异步电动机的变频调速控制方式

异步电动机的变频调速控制方式

为了更好地在整体上对异步电动机的变频调速控制方式加以认识，本文简要介绍了异步电动机调速的基本方法。按时间顺序综述了异步电动机变频调速的经典控制方式的基本原理，分析了它们的优缺点，并给出了实际应用。对所述各种控制方式之间的内在联系和区别进行了归纳和总结。对未来异步电动机变频调速控制方式的发展做出了展望，为异步电动机变频调速控制方式的研究提供了参考。 1 引言

由电机理论[1]可知，异步电动机转速公式为：

60(1)

f s n p

-=

（1） 其中：n —异步电动机的转速 f —电源频率 s —转差率 p —极对数

由式(1)知，异步电动机的调速可通过变频、变极对数和变转差率实现。本文只讨论异步电动机的变频调速策略。

自上个世纪90年代以来，近代交流调速步入以变频调速为主的发展阶段，其间，由于各种新型电力电子器件的支持，使变频调速在低压（380V ）中小容量（200KW 以下）方面取得了较大发展[2]。

通常，为了充分发挥电动机的性能，应保持定子磁链幅值为额定值。由电机学的知识可知，异步电机气隙磁通在定子绕组中的感应电势有效值：

4.44s s s m E fN K φ= （2）

其中:

s E —气隙磁通在定子绕组中的感应电势; s f —定子电流频率;

m φ—每极气隙磁通; s N —绕组匝数; s K —系数

可见，只要控制s E 和s f ，即可控制磁通。 由定子电压平衡关系（式中只表示大小）：

1111()s U I r jX E =++ （3）

其中：

1U —电动机的端电压 1I —定子电流; 1r —定子电阻; 1X —定子漏抗;

当定子电流频率s f 较高时，感应电势s E 的有效值就较大，可以认为定子相电压有效值1U ＝s E 。由此，可以通过控制使/U f 恒定，使磁通恒定。要恒U/f 控制，就必须使频率和输出电压同时改变，这就是变压变频，即VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)调速技术。

2 控制方式

2.1 SPWM控制

PWM（Pulse Width Modulation）控制的基本原理很早就已经提出，它是基于采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。由此，可对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需的波形[3]。

1964年A.Schonung和H.stemmler把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面，但是受电力电子器件发展水平的制约，在20世纪80年代以前一直未能实现。随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

如今，工程上采用的PWM控制技术主要是正弦PWM，即SPWM，它是用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。SPWM控制不仅可以实现变压变频，而且能削弱或消除有害的高次谐波。

SPWM方案主要有电压正弦PWM、电流正弦PWM：电压正弦PWM是通过调节逆变器输出脉冲的占空比来调节输出平均电压，使其等效为正弦波形。电流正弦PWM是为了改善逆变输出电流波形提出的电流闭环控制方式，常用方法是电流滞环SPWM[4]，就是以一个理想的电流正弦波形为标准，与实际电流波形作比较，实际电流围绕理想电流在滞

环容差范围内作往复振动，使输出电流近似正弦波形。

早期通用变频器多为SPWM控制方式。其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是转矩响应慢，电机转矩利用率不高，性能、稳定性差。

对于SPWM控制的三相PWM逆变电路来说，在调制度为最大值1

时，输出相电压的基波幅值为/2

U（d U为直流侧电压），输出线电压

d

基波幅值为

U，即直流电压利用率仅为0.866。为了解决这个问

2)

d

题，人们想到了空间矢量PWM控制技术。

2.2 空间电压矢量PWM

空间电压矢量PWM（SVPWM）控制技术，又称磁通正弦PWM控制技术。电压SPWM和电流SPWM是从电源角度出发，分别追求电压和电流的正弦，而SVPWM则是从电机的角度出发，把电动机和逆变器看成一个整体，着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场，因为异步电动机在理想状态下运行时的磁链轨迹即为圆形。

根据三相逆变器的原理，逆变器共有8种工作状态。假设上桥臂导通用“1”，下桥臂导通用“0”表示，那么这8个状态就对应着8个数字量，将它们定义为8个基本电压矢量则有：

u（000）、1u（100）、

u（110）、3u（010）、4u（011）、5u（001）、6u（101）、7u（111），2

如图1所示。

(110)

(010)

(001)

(101)

2u 1

u 3u 54

u 60u 7u

图1 基本电压空间矢量图

异步电动机定子磁链与电压关系如式（4）

()s s s s u i R dt ψ=-⎰ （4）

其中：

s ψ—定子磁链空间矢量

s s s u i R 、、—定子电压空间矢量、电流空间矢量、电阻

可见，空间电压矢量的方向即定子磁链的旋转方向。因此，利用上述的8个电压矢量的线性组合，就可以得到更多的与其相位不同的新的电压矢量，最终构成一幅等幅的不同相位的电压空间矢量图，叠加形成尽可能接近圆形旋转的电压空间矢量轨迹，进而使定子磁链旋转轨迹近似圆形。

将这8个电压矢量首尾相连形成的正六边形就是SVPWM 方式所输出的最大幅值电压矢量端点的轨迹，如图1，设此电压矢量最大幅值为ref U 。正六边形的内切圆则为要获得的接近圆形旋转的电压空间矢量轨迹，内切圆半径为逆变器输出三相电压的最大相电压峰值，设为