讲座二
—电动机特性的控制功能 Control Function for Improving the Mechanical Characteristics of Motor
摘　　要: 本文综述了变频器为了改善电动机的机械特性而设置的各种控制模式及其相关功能。
关 键 词: 控制模式 V/F控制 转矩补偿 矢量控制 自动检测 旋转编码器 转矩控制
Abstract:This paper introduced all control mode for improving the mechanical characteristics of motor. And it‘s interrelated function.
Keywords:Control mode V/F control Torque boost Vector control Auto-tuning Encoder Torque control
1 变频引出的特殊问题
1.1 异步电动机在频率下降后出现的问题
异步电动机的输入输出如图1所示。

图1 异步电动机的输入和输出
(1) 问题的提出
(a) 电动机的输入功率
众所周知，电动机是将电能转换成机械能的器件。三相交流异步电动机输入的是三相电功率P1:


(b) 电动机的输出功率
电动机是用来拖动负载旋转的，因此，其输出功率便是轴上的机械功率:

式(2)中: P2─电动机输出的机械功率，kW;
TM─电动机轴上的转矩，N•m;
ｎM─电动机轴上的转速，r/min。
(c) 频率下降后出现的问题
毫无疑问，频率下降的结果是转速下降。这是因为，异步电动机的转速和频率有关:

式(4)中: ｎ0—同步转速(即旋转磁场的转速), r/min。
由式(2)知, 转速下降的结果是:电动机的输出功率下降。
然而, 式(1)表明, 电动机的输入功率和频率之间却并无直接关系。如果仔细分析的话，当频率下降时，输入功率将是有增无减的(因为反电动势将减小)。
输入不变而输出减少，这似乎有悖于能量守恒的原理，出现了什么问题呢？
(2) 异步电动机的能量传递
异步电动机的转子是依靠电磁感应(转子绕组切割旋转磁场)而得到能量的，如图2(a)所示。所以，其能量是通过磁场来传递的。传递过程如图2(b)所示, 可归纳如下:

图2 异步电动机的能量传递
(a) 从输入的电功率P1中扣除定子侧损失(定子绕组的铜损pCu1和定子铁心的铁损pFe1)后，便是通过磁场传递给转子的功率，称为电磁功率，用PM表示:

(b) 转子得到的电磁功率PM中扣除转子侧损失(转子绕组的铜损PCu2和转子铁心的铁损PFe2)，便是转子输出的机械功率P2:

显然，频率下降的结果必将导致电磁功率PM的“中部崛起”，这意味着磁通的大量增加。那么，PM是如何增大的呢？
(3) 定子侧的等效电路
(a) 定子磁通及其在电路中的作用
如图3(a)所示，定子磁通可以分为两个部分:

图3 定子侧的等效电路
•主磁通Φ1 　
主磁通Φ1是穿过空气隙与转子绕组相链的部分，是把能量传递给转子的部分。它在定子绕组中产生的自感电动势称为反电动势，用E1表示，其有效值的计算如下式:

式(7)表明，反电动势E1与频率fX和主磁通ΦM的乘积成正比:

在频率一定的情况下，反电动势的数值直接反映了主磁通的大小。或者说，主磁通ΦM的大小是通过反电动势E1的大小来体现的。
•漏磁通Φ0
漏磁通Φ0是未穿过空气隙与转子绕组相链的部分，它并不传递能量，它在定子绕组中产生的自感电动势只起电抗的作用，称为漏磁电抗X1，其压降为I1X1。
(b) 定子侧的等效电路
图3(b)所示即为定子绕组的一相等效电路，其电动势平衡方程如下:

(c) 电磁功率的计算
如上述，把能量从定子传递给转子的是主磁通ΦM，而主磁通ΦM在电路中通过反电动势E1来体现，所以，电磁功率可计算如下:

(d) 频率下降的后果
由式(8)知, 当频率fX下降时，反电动势E1也将下降，由式(10)知，这将引起电流I1的增大，并导致磁通ΦM和电磁功率PM的增大。
1.2 保持磁通不变的必要性和途径
(1) 保持磁通不变的必要性
(a) 磁通减小 　
任何电动机的电磁转矩都是电流和磁通相互作用的结果，电流是不允许超过额定值的，否则将引起电动机的发热。因此，如果磁通减小，电磁转矩也必减小，导致带载能力降低。
(b) 磁通增大 　
电动机的磁路将饱和，由于在变频调速时，运行频率fX是在相当大的范围内变化的，因此，如不采取措施的话，磁通的变化范围也是非常大的。它极容易使电动机的磁路严重饱和，导致励磁电流的波形严重畸变，产生峰值很高的尖峰电流，如图4所示。图4的上半部是电动机的磁化曲线;下半部则是励磁电流的波形。

图4 磁化曲线与励磁电流
所以，变频调速的一个特殊问题便是:当频率fX变化时，必须使磁通Φ保持不变:
Φ＝const
(2) 保持磁通不变的方法
由式(8)知，保持Φ＝const的准确方法是:

即，在调节频率时，必须保持反电动势E1X和频率fX的比值不变。
但反电动势是由定子绕组切割旋转磁通而感生的，无法从外部进行控制。于是用保持定子侧输入电压和频率之比等于常数来代替:

式(13)中: U1X—运行频率为fX时的输入电压，V。
所以, 在改变频率时, 必须同时改变定子侧的输入电压。
设频率的调节比为:

1.3 变压变频存在的问题及原因分析
(1) 存在的问题
(a) 衡量调速性能的主要因素
电动机的基本功能是拖动生产机械旋转，因此，在低频时的带负载能力便是衡量变频调速性能好坏的一个十分重要的因素。
(b) 调压调频存在的问题
满足式(16)的情况下进行变频调速时，随着频率的下降，电动机的临界转矩和带负载能力(用有效转矩ＴMEX表示)也有所下降，如图5所示。

图5 频率下降(U/f＝C)后的机械特性
(2) 临界转矩下降的原因分析
(a) 电磁转矩的产生 　
异步电动机的电磁转矩是转子电流和磁通相互作用的结果。因此，问题的关键便是:在满足式(16)的情况下，低频时能否保持磁通量基本不变？
(b) 电磁转矩减小的原因 　　
式(9)可以改写为:

式(17)表明，反电动势是定子侧输入电压减去阻抗压降的结果。
当频率fX下降时，输入电压U1X随之下降。但在负载不变的情况下，电流I1及其阻抗压降却基本不变, 于是反电动势E1X所占的比例必将减小。由式(12)知, 磁通ΦM也必减小，磁通不变的要求并没有真正得到满足，结果是导致电动机的临界转矩也减小。
2 V/F控制功能
2.1 V/F控制模式
(1) 指导思想
为了确保电动机在低频运行时，反电动势和频率之比保持不变，真正实现Φ＝const，在式(16)的基础上，适当提高U/f比，使KU＞Kf，从而使转矩得到补偿，提高电动机在低速时的带负载能力。如图6中之曲线②所示(曲线①是KU＝Kf的U/f线)。这种方法称为转矩补偿或转矩提升，这种控制方式称为V/F控制模式。

图6 转矩补偿
(2) 基本频率
与变频器的最大输出电压对应的频率称为基本频率，用fBA表示。在大多数情况下，基本频率等于电动机的额定频率，如图7所示。

图7 基本频率
(3) 基本U/f线
在变频器的输出频率从0Hz上升到基本频率fBA的过程中, 满足KU=Kf的U/f线, 称为基本U/f线, 如图8(a)所示。