第六章 交流异步电动机变频调速系统

恒Eg/1特性分母中含s 项的参数要小于恒 Us/1特性中的同类项，也就是说，s 值要更大
一些才能使该项占有显著的份量，从而不能被
忽略，因此恒Eg/1特性的线性段范围更宽。 将式（6-12）对s 求导，并令dTe/ds = 0，
可得恒Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率和
最大转矩
sm
Rr'
1L'lr
异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性
恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性
Te
3np
Us
1
2
(sRs
Rr'
)2
s1Rr' s212 (Lls
L'lr
)2
特性分析
（6-4）
当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则
Te
3np
Us
1
2
s1
Rr'
s
也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比， 机械特性Te=f（s）是一段直线，见图6-3。
Te
3np
Eg
1
2
s1
Rr'
s
（6-13）
这表明机械特性的这一段近似为一条直线。
当s 接近于1时，可忽略式（6-12）分母中
的Rr'2项，则
Te
3np
Eg
1
2
Rr'
s1L'l2r
1 s
（6-14）
s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直
线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频
比特性相似。
但是，对比式（6-4）和式（6-12）可以看出，
而式（6-10）的最大转矩表达式可改写成
Temax
3 2
npU sN 2
1
Rs
1
Rs2 12 (Lls L'lr )2
（6-21）
同步转速的表达式仍和式（6-7）一样。
• 机械特性曲线 n
由此可见，
当角频率提高 时，同步转速 随之提高，最 大转矩减小， 机械特性上移， 而形状基本不 变，如图所示。
最大转矩值越小。
Temax
3np 2
Us
1
2
Rs
1
1
2
Rs
1
(Lls L'lr )2
（6-10）
可见最大转矩Temax是随着的1降低而减小的。
频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，
采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增
强带载能力，见图6-4。
n
n0 N
1N 11 12 13 1N
由等效电路可以看出
I
' r
代入电磁转矩关系式，得
Eg
Rr' s
2
12 L'lr 2
（6-11）
Te
3np
1
•
Rr' s
Eg2
2
12
L' 2 lr
•
Rr' s
3np
Eg
1
2
Rr'2
s1Rr'
s
2 2 1
L'2 lr
（6-12）
利用与前相似的分析方法，当s很小时，可
忽略式（6-12）分母中含 s 项，则
当 s 接近于1时，可忽略式（6-4）分母中的
Rr'
，则
Te
3np
Us
1
2
s[ Rs 2
1Rr' 12 (Lls
L'lr )2 ]
1 s
（6-6）
即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，
Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。
机械特性
当 s 为以上两段的中间数值时，机械特性从 直线段逐渐过渡到双曲线段，如图6-3所示。
而且，在动态中尽可能保持rm恒定是矢量
控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。
基频以上恒压变频时的机械特性
在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us=
UsN 不变，式（6-4）的机械特性方程式可写成
Te
3npUsN2
1
(sRs
Rr' )2
sRr'
s
2 2 1
(
Lls
L'lr )2
（6-20）
n01
11
n02
12
n03
13
补偿定子压 降后的特性
O Te
图6-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性
恒Eg/1控制
下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图
中几处感应电动势的意义如下：
Eg — 气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中
的感应电动势；
Es — 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电
动势；
Er — 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势
为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利 用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基 频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速 自然要随频率变化。
n0
601 2np
（6-7）
带负载时的转速降落为
n
sn0
60
2np
s1
（6-8）
在式（6-5）所表示的机械特性近似直线段上，
可以导出
s1
Rr' Te
3np
Us
第六章 交流异步电动机变频调速系统
交流调速的基本方案
由电机学的基本公式：
可见，异步电动机的调速方案有：改变极对 数p，改变转速率s（即改变电动机机械特性的 硬度）和改变电源频率f1。
交流调速的分类如下：
变极对数调速是有级的； 变转差率调速，不调同步转速，低速时电阻 能耗大、效率较低；只有串级调速情况下，转 差功率才得以利用，效率较高。 变频调速是调节同步转速，可以从高速到低 速都保持很小的转差率，效率高、调速范围大、 精度高，是交流电动机一种比较理想的调速方 案。 在变频控制方式上又可分为变压变频调速， 矢量控制变频调速和直接转矩控制变压变频调 速等几种。
Us Φm
恒转矩调速
UsN ΦmN
Us
恒功率调速
Φm
O
f1N
f1
图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性
异步电动机的变压变频调速是进行分段控制的：
基频以下，采取恒磁恒压频比控制方式；
基频以上，采取恒压弱磁升速控制方式。
U Te
P
N
UN
Te
U
P
O
变电压调速
nN
nmax n
弱磁调速
两种调速方式
a) 基频以下(U1/f1=恒量) b) 基频以上(U1=恒量) 图 三相异步电动机变频调速时的机械特性
（折合到定子边）。
特性分析
如果在电压－频率协调控制中，恰当地提高
• 异步电动机等效电路
Rs
Lls
Is
Us
1
Es
Eg Lm
L’lr
I’r
I0
Er
R’r /s
图6-5 异步电动机稳态等效电路和感应电动势
电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，
能维持Eg/1为恒值（基频以下），则由式（6-
1）可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值。
1
2
（6-9）
由此可见，当Us/1为恒值时，对于同一转矩
Te，s1是基本不变的，因而n也是基本不变
的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率
1时，机械特性基本上是平行下移，如图6-4所
示。它们和直流他励电机变压调速时的情况基
本相似。
所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转
速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时
• 机械特性
ns n0 0
sm
Temax
Te
0
1
Temax
Te
图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性
基频以下电压-频率协调控制时的机械特性
由式（6-4）机械特性方程式可以看出，对 于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求， 电压Us和频率1可以有多种配合。
在Us和1的不同配合下机械特性也是不一样 的，因此可以有不同方式的电压－频率协调控 制。 1.恒压频比控制（Us/1）
电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻
抗压降，而认为定子相电压 Us ≈ Eg，
则得 U s 常值
这是恒压频f1 比的控制方式。
（6-3）
但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻 抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。
这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便 近似地补偿定子压降。
带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下
（2）恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行
电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm= Constant，从而改善了低速性能。但机械特性 还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。
（3）恒Er/1控制可以得到和直流他励电机一 样的线性机械特性，按照转子全磁通rm恒定
进行控制，即得
Er/1= Constant
提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒
Er/1控制，那么，机械特性会怎样呢？由此
可写出
I
' r
Er Rr' / s
（6-17）
• 机械特性曲线 n
n0 N n01
1N 11
1N 11 12 13
n02
12
n03
13
O
Temax
Te
恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性
代入电磁转矩基本关系式，得
图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。
2. 基频以上调速
在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高， 但定子电压Us 却不可能超过额定电压
UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁通
与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升 速的情况。
Us UsN
b —带定子压降补偿
a —无补偿
O
f 1N
变频同时要变压
绕组过热
2021/10/6
6
在交流异步电机中，磁通m由定子和转子磁 势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周 折了。
定子每相电动势
Eg 4.44 f1NskNS Φm （6-1）
式中：Eg —气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值，单位为V；
f1 —定子频率，单位为Hz； Ns —定子每相绕组串联匝数； kNs —基波绕组系数；
对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对
电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易
做到的。 对变频调速的基本要求
主磁通 m 保持不变 磁回路饱和，严重时将烧毁电机
气隙磁 通在定 子绕组 中感应 电动势
U1 E1 4.44 f11 m T TZ不变
I2 I1
第一节 变频调速的基本控制方式和机械特性 通过改变定子供电频率来改变同步转速实现
对异步电动机的调速，在调速过程中从高速到 低速都可以保持有限的转差率，因而具有高效 率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为， 变频调速是异步电动机的一种比较合理和理想 的调速方法 。
原理：利用电动机的同步转速随频率变化的特 性，通过改变电动机的供电频率进行调速。保
m —每极气隙磁通量，单位为Wb。
1. 基频以下调速
由式（6-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便 可达到控制磁通m 的目的，对此，需要考虑 基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。
Eg 常值
（6-2）
即采用恒值电f1 动势频率比的控制方式。
恒压频比的控制方式
绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当
频率才能获得恒定的 Er /1 呢？
• 几种电压－频率协调控制方式的特性比较
s
恒 Er /1 控制
0
c
a
b
恒 Eg /1 控制
恒 Us /1 控制
10
Te
图6-6 不同电压－频率协调控制方式时的机械特性
按照式（6-1）电动势和磁通的关系，可以看
出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。在
式（6-1）中，气隙磁通的感应电动势 Eg 对应 于气隙磁通幅值 m ，那么，转子全磁通的感 应电动势 Er 就应该对应于转子全磁通幅值 rm ：
Te
3np
1
•
Er2
Rr' s
2
• Rr' s
3np
Er
1
2
•
s1
Rr'
（6-18）
现在，不必再作任何近似就可知道，这时的
机械特性完全是一条直线，见图6-6。
显然，恒 Er /1 控制的稳态性能最好，可
以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正
是高性能交流变频调速所要求的性能。
现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和
Er 4.44 f1NskNsΦrm
（6-19）
由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值
rm=Constant 进行控制，就可以获得恒Er/1
了。这正是矢量控制系统所遵循的原则。
4．几种协调控制方式的比较
（1）恒压频比（Us/1= Constant）控制最容
易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移， 硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低 速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行 补偿。
证U/f =定值，可以实现恒转矩调速或恒功率调 速。
在进行电机调速时，为了保持电动机的负载 能力，应保持气隙主磁通Φm不变，这就要求降 低供电频率的同时降低感应电动势，保持 E1/f1=常数，即保持电动势与频率之比为常数 进行控制。
如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心， 是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心 饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因 绕组过热而损坏电机。
（6-15）
Te m ax
3 2
np
Eg
1
2
1 L'lr
（6-16）
值得注意的是，在式（6-16）中，当Eg/1 为恒值时，Temax恒定不变，如下图所示，其稳 态性能优于恒Us/1控制的性能。
这正是恒Eg/1控制中补偿定子压降所追求的
目标。
恒Er/1控制
如果把电压－频率协调控制中的电压再进一步
f1
图6-1 恒压频比控制特性
把基频以下和基频以上两种情况的控制特性 画在一起，如下图所示。
如果电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。在基频以下，磁通 恒定时转矩也恒定，电磁转矩 Te = Km I 。在 调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出 转矩也不变，属于“恒转矩调速”性质，而在 基频以上，在弱磁调速范围内，转速越高，磁 通越弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩 与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为 “恒功率调速方式”。