变频器工作原理简介

根据异步电动机的转速表达式，改变异步笼型电动机的供电频率，也就是改变电动机的同步转数n。就可以实现调速，这就是变频调速的基本原理。

表面看来，只要改变定子电压的频率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，而且会引起电动机过电流烧毁的可能。为什么呢？这是因为感应异步电动机的特性决定的。现从基频以下与基频以上两种调速情况进行分析。

1.基频以下恒磁通（恒转矩）变频调速

（1）恒磁通变频调速

恒磁通变频调速实质上就是调速时要在保证电动机的电磁转矩恒定不变，这是因为电磁转矩与磁通是成正比的。

如果磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩就小，电动机的负载能力下降，要想负载能力恒定就得加大转子电流，这就会引起电动机过电流发热而烧毁。

如果磁通太强，电动机会处于过励磁状态，使励磁电流过大，同样引起电动机过电流发热。所以变频调速一定要保持磁通恒定。

（2）怎样才能做到变频调速时磁通恒定

从公式E₁=4.44NfΦ可知∶每极磁通的值是由E₁和f₁共同决定的，对E₁和f₁进行适当控制，就可以使气隙磁通Ф₁保持额定值不变。由于4.44N₁f₁对某一电动机来讲是一个固定常数，所以只要保持E₁/f₁=C，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。

但是，E₁难于直接检测和直接控制。当E₁和f₁的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，即认为U₁和E₁是相等的，这样则可近似地保持定子相电压U₁和频率f₁的比值为常数，这就是恒压频比控制方程式：

U₁/f₁=C

当频率较低时，U₁和E₁都变得很小，此时定子电流却基本不变，所以定子的阻抗压降，特别是电阻压降，相对此时的U₁来说是不能忽略的。我们可以想办法在低速时人为提高定子相电压U₁以补偿定子的阻抗压降的影响，使气隙磁通Ф₁保持额定值基本不变。如图3-44所示。

图3-44中：曲线1为U₁/f₁=C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=C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的如曲线2一样，通用的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供以选择。

由上面讨论可知，异步笼型电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率均可调节的供电电源，即所谓VVVF（Variable Voltage Variable Frequency，可变电压、可变频率）调速控制。现在的变频器都能满足异步笼型电动机的变频调速的基本要求。

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图3-44 U/f与E/f的关系

（3）恒磁通变频调速机械特性

用VVVF变频器对异步笼型电动机在基频以下进行变频控制时的机械特性如图3-45所示，其控制条件为E₁/f₁=C。

图3-45a表示在U₁/f₁=C的条件下得到的机械特性。在低速区由于定子电阻压降的影响使机械特性向左移动，这是由于主磁通减小的缘故。

图3-45b表示采用了定子电压补偿后的机械特性。

图3-45c则示出了端电压补偿的U₁与f₁之间的函数关系。

2.基频以上恒功率（恒电压）变频调速

恒功率变频调速又称为弱磁通变频调速。这是考虑由基频f_1N开始向上调速的情况，频率由额定值f_1N向上增大，如果按照U₁/f₁=C规律控制，电压也必须由额定值U_1N向上增大，但实际上电压U₁受额定电压U_1N的限制不能再升高，只能保持U₁=U_1N不变。根据公式分析主磁通Ф₁随着f₁的上升而应减小，这相当于直流电动机弱磁调速的情况一样，属于近似的恒功率调速方式。证明如下：

在f₁＞f_1N，U₁=U_1N时，式E₁=4.44f₁N₁Φ₁近似为U_1N≈4.44f₁N₁Φ₁。

可见随f₁升高，即转速升高，ω₁越大主磁通Φ₁必须相应下降，才能保持平衡，而电磁转矩越低这样T与ω₁可以近似为成乘积不变，即

P_N=T×ω₁≈C也就是说随着转数的提高，电压恒定，磁通就自然下降，当转子电流不变时，其电磁转矩就会减小，而电磁功率却保持恒定不变。对异步笼型电动机在基频以上进行变频控制时的机械特性如图3-46所示。其控制条件为。综合上述异步电动机基频以下与基频以上两种调速情况，变频调速的控制特性如图3-47所示。

图3-45 变频调速机械特性