分。后一部分没有特殊的变化，要求此部分电路保证输出正弦波形，且具有足够的响应速度。

    图2-30    具有转矩控制功能的高功能型通用变频器原理图

    转矩控制部分包括有功、无功分量检测器，磁通补偿器，转差补偿器和电流限制控制器。后三者的作用是根据定子电流的有功分量It和无功分量Im去计算变频器的频率参考值和电压参考值，即图中的f1*和U1*，以保证转子磁场的恒定，并在负载出现冲击的情况下，适当地补偿Φ2*，以防止过电流跳闸。

    这种控制方式除需要定子电流传感器外，不再需要任何传感器，通用性强，适于各种型号的通用异步电机。