基于SPWM和空间矢量控制的异步电机变频调速研究(2)
1.3 研究内容
本课题要求熟练掌握异步电动机变频调速原理，理解用单片机通过软件生成SPWM波形和电压空间矢量的工作原理与特点，通过实验，在示波器上观察不同调制方式下电压、电流、磁通等变量的波形，对比分析找出最佳的调速方式。
2 异步电机变频调速基本原理
2.1 变压变频调速的基本控制方式
当电机进行速度调节时，文持电机中每极磁通量 为一个额定的值是我们必须考虑的重要因素。若磁通太弱，电机的铁心就不能被充分利用，不高效；若磁通太大，则容易让铁心达到饱和，进而造成的励磁电流太大，最坏情况是电机被烧毁。定子与转子的磁势合成便可产生交流异步电机的磁通 。
由电机理论可知，三相异步电动机定子每相电动势的有效值公式是 =4.44 （2-1）。其中 为定子每相绕组串联匝数； 为定子频率(Hz)； 为每相定子中的气隙磁通的感应电动势的有效值(V)[2]； 表示定子基波绕组系数； 是每极气隙磁通量(Wb)。根据前面的公式（2-1）可以得出， 和 决定着磁通 ，倘若可以正确控制 和 ，就可以成功地掌控磁通 ，主磁通大小就可以保持恒定。
2.1.1 基频以下调速
根据上式（2-1），当频率 从额定值 逐渐减小时，需要同时减小 ，才能使 恒定，即 / =常数。然而，直接控制绕组中的感应电动势是一件比较麻烦的事情，方便起见，感应电动势大到一定数值时，我们便能把定子绕组中的漏磁阻抗压降略去不计，从而得到定子相电压 ≈ ，则 / =常数。
当频率较低时， 与 都不大，此时定子漏磁阻抗压降的比重较大不可以忽略不计。此情况下我们可以人为的进行补偿，把电压 提高一些。这便是一种近似的使磁通恒定不变的控制方式。
2.1.2 基频以上调速
在基频以上调速时，定子电压 要小于或等于额定电压才能保证电机安全运行，至多只能文持 = ，因此当频率上升时，主磁通被迫减小，形成弱磁变频调速的情况，这是一种近似的功率不变的控制方式。
下图2.1所描绘的是基频以上与基频以下两种状态下的控制特性。若电机能在温度允许范围内长时间运行，并在不同的转速下负载运行时都可以让电流达到额定值，那么转矩基本上是随磁通变化而变化的。根据电机调速的基本原理，基频以上的情况时，转速变快但转矩变小了，所以功率基本不变，属于“恒功率调速”的性质；基频以下的情况时，磁通保持不变且转矩也恒定，所以基本上属于“恒转矩调速”[3]。
图2.1 异步电动机变压变频调速的控制特性
根据变压变频调速的基本控制方式，频率改变的同时电压也随之变化，这就是所谓的恒压频比(Variable voltage Variable Frequency)控制。恒压频比控制实现起来较为简单，它具有近似平行下移的机械特性，硬度也不错，正常的调速足够应付了，但是低速时运载能力不够强，需要对定子压降进行人为的补偿。
2.2 变压变频器
2.2.1 交—直—交变压变频器
交—直—交变压变频器先用整流器把电压和频率固定不变的工频交流转换成直流，再将直流通过逆变器转换为频率与电压可以控制的交流。因为这类变压变频器在恒频交流电源输入后要经过变成直流的中间过程才得到变频交流输出，所以我们把它称作间接式的变压变频器。整流与逆变电路的类型多种多样，当前使用最多的是脉宽调制PWM逆变器。如下图2.2。
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