变频器恒压频比控制中调速特性及修正

变频器恒压频比控制中调速特性及修正

【摘要】本文从变频器的恒压频比控制原理入手，通过对其机械特性的分析，提出实际应用中实现转矩提升的修正方法，供读者参考。

【关键词】变频器；恒压频比；机械特性；转矩提升

变频器问世之前，在需要进行调速控制的拖动系统中基本上都是采用直流电机。随着电力电子技术的不断发展，通过变频技术改变交流电的频率和电压来实现对交流电机的平滑调速成为可能。如今，变频器凭借其低功耗、高效率、控制电路简单等优点，成为了电气传动控制系统中的重要组成部分。目前，变频器主要的控制方式包括：恒压频比控制（恒控制）、转差频率控制（SFC）、矢量控制（VC）和直接转矩控制（DTC）等方式。其中，恒控制作为最基本的变频调速控制方式，广泛应用于各行各业的交流电机调速系统中。但是，这种控制方式也有其不足之处，在实际应用中应该引起足够的重视，并通过正确的方法对其予以修正。

1 恒控制原理

由于三相异步电动机的转速，在电机磁极对数和转差率s一定时，则有，即电机转速正比于电源频率。由此可见，只要平滑地改变三相异步电动机的电源频率，就可使电机的转速得到平滑调节。但事实上，仅仅依靠改变电源频率并不能实现对电机的正常无极调速。

对于三相异步电机而言，每相定子绕组的反电动势为。式中，为电源频率，为每极气隙主磁通量。如果电机一旦选定，其结构常数和定子绕组匝数也就确定了，即为一常数，则有。在额定频率（=）时，由于电源电压U1？U，在忽略电动机定子绕组压降VU的情况下，则有U1=E1+VU≈E1∝。由此可见，若使电机定子绕组电压U1恒定，则E1也恒定，那么改变电机的电源频率必将引起主磁通的相应变化。如果主磁通太弱，就不能充分利用电机的铁芯，是对电机的浪费；如果主磁通过大，又会使铁芯过饱和，这将使励磁电流急剧升高，从而使铁芯损耗急剧增加，线圈绕组过热，导致电动机不能正常工作，甚至损毁。由此可见，在变频调速时单纯调节电源频率是行不通的。

因此，对三相异步电动机进行调速时，通常希望使主磁通保持恒定。这样，对于基频以下（）的调速，由U1≈E1∝，可得U1/≈E1/=常数，即在电源频率下调时，还需要同步下调电动机的定子绕组反电动势E1。但是，由于E1不便于直接检测和调节，在实际操作中通常同步下调与E1近似相等的电源电压U1，以使电机气隙磁通保持相对恒定，这就是变频器的恒压频比控制方式，即恒控制。

2 变频器恒控制方式的机械特性及存在的问题

在恒控制方式下，通过变频器改变电源频率，则异步电动机的电磁转矩T

和转速之间的函数关系，就称为变频器恒控制方式下电动机的机械特性。

频率调节通常是相对于电动机的额定频率的，调频频率则为，其中称为调频比。当＞1时，称为基频以上的调频，如果要保持恒定，则当提高电源频率的同时必然提高电源电压，但是由于电动机工作电压不允许超过其额定电压，显然此时电动机压频比就不能再保持恒定了，由此可见，基频以上的调频不适合使用恒控制方式。当＜1时，称为基频以下的调频，降低电源频率的同时也降低电源电压，以使保持恒定，实现恒压频比控制，变频后电动机的机械特性曲线如图1所示。

从图1中的各条机械特性曲线可见：①虽然电源频率不同，但是各机械特性曲线的斜率基本是一致的，机械特性较硬。②从额定频率向下变频时，电动机的同步转速和临界电磁转矩均逐渐减小。当下调幅度较小时，调频比接近于1，减小很少，可认为≈（如图1中的曲线）；当下调幅度较大时，调频比接近于0，急剧减小，可认为=（如图1中的曲线）。这也正是问题所在，即在低频时，的大幅减小将严重影响电动机在低速时的带负荷能力，必须加以修正。

3 对基频以下变频调速机械特性的修正

3.1临界电磁转矩减小的原因

在恒控制方式下进行基频以下（）的变频调速时，由于为了防止电动机铁芯主磁通过饱和，必须保证≈E1/=常数，而定子绕组的反电动势E1本身不便于直接检测和调节，所以就要以忽略电动机定子绕组阻抗压降VU为代价，用对电源电压U1的调节来近似代替对反电动势E1的调节。当频率下调幅度较小时，电源电压U1下降的幅度也很小，VU在U1中的比重就小，因忽略VU对电动机电磁转矩T带来的影响并不大。但随着频率下调的幅度较来越大，电源电压U1下降的幅度也大幅增加，而VU的变化并不大，这就使VU在U1中的比重越来越大，此时若再忽略VU而继续保持恒定就会引起很大的误差，即使得E1/的比值不断减小，主磁通也随之减小，从而引起临界电磁转矩的减小。

3.2低频时电动机的转矩提升

根据上述分析，针对低频时电动机主磁通和临界电磁转矩下降严重的问题，可以通过适当提高调压比（），使＞，即通过提高电源电压U1，使定子绕组反电动势E1也得到适当提高，从而保证低频时E1/的比值仍然恒定，最终使电动机的主磁通和临界电磁转矩得到补偿。这种补偿方式称为电压补偿或转矩提升。经过电压补偿后，电动机在低频时的机械特性得到改善，临界电磁转矩大幅提高，其机械特性曲线如图2所示。

需要指出的是，电压补偿的量并非越大越好。应该通过适当提高电源电压U1使得低频时的临界电磁转矩与额定频率时的临界电磁转矩相等，以保证电动机在低频时具有相同的过载能力，这种补偿方式称为完全补偿。如果低频时的选择不当，使得电压补偿过多，造成E1/过大，从而使电机主磁通过大，引起电动

机铁芯过饱和，导致励磁电流峰值增大，电动机绕组线圈过热，严重时可能会使变频器因过电流而跳闸。综上所述，低频时的切不可盲目取大，应根据实际的情况适当选取控制曲线。

4 结束语

实践证明，通过电压完全补偿来修正低频时电动机的机械特性曲线是行之有效的方法，但在负荷变化较大的拖动系统中，会不可避免的出现轻载时过补偿的问题。为此，一些高性能的变频器还设置了自动转矩补偿功能，但“自动比设定”功能在实际应用中的运行情况也并不理想。随着变频器技术的不断发展，相信恒控制中的过补偿问题将会有更好的解决方案。

【参考文献】

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