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一、交流异步电动机的调速方法

众所周知，直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标，在很长的一个历史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。但直流电动机由于受换向器限制，使其维修工作量大，事故率高，使用环境受限，很难向高电压、高转速、大容量发展。与直流电动机相比，交流电动机具有结构简单、制造容易、维护工作量小等优点，但交流电动机的控制却比直流电动机复杂得多。早期的交流传动均用于不可调速传动，而可调速传动则用直流传动。随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，交流调速技术日益成熟，在许多方面已经可以取代直流调速系统；特别是各类通用变频器的出现，使交流调速已逐渐成为电气传动中的主流。

异步电动机的转速公式

式中，f1——异步电动机定子绕组上交流电源的频率（Hz）；

p ——异步电动机的磁极对数；

s ——异步电动机的转差率；

n——异步电动机的转速（r/min）。

n1——异步电动机的同步转速（r/min）。

根据式（1-1）可知，交流异步电动机有下列3种基本调速方法。

① 改变定子绕组的磁极对数p，称为变极调速。

② 改变转差率s，其方法有改变电压调速、绕线式异步电动机转子串电阻调速和串级调速。

③ 改变电源频率f1，称为变频调速。

1.变极调速

在电源频率f1不变的条件下，改变电动机的极对数p，电动机的同步转速n1就会变化，从而改变电动机的转速 n。若极对数减少一半，同步转速就升高一倍，电动机的转速也几乎升高一倍。这种调速方法通常用改变电动机定子绕组的接法来改变极对数。这种电动机称为多速电动机。其转子均采用笼型转子，转子感应的极对数能自动与定子相适应。这种电动机在制造时，从定子绕组中抽出一些线头，以便使用时调换。下面以一相绕组来说明变极原理。先将U相绕组中的2个半相绕组a1x1与a2x2采用顺向串联，如图1-1所示，产生2对磁极。若将U相绕组中的一半相绕组a2x2反向并联，如图1-2所示，则产生1对磁极。

目前，我国多极电动机定子绕组连接方式常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写为Y/YY，如图1-3所示；另一种是从三角形改成双星形，写为△/YY，如图1-4所示，这两种接法可使电动机极对数减少一半。在改接绕组时，为了使电动机转向不变，应把绕组的相序改接一下。

变极调速主要用于各种机床及其他设备上。其优点是设备简单，操作方便，具有较硬的机械特性，稳定性好；其缺点是电动机绕组引出头较多，调速级数少，级差大，不能实现无级调速，电动机体积大，制造成本高。

2.变转差率调速

改变定子电压调速、转子串电阻调速和串级调速都属于改变转差率调速。这些调速方法的共同特点是在调速过程中都产生大量的转差功率。前两种调速方法都是把转差功率消耗在转子电路里，很不经济；而串级调速则能将转差功率加以吸收或大部分反馈给电网，提高了经济性能。

（1）改变定子电压调速：由异步电动机电磁转矩和机械特性方程可知，在一定转速下，异步电动机的电磁转矩与定子电压的平方成正比。因此改变定子外加电压就可以改变其机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定输出转矩下的转速。

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。如图1-5所示，曲线1为电动机的固有机械特性，曲线2为定子电压是额定电压的0.7倍时的机械特性。从图中可以看出：同步转速n0不变，最大转差或临界转差率Sm不变。当负载为恒转矩负载TL时，随着电压从UN减小到0.7UN，转速相应地从n1减小到n2，转差率增大，显然可以认为调压调速属于改变转差率的调速方法。

该调速方法的调速范围较小，低压时机械特性太软，转速变化大。为改善调速特性，可采用带速度负反馈的闭环控制系统来解决该问题。

目前广泛采用晶闸管交流调压电路来实现定子调压调速。

（2）转子串电阻调速：绕线式异步电动机转子串电阻调速的机械特性如图 1-6 所示。转子串电阻时最大转矩 Tm不变，临界转差率增大。所串电阻越大，运行段机械特性斜率越大。若带恒转矩负载，原来运行在固有特性曲线1的a点上，在转子串电阻R1后，就运行在b点上，转速由na变为nb，依此类推。

转子串电阻调速的优点是设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机，如桥式起重机等。缺点是转子绕组需经过电刷引出，属于有级调速，平滑性差；由于转子中电流很大，在串接电阻上产生很大损耗，所以电动机的效率很低，机械特性较软，调速精度差。

（3）串级调速： 串级调速方式是指绕线式异步电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，从而达到调速的目的。其优点是可以通过某种控制方式，使转子回路的能量回馈到电网，从而提高效率；在适当的控制方式下，可以实现低同步或高同步的连续调速。缺点是只能适应于绕线式异步电动机，且控制系统相对复杂。

3.变频调速

交流变频调速技术的原理是把工频50Hz 的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流异步电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的（即VVVF技术）。

交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机、变频器及控制器组成。它与直流调速系统相比具有以下显著优点。

① 变频调速装置的大容量化。直流电动机由于受换向器限制，单机容量、最高转速及使用环境都受到限制。其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电动机可做到6～10kV。直流电动机的转速一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电动机的速度可以达到每分钟数千转，以满足高速机械的运行要求。

② 变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好。

③ 变频调速系统可以直接在线启动，启动转矩大，启动电流小，减小了对电网和设备的冲击，并具有转矩提升功能，节省软启动装置。

④ 变频器内置功能多，可满足不同工艺要求；保护功能完善，能自诊断显示故障所在，维护简便；具有通用的外部接口端子，可同计算机、PLC联机，便于实现自动控制。

⑤ 变频调速系统在节约能源方面有着很大的优势，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术。其中以风机、泵类负载的节能效果最为显著，节电率可达到20%～60%。由于风机、水泵等负载的功率消耗与电动机转速的3次方成正比，因此当负载的转速小于电动机额定转速时，其节能潜力比较大。

二、变频调速原理

1.变频调速的条件

从式（1-1）来看，只要改变定子绕组的电源频率f1就可以调节转速大小了，但是事实上只改变f1并不能正常调速，而且可能导致电动机运行性能的恶化。其原因分析如下。

由电动机学原理知，三相异步电动机定子绕组的反电动势E1的表达式为

式中，E1——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；

N1——每相定子绕组的匝数；

KN1——与绕组结构有关的常数；

Φm——电动机每极气隙磁通。

由于式（1-2）中的4.44、N1、KN1均为常数，所以定子绕组的反电动势可用式（1-3）表示，即

根据三相异步电动机的等效电路知，E1=U1+△U，当E1和f1的值较大时，定子的漏阻抗相对比较小，漏阻抗压降△U可以忽略不计，即可认为电动机的定子电压U1≈E1，因此可将式（1-3）写成

若电动机的定子电压U1保持不变，则E1也基本保持不变，由式（1-4）可知，当定子绕组的交流电源频率f1由基频f1N向下调节时，将会引起主磁通Φm的增加。由于额定工作时电动机的磁通已经接近饱和，Φm继续增大，将会使电动机磁路过分饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。而从基频f1N向上调节时，主磁通Φm将减少，铁芯利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩T下降，电动机的负载能力下降，电动机的容量也得不到充分利用。因此为维持电动机输出转矩不变，我们希望在调节频率f1的同时能够维持主磁通Φm不变（即恒磁通控制方式）。

以电动机的额定频率 f1N为基准频率，称为基频。变频调速时，可以从基频向上调，也可以从基频向下调。

2.基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速

当在额定频率以下调频，即f1＜f1N时，为了保证Φm不变，根据式（1-3）得

也就是说，在频率f1下调时也同步下调反电动势E1，但是由于异步电动机定子绕组中的感应电动势E1无法直接检测和控制，根据U1≈E1，可以通过控制U1达到控制E1的目的，即

通过以上分析可知：在额定频率以下调频时（f1＜f1N），调频的同时也要调压。将这种调速方法称为变压变频（Variable Voltage Variable Frequency,VVVF）调速控制，也称为恒压频比控制方式。

当定子电源频率ƒ1很低时，U1也很低。此时定子绕组上的电压降△U在电压U1中所占的比例增加，将使定子电流减小，从而使Φm减小，这将引起低速时的最大输出转矩减小。可用提高 U1来补偿△U的影响，使E1/ƒ1不变，即 Φm不变，这种控制方法称为电压补偿，也称为转矩提升。定子电源频率f1越低，定子绕组电压补偿得越大，带定子压降补偿控制的恒压频比控制特性如图1-7所示。

如图1-7所示，曲线1为U1/f1=常数时的电压与频率关系曲线；曲线2为有电压补偿时，即近似的E1/f1为常数时的电压与频率关系曲线。实际上变频器装置中相电压U1和频率f1的函数关系并不简单地如曲线2一样，通用变频器有几十种电压与频率函数关系曲线，可以根据负载性质和运行状况加以选择。

在基频以下调速时，采用U/f控制方式以保持主磁通 Φm的恒定，电动机的机械特性曲线如图1-8中f1N曲线以下的曲线所示。此过程中，电磁转矩T恒定，电动机带负载的能力不变，属于恒转矩调速。如图1-8所示，曲线f4中的虚线是进行电压补偿后的机械特性曲线。

观察各条机械特性曲线，它们的特征如下。

① 从额定频率向下调频时，理想空载转速减小，最大转矩逐渐减小。

② 频率在额定频率附近下调时，最大转矩减少，可以近似认为不变；频率调得很低时，最大转矩减小很快。

③ 频率不同时，最大转矩点对应的转差△n变化不是很大，所以稳定工作区的机械特性基本是平行的。

3.基频以上恒功率（恒电压）变频调速

当定子绕组的交流电源频率f1由基频f1N向上调节时，若按照U1/f1=常数的规律控制，电压也必须由额定值U1N向上增大。由于电动机不能超过额定电压运行，所以频率f1由额定值向上升高时，由式（1-4）可知，定子电压不可能随之升高，只能保持U1=U1N不变。这样必然会使 Φm随着 ƒ1的升高而下降，类似于直流电动机的弱磁调速。由电动机学原理知，Φm的下降将引起电磁转矩T的下降。频率越高，主磁通Φm下降得越多，由于Φm与电流或转矩成正比，因此电磁转矩T也变小。需要注意的是，这时的电磁转矩T仍应比负载转矩大，否则会出现电动机的堵转。在这种控制方式下，转速越高，转矩越低，但是转速与转矩的乘积（输出功率）基本不变，所以基频以上调速属于弱磁恒功率调速。其机械特性曲线如图1-8中f1N曲线以上2条曲线所示。其特征如下。

① 额定频率以上调频时，理想空载转速增大，最大转矩大幅减小。

② 最大转矩点对应的转差△n几乎不变，但由于最大转矩减小很多，所以机械特性斜度加大，曲线特性变软。

4.变频调速特性的特点

把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图1-9所示的异步电动机变频调速的控制特性。按照电力拖动原理，在基频以下，属于恒转矩调速的性质，而在基频以上，属于恒功率调速性质。

（1）恒转矩的调速特性。这里的恒转矩是指在转速的变化过程中，电动机具有输出恒定转矩的能力。在f1＜f1N的范围内变频调速时，经过补偿后，各条机械特性的临界转矩基本为一定值，因此该区域基本为恒转矩调速区域，适合带恒转矩负载。从另一方面来看，经补偿以后的f1＜f1N调速，可基本认为E/f = 常数，即Φm不变，根据电动机的转矩公式知，在负载不变的情况下，电动机输出的电磁转矩基本为一定值。

（2）恒功率的调速特性。这里的恒功率是指在转速的变化过程中，电动机具有输出恒定功率的能力，在f1＞f1N下，频率越高，主磁通Φm必然相应下降，电磁转矩T也越小，而电动机的功率P = T(↓)ω(↑)=常数，因此f1＞f1N时，电动机具有恒功率的调速特性，适合带恒功率负载。

三、通用变频器的基本结构

变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变换器。它与外界的联系基本上分为主电路、控制电路2个部分，如图1-10所示。

1.主电路

交—直—交变频器的主电路如图1-11所示，由整流电路、能耗电路和逆变电路组成。

（1）整流电路。

① 整流管VD1～VD6。在图1-11中，二极管VD1～VD6组成三相整流桥，将电源的三相交流电全波整流成直流电。如电源的线电压为UL，则三相全波整流后平均直流电压UD的大小是

我国三相电源的线电压为380V，故全波整流后的平均电压是

变频器的三相桥式整流电路常采用集成电路模块，其整流桥集成电路模块如图 1-12所示。

② 滤波电容器CF。图1-11中的滤波电容器CF有两个功能：一是滤平全波整流后的电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。

③ 电源指示 HL。HL 除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕。

（2）能耗电路。电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能将转变成电能反馈到直流电路中，使直流电压 UD不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使UD保持在允许范围内。图1-11所示的制动电阻RB就是用来消耗这部分能量的。

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泵生电压

当电动机处于再生发电制动状态时，会导致电压源型变频器直流侧电压UD升高而产生过电压，这种过电压称为泵升电压。为了限制泵升电压，如图1-11所示，可给直流侧电容并联一个由电力晶体管VTB和能耗电阻RB组成的泵升电压限制电路。当泵升电压超过一定数值时，使VTB导通，再生回馈制动能量消耗在RB上，所以又将该电路称为制动电路。

（3）逆变电路。逆变管VT1～VT6组成逆变桥，把VD1～VD6整流所得的直流电再“逆变”成频率、电压都可调的交流电，这是变频器实现变频的核心部分，当前常用的逆变管有绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、门极关断（GTO）晶闸管及电力场效应晶体管（MOSFET）等。在中、小型变频器中最常采用的是IGBT管。

逆变电路每个逆变管两端都并联一个二极管，并联二极管为再生电流及能量返回直流电路提供通路，所以把这样的二极管称为续流二极管。

变频器的逆变电路常采用模块化结构，以IGBT模块为例，就是将多个IGBT管和续流二极管集成封装在一起，一般模块化结构有2单元（又称为单桥）、4单元（又称为H桥）、6单元（又称为三相全桥）。目前市场上15kW以上变频器使用的是150A/200A/300A/400A/450A的单桥IGBT模块或100A/150A的全桥IGBT模块。

IGBT模块的外形及接线图如图1-13所示。

图1-13（c）的接线说明：单桥封装的IGBT模块是双管的IGBT模块，一般用在全桥或者半桥电路中作为一个桥臂。假定是用在全桥上，等效电路图中的3接母线电压VC,2接GND, 1引出线接负载，6、7接驱动板出来的下桥臂门极驱动信号；4、5接驱动板出来的上桥臂门极驱动信号。

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功率集成模块（PIM）

中小功率变频器多采用25A、50A、75A、100A、150A的PIM模块。PIM结构包括三相全波整流和6～7个IGBT单元，即变频器的主电路全部封装在一个模块内，在中小功率变频器上均使用PIM模块以降低成本，减少变频器的尺寸。

PIM功率集成模块的外形如图1-14所示。

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智能功率模块（IPM）

智能功率模块（IPM）是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，而且还具有过电流、过电压和过热等故障检测电路。目前，IPM一般以IGBT为基本功率开关元件，构成单相或三相逆变器的专用功率模块。IPM 模块有4种封装形式：单管封装、双管封装、六管封装和七管封装。由于 IPM通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机尺寸亦可减小，又有自保护能力，国内外55kW以下的变频器多数采用IPM模块。

IPM功率集成模块的内部结构图如图1-15所示。

2.控制电路

变频器的控制电路主要以16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。它具有设定和显示运行参数、信号检测、系统保护、计算与控制、驱动逆变管等作用。

3.外部端子

外部端子包括主电路端子（R、S、T,U、V、W）和控制电路端子。其中控制电路端子又分为输入控制端（见图1-10②）及输出控制端（见图1-10③）。输入控制端既可以接收模拟量输入信号，又可以接收开关量输入信号。输出端子有用于报警输出的端子、指示变频器运行状态的端子及用于指示各种输出数据的测量端子。

通信接口（见图1-10④）用于变频器和其他控制设备的通信。变频器通常采用 RS485接口。

四、变频器的分类

1.按变换环节分类

从交流变频调速的变换环节来分可以分为交—交直接变频器和交—直—交间接变频器。

（1）交—交变频器。它是一种把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源的装置。常用的交—交变频器的结构如图1-16所示。改变正反组切换频率可以调节输出交流电的频率，而改变α的大小即可调节矩形波的幅值。

优点：没有中间环节，变换效率高。

缺点：交—交变频器连续可调的频率范围较窄，其最大输出频率为额定频率的1/2以下，因此主要用于低速大容量的拖动系统中。

（2）交—直—交变频器。目前已被广泛地应用在交流电动机变频调速中的变频器是交—直—交变频器，它是先将恒压恒频（Constant Voltage Constant Frequecy,CVCF）的交流电通过整流器变成直流电，再经过逆变器将直流电变换成频率连续可调的三相交流电。

交—直—交变频器最常采用不可控整流器整流，脉宽调制（PWM）逆变器同时调压调频的控制方式，如图1-17所示。在这种控制方法中，由于采用不可控整流器整流，故输入功率因数高；采用PWM型逆变器则输出谐波可以减少。PWM 逆变器采用绝缘栅双极型晶体管IGBT时，开关频率可达10kHz以上，输出波形已经非常逼近正弦波，因而又称为SPWM逆变器，成为当前最有发展前途的一种调压调频控制方法。

2.按直流电路的滤波方式分类

交—直—交变频器中间直流环节的储能元件可以是电容或是电感，据此，变频器分成电流型变频器和电压型变频器两大类。

（1）电流型。当交—直—交变频器的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，电压波形接近于正弦波，这类变频器叫作电流源型变频器，如图1-18所示。

（2）电压型。当交—直—交变频器的中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，电流波形为近似正弦波，这类变频器叫作电压源型变频器，如图1-19所示。现在变频器大多都属于电压型变频器。

3.按输出电压的调制方式分类

按输出电压的调制方式分为脉幅调制（PAM）方式和脉宽调制（PWM）方式。

（1）脉幅调制。脉幅调制（Pulse Amplitude Modulation,PAM）方式是调频时通过改变整流后直流电压的幅值，达到改变变频器输出电压的目的。一般通过可控整流器来调压，通过逆变器来调频，变压与变频分别在两个不同环节上进行，控制复杂，现已很少采用。采用 PAM调压时，变频器的输出电压波形如图1-20所示。

（2）脉宽调节。脉宽调节（Pulse Width Modulation, PWM）方式指变频器输出电压的大小是通过改变输出脉冲的占空比来实现的。调节过程中，逆变器负责调频调压。目前使用最多的是占空比按正弦规律变化的正弦波脉宽调制方式，即SPWM方式。中、小容量的通用变频器几乎全部采用此类型的变频器。

4.按变频控制方式分类

根据变频控制方式的不同，变频器大致可以分4类：U/f控制变频器、转差频率控制变频器、矢量控制变频器和直接转矩控制变频器。

5.按用途分类

根据用途的不同，变频器可以有以下分类。

（1）通用变频器。通用变频器的特点就是其通用性，它适用于对调速性能没有严格要求的场合，随着变频技术的进一步发展，通用变频器发展为以节能运行为主要目的的风机、泵类等平方转矩负载使用的平方转矩变频器和以普通恒转矩机械为主要控制对象的恒转矩变频器。

（2）专用变频器。专用变频器是指应用于某些特殊场合的具有某种特殊性能的变频器，其特点是某个方面的性能指标极高，因而可以实现高控制要求，但相对价格较高。

此外，变频器按电压等级可分低压变频器和高压变频器，低压变频器分为单相220V、三相380V、三相660V、三相1140V。高压（国际上称作中压）变频器分为3kV、6kV和l0kV 3种。如果采用公共直流母线逆变器，则要选择直流电压，其等级有24V、48V、110V、200V、500V、1000V等。

五、变频器的控制方式

1.U/f控制方式

U/f 控制即恒压频比控制。它的基本特点是对变频器输出的电压和频率同时进行控制，通过保持U/f恒定使电动机获得所需的转矩特性。它是变频调速系统最经典的控制方式，广泛应用于以节能为目的的风机、泵类等负载的调速系统中。

U/f 控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，通用性强，经济性好；但由于控制是基于电动机稳态数学模型基础上的，因此动态调速性能不佳，电动机低速运行时，由于定子电阻压降的影响，使得电动机的带载能力下降，需要实行转矩补偿。

2.转差频率控制方式

转差频率控制方式是对U/f控制的一种改进。其实现思想是通过检测电动机的实际转速，根据设定频率与实际频率的差对输出频率进行连续的调节，从而达到在进行调速控制的同时，控制电动机输出转矩的目的。

转差频率控制是利用了速度传感器的速度闭环控制，并可以在一定程度上对输出转矩进行控制，所以和U/f控制方式相比，在负载发生较大变化时，仍能达到较高的速度精度和具有较好的转矩特性。但是由于采用这种控制方式时，需要在电动机上安装速度传感器，并需要根据电动机的特性调节转差，通常多用于厂家指定的专用电动机，通用性较差。

3.矢量控制方式

上述的U/f控制方式和转差频率控制方式的控制思想都是建立在异步电动机的静态数学模型上，因此动态性能指标不高。20世纪70年代初西德F.Blasschke等人首先提出了矢量控制，它是一种高性能异步电动机控制方式，其基于交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并加以控制，具有直流电动机相类似的控制性能。采用矢量控制方式的目的，主要是为了提高变频器调速方式的动态性能。各种高端变频器普遍采用矢量控制方式。

4.直接转矩控制方式

1985年，德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授首次提出了直接转矩控制理论。直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩，通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的，因此省去了矢量控制等复杂的变换计算，系统直观、简洁，计算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在开环的状态下，也能输出100%的额定转矩，对于多拖动具有负荷平衡功能。