交流异步电动机调速原理解析

时间：2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：交流电动机不论三相异步电动机还是三相同步电动机，它们的转速n为式中，f为频率；p为极对数；s为转差率；n0为同步转速。实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。例如：标准设计的三相异步电动机，380V，50Hz。图1-11b为感应电动机转速开环变压变频调速系统结构原理图，一般称为通用变频器，被广泛应用于调速性能要求不高的场合。

交流异步电动机调速原理解析

交流电动机不论三相异步电动机还是三相同步电动机，它们的转速n为

式中，f为频率；p为极对数；s为转差率（0～3%或0～6%）；n₀为同步转速。

由转速公式可见，只要设法改变三相交流电动机的供电频率f，就十分方便地改变了电动机的转速n。比改变极对数p和转差率s两个参数简单得多，特别是近20多年来，交流变频调速器得到了突飞猛进的发展，使得三相交流电动机变频调速成为当前电气调速的主流。

实际上仅仅改变电动机的频率并不能获得良好的变频特性。例如：标准设计的三相异步电动机，380V，50Hz。如果电压不变，只改变频率，会产生什么问题？380V不变，频率下调（<50Hz），会使电动机气隙磁通φ（约等于U/f）饱和；反之，380V不变，频率向上调（>50Hz），则使磁通减弱。所以，真正应用变频调速时，一般需要同时改变电压和频率，以保持磁通基本恒定。因此，变频调速器又称为VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）装置。

1.感应电动机稳态模型

根据电机学原理，在下述3个假定条件下（即忽略空间和时间谐波、忽略磁饱和、忽略铁损），感应电动机的稳态模型可以用T形等效电路表示，如图1-8a所示。

图1-8a中的各参数定义如下：

R_s、R_r′为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；

L_1s、L₁′r为定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；

L_m为定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；

U_s、ω₁为定子相电压和供电角频率；

I_s、I_r′为定子相电流和折合到定子侧的转子相电流。

图1-8 感应电动机等效电路

a）感应电动机T形等效电路 b）感应电动机简化等效电路

忽略励磁电流，则得到如图1-8b所示的简化等效电路。

因此，电流公式可表示为

已知感应电动机传递的电磁功率

，同步机械角速度ω_m1=ω₁/n_p，则感应电动机的电磁转矩为

感应电动机的每极气隙磁通为

式中，E_g为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；f₁为定子频率；N_s为定子每相绕组串联匝数；K_Ns为定子基波绕组系数。

忽略定子电阻和漏磁感抗压降，则认为定子相电压U_s=E_g。

对T_e公式对s求导，并令dT_e/ds=0，可求出对应于最大转矩时的临界静差：

最大转矩为

2.转速开环的感应电动机变压变频调速

变压变频调速是改变同步转速的调速方法，同步转速随频率而变化，为了达到良好的控制效果，常采用电压-频率协调控制（即U/f控制），并分为基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。(www.xing528.com)

（1）基频以下调速

为了充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力，在基频以下采用恒磁通控制方式，要保持φ_m不变，当频率f₁从额定值f_IN向下调节时，必须同时降低E_g，即采用电动势频率比为恒值的控制方式。然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子电阻和漏磁感抗压降，而认为定子相电压U_s≈E_g，则得

这是恒压频比的控制方式，其控制特性如图1-9所示。

低频时，U_s和E_g都较小，定子电阻和漏磁感抗压降所占的分量相对较大，可以人为地抬高定子相电压U_s，以便补偿定子压降，称作低频补偿或转矩提升。

图1-9 恒压频比控制特性

（2）基频以上调速

在基频以上调速时，频率从f_IN向上升高，但定子电压U_s却不可能超过额定电压U_SN，只能保持U_s=U_SN不变，这将使磁通与频率成反比地下降，使得感应电动机工作在弱磁状态。

把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图1-10所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化而变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定，转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时磁通恒减小，转矩也随着降低，基本上属于“恒功率调速”。

3.恒压频比时的机械特性

基频以下须采用恒压频比控制，感应电动机的电磁转矩为