由电机学可知，交流电动机的转速公式有

式中：f为定子供电电压的频率；p为极对数；S为转差率。

从式（4.17）中可以看到，通过均匀地改变电动机定子供电电压的频率就可平滑地改变电动机的转速。

4.3.1.1　变频调速的控制方式

在异步电动机中定子绕组的反电势为

如果忽略定子阻抗压降则有

式（4.19）表明：若端电压U不变，则随着f的升高，气隙磁通Φ将减小。由电动机的转矩表达式

式（4.20）中，Φ的减小将会导致异步电动机允许输出转矩T下降，这就损耗了电动机的利用率，同时电动机的最大转矩下降，严重时甚至堵转。

端电压U不变时，随着f的减小，气隙磁通Φ将增加，从而使得磁路饱和，激磁电流增大导致缺损急剧增加。

为此在许多应用场合，为了维持在调速时异步电动机的最大转矩Tm不变，需要保持磁通Φ恒定，这样即要求在变频的同时改变定子电压U。下面由端电压U和频率f的不同比例关系，可有如下的不同变频调速方式。

1.保持常数的比例控制方式

在忽略定子阻抗压降后

变换式（4.21）有

式（4.22）中C=4.44Wk为常数，可知在变频时要维持磁通Φ恒定，只要端电压U和频率f成比例改变即可。这时从理论分析可知，若忽略定子阻抗，则电动机的最大转矩Tm与频率f无关。

但实际中在低频时，由于定子阻抗已不可忽略，电动机的最大转矩Tm随频率f的减小而减小，甚至不能带动负载。

2.保持Tm=常数的恒磁通控制方式

上述的按常数的比例控制方式在低频时无法维持最大转矩Tm，因而只适用于调速范围不大或转矩随转速的下降而减小的负载。而对于调速范围大的恒转矩性质的负载则必须在整个调速范围内希望维持转矩Tm不变，即按常数来进行控制，在变频调速时必须适当地提高U并随着f的降低来补偿定子阻抗的压降。

理论分析表明，定子电压U由式（4.23）求得

式中：f为变化频率；fN为额定频率；UN为定子额定电压；X为定子绕组阻抗；r为定子绕组电阻。

3.保持Pd=常数的恒功率控制方式

在频率f超过额定频率fN，亦即转速超过额定转速时，若仍维持常数则会使U超过UN，这是不允许的。通常在f>fN时的调速系统可近似认为恒功率调速。

若要比较准确的维持恒功率调速，则要求定子电压U的变化需满足常数才能维持恒功率调速。

4.恒电流控制方式

在变频调速时，若保持电动机的定子电流为恒值，则称为恒电流控制，恒电流控制是通过电流闭环调节来实现。

4.3.1.2　变频器

变频器是将电网供电的工频交流电源变为适用于交流电动机变频调速用的电压可变、频率可变的交流电的变流装置。在变频调速中，变频器可以分为交—交变频器和交—直—交变频器，如图4.17所示。

图4.17　变频器

1.交—交变频器

交—交变频亦称直接变频器或周波变换器，其过程就是直接将电网的交流电变为电压和频率都可以调节（VVVF）的交流电。交—交变频器的工作原理可以由如图4.18所示的对单相电阻负载供电的交—交变频器来说明。图4.18中由两组反并联的整流器P组和N组构成，若P组和N组交替向负载供电，则在负载上就获得交流输出电压u0，图4.18（b）中为P组和N组分别导通的输出电压图。u0的幅度由两组可控整流器的控制角α决定；u0的频率则由两组可控整流器的切换频率来确定。

在单相交—交变频器中，若输入电压为三相电源，可控整流器为三相全控桥式接法，要得到单相输出交流电共需12个晶闸管元件。因此，对于三相负载则需要36个晶闸管器件。由于输出波形是由供电电源波形经整流后得到的，所以交流输出的频率不能高于电网电源的频率。

图4.18　交—交变频器原理图

2.交—直—交变频器

交—直—交变频器的工作原理图可用如图4.19所示的对单相负载供电的交—直—交变频器来说明。图4.19中由一组可控整流器和4个开关元件组成，可控整流装置把交流电变为幅值可调的直流电，开关元件1、3和2、4交替导通对负载电阻供电，那么就在负载上得到交流输出电压u0，图4.19（b）为开关元件1、3和2、4交替导通的输出电压图。u0的幅值由可控整流装置的控制角α决定；u0的频率则由开关元件的切换频率来确定，且不受电源频率的限制。

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图4.19　交—直—交变频器原理图

在单相交—直—交变频器中的可控整流器采用三相全控桥接法，要获得单相交流输出电压需要10个晶闸管元件，若要得到三相交流输出则只需增加两个开关元件即可。

实际上变频调速系统中的变频器的负载是异步电动机，其功率因数是滞后的，因此，在直流环节和负载之间必须设置储能元件，以缓冲无功能量。而按照无功能量的处理方式，变频器又可以分为电压型变频器和电流型变频器两类。

电压型交—直—交变频器是在直流部分并联大电容缓冲无功能量，其输出电压波形接近于矩形波。电流型交—直—交变频器是在直流部分串入大电感以吸收无功功率，其输出电流接近于矩形波。

对于交—交变频器，虽然没有明显的直流环节，也可分为电流型和电压型。当两组可控整流器反并联直接接到电网上，此时变频器属于电压型；若两组可控整流器经大电感接到电网上则变频器属于电流型。

3.变频器的基本组成

变频调速系统中变频器的结构形式随采用的不同功率元件而不同，若按各环节的作用、功能来看，各类变频器均由一些基本环节组成。这里仅以交—直—交变频器为例，介绍变频器的基本组成环节。

交—直—交变频器的基本构成如图4.20所示，其包含下面几个主要环节。

图4.20　交—直—交变频器结构图

（1）整流器。整流器的作用是把交流电整流为直流电。在变频技术中整流器可采用硅整流元件构成不可控整流器，也可采用晶闸管元件构成可控整流器。交流输入电源可使用单相或三相，由交流电动机的容量、电压大小来决定。

（2）滤波器。滤波器是用来缓冲直流环节和负载之间的无功能量。使用大电容进行滤波的变频器是电压型；使用大电感进行滤波的变频器是电流型。

（3）功率逆变器。功率逆变器把直流电逆变为频率、电压可调的交流电的变流装置。在交流调速系统中，功率逆变器使用的功率元件有变普通的晶闸管、大功率晶体管和功率场效应管等。

（4）控制器。以变频调速的不同控制方式产生相应的控制信号，通过控制功率逆变器中各功率元件的工作状态，使逆变器输出预定频率和预定电压的交流电源。

控制器有如下两种控制方式：

1）以各种集成电路构成的模拟控制方式。

2）以单片机、微处理器构成的数字控制方式。

目前微电脑变频器的控制核心使用的是单片机或微处理器。

4.3.1.3　逆变器

在电能的交换方式中，将交流电变为直流电的变流装置称为整流器。反过来将直流电变为交流电的电流装置称为功率逆变器，简称逆变器。

交流调速系统逆变器的种类名称有不同的分类方法。

1.按逆变器的功能（按异步电动机端电压或控制电流分类）

（1）电压型逆变器。

（2）电流型逆变器。

2.按逆变器的电压或电流的控制方法分类

（1）脉宽调制（PWM）逆变器。

（2）脉幅调制（PAM）逆变器。

（3）在PAM逆变器中同时采用PWM方法。

3.按逆变器的电压或电流波形分类

（1）矩形波逆变器。

（2）正弦波逆变器。

在此种分类中，矩形波逆变器名称之前常冠以导电角，如120°矩形波逆变器等。

4.按逆变器中使用的功率元件分类

（1）晶闸管（SCR）逆变器。

（2）可关断晶闸管（GTO）逆变器。

（3）大功率晶体管（GTR）逆变器。

（4）功率场效应管（P-MOSFET）逆变器。

在中小容量的交流电动机驱动用逆变器大部分都是大功率晶体管逆变器。

5.按逆变器的控制功能分类

（1）固定电压、固定频率（CV、CF）逆变器。

（2）固定电压、可变频率（CV、VF）逆变器。

（3）可变电压、可变频率（VV、VF）逆变器。

一般来说，异步电动机变频调速系统多采用可变电压可变频率的VVVF逆变器。