异步电动机和变频(biànpín)调速原理目前市场上，实现交、直流电动机(dòngjī)调速的驱动器产品有多种，就调速性能来说，无论对直流电动机(dòngjī)还是对交流电动机(dòngjī)都可以实现十分优良的无级调速；但从电动机(dòngjī)本身的现场使用来说，交流电动机(dòngjī)远优于直流电动机(dòngjī)，主要原因在于直流电动机(dòngjī)内部有碳刷和换向片，需要经常检修，不能适用于恶劣的环境，耐压和容量也受限制。因此，近年来交流电动机(dòngjī)调速技术在使用上取得了绝对优势，在交流电动机(dòngjī)的各种调速技术中，异步电动机(dòngjī)的变频调速技术最具代表性。第一页，共13页。我们知道，电网提供的交流电是恒压恒频的，变频器产品的作用是改变电源的频率和电压，对交流异步电动机实现无级变速。变频调速技术是功率电子技术、微电子技术与微机控制技术高度发展的产物，在变频器—交流电动机调速系统中，变频器具有升速快，无级变速范围宽，动特性(tèxìng)好等优点，而交流电动机又具有环境适应性强，维修简单，价格低等优势，这使得变频调速技术在机械、钢铁、有色金属、矿山、石油化工、纺织、电力、建材、轻工、医药、造纸、卷烟、自来水等行业中均获得广泛应用。第二页，共13页。交流异步电动机的变频调速的原理，可从异步电动机的转速(zhuànsù)方程得出。转速(zhuànsù)方程如下所示：式中：n——电动机的实际转速 f1——电动机定子绕组的供电频率(pínlǜ) p——旋转磁场的极对数 S——转差率，表示定子旋转磁场的同步转速n1与n的关系：n=n1(1-S)第三页，共13页。因此，只要平滑地调节异步电动机的定子供电(ɡònɡdiàn)频率f1，就可以平滑调节异步电动机的同步转速n1。由于转子是跟随旋转磁场同步旋转的，转子转速为n=n1(1-s)，所以变频能通过同步转速的改变实现异步电动机的无级调速。第四页，共13页。表面看来，只要改变定子电压的频率f1就可以调节转速的大小，但是事实上，只改变f1并不能正常调速。参考异步电动机的电压方程(fāngchéng)U1≈E1=4.44f1K1N1Φ 式中：U1——定子相电压 E1——定子相电动势 N1——定子相绕组总匝数 K1——基波绕组系数 Φ——每极气隙磁通假设现在只改变f1进行调速，设供电频率f1上下调节，而供电电压U1不变，因K1N1为常数，则异步电动机的主磁通Φ必将改变：如f1向上调，则Φ会下降，这使得拖动转矩T下降，第五页，共13页。因为T=CTΦI2cosφ2，电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不动而堵转；如f1向下调，则Φ会增强，这会带来更大的危险，因为电机铁磁材料的磁化曲线不是直线而具有饱和特性，设计电机时为了建立更强的磁场，其工频下的工作点已经接近磁饱和，如再增强磁场势必引起励磁电流(diànliú)（体现在定子电流(diànliú)上）急剧升高，最终烧坏电机。第六页，共13页。由上可知，只改变频(biànpín)率f1实际上并不能正常调速。在许多场合，要求在调节定子供电频率f1的同时，调节定子供电电压U1的大小，通过U1和f1的不同配合实现安全的调频调速。1．保持U1/f1=常数的近似恒磁通控制方式由于Φ∝E1/f1≈U1/f1，故调节三相异步电动机的供电频率f1时，按比例调节供电电压的U1的大小可以近似实现Φ为常数。以星形接法的电机为例，变频(biànpín)调速时，如供电50Hz对应220V相电压（一般为额定点），则25Hz需提供110V相电压，10Hz需提供44V相电压。第七页，共13页。图1保持U1/f1=常数控制方式(fāngshì)的机械特性第八页，共13页。在机械(jīxiè)特性上，保持U1/f1=常数的近似恒磁通控制方式的机械(jīxiè)特性曲线族体现为近似恒转矩性质，如图1所示。由机械(jīxiè)特性曲线可以看出，U1/f1=常数调速方式在低频低速运行时拖动力矩不足，显然，U1/f1=常数的调速方式并不是真正的恒磁通调速，这是因为电动机的主磁通Φ与E1/f1成正比例，严格意义上不是与U1/f1成正比，外加电压U1只是在不计定子内阻时才近似等于反电势E1。当供电频率和电压变得较低时，内阻的影响增大，E1达不到要求值，就出现了低速下拖动转矩明显不足的问题。解决这个问题的方法是采用E1/f1=常数的严格恒磁通控制方式。第九页，共13页。2．保持E1/f1=常数的严格恒磁通控制方式在三相异步电动机中，E1不是一个可以直接测量和控制的物理量，所以变频调速所能做的仍然是通过控制供电电压U1来间接控制反电势E1。在通用变频器产品(chǎnpǐn)中，通常采用的措施是低频段电压补偿法，使U1与f1满足下图的配合关系。图2中U1N和f1N分别为电动机的额定电压和额定频率。利用图2实现严格恒磁通的基本思路是以近似恒磁通控制方式为基础，在U1/f1=常数的基础上加一定的供电电压U1提升，以补偿定子内阻压降对反电势E1的影响，使E1/f1=常数。低频低速运行时内阻压降较小，需要加强U1的补偿量；而额定工作点附近（50Hz）内阻压降较小，可以不加补偿。第十页，共13页。图2实现严格(yángé)恒磁通的U1与f1配合关系第十一页，共13页。图3保持E1/f1=常数控制(kòngzhì)方式的机械特性第十二页，共13页。严格恒磁通控制方式下，变频调速电动机的机械特性(tèxìng)如图3所示，特性(tèxìng)曲线族呈现恒转矩性质。实际补偿时，必须根据不同参数的电动机运用不同的补偿曲线才能取得理想的补偿效果，补偿不足会造成拉力不足，过度补偿则会造成起动时电流过大。此外，在变频调速时，如果将频率调到额定频率以上（大于50Hz），则不允许将供电电压比例上调，U1只能保持在U1N不变，因为所有的用电器都不允许超过额定电压。第十三页，共13页。
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