变频调速理论基础-复习及习题解答 2

三、交流异步电动机变频调速的理论基础
问题3-1：在电动机调速时，为什么要保持每极磁通量为额定值不变？对直流电机和交流异步电机，分别采用什么方法使电机每极的磁通恒定？
异步电机的气隙磁链在每相定子中的感应电动势E g =4.44f 1N 1k N1Φm 如果使Eg/f 1=K 气隙磁链保持不变，要保持直流电机的磁通恒定，因为其励磁系统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，容易做到保持磁通恒定。

要保持交流异步电机的磁通恒定，必须采用恒压频比控制。

问题3-2：交流异步电动机的恒压频比控制有哪三种方式？试就其实现难易程度、
机械特性等方面 进行比较。

Eg/f 1=K ，气隙磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率为恒值，机械特性非线性，难实现，加定子电压补偿的目标，改善低速性能。

T max ， n m 与频率无关，机械特性平行，硬度相同，类似于直流电动机的降压调速，属于恒转矩调速。

U 1/f 1=K ，定子相电压/输入频率为恒值，U 1定子相电压，机械特性非线性，易实现。

f 1接近额定频率时，T max 变化不大，f 1的降低，T max 变化较大，在低速时甚至拖不动负载。

实际上U 1/f 1=常数，由于频率很低时定子电阻损耗相对较大， 不可忽略，故必须进行定子电压补偿。

E 2/f 1=K ，转子磁链在每相定子中的感应电动势/输入频率 为恒值，E 2转子磁链在每相定子中的感应电动势
（忽略转子电阻损耗）转子磁链恒值，机械特性线性， 稳态性能和动态性能好，最难实现。

这是矢量控制追求的目标。

问题3-3：交流异步电动机变频调速系统在基速以上和基速以下分别采用什么控
恒磁通调速（基频以下）U 1/f 1=恒功率调速（基频以上）升高电源电压时不允许的，
在频率上调时，只能保持电压不变。

频率越大，磁通就越小，类似于直流电动机的弱磁增速。

问题3-4：正弦波恒流供电时交流异步电动机变频调速系统的机械特性有何特
点？
① 与恒压频比控制的机械特性相似，有空载转矩点
和最大转矩点，
1
Φ
m =K E g 0 f
T f
带定子电压补偿的U 1/f 1=K
② 恒流机械特性的最大转矩与ω1无关， 恒流变频时最大转矩不变，但改变定子电流时， 最大转矩与电流的平方成正比。

③ 由于L σ1＜＜L m ，所以恒流机械特性的线性段 比恒压机械特性较平，而且最大转矩处很尖。

④ 恒流特性限制了定子电流I 1，而恒压供电时 随着转速n 降低电流I 1会不断增大。

所以额定电流时T emax ∣I1=cont 比额定电压时T emax ∣v1=cont 小得多。

但这并不影响恒流控制得系统承担短时过
载能力。

因为过载时加大定子电流，以产生更大得转矩。

问题3-5：交流异步电动机变频调速系统的控制方式有恒磁通控制、恒功率控制和
恒电流控制三种，其中恒磁通控制又称恒转矩控制。

问题3-6：如果在交流异步电动机变频调速系统采用恒转矩控制时，出现励磁电
流急剧增加的现象
（实际上时由于电压补偿过多），导致系统不能正常工作，应采取的解决办法有：适当增加定子电压U 1和在开环系统上加电流负反馈，以便限制定子励磁电流，（实际上，变为恒转矩负载加恒电流控制）。

问题3-7：已知一台异步电动机参数如下：P N ＝3KW ，U 1N ＝380V ，I 1N =7.5A ，
n N =1450r ／min ，电枢绕组电阻R 1＝1.5Ω，R 2＝0.823Ω。

定子漏抗L σ
1=0.0038H ，转子漏抗L ’
σ2＝0.00475H ，励磁电感L m ＝0.0968H ，励磁电阻R m ＝1.49Ω，试计算：
① 在U 1/f 1=C 方式控制下， f 1=5Hz 时U 1 =?
② 在T emax =C 方式控制下， f 1=5Hz 时U 1 =?在f 1=5Hz 时，U 1/f 1=C 方式控制下，
T emax =?在f 1=50Hz 时，U 1/f 1=C 方式控制下， T emax =?
解： ① U 1/f 1=C 方式下，U 1/f 1= U 1P /f 1N= C 相电压
U 1=（f 1/ f 1N ）× U 1N =(5/50) ×380/3=22伏 ② T emax =C 方式，α= f 1/ f 1N =(5/50)=0.1
θ=X N /R=2πf1N(L σ1+ L ’σ2)/R 1=2×3.14[0.0038+0.00475]/ 1.5=1.778
γ=α[
21
22
2
]1111θ
θ
α
α++
++）（=0.257
U 1=γU 1N=γ×220=56.5伏>22伏
结论：恒转矩控制方式下，在f 1较低时提高了定子电压。

③ f 1=5Hz 时，U 1/f 1=C 方式控制下，n N =1450r ／min ，n ==1500r ／min ，为2对
磁极电机。

T emax-5=
123f P n
π}
)](2[{22
'
21121
1
2
1
σσπL L f R R U +++
=15.2牛顿.米
④ f 1=50Hz 时，U 1/f 1=C 方式控制下
T emax-50=
123f P n
π}
)](2[{22
'
21121
1
2
1
σσπL L f R R U +++
=100.8牛顿.米
结论：U 1/f 1=C 方式控制下，在f 1较低时应补偿了定子绕组压降，以提高最大转矩.。

问题3-8：从结构上看，静止式变频装置分为哪两类？
间接变频装置（交-直-交变频）直接变频装置（交-交变频）
问题3-9：什么是间接变频？按照控制方式不同，请画出三种间接变频的结构图，并说明其优缺点
先将交流经整流装置变成直流，再经过逆变装置变成交流，实现调压变频功能。

① 三相交流输入经晶闸管组成的可控整流变成直流实现调压，再由晶闸管组成的逆变器转换成交流实现变频。

优点：结构简单、控制方便。

缺点： 输入环节用可控整流，电压和频率较低时，电网的功率因数较小。

输出环节多由晶闸管组成的三相六拍逆变器（每周换流六次），输出的谐波较大。

② 三相交流输入经二极管组成的不控整流变成直流，然后由直流斩波器实现调压，再由晶闸管组成的逆变器将直流转换成交流实现变频。

优点：不控整流，输入功率因数高，控制较方便。

缺点： 输出环节多由晶闸管组成的三相六拍逆变器（每周换流六次），输出的谐波较大。

③ 三相交流输入经二极管组成的不控整流变成直流，然后由PWM 逆变器将直流转换成交流实现变频调压。

优点：不控整流，输入功率因数高， 控制较方便。

PWM 逆变器 输出谐波减少。

缺点： 谐波减少程度取决于PWM 逆变器的开关频率，开关频率受功率器件开关时间限制。

解决方法： 采用全控器件，提高开关频率，组成SPWM （正弦波脉宽调制）逆变器。

问题3-10：什么是直接变频？晶闸管的触发控制角采用怎样的变化规律能得到正弦输出电压？
三相交流输入经晶闸管组成的交-交变频器转换成交流输出，实现变频调压。

a 在 0 至 p 之间变化，输出交流电压，两组三相可控整流电路反并联组成的可逆电路，其输出电压和电流的方向及大小是可以任意改变的。

三个单相交-交变频器互差120°工作，就构成了一个三相交-交变频器。

问题3-11：什么是变转差率调速?
在转差率s很小的范围内，只要能够维持气隙磁通φm不变异步电机的转矩就近似与转差角频率ωs成正比，即在异步电机中，控制转差率就代表了控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。

问题3-12：请从换能形式、换流方式、元件数量、调频范围、电网功率因数和适
问题3-13：请从直流回路滤波环节、输出电压波形、输出电流波形、输出阻抗、回馈制动、调速动态响应、对晶闸管的要求和适用范围等方面比较电压
源和电流源交-直-交变频器。

问题3-14：请举例说明交-直-交电压源变频调速系统、交-直-交电流源变频调速系统、
电流源变频器-异步电动机变频调速矢量控制系统、电压型变频器的矢量控制系统、
电压型SPWM变频器的矢量控制系统、交-交变频器的矢量控制系统、
无速度传感器的矢量控制系统的工作原理。

问题3-15：异步电动机变压变频调速时，采用（B ）控制方式，可获得一线性机械特性。

A、U1／f1=常值；
B、E g/f1=常值；
C、E s/f1=常值；
D、E r/f1=常值
问题3-16：一般的间接变频器中，逆变器起（B ）作用。

A、调压；
B、调频；
C、调压与逆变；
D、调频与逆变
问题3-17：变频器从结构上看，可分为直接变频、简接变频两类，从变频电源性质看，
可分为电流型、电压型两类。

问题3-18：转差频率控制变频调速系统的基本思想是控制（C）。

A、电机的调速精度；
B、电机的动态转矩；
C、电机的气隙磁通；
D、电机的定子电流
问题3-19：交流异步电动机变频调速控制策略的研究（电气传动自动化）2003，25（5）P22~25
①常规控制策略：恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转
矩控制
②现有控制策略：转子参数推算法、自适应控制、鲁棒控制
非线性控制（非线性反馈控制、逆控制）
智能控制（神经网络于内模复合控制、模糊于模型参考自适应复合控制、
模糊于变结构复合控制、滑模/模糊/神经网络的复合控制）
③热门课题及关键技术
非线性自适应控制。