三相异步电动机变频调速

一、三相异步电动机变频调速原理
由于电机转速〃与旋转磁场转速小接近，磁场转速小改变后，电机转速“也就随之变化，由公式小=普可知，改变电源频率八，可以调节磁场旋转，从而改变电机转速，这种方為为变频调速。

根据三相异步电动机的转速公式为
n = 丄(1-5)= 771(1-5)
P
式中八为异步电动机的定子电压供电频率；"为异步电动机的极对数；s•为异步电动机的转差率。

所以调节三相异步电动机的转速有三种方案。

异步电动机的变压变频调速系统一般简称变频调速系统，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速系统中效率最高，同时性能最好，是交流调速系统的主要研究和发展方向。

改变异步电动机定子绕组供电电源的频率八，可以改变同步转速”，从而改变转速。

如果频率八连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。

三相异步电动机运行时，忽略定子阻抗压降时，定子每相电压为
UgE\=4A4f\N\k” 如
式中&为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；门为定子电源频率；M为定子每相绕组匝数；也为基波绕组系数，伽为每极气隙磁通量。

如果改变频率八，且保持定子电源电压S不变，则气隙每极磁通加将增大, 会引起电动机铁芯磁路饱和，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，这是不允许的。

因此，降低电源频率「时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通伽的目的。

.1、基频以下变频调速
为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率门时，保持+为常数，使气每极磁通加为常数，应使电压和频率按比例的配合调节。

这时，电动机的电磁转
上式对$求导，即空=0 ,有最大转矩和临界转差率为
S>n = -==: ------- 由上式可知：当于二常数时，在八较高时，即接近额7n2+（xi + /2）2f'
定频率时，门幺g+*2）,随着的降低，刀”减少的不多；当较低时，（M + X‘2）较小；八相对变大，则随着「的降低，几就减小了。

显然，当八降低时，最大转矩几不等于常数。

保持牛二常数，降低频率调速时的机械特征如图1所示。

这相当于他励直流电机的降压调速。

巴z >/:> /:> /r 冷
图1变频调速的机械特性
（a）基频以下调速（于=常数）（b）基频以上调速（5=常数）
（a） 2、基频以上变频调速
在基频以上变频调速时，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电压为“不变，频率八越高，磁通加越低，是一种降低磁通升速的方法，这相当于它励电动
机弱磁调速。

上式求空=0,得最大转矩和临界转差率为
ds
Tm = —
/ 、 2 2^/11 ri + ^yn 2 +(XI+ x r 2)- I
由于八较高，口、心和匸比门大的多，则上式变为
1
Sm 2 ---- = ----------------X 一 Xi + x f i 27rf\(L\+L r 2] f\
因此，频率越高时，几越小，助也越小。

保持S 为常数，升高频率调速时 的机械特性如图1 (b)所示。

二、SIMULINK 仿真模型
建立三相异步电动机的变频调速仿真模型，可以釆用simulink 提供的仿真 模块，如交流电源，电压测量，异步电机，电机测量等。

其中，三相交流电源 位于【Power System ］的Power Electronics 中，将三相交流电源的频率设置 成60//；,电压值设置的与电机的电压相同。

电压表位于【Power System ］的 Measurement 中，异步电机模块位于【Power System ］库的Machines 中，双击 电机模型，设置其参数，设置如图(a)所示，设置增益K 的值为(30/)其仿 真图形如实例图(b)所示。

保持5=常数,升髙频率时，电动机的电磁转矩为厂= impUf
yjr\2 +(xi +V2)2
1 impUc 士 1
2 2^/I (A -I +X ,2)CC 7«
rr ri
mipUf — s (a)变频调速仿真模型
Scopel
£1 Block Parameters: Asynchronous Machine SI Units
Asynchrcncus Xechine =jask) Llink)
laplezienta c three-phase asynchronous machine (TO and 工讥6工ox squirrel ca*e) Dodelea m a selectable dQ reference frszie
(rotor, stator, or synchronous). Stater and rotor w:ndinsz arc eonneetad in xsyc to an internal noutral point.
Conficuration Parameters Advanced
Xcainal povorj voltage (line-line), and frcQucncr [ Pn(VA). Vn(V*as)j fn(Kz}.:
(b)异步电动机参数设置
三、结果集分析
这是个简单的电机调速仿真系统，虽然简单但是仍然要观察电机的性能指标，其中比如超调，调节时间等。

上升时间"是输出响应从零开始第一次上升到稳态值所需的时间。

t,越小，表示初始响应速度越快。

由自动控制原理可知，系统的快，稳是相对矛盾的，两者是冲突的，一般我们都在寻找一个两者最佳的平衡点。

根据参数设定将，儿分别设定为40ms,由于初始设定的频率为60H：,根据
可知川应该为1800r/min<>
(1)未变频时仿真结果
由图可知，由于没有负载，所以定子和转子电流以及电磁转矩均最终趋于0,
根据公式/n = —^可知，转速最终稳定在1800r/min,同时在40ms左右，电机P
的转速到达标准，与预定结果差入不大。

（2）变频时仿真结果（基频以下调速）
改变电源频率，将其变为50//；,由于这是基频以下调速，所以为了防止磁路的饱和，当降低定子电源频率门时，保持字=常数，因此电压要相应的改变成，重新运行仿真模型，得到仿真结果如图（d）
(d)
示波器读数
由示波器读数可知，当频率变为50H；后，根据公式川=他可知，转速最P 终稳定在1500r/min,同时由图可知频率改变后，相应的反应时间也变短了，也就是说反应更快了。

(3)变频时仿真结果(基频以上调速)
改变电源频率，将其变成为70H：,由前面的理论知识可知，基频以上调速时电源电压仏是不变的，重新运行仿真模型，得到仿真图形如图(e)所示。

(e)示波器读数
由图可知，转速约为2100r/min,满足小=㈣这个公式的理论计算
P
结果，不过电机的响应时间与基频以上调整时的响应时间要大的多，同时，如果将频率进行更细微的调整，转速也会有相应细微的变化。