交流电动机变频调速系统控制方案的选择

　　一、 交流电动机变频调速

　　交流电动机不论三相异步电动机还是三相同步电动机，它们的转速N公式为：

　　N0=60F/P （同步电动机） N=N0(1-S)=60F/P(1-S) （异步电动机）

　　式中：F-频率；P-极对数；S-转差率（0～3%或0～6%）。

　　由转速公式可见，只要设法改变三相交流电动机的供电率F，就十分方便地改变了电动机的转速N。比改变极对数P和转差率S两个参数简单得多，特别是近二十多年来，静态电力变频调速器突飞猛进的发展，使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。

　　实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。例如：标准设计的三相异步电动机，380V，50Hz。如果电压不变，只改变频率，会产生什么问题？380V不变，频率下调(<50Hz)，会使电机气隙磁通φ(约等于V/F)饱和；反之，380V不变，频率向上调(>50Hz)，则使磁通减弱。所以，真正应用变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)装置。

　　二、 交流电动机变频调速四种控制方案的分析

　　根据生产的要求，变频器的型式和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案。这里只讨论交-直-交(Ac-Dc-Ac)变频器。至于交-交循环变频器（Ac-Ac相控变频）以及自同步控制逆变器（不论Ac-Ac方式还是Ac-Dc-Ac方式），即俗称无换向器电动机，均不展开讨论。

　　１、开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统

　　控制框图如图1所示。

　　图1 开环异步机变频调速

　　VVVF-通用变频器 IM-异步电动机

　　该控制方案结构简单，可靠性高。但是，由于是开环控制方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以达到0.5%的精度，所以采用这种V/F控制的通用变频器异步机开环变频调速适用于一般要求不高的场合，例如风机、水泵等机械。

　　2、无速度传感器的矢量控制变频器异步电机变频调速系统

　　控制框图如图2所示。

　　图2 矢量控制变频器的异步电机变频变频调速

　　VVVF -矢量变频器

　　对比图1和图2控制框图，两者的差别仅在使用的变频器不同。由于使用无速度传感器矢量控制的变频器，可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了矢量控制。虽说它是开环控制系统，但是大大提升了静态精度和动态品质。转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。

　　如果生产要求不是十分高的情形下，采用矢量变频器无传感器开环异步电机变频调速是非常合适的，可以达到控制结构简单，可靠性高的实效。

　　3、带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环变频调速系统

　　控制框图如图3所示。

　　图３ 异步电机闭环控制变频调速

　　PG-速度脉冲发生器

　　矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。

　　它有许多优点：

　　（1）可以从零转速起进行速度控制，即甚低速亦能运行，因此调速范围很宽广，可达100:1或1000:1；

　　（2）可以对转矩实行精确控制；

　　（3）系统的动态响应速度甚快；

　　（4）电动机的加速度特性很好等优点。

　　然而，带速度传感器矢量控制变频器的异步机闭环变频调速技术性能虽好，但是毕竟它需要在异步电动机轴上安装速度传感器，严格地讲，已经降低了异步电动机结构坚固、可靠性高的特点。况且，在某些情况下，由于电动机本身或环境的因素无法安装速度传感器。再则，多了反馈电路和环节，也增加了出故障的机率。

　　因此，如若非采用不可的情况下，对于调速范围、转速精度和动态品质要求不是特别高的条件场合，往往采用无速度传感器矢量变频器开环控制异步机变频调速系统。

　　4、 永磁同步电动机开环控制的变频调速系统

　　控制框图如图4所示。

　　图４ 永磁同步电动机开环控频调速

　　SM-同步电动机 （PM. SM）-制变永磁式

　　假如将图1中异步电动机(IM)换成永磁同步电动机(PM.SM)，就是第四种变频调速控制方案。又具有控制电路简单，可靠性高的特点。至于调速性能如何呢？

　　由于是同步电动机，它转速始终等于同步转速N0=60F/P，只取决于电动机供电频率F，而与负载大小无关（除非负载力矩大于或等于失步转矩，同步电动机会失步，转速迅速停止），其机械特性曲线为一根平行横轴直线，绝对硬特性。

　　如果采用高精度的变频器（数字设定频率精度可达0.01%），在开环控制情形下，同步电动机的转速精度亦为0.01%。因为同步电动机转速精度与变频器频率精度相一致（在开环控制方式时），所以特别适合多电机同步传动，静态转速精度要求甚高(0.5～0.01%)的化纤纺丝机，是最理想最简单的首选方案。

　　至于同步电动机变频调速系统的动态品质问题，若采用通用变频器V/F控制，响应速度较慢；若采用夭量控制就频器，响应速度很快。

　　三、 交流电动机变频调速控制方案的选择

　　在对四种常用控制方案分析的基础上，列表进行对比，可以根据实际需求作出正确选择。