变频器的变频变压(U/f)控制方式

    前已述及，改变逆变管的通断速度就可改变变频器输出交流电的频率，其中输出交流电的幅值等于整流后的直流电压。经过研究发现，异步电动机调速时仅仅改变变频器输出的交流电频率，并不能正常调速，还必须同步改变变频器的交流输出电压。这是为什么呢？

    1．变频对异步电动机定子绕组反电动势的影响

    由《电机学》中的相关知识可知，异步电动机的轴转速为

   (2-1)

式中n-电动机的转速，r/min；

   f-定子供电频率，Hz；

   s-异步电动机的转差率；

   p-磁极对数。

    由公式（2-1）可知，只要平滑地调节异步电动机的供电频率f，就可以平滑地调节异步电动机的转速，实现调速运行。

    异步电动机在调速时，电机的每相定子绕组的感应电动势E的有效值为

   E=4.44kNfNΦm    (2-2)

式中E-旋转磁场切割定子绕组产生的感应电动势，V；

   f-定子供电频率，Hz；

   N-定子每相绕组串联匝数；

   kN-与绕组有关的结构常数；

    Φm-每极磁通量，Wb。

    由式(2-2)可知，如果定子每相电动势的有效值E不变，改变定子供电频率时会出现下面两种情况：

    如果f大于电动机的额定频率fN，气隙磁通Φm就会小于额定气隙磁通ΦmN，结果电动机的铁芯没有得到充分利用，造成浪费。

    如果f小于电动机的额定频率fN，气隙磁通Φm就会大于额定气隙磁通ΦmN，结果电动机的铁芯产生过饱和，从而导致过大的励磁电流，使电动机功率因数、效率下降，严重时会因绕组过热烧坏电动机。

    由此可见，变频调速时，单纯调节频率的办法是行不通的。

    因此，要实现变频调速，且在不损坏电动机的情况下充分利用电机铁芯，应保持每极磁通Φm不变。

    2．额定频率以下的调速

    由式(2-2)可知，要保持气隙磁通Φm不变，当频率f从额定频率fN向下调节时，必须降低E，使E/f=常数，即采用电动势与频率之比恒定的控制方式。但绕组中的感应电动势不易直接控制，当电动势的值较高时，可以认为电机的输入电压U=E，即可通过控制U达到控制E的目的，即保持

   U/f=常数    (2-3)

    通过以上分析可知，在额定频率以下调速时(f<fN)，调频的同时也要调压。

    在恒压频比条件下改变频率时，异步电动机的机械特性基本上是平行下移的，不同的运行速度，电动机输出的转矩恒定，如图2-10所示。因此，额定频率以下的调速属于“恒转矩”调速。

    需要注意的是，当频率较低，即电机低速时，U和E都较小，电机定子绕组上的压降不能忽略。这种情况下，可以人为地提高定子电压以补偿定子压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图2-11恒转矩调速部分所示，其中曲线1为U/f=常数时电压、频率关系曲线，曲线2为有电压补偿时（近似的E/f=常数）的电压、频率关系曲线。

    图2-10    异步电动机变频调速的机械特性

    图2-11    U/f控制曲线

    3．额定频率以上的调速

    当电动机超过额定频率fN工作时，由于电压U受其额定电压UN的限制不能再升高，只能保持U=UN不变。必然使主磁通Φm随着f的上升而减小，电机的最大电磁转矩也减小，机械特性上移，但电机的转速与转矩的乘积即电机的输出功率却保持不变，如图2-10中恒功率调速部分所示。因此，额定频率以下的调速属于“恒功率”调速。

    把额定频率以下的调速和额定频率以上的调速结合起来，可得到变频器的基本控制曲线如图2-12所示。

    图2-12    变频器的基本控制曲线

    4．变频变压的实现方法

    要使变频器在频率变化的同时电压也同步变化，并且保持U/f=常数，通常采用正弦脉宽调制SPWM(Sinusoidal PulseWidth Modulation)的方法。

    脉宽调制PWM的指导思想是将输出电压分解成很多脉冲，调频时控制脉冲的宽度和脉冲间的间隔时间就可控制输出电压的幅值，如图2-13所示。

    从图中可以看到，脉冲的宽度t1越大，脉冲的间隔t2越小，输出电压的平均值就越大。为了说明t1、t2和电压平均值之间的关系，引入了占空比的概念。所谓占空比是指脉冲宽度与一个脉冲周期的比值，用D表示，即

    由此可以说，输出电压的平均值与占空比成正比，调节电压输出就可以转变为调节脉冲的宽度，所以叫脉宽调制。图2-13 (a)所示为调制前的波形，电压周期为TN，图2-13 (b)所示为调制后的波形，电压周期为Tx。与图2-13 (a)所示相比，图2-13 (b)所示的电压周期变大（也就是说频率降低），电压脉冲的幅值不变，而占空比则减小，故平均电压降低。

    图2-13    脉宽调制的输出电压

   (a)调制前的波形；(b)调制后的波形

    由于变频器的输出是正弦交流电，即输出电压的幅值是按正弦波规律变化，因此在一个周期内的占空比也必须是变化的。也就是说，在正弦波的幅值部分，D取大一些，在正弦波到达零处，D取小一些，如图2-14所示。

    可以看到，这种脉宽调制的占空比是按正弦规律变化的，因此这种调制方法被称为正弦波脉宽调制，即SPWM。在SPWM的脉冲系列中，各脉冲的脉冲宽度t1和脉冲间隔t2都是变化的。

    那么变频器的正弦脉宽调制SPWM是如何产生的呢？通常是利用3个互差120°、既变幅又变频的正弦波参考电压波urU、urV、urW与载频三角波uc互相比较后，得到三相幅值不变而宽度按照正弦规律变化的脉冲调制波，去控制逆变管的通断时间进行调压、调频。经过SPWM调制的变频器U、V、W3个端子输出的电压波形uU、uV、uW如图2-15所示。

    图2-14    SPWM的输出电压

    图2-15    变频器U、V、W端子输出的电压波形