8.3 异步电机变频调速系统  

根据电机原理，一台异步电机如若希望获得良好的运行性能、力能指标，必须保持其磁路工作点额定不变，即保持每极磁通量 额定不变。从异步电机定子每相电势有效值公式看

                                  （8-14）

式中 为定子供电频率， 为定子绕组每相串联匝数， 为基波绕组系数。当电机一旦选定，结构参数确定，则有

                                       （8-15）

说明在频率变化过程中，必须相应改变反电势。然而E₁是电机内部量，难以直接量测、控制，根据电机定子电压方程式

                                 （8-16）

在运行频率较高时 ，反电势较大，可以忽略定子漏阻抗压降 ，则有 ，故可从外部通过 =常数的恒电压频率比控制来保证气隙磁通恒定，也就是变频时必须同时调压，这就是异步电机变频调速的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制。

在交—直—交变频调速系统中，变频器有二种主要结构形式：

1）可控整流器调压、方波（六脉波）逆变器调频，如图8-10（a）所示。调压与调频功能分别在两个环节上实现，由控制电路按 =常数规律协调配合，故结构简单、控制方便。但由于AC-DC变换采用可控整流电路，当低频低压运行时，移相触发角 很大，会有输入功率因数低的缺陷。此外逆变器多为晶闸管六脉波逆变电路，开关频率低，每周仅换流六次，输出电压为方波，低次谐波含量大，对电机运行性能有不利影响。

这种结构形式主要用于中、大容量变频调速系统，特别是直流环节采用大电感滤波的电流源型逆变器—异步电机变频调速系统，在要求动态响应快、需要四象限运行的单机系统中应用较多。

图8-10  交—直—交变频器结构形式

2）不控整流器整流、脉宽调制（PWM）型逆变器同时调压调频，如图8-10（b）所示。采用二极管整流提高了系统输入功率因数，但失去调压功能。逆变器采用自关断器件实现高频开关后，提高了谐波频率、降低谐波幅值、改善输出特性，特别是采用正弦脉宽调制（SPWM），优化逆变器输出特性外，更能通过对正弦调制波的控制，同时实现调频和调压，因此直流环节采用大电容滤波的电压型SPWM变频器是异步电机变频调速中的主流结构形式，广泛地应用于中、小容量变速电力传动中。图8-11给出了一个VVVF控制、电压源型SPWM逆变器—异步电机变频调速系统的实例。

图8-11  VVVF控制、SPWM逆变器—异步电机变频调速系统框图

在图8-11的调速系统框图中，三相不控整流输出经大电容滤波后，形成低阻抗性质的电压源对逆变器激励。SPWM逆变器采用IGBT作开关元件，180º导通型，即换流在同相上、下桥臂元件间进行。为了解决异步电机感性无功电流所需通路，每只IGBT旁均反并联一只快速恢复二极管。SPWM逆变器采用微机数字控制，为表达控制信息传递、流动关系，框图中用方块表示系统中的功能部件或处理过程。

由于SPWM逆变主要是通过正弦调制波与三角载波实现，需对输出SPWM电压的频率、幅值及调制方式（同步调制、异步调制、分段同步调制等）进行控制，因此代表运行频率的绝对值电路输出电压将分别进入频率控制及电压控制通道。进入频率控制通道的电压信号经 变换器后，产生出决定正弦调制波频率的脉冲；进入电压控制通道的信号经函数发生器，产生出与运行频率相适应的基波电压幅值。为确保变频过程中异步电机运行性能，要求额定频率 以下运行时函数发生器输出与频率正比变化，且根据电机定子电阻大小确定具体 的数值C，以保持电机气隙磁通 恒定，实现恒最大转矩运行。当运行频率超过额定后，函数发生器输出限幅，限定电机电压为恒定，实现近似恒功率运行，因此函数发生器应具有图8-12所示形状，由它协调了变频调速系统的频率、电压控制。为了使SPWM逆变器输出基波电压严格按函数发生器的输出关系变化，电压通道采用闭环控制。电压反馈信号来自对逆变器输出的检测，与函数发生器产生的电压给定信号相比较后，差值信号通过电压调节器的PI运算后，就可获得精确的电压控制信号，实现对正弦调制波的幅值控制。

经过频率与幅值的协调控制后，正弦波发生器产生出频率和幅值都与速度指令相适应的正弦调制波。该调制波一方面经调制方式控制环节决定出三角载波的频率，另一方面又将与三角波发生器生成的三角载波在SPWM调制环节合成，产生出驱动逆变器功率开关元件的SPWM调制信号。

本系统中电机转向控制是通过脉冲分配器来实现的。速度给定信号经极性判别器后获得速度给定的极性，亦即转向信号，用它参与三相逆变器开关元件驱动信号的分配。当速度给定为正时，使逆变器按a→b→c相序依次导通各相关开关元件，输出正序的三相SPWM电压，驱动电机正转；当速度给定为负时，逆变器按a→c→b相序依次导通各相开关元件，输出负序的三相SPWM电压，驱动电机反转。