一、基本U/f控制

基本U/f控制是根据电动机的电磁特性采取的控制模式，即输出频率变化时，输出电压也成比例的变化，U/f=C（常数）。恒压频比控制是变频器控制的基础，其他控制也是建立在该控制基础上的。

基本U/f控制一般用于变频器的开环控制，如图3-1所示。

图3-1 基本U/f控制

（一）U/f控制理论依据

给三相异步电动机的定子绕组加上电源电压U₁后，绕组中便产生感应电动势E₁（见图3-2），根据电动机理论，E₁的表达式为

E₁=4.44K₁N₁f₁Φ_m

式中 E₁——定子绕组的感应电动势有效值；

K₁——定子绕组的绕组系数，K₁<1，为常数；

N₁——定子每相绕组的匝数，为常数；

f₁——定子绕组感应电动势的频率，即电源的频率；

Φ_m——旋转磁场的主磁通，大小和定子空载电流成正比，为了保证电动机工作在磁通的最佳值，Φ_m也为常数。

图3-2 感应电动势的产生

图3-3所示是电动机的铁心磁饱和曲线，由图3-3可见，在a点为特性线的最佳点，当大于a点，进入饱和区，当电动机调频工作时，要保持a点不变。

当电动机工作时，I₁增加，I₂增加，产生的磁通大小相等，方向相反，相互抵消，即工作时主磁通是不变的，仍然保持在空载电流的设定值（见图3-4）。

图3-3 电动机铁心磁饱和曲线

图3-4 主磁通不变

将上述常数带入公式，有E₁=f₁C，由于ΔU很小，当U₁较高时，ΔU可忽略，有：

U₁≈E₁=f₁C

上式可改写为

U₁/f₁=C（常数）

U₁上升，f₁上升；U₁下降，f₁下降。

即U₁/f₁=常数，这就是变频器的基本U/f控制模式。该控制线是任何控制模式都要遵守的。

U/f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，已在各产业的各个领域得到广泛应用。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。其机械特性终究没有直流电动机机械特性硬度好，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，电动机转矩利用率不高，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。

应用范围：可以满足大部分对调速响应动态性能要求不高的场合，如风机、水泵负载。

（二）基频以下变频调速

基频以下恒磁通变频调速

我国电网50Hz交流电称为基频，在0～50Hz范围调速时，称为基频以下调速。0～50Hz范围调速如图3-5所示。

图3-50 ～50Hz范围调速

特点：

1）基频以下调速时转速变化转矩不变，具有恒转矩特性。

2）随着转速的下降，电动机输出功率下降。

3）当转速较低时，具有节能作用。

4）起动转矩小。

当f₁较低时，U₁亦较低，电阻R₁上的电压ΔU已不可忽略，它使定子电流下降，从而使Φ_m减小，这将引起低速时的输出转矩减小（见图3-6）。转矩补偿：为补偿低速时转矩不足，在低频时提升定子电压U₁，补偿曲线如图3-7中曲线“2”。所有U/f变频器都有低频转矩补偿功能。

图3-6 低速时输出转矩减小

图3-7 转矩补偿

（三）基频以上变频调速

当电动机工作在基频（额定频率）以上时，由于电动机不能超过额定电压运行，所以频率在额定值以上升高时，定子电压不变，保持在额定值。Φ_m随着f₁的升高而下降，电动机的转矩亦随着频率的升高而下降。因为电动机输出功率为

P=nT

转速升高，转矩下降，乘积不变，即基频以上的变频调速属于“恒功率”调速。

恒功率调速曲线如图3-8所示。

图3-8 恒功率调速曲线

（四）基频以上调速应用

1.满足高速设备的需要

如内圆磨床的磨头电动机，转速在每分钟上万转，可采用变频高速电动机驱动，简化传动环节。

2.满足恒功率设备的需要

即设备需要调速，又需要电动机输出恒功率。

超频恒功率工作原理是：电动机采用超频调速工作，输出恒功率；通过降速器，使负载得到应有的可调转速，从而不加大电动机和变频器的功率。

（五）低频时临界转矩减小的原因与对策

1.变频运行时的数据举例

低频时临界转矩减频运行时小的原因如图3-9所示。

U₁=-E₁+ΔU₁→U₁≈E₁+ΔU₁

频率为50Hz时磁能相对值为100%，25Hz时为94%，10Hz时为78%，由此可以看出频率下降时磁通比额定磁通下降了22%。所以电动机的带负载能力下降。

2.对策（电压补偿、转矩补偿、转矩提升）

从图3-10可以看出，在低频运行时，输入电压适当的增加一点补偿量，从而加大了U/f比，也就加大了反电动势与频率的比。如果补偿量恰到好处，则可使反电动势与频率与额定状态相等，结果是磁通量也等于额定值。

图3-9 低频时临界转矩减频运行时小的原因

a）运行频率为50Hz b）运行频率为25Hz c）运行频率为10Hz

图3-10 电压补偿的原理

a）电压补偿的含义 b）25Hz时的补偿量 c）10Hz时的补偿量

（六）负载变化的影响

负载变化时，电动机的电流及其阻抗压降也随之变化，所以当负载变化时所需要的电压补偿量也应该跟着改变。但变频器的U/f线是一次选定的，就是说当U/f线选定后，在某一频率下的电压补偿量Δu就确定了。如在满载时得到恰好的补偿（如图3-11b），在轻载时就会发生磁通相对值增大，磁化曲线进入深度饱和段（如图3-11c），励磁电流产生巨大的尖峰波。

图3-11 负载变化（减轻）对磁通的影响

a）负载率减轻至20% b）正常时的励磁电流 c）饱和时的励磁电流

（七）U/f线的选择与调整

1.调整U/f线的实质

基本频率

基本频率的大小是和变频器的输出电压相对应的。有两种定义方法：

1）和变频器的最大输出电压对应的频率（见图3-12）。

2）当变频器的输出电压等于额定电压时的最小输出频率。

基本频率用f_BA表示，在绝大多数情况下，基本频率都和电动机的额定频率相等。

图3-12 基本频率的定义

a）基本U/f线 b）变频器的对应关系 c）电动机的对应关系

2.基本频率的调整实例

一台220V的电动机配380V变频器，进口电动机的额定电压常常是三相220V，而我国低压电网的电压都是三相380V，两者之间能否配用呢？

可以通过提高基本频率的方法来解决。如图3-13所示，当把基本频率预置为87Hz时，则与87Hz对应的电压是380V，而50Hz对应的电压是220V，应用此方法时，电动机的工作频率可以上升至87Hz，从而增大了电动机的输出功率，但应注意由于变频器输出电压的脉动幅度仍高达513V左右，因此所用电动机的槽绝缘必须和380V电动机一样才行。

图3-13 220V电动机配380V变频器

a）对基本频率的设定 b）变频器与电动机的对应关系

（八）270V、70Hz电动机配380V变频器

一台电动机的额定数据是70Hz、270V。首先在U/f坐标内找到与（70Hz、270V）对应的点（见图3-14a），找出380V对应的频率为98Hz，将基本频率预置为98Hz即可。

图3-14 270V、70Hz电动机配380V变频器

a）对基本频率的设定 b）变频器与电动机的对应关系

（九）转矩提升的预置要点

实际调试时，U/f比例由小逐渐加大，每加大一档，首先看能否带得动负载，即使能带动负载，还应观察空载时会不会跳闸，一直到低频运行时，即能带动重负载，又不会空载跳闸为止。

1.低频重载时

如带式输送机，如图3-15所示，是运送煤炭或石料的传输带，其工作特点是：

1）其负载轻重与转速无关，属于恒转矩负载，机械特性如图3-15b所示。

2）在运行过程中，因为传输带上的物料多少是不恒定的，所以其负载轻重常有变化。

对于这类负载，必须考虑在物料最多的情况下，低频时也能带动负载。因此，应该选择具有一定补偿量的U/f曲线，如图3-15c所示。

当工作频率为f_x1时，在不进行补偿时，变频器的输出电压为U_X1。这时电动机在负载较重时，有可能带不动。如U/f曲线选择了曲线②，则当工作频率为f_x1时，变频器的输出电压增加为U_X2，使电动机的有效转矩足以克服负载的阻转矩。

图3-15 带式输送机的U/f曲线

a）负载示意图 b）负载机械特性 c）U/f曲线的选择

2.低频轻载时

风机属于二次方律负载，其机械特性如图3-16a所示，在低转速运行时，负载的阻转矩很小。如Q₁点，在这种情况下，即使不进行电压补偿，电动机的有效转矩也比负载转矩大得多。为此，变频器专门设置了若干根“负补偿线”。就是说，在低频时，电压非但不加大，相反地还应该适当减小，如图3-16b中曲线②。当工作频率为f_x1时，变频器的输出电压减小为U_x1，使电动机的有效转矩接近于负载转矩。

图3-16 风机的U/f曲线

a）风机的机械特性 b）U/f曲线的选择