[關鍵詞]三相異步電動機、三相稀土永磁同步電動機、通用變頻器、矢量控制變頻器、轉速編碼器、開環(huán)和閉環(huán)控制
[論文摘要]
本文討論了三相異步電動機開環(huán)變頻調速系統(tǒng)；無傳感器矢量變頻器異步調速系統(tǒng)；矢量變頻器閉環(huán)異步變頻調速系統(tǒng)；
永磁同步電動機開環(huán)控制變頻調速系統(tǒng)四種控制方案。文中還就這四種方案的優(yōu)缺點進行分析比較，指出它們各自的適用范圍。
一、 交流電動機變頻調速
交流電動機不論三相異步電動機還是三相同步電動機，它們的轉速N公式為：
N0=60F/P （同步電動機） N=N0(1-S)=60F/P(1-S) （異步電動機）
式中：F-頻率；P-極對數(shù)；S-轉差率（0～3%或0～6%）。
由轉速公式可見，只要設法改變三相交流電動機的供電率F，就十分方便地改變了電動機的轉速N。比改變極對數(shù)P和轉差率S兩個參數(shù)簡單得多，特別是近二十多年來，靜態(tài)電力變頻調速器突飛猛進的發(fā)展，使得三相交流電動機變頻調速成為當前電氣調速的主流。
實際上僅僅改變電動機的頻率并不能獲得良好的變頻特性。例如：標準設計的三相異步電動機，380V，50Hz。如果電壓不變，只改變頻率，會產(chǎn)生什么問題？380V不變，頻率下調(<50Hz)，會使電機氣隙磁通φ(約等于V/F)飽和；反之，380V不變，頻率向上調(>50Hz)，則使磁通減弱。所以，真正應用變頻調速時，一般需要同時改變電壓和頻率，以保持磁通基本恒定。因此，變頻調速器又稱為VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置。
二、 交流電動機變頻調速四種控制方案的分析
根據(jù)生產(chǎn)的要求，變頻器的型式和電動機的種類，會出現(xiàn)多種多樣的變頻調速控制方案。這里只討論交-直-交(Ac-Dc-Ac)變頻器。至于交-交循環(huán)變頻器（Ac-Ac相控變頻）以及自同步控制逆變器（不論Ac-Ac方式還是Ac-Dc-Ac方式），即俗稱無換向器電動機，均不展開討論。 １、開環(huán)控制的通用變頻器三相異步電動機變頻調速系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。
該控制方案結構簡單，可靠性高。但是，由于是開環(huán)控制方式，其調速精度和動態(tài)響應特性并不是十分理想。尤其是在低速區(qū)域電壓調整比較困難，不可能得到較大的調速范圍和較高的調速精度。異步電動機存在轉差率，轉速隨負荷力矩變化而變動，即使目前有些變頻器具有轉差補償功能及轉矩提升功能，也難以達到0.5%的精度，所以采用這種V/F控制的通用變頻器異步機開環(huán)變頻調速適用于一般要求不高的場合，例如風機、水泵等機械。
2、無速度傳感器的矢量控制變頻器異步電機變頻調速系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。
對比圖1和圖2控制框圖，兩者的差別僅在使用的變頻器不同。由于使用無速度傳感器矢量控制的變頻器，可以分別對異步電動機的磁通和轉矩電流進行檢測、控制，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測實際值達到一致，從而實現(xiàn)了矢量控制。雖說它是開環(huán)控制系統(tǒng)，但是大大提升了靜態(tài)精度和動態(tài)品質。轉速精度約等于0.5%，轉速響應也較快。
如果生產(chǎn)要求不是十分高的情形下，采用矢量變頻器無傳感器開環(huán)異步電機變頻調速是非常合適的，可以達到控制結構簡單，可靠性高的實效。 3、帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步電機閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。
矢量控制異步電機閉環(huán)變頻調速是一種理想的控制方式。
它有許多優(yōu)點：
（1）可以從零轉速起進行速度控制，即甚低速亦能運行，因此調速范圍很寬廣，可達100:1或1000:1；
（2）可以對轉矩實行精確控制；
（3）系統(tǒng)的動態(tài)響應速度甚快；
（4）電動機的加速度特性很好等優(yōu)點。
然而，帶速度傳感器矢量控制變頻器的異步機閉環(huán)變頻調速技術性能雖好，但是畢竟它需要在異步電動機軸上安裝速度傳感器，嚴格地講，已經(jīng)降低了異步電動機結構堅固、可靠性高的特點。況且，在某些情況下，由于電動機本身或環(huán)境的因素無法安裝速度傳感器。再則，多了反饋電路和環(huán)節(jié)，也增加了出故障的機率。
因此，如若非采用不可的情況下，對于調速范圍、轉速精度和動態(tài)品質要求不是特別高的條件場合，往往采用無速度傳感器矢量變頻器開環(huán)控制異步機變頻調速系統(tǒng)。
4、 永磁同步電動機開環(huán)控制的變頻調速系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。
假如將圖1中異步電動機(IM)換成永磁同步電動機(PM.SM)，就是第四種變頻調速控制方案。又具有控制電路簡單，可靠性高的特點。至于調速性能如何呢？
由于是同步電動機，它轉速始終等于同步轉速N0=60F/P，只取決于電動機供電頻率F，而與負載大小無關（除非負載力矩大于或等于失步轉矩，同步電動機會失步，轉速迅速停止），其機械特性曲線為一根平行橫軸直線，絕對硬特性。
如果采用高精度的變頻器（數(shù)字設定頻率精度可達0.01%），在開環(huán)控制情形下，同步電動機的轉速精度亦為0.01%。因為同步電動機轉速精度與變頻器頻率精度相一致（在開環(huán)控制方式時），所以特別適合多電機同步傳動，靜態(tài)轉速精度要求甚高(0.5～0.01%)的化纖紡絲機，是最理想最簡單的首選方案。
至于同步電動機變頻調速系統(tǒng)的動態(tài)品質問題，若采用通用變頻器V/F控制，響應速度較慢；若采用夭量控制就頻器，響應速度很快。
三、 交流電動機變頻調速控制方案的選擇
在對四種常用控制方案分析的基礎上，列表進行對比，可以根據(jù)實際需求作出正確選擇。
