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(2) s反比于f1，且是电阻、电感的函数； (3) ?正比于Ef1。
联合(1)、(3)两点可知维持Ef1几不变可保持磁通?不变，并在保持电流不变的情况下转矩M也可不变。这表明不论E与f1怎样改变，只须维持Ef1 (通常称为压频比)不变，即可使异步电机在电流保持额定时的输出转矩不变，这就是变频异步电机实现恒转矩输出的依据所在。
另一方面，由(2)可知，改变f1即改变了转差率s，也相当于改变了电机的转速。以上分析表明，变频又变压且压频比不变，则可保持转矩不变而转速可变，因此电机实行恒转矩调速的机理客观上成立。特别当s取smax时，则有M为Mmax。当f1选值适当，使
smax接近于1(即接近堵转)时电机就可能在极低颇率和极低电压下以最大转矩起动，这一事实正是VVVF调速异步电机实现“软起动”的条件。
注意到上述分析中的E是电机的内势，而实际使用中变频器则以电源输出电压u1替代E进行控制，且上述分析是在忽略了定子电阻r1的等值电路上得出的结论，而实际上由于低频时定子电阻压降I1r1较整个阻抗的比重已不能忽略，因而在实际应用中需要通过适当提高U1f1，之比值来补偿I1r1增大使得Ef1下降的情况。但是U1f1增值必须适当，否则增值太大会造成轻载时的过励，由此造成磁路饱和、激磁电流大幅增加。
上述分析表明，尽管U1与E有所区别，但经U1f1适当增值(即低频补偿)后，使用变频器输出电压U1完全可以替代内电势E，达到变频变压调速以及软起动的目的。
上述情况是基频以下的情况。
在基频以上时，由于一般变频器的输出电压U1在频率f1达到基频的同时也达到倾定值，且它不再随着频率的上升而增加，因此当调速系统的输出频率继续上升时，电压
U1开始保持额定输出不变，而这时的磁通?及转矩M将随着f1的升高而减小，同时电机转速n随f1升高而上升，由于输出功率P2正比于M与n的乘积，由此可维持P2保持不变，这种关系正好可以实现异步电机“弱磁”升速，此时电机进人恒功率调速的状态。
综合上述分析可见，异步电机依赖变频器降频降压、恒定压频比以及升频恒压三种方式控制完全可以实现基颇下的恒转矩调速、无冲击电流的软起动以及基频以上的恒功率调速。
三、 改变转差率来调速
改变电动机的端电压来调速。在一定的转差率下，电动机的电磁转矩和端电压的平
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方成正比，因此改变电动机的端电压就可以改变T?s曲线中转矩的大小，并达到调速的目的。
转子加电阻调速。这种方法只适用于绕线型感应电动机。这种方法的优点是方法简单、调速范围广;缺点是调速电阻中要消耗一定的能量。由于转子回路的铜耗p?sP，
Cu2e故转速调的越低转差率越大，铜耗就越多，效率就越低。
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第三章 逆变器工作原理和控制及其应用
近年来,随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展,生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低,变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中,是我们专业技术人员共同追求的目标。下面谈谈变频器的工作原理和控制方式。
第一节 变频器的工作原理
我们知道,交流电动机的同步转速表达式为:
【4】
n?60f(1?s)p （3-1）
式中：n为异步电动机的转速； f为异步电动机的频率；s为电动机转差率；
p为电动机极对数。
由上式可知,转速n与频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在0～50Hz的范围内变化时,电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的,是一种理想的高效率、高性能的调速手段。
第二节 变频器控制方式
【3】
低压通用变频输出电压为380～650V,输出功率为0.75～400kW,工作频率为0～400Hz,它的主电路都采用交—直—交电路。根据直流部分的电流、电压的不同形式,又分为电压型与电流型两种。如下图所示:
图3-1 电压型三相桥式逆变电路
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图3-2 电流型三相桥式逆变电路
区别在于直流接入部分是大功率的电抗器(电流型)或电容器(电压型)。电压型变频器的主要优点是运行几乎不受负载的功率因数或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载,都易出现过电流,必须在极短的时间内施加保护措施。
电流型逆变器由于电流的可控制性较好,可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流,保护的可靠性极高,所以多用于要求频繁加减速或要求四象限运行的场合。其控制方式经历了以下四代。 一、 正弦脉宽调制(SPWM)控制方式
Uf?C正弦脉宽调制(SPWM)控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低,机械特性硬度也较好,能够满足一般传动的平滑调速要求,已在产业的各个领域得到广泛应用。但是,这种控制方式在低频时,由于输出电压较低,转矩受定子电阻压降的影响比较显著,使输出最大转矩减小。另外,其机械特性终究没有直流电动机硬,动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意,且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化,转矩响应慢、电机转矩利用率不高,低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降,稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 二、 电压空间矢量(SVPWM)控制方式
它是以三相波形整体生成效果为前提,以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成三相调制波形,以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进,即引入频率补偿,能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值,消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环,以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多,且没有引入转矩的调节,所以系统性能没有得到根本改善。
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三、 矢量控制(VC)方式
矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换,等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1,再通过按转子磁场定向旋转变换,等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1 (Im1相当于直流电动机的励磁电流； It1相当于与转矩成正比的电枢电流),然后模仿直流电动机的控制方法,求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换,实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机,分别对速度,磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链,然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量,经坐标变换,实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中,由于转子磁链难以准确观测,系统特性受电动机参数的影响较大,且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂,使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 四、 直接转矩控制(DTC)方式
1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足,并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前,该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。
直接转矩控制直接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。它不需要将交流电动机等效为直流电动机,因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。
五、 矩阵式交—交控制方式
VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低,谐波电流大,直流电路需要大的储能电容,再生能量又不能反馈回电网,即不能进行四象限运行。为此,矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节,从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行,系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟,但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量,而是把转矩
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