1.1 变频调速原理

1.1.1 交流异步电动机和同步电动机的调速

1. 异步电动机

三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。三相电源相与相之间的电压在相位上相差120°，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120°，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1-1所示。图1-1中分4个时刻来描述旋转磁场的产生过程。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。

旋转磁场的转速为

式中，f为电源频率，单位为Hz；p是电动机的磁极对数；n的单位为r/min。根据此式可以知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关。

定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n₁的转速旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速n₁低于旋转磁场的转速n。因为假设n=n₁，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，因而不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n₁必然小于n。由此称这种结构的三相电动机为异步电动机。

2. 同步电动机

同步电动机和其他类型的旋转电动机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电动机和转枢式同步电动机。图1-2给出了最常用的转场式同步电动机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电动机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电动机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场（也称主磁场、转子磁场）。气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电动机内部磁场的分布和同步电动机的性能有重大影响。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120°分布的线圈代表三相对称交流绕组。

除了转场式同步电动机外，还有转枢式同步电动机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电动机的转子充当了电枢。

3. 交流电动机的调速

交流电动机比直流电动机经济耐用得多，因而被广泛应用于各行各业，是一种量大面广的传统产品。在实际应用场合，往往要求电动机能随意调节转速，以便获得满意的使用效果，但交流电动机在这方面比起直流电动机而言就要逊色得多，于是不得不借助其他手段达到调速目的。根据感应电动机的转速特性表达式可知，它的调速方式有三大类：频率调节、磁极对数调节和转差率调节，从而出现了目前常用的几种调速方法，如变极调速、调压调速、电磁调速、变频调速、液力耦合器调速及齿轮调速等，如图1-3所示。

基于节能角度，通常把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速指基本上不增加转差损耗的调速方式，即在调节电动机转速时转差率基本不变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下，其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。

属于高效调速方式的主要有变极调速、串级调速和变频调速；属于低效调速方式的主要有滑差调速（包括电磁离合器调速、液力耦合器调速、湿式离合器调速）、转子串电阻调速和定子调压调速。其中，液力耦合器调速和湿式离合器调速属于机械调速，其他均属于电气调速。变极调速和滑差调速方式适用于笼型异步电动机，串级调速和转子串电阻调速方式适用于绕线转子异步电动机，定子调压调速和变频调速既适用于笼型异步电动机，也适用于绕线转子异步电动机。变频调速和机械调速还可用于同步电动机。

液力耦合器调速技术属于机械调速范畴，它是将匹配合适的调速型液力耦合器安装在常规的交流电动机和负载（风机、水泵或压缩机）之间，从电动机输入转速，通过耦合器工作腔中高速循环流动的液体，向负载传递力矩和输出转速。只要改变工作腔中液体的充满程度即可调节输出转速。

湿式离合器调速是指利用湿式离合器作为动力传递装置完成转速调节的调速方式，属于机械调速。湿式离合器是利用两组摩擦片之间接触来传递功率的一种机械设备，如同液力耦合器一样被安装在笼型感应电动机与工作机械之间，在电动机低速运行的情况下，利用两组摩擦片之间摩擦力的变化无级地调节工作机械的转速，由于它存在转差损耗，是一种低效调速方式。

1.1.2 不同调速方式的工作原理

1. 异步电动机的变极调速

变极调速技术是通过采用变极多速异步电动机实现调速的。这种多速电动机大都为笼型转子电动机，其结构与基本系列异步电动机相似，现国内生产的有双、三、四速等几类。

变极调速是通过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极对数p是整数，它不能实现平滑调速，只能有级调速。在供电频率f=50Hz的电网，p=1、2、3、4时，相应的同步转速n₀=3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的，如图1-4所示。图1-4a的p=2，图1-4b和图1-4c中的p=1。双速电动机的定子是单绕组，三速和四速电动机的定子是双绕组。这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。

多速电动机的优点是运行可靠，运行效率高，控制线路很简单，容易维护，对电网无干扰，初始投资低。缺点是只能有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。适用于按2～4档固定调速变化的场合，为了弥补有级调速的缺陷，有时与定子调压调速或电磁离合器调速配合使用。

2. 电磁调速

电磁调速技术是通过电磁调速电动机实现调速的技术。电磁调速电动机（又称滑差电动机）由三相异步电动机、电磁转差离合器和测速发电机组成，三相异步电动机作为原动机工作。该技术是传统的交流调速技术之一，适用于容量在0.55～630kW范围内的风机、水泵或压缩机。

电磁离合器调速是由笼型感应电动机和电磁离合器一体化的调速电动机来完成的，把这种调速电动机称为电磁离合器电动机，又称滑差电动机，属于低效调速方式。电磁调速电动机的调速系统主要由笼型感应电动机、涡流式电磁转差离合器和直流励磁电源三个部分组成，如图1-5所示，直流励磁电源功率较小，通过改变晶闸管的触发延迟角改变直流励磁电压的大小来控制励磁电流。它以笼型异步电动机作为原动机，带动与其同轴接连的电磁离合器的主动部分，离合器的从动部分与负载同轴连接，主动部分与从动部分没有机械联系，只有磁路相通。离合器的主动部分为电枢，从动部分为磁极，电枢是一杯状铸铜体，磁极则由铁心和励磁绕组构成，绕组与部分铁心固定在机壳上不随磁极旋转，直流励磁不必经过集电环而直接由直流电源供电。当电动机带动电枢在磁极磁场中旋转时，就会感生涡流，涡流与磁极磁场作用产生的转矩将使电枢牵动磁极拖动负载同向旋转，通过控制励磁电流改变磁场强度，使离合器产生大小不同的转矩，从而达到调速的目的。

电磁离合器的优点是结构比较简单，可无级调速，维护方便，运行可靠，调速范围也比较宽，对电网无干扰，它可以空载起动，对需要重载起动的负载可获得容量效益，提高电动机运行负载率。缺点是高速区调速特性软，不能全速运行；低速区调速效率比较低。适用于调速范围适中的中小容量电动机。

3. 定子调压调速

定子调压调速是用改变定子电压实现调速的方法来改变电动机的转速，调速过程中它的转差功率以发热形式损耗在转子绕组中，属于低效调速方式。由于电磁转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压就可以改变电动机的机械特性，与某一负载特性相匹配就可以稳定在不同的转速上，从而实现调速功能。供电电源的电压是固定的，它用调压器来获得可调压的交流电源。传统的调压器有饱和电抗器式调压器、自耦变压器式调压器和感应式调压器，主要用于笼型感应电动机的减压起动，以减少起动电流。晶闸管是交流调压调速的主要形式，它利用改变定子侧三相反并联晶闸管的移相角来调节转速，可以做到无级调速。

调压调速的主要优点是控制设备比较简单，可无级调速，初始投资低，使用维护比较方便，可以兼作笼型异步电动机的减压起动设备。缺点是调速效率比较低，低速运行调速效率更低；调速范围窄，只有对风机和泵类工作机械调速可以获得较宽的调速范围并减少转差损耗；调速特性比较软，调速精度差；对电网干扰也大。适用于调速范围要求不宽，较长时间在高速区运行的中小容量的异步电动机。

4. 转子串电阻调速

转子串电阻调速是通过改变绕线转子感应电动机转子串接附加外接电阻，从而改变转子电流使转速改变的方式进行调速的，如图1-6所示。为减少电刷的磨损，中等容量以上的绕线转子感应电动机还设有提刷装置，当电动机起动时接入外接电阻以减少起动电流，不需要调速时移动手柄可提起电刷与集电环脱离接触，同时使三个集电环彼此短接起来。

转子串电阻调速的优点是技术成熟，控制方法简单，维护方便，初始投资低，对电网无干扰。缺点是转差损耗大，调速效率低；调速特性软，动态响应速度慢；外接附加电阻不易做到无级调速，调速平滑性差。适用于调速范围不太大和调速特性要求不高的场合。

5. 变频调速

变频调速是通过改变异步电动机供电电源的频率f来实现无级调速的，其接线简单，如图1-7所示。电动机采用变频调速以后，电动机转轴直接与负载连接，电动机由变频器供电。变频调速的关键设备就是变频器，变频器是一种将交流电源整流成直流后再逆变成频率、电压可变的变流电源的专用装置，主要由功率模块、超大规模专用单片机等构成，变频器能够根据转速反馈信号调节电动机供电电源的频率，从而可以实现相当宽频率范围内的无级调速。

6. 调速方式汇总

根据实际应用效果，交流电动机的各种调速方式的一般性能和特点汇总于表1-1之中。

1.1.3 变频调速原理

根据电机学原理，在下述三个假定条件下，即忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略铁损，感应电动机的稳态模型可以用T形等效电路表示，如图1-8a所示。

图1-8中的各参数表示如下。

R_S、R_r′为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；L_1S、L_1r′为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；L_m为定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；U_S、ω₁为定子相电压和供电角频率；I_S、I_r′为定子相电流和折合到定子侧的转子相电流。

了解这些参数对于变频器的控制性能将有很大的帮助，根据电机学原理，在图1-8b的模型基础上，推导出感应电动机的每极气隙磁通为

式中，E_g为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；f₁为定子频率；N_S 为定子每相绕组串联匝数；K_NS为定子基波绕组系数。

（1）基频以下调速

为充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力，在基频（即f_in=50Hz）以下采用恒磁通控制方式，此时要保持Φ_m不变，当频率f₁从额定值f_in向下调节时，必须同时降低E_g，即采用电动势频率比为恒值的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子电阻和漏磁感抗压降，认为定子相电压 U_S≈E_g，则得

这是恒压频比的控制方式，又称U/f控制方式，其控制特性如图1-9所示的虚线（即无补偿）。低频时，U_S和E_g都较小，定子电阻和漏磁感抗压降所占的分量相对较大，可以人为地抬高定子相电压U_S，以便补偿定子压降，称作低频补偿或转矩提升，其控制特性如图1-9所示的实线（即带定子电压降补偿）。

（2）基频以上调速

在基频以上调速时，频率从f_in向上升高，但定子电压U_S 却不可能超过额定电压U_SN，只能保持U_S=U_SN不变，这将使磁通与频率成反比地下降，使得感应电动机工作在弱磁状态。

把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图1-10所示。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，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化而变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定，转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时磁通恒减小，转矩也随着降低，基本上属于“恒功率调速”。

1.1.4 变频器U/f曲线定义

1. 基本概念

变频器U/f控制的基本思想是U/f=C，因此定义在频率为f_x 时，U_x 的表达式为U_x/f_x=C，其中C为常数，就是“压频比系数”。

图1-11中所示就是变频器的基本运行U/f 曲线，从图中可以看出，当电动机的运行频率高于一定值时，变频器的输出电压不再能随频率的上升而上升，就将该特定值称之为基本运行频率，用f_in表示。也就是说，基本运行频率是指变频器输出最高电压时对应的最小频率。在通常情况下，基本运行频率是电动机的额定频率，如电动机铭牌上标识的50Hz或60Hz。同时与基本运行频率对应的变频器输出电压称之为最大输出电压，用U_max表示。

当电动机的运行频率超过基本运行频率f_in后，U/f不再是一个常数，而是随着输出频率的上升而减少，电动机磁通也因此减少，变成“弱磁调速”状态。

基本运行频率是决定变频器的逆变波形占空比的一个设置参数，当设定该值后，变频器CPU将基本运行频率值和运行频率进行运算后，调整变频器输出波形的占空比来达到调整输出电压的目的。因此，在一般情况下，不要随意改变基本运行频率的参数设置，如确有必要，一定要根据电动机的参数特性来适当设值，否则，容易造成变频器过热、过电流等故障。

2. 预定义的U/f曲线和用户自定义U/f曲线

由于电动机负载的多样性和不确定性，因此很多变频器厂商都推出了预定义的U/f曲线和用户自定义的任意U/f曲线。

预定义的U/f曲线是指变频器内部已经为用户定义的各种不同类型的曲线。如某品牌A变频器有三种特定曲线（图1-12a），曲线1为3.0次幂降转矩特性、曲线2为1.7次幂降转矩特性、曲线3为1.2次幂降转矩特性。某品牌变频器B则有4种已定义的曲线（图1-12b），其定义的方式是在电动机额定频率一半（即50%f_in）时的输出电压是电动机额定电压的30%时（即30%U_N）为曲线1，35%U_N为曲线2，40%U_N为曲线3，U_N为曲线4。这些预定义的U/f曲线非常适合在可变转矩（如典型的风机和泵类负载）中使用，用户可以根据负载特性进行调整，以达到最优的节能效果。

对于其他特殊的负载，如同步电动机，则可以通过设置用户自定义U/f曲线的几个参数，来得到任意U/f曲线，从而可以适应这些负载的特殊要求和特定功能。自定义U/f曲线一般都通过折线设定，典型的有三段折线和两段折线。

以三段折线设定为例（图1-13），f通常为变频器的基本运行频率，在某些变频器中定义为电动机的额定频率；U通常为变频器的最大输出电压，在某些变频器中定义为电动机的额定电压。如果最大输出电压等于额定电压或者基本运行频率等于额定频率，则两者是一回事，如果两者之间数值不相等，就必须根据变频器的用户手册来确定具体的数据。图中给出了三个中间坐标数值，即（f₁，U₁）、（f₂，U₂）、（f₃，U₃），用户只需填入相应的电压值或电压百分比以及频率值或频率百分比即可。如果将其中的两点重合就可以看成是二段折线设定。

虽然用户自定义U/f曲线可以任意设定，但是一旦数值设定不当，就会造成意外故障。比如说低频时转矩提升电压过高，会造成电动机起动时低频抖动。所以，U/f曲线特性必须以满足电动机的运行为前提条件。

3. U/f曲线转矩补偿

变频器在起动或极低速运行时，根据U/f曲线，电动机在低频时对应输出的电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，这就导致励磁不足而使电动机不能获得足够的旋转力，因此需要对转矩进行补偿，这称为转矩补偿。通常的做法是对输出电压做一些提升，以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电动机的输出转矩，如图1-14所示。

转矩补偿可以根据变频器的参数设置选择手动设置和自动设置。如采用手动设置，则允许用户对设定范围可以在0～20%U_max或0～30%U_max之间任意设定。如采用自动设置，则是变频器根据电动机起动过程中的力矩情况进行自动补偿，其参数是随着负载变化而更改的。