1.2 交流异步电动机变频调速原理

在使用电动机调速时，通常希望保持电动机气隙中每极主磁通量 Φ1为额定值不变，使电动机输出额定转矩，提高带负载的能力。因为如果磁通太弱，电机的铁心没有充分利用，电磁能量不能有效传递到转子侧，电机的设计能力没有得到充分利用，造成浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。所以在电动机变频调速时应尽量实现电动机气隙中的每极磁通量恒定。

在直流电动机中，励磁回路和电枢回路可以认为是各自独立的，只要对电枢反应进行恰当的补偿，气隙中的每极磁通量 Φ1保持恒定很容易做到。但在交流异步电动机中，Φ1由定子磁动势和转子磁动势合成产生，要保持每极磁通量恒定比直流电动机实现起来困难得多。

根据电机学中的知识，在假定忽略空间、时间谐波和磁饱和条件下，可以推导出交流异步电动机稳态运行时每相绕组的等值电路，如图1-1所示。

在图1-1中，E1是气隙中旋转磁场切割定子在其绕组中产生的感应电动势值；E2′是旋转磁场切割转子在其绕组中产生的感应电动势折算到定子侧的值；R1为定子绕组内阻值；R2′为转子绕组内阻折算到定子侧的值；x1为定子绕组漏电抗；x2′为转子绕组漏电抗折算到定子侧的值。

在等值电路中

式中，E1—— 气隙旋转磁场切割定子在其绕组中产生的感应电动势有效值；

f1—— 定子供电电源的频率；

N1—— 每相定子绕组串联匝数；

kN1—— 定子基波绕组系数；

Φ1—— 每极气隙主磁通量。

由式（1-2）得出

由式（1-3）可知，在改变定子绕组供电电源频率f1进行变频调速时，若要能够维持磁通Φ1恒定，必须同时协调地改变定子绕组的感应电动势E1，使电动势和频率比为常数，这就是变频调速中的恒电动势频率比控制方式。

然而，定子每相绕组中的感应电动势是难以直接控制的。我们知道交流异步电动机稳态运行时的电压平衡关系式为

由式（1-4）可知，当电动机速度较高时，感应电动势值较高，定子绕组漏阻抗上的压降相对感应电动势而言较小，若忽略的话，可以认为定子绕组每相的相电压U1≈E1。而定子每相绕组上的供电电压是较容易控制的，因此通常采用的是改变定子绕组供电电源频率f1进行变频调速时，同时协调地改变定子绕组的供电电压U1，使电压和频率比为常数，这就是变频调速中的恒压频率比控制方式，简称V/f控制。

在变频调速时，当定子绕组的电压频率已经上升到额定频率（基频）f1N时，定子电压也达到了额定电压U1N，若要超过额定转速运行，定子绕组的电压频率将由f1N继续向上升高，但考虑到绕组绝缘因素，定子电压不应该超过额定电压U1N，最多只能保持在额定电压U1N。这样，若频率继续升高，磁通必将随频率的升高成反比地降低，出现了相当于直流电动机弱磁升速的情况。因此交流异步电动机变频调速与直流电动机类似，也分为基频（基速）以下和基频（基速）以上两种情况。

1.基频以下调速

恒电动势频率比控制方式：=常数

恒压频率比控制方式（V/f控制）:=常数

普通电动机采用的是冷轧硅钢片铁心，其磁路导磁系数不是常数。在变频调速低频段，随着供电电压的降低，电机电流很小，使得这种冷轧硅钢片铁心工作点远低于磁化曲线的膝点，铁心的导磁系数相对较小，磁通量减小，电动机输出转矩降低。

V/f控制的主要问题是低频工作时的输出转矩下降过大，也可以这样理解，低频时U1和E1都较小，定子绕组的漏阻抗上的压降相对感应电动势而言所占的分量就比较显著，造成电机绕组中电流产生的磁通在定子铁心和转子铁心中闭合的数量会相对减少，表现为对铁心的磁化力不足，导致电机的电磁转矩严重下降，实际运行时将可能因电磁转矩不足或负载转矩相对较大而无法起动和无法低频运行。这时，若要维持每极气隙中主磁通量的恒定，定子绕组的漏阻抗上的压降不能再忽略，需要人为地把电压U1适当升高，近似地补偿定子绕组漏阻抗上的压降，因此现代变频器中均设置有相应的转矩提升功能或称为电压补偿功能，并为不同的负载提供了多条补偿特性曲线，为低频段设定了不同的转矩提升量，如富士5000G11S/P11S系列变频器就提供了38条不同状态下的转矩提升曲线。在变频器调试时选择不同的转矩提升曲线，对不同负载在低频段进行补偿，以满足负载起动和低速运行的要求。

如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即在允许温升下都能长期运行，则转矩基本上随磁通变化，所以磁通恒定时转矩也必恒定，因此在基频以下变频调速属于恒转矩调速。

低频转矩提升是通过改变f1= 0时的输出电压U1，即改变V/f控制曲线的起点，来补偿定子漏阻抗压降，提升输出转矩的一种方法，如图 1-2（a）中所示的 b、c 控制曲线。多点V/f设定，则是人为规定V/f比来改变V/f控制曲线形状的控制方法，其负载适应性更好，如图1-2（b）中所示的控制曲线。转差频率补偿是另一种补偿方法，是根据交流电动机的机械特性曲线与额定电流、转差，按实际输出电流推算出稳态速降，并通过提高输出频率补偿稳态速降的一种方法。转差频率补偿、定子漏阻抗压降补偿是开环 V/f控制常用的功能。在精度要求高的场合，还可采用闭环V/f控制来减小或消除稳态速度误差。

现代变频器在使用改进的 V/f控制功能后，3Hz 工作时的连续输出转矩与最大输出转矩已分别可达 50%TMN（TMN为电动机额定转矩）与150%TMN以上，输出转矩大于50%TMN的有效调速范围为40∶1左右；速度响应为10～20rad/s；开环速度精度为±（2～3）%，闭环控制时速度精度可达±（0.2～0.3）%。

2.基频以上调速

若超过基频调速，磁通将由额定磁通开始降低，出现弱磁升速情况，但转速升高时转矩却降低，所以基本上属于电动机的恒功率调速方式。

图1-3所示是交流异步电机变压变频调速的控制特性。