5.3 异步电动机的变压变频调速解析
异步电动机变压调速系统课件
需要使用变压器或整流器等设备，设 备成本较高，且在低速时稳定性较差 。
03
变压调速系统的控制策略
变压调速系统的控制方法
1 2 3
直接转矩控制
通过直接控制电动机的转矩和磁通来调节速度， 具有快速响应和动态性能好的优点。
矢量控制
将异步电动机的定子电流分解为转矩分量和磁通 分量，通过分别控制这两个分量来实现对电动机 转矩和速度的控制。
技术瓶颈
目前变压调速系统在技术上存在一些瓶颈，如调速范围有 限、控制精度不高、稳定性有待提高等，这些问题限制了 其在某些领域的应用。
能源效率
随着能源问题的日益突出，提高变压调速系统的能源效率 已成为迫切需求，但目前系统在节能方面仍有较大的提升 空间。
智能化程度
现代工业控制对自动化和智能化要求越来越高，而变压调 速系统的智能化水平尚不能满足需求，需要加强智能化控 制技术的研发和应用。
异步电动机变压调速系统课 件
目 录
• 异步电动机变压调速系统概述 • 变压调速系统的基本原理 • 变压调速系统的控制策略 • 变压调速系统的实验与仿真 • 变压调速系统的实际应用案例 • 变压调速系统的未来发展与展望
01
异步电动机变压调速系统 概述
定义与工作原理
定义
异步电动机变压调速系统是一种 通过改变电动机输入电压的大小 ，实现对电动机转速进行调节的 系统。
感谢您的观看
THANKS
总结词
在交通工具中，如地铁、动车和高铁等，异步电动机变压调速系统用于实现牵引和制动过程的精确控 制。
详细描述
通过调节牵引电机的输入电压，可以精确控制列车的启动、加速、减速和制动等过程。这有助于提高 列车运行的安全性、稳定性和舒适性，并降低能耗。
异步电动机调压调速系统
（5-4）
Tema x 21Rs
3npUs2 Rs212(LlsL'lr)2
（5-5）
由图5-4可见，带恒转矩负载工作时， 普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点 为 A、B、C，转差率 s 的变化范围不超 过 0 ~ sm ，调速范围有限。如果带风机类 负载运行，则工作点为D、E、F，调速范 围可以大一些。
U TVC——双向晶闸管交流调压器
n2
A A’ 闭环变压调速系统的近似动态结构图
’’ 现代带电流闭环的电子控制软起动器可以限制起动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来（图5-12中曲线c），起动时间
也短于一级降压起动。
U 根采变据用化图 普 时5通静-6异差a所步率示电很的机大原的（理变见图电图，压5-5可调）以速，画时开，出环调静控速态制范结很围构难很图解窄，决，如这采图个5用矛-7高所盾转示。子。电阻的力矩电机可以增大*n调3速范围，但机械特性又变软，因而当负载
为此，对于恒转矩性质的负载，要求调 速范围大于D=2时，往往采用带转速反馈 的闭环控制系统（见图5-6a）。
1. 系统组成
~
+
U*n +
GT ASR Uc
Un
M 3~
n
T-G-
a)原理图
图5-6 带转速负反馈闭环控制的交流变压调速系统
2. 系统静特性 异步电机近似的传递函数
由图5-4可见，带恒转矩负载工作时，普通笼型异步电机变电压时的稳定工作点为 A、B、C，转差率 s 的变化范围不超过 0 ~ sm ，
ua VT2
a)
ub
VT3
uc
Ua0 a
b 0
c 负载
•型接法
ia ua b) ub
异步电机变压变频调速电压补偿
n1
60 f1 np
601 2n p
异步电动机的实际转速
n (1 s)n1 n1 sn1 n1 n
稳态速降随负载大小变化
3
5.3.1 变压变频调速的基本原理
气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势为
Eg 4.44 f1NskNS Φm
(5-11)
U s (Rs j1Lls )I1 E g
Er
Ls Lm Lls Lr Lm Lrs
23
气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势
Eg 4.44 f1NskNS Φm
定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势
Es 4.44 f1NskNS Φms
转子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势
Er 4.44 f1NskNS Φmr 24
22
三种感应电动势
s =sl m LlsIs Lm(Is +Ir ) (Lls +Lm )Is +LmIr r =rl m LrsIr Lm(Ir Is ) (Llr +Lm )Ir LmIs
dm dt
Eg
ds dt
Es
dr dt
32
3. 恒转子磁通控制
保持转子磁通恒定：Er / 1 常值
定子电压
Us [Rs j1(Lls L'lr )]I1 Er
(5-52)
除了补偿定子电阻压降外，还应补偿定 子和转子漏抗压降。
33
转子电流
I
' r
Er Rr' / s
电磁转矩
Te
3np
异步电动机变压调速系统分解
主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机
异步电动机是怎样旋转起来的？
--- 电动机 --将电能转换为机械能、输出机械转矩、带动生产机械工作的原动机。 --- 感应电动势 --当导体和磁场之间有相对运动时，在导体中就会产生感应电动势。
--- 旋转磁场 --三相异步电动机的定子绕组用来产生旋转磁场。相电源相与相之间 的电压在相位上是相差120度，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间 方位上也互差120度，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产 生一个旋转磁场。
二、异步电动机变压调速电路
图1: 利用晶闸管交流调压器变压调速
TVC——双向晶闸管交流调压器（调节定子外加相电压）
23:07
图2：采用晶闸管反并联的异步电机可逆和制动电路
晶闸管 1~6 控制电动机正转运行， 反转时，可由晶闸管1，4和7~10 提供逆相序电源，同时也可用于 反接制动。 当需要能耗制动时，可以根据制 动电路的要求选择某几个晶闸管 不对称地工作，例如让 1 ， 2 ， 6 三个器件导通，其余均关断，就 可使定子绕组中流过半波直流电 流，对旋转着的电机转子产生制 动作用。必要时，还可以在制动 电路中串入电阻以限制制动电流。
闭环变压调速系统的近似动态结构图
23:07
一、交流拖动控制概述
1.交流拖动控制系统的应用领域
目前，交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：
(1)一般性能的节能调速
(2)高性能的交流调速系统和伺服系统
(3)特大容量、极高转速的交流调速
交流传动是传动领域的主要发展方向.
23:07
2．异步电动机
转差功率消耗型调速系统
转差功率回馈型调速系统
转差功率不变型调速系统
异步电动机变压变频调速原理和按稳态模型控制的转差功率不变调速系统
１９
将式 （３１３） 对 ｓ求导，令 ｄＴｅ／ｄｓ＝０，可得恒 Ｅｓ／ω１ 控制特性在最大转矩时 的临界转差率为
最大转矩为
ｓｍ
＝
Ｒ′ｒ
ω１（Ｌｌｓ＋Ｌ′ｌｒ）
（３１６）
( ) ３
Ｔｅｍａｘ＝２ｐｎ
Ｅｓ ω１
２１ Ｌｌｓ＋Ｌ′ｌｒ
（３１７）
值得注意的是，在式 （３１７） 中，当频率变化时，按恒 Ｅｓ／ω１控制的 Ｔｅｍａｘ值恒 定不变，再与式 （３１１） 相比可见，恒 Ｅｓ／ω１控制的最大转矩大于恒 Ｕｓ／ω１控制时 的最大转矩，可见恒 Ｅｓ／ω１控制的稳态性能是优于恒 Ｕｓ／ω１控制的。
分母中的 Ｒ′ｒ２项，则
( ) Ｔｅ≈３ｐｎ
Ｅｓ ω１
２
ｓω１（ＬＲｌｓ′ｒ＋Ｌ′ｌｒ）２∝
１ ｓ
（３１５）
这又是一段双曲线。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，图 ３６中给出了不同控
制方式时的机械特性。其 中，特 性 曲 线 １是 恒
Ｕｓ／ω１控制特性，特性曲线 ２是恒 Ｅｓ／ω１ 控制特 性。
带负载时，转速降落 Δｎ为
ｎ１
＝６０ｆ１ ＝６０ω１ ｐｎ ２πｐｎ
（１１）
６０ Δｎ＝ｓｎ１ ＝２πｐｎｓω１ 在式 （３７） 所示的机械特性近似直线段上，可以导出
（３９）
( ) ｓω１≈３ｐＲｎ′ｒωＵＴｅ１ｓ ２
（３１０）
由此可见，当 Ｕｓ／ω１为恒值时，对于同一转矩 Ｔｅ值，ｓω１ 基本不变，因而 Δｎ
Ｒ′ｒ２ ＋ｓ２ω２ １（Ｌｌｓ＋Ｌ′ｌｒ）２
（３１３）
这就是恒 Ｅｓ／ω１或恒 Φｓｍ控制时的机械特性方程式。 利用与前述相似的分析方法，当 ｓ很小时，可忽略式 （３１３）分母中含 ｓ项，则
交流电机变频调速讲座第一讲_异步电动机的变压变频调速原理和稳态特性
【 者的话 】 编
自 世纪
年代 以来 在 电气传动领域 中用 交流 电机 调速 取代直 流电机调
,
,
速一 直是不 可 逆转 的趋 势
。
目前
,
交 流调 速 已 成为满 足各种 生 产 工 艺要 求和节
, ,
约 电能的重要措施 在多种 交 流调速方法 中 变频 调 速 的应用 发展最 快 变频 器的生 产 成本 稍高
,
势
和 频率
,
便 可 达到控 制磁 通 。
,
频 调 速 系统
在这种 系 统 中
,
,
要调节
是 一 种 浪费 如 果 过 分 增 大 磁 通
,
的 目的
对此
需 要 考虑基 频 额定频
。
电动 机 的转 速
须 同 时调 节 定子 供 电
,
又 会使铁 心 饱 和
从 而 导 致过大 的励
率 以 下 和 基频 以上 两 种情 况
一
、
再 进 一 步提 高
,
把
转子 漏 抗 上 的压 降也抵 消 掉
由图 卜 可 写 出
,
得 到恒
。
控制
,
那么
,
机械 特 性 会 怎样 呢 ,
一
。
代 入 电磁 转 矩基 本 关 系式
。
,
得
。
‘
全
・
。
二
码 一
, 一
, 不
厂 丫
・
、
以
一
鱼
又占 夕
下
一 ’
俩
一少
一 尺
很 明显 然 恒 性
。
,
,
交流异步电动机变频调速原理
交流异步电动机变频调速原理在异步电动机调速系统中，调速性能最好、应⽤最⼴的系统是变压变频调速系统。
在这种系统中，要调节电动机的转速，须同时调节定⼦供电电源的电压和频率，可以使机械特性平滑地上下移动，并获得很⾼的运⾏效率。
但是，这种系统需要⼀台专⽤的变压变频电源，增加了系统的成本。
近来，由于交流调速⽇益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价逐渐⾛低，使得变压变频调速系统的应⽤与⽇俱增。
下⾯⾸先叙述异步电动机的变压变频调速原理。
交流异步电动机变频调速原理：变频器是利⽤电⼒半导体器件的通断作⽤把电压、频率固定不变的交流电变成电压、频率都可调的交流电源。
现在使⽤的变频器主要采⽤交—直—交⽅式（VVVF变频或⽮量控制变频），先把⼯频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。
变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
交-直部分整流电路：由VD1-VD6六个整流⼆极管组成不可控全波整流桥。
对于380V的额定电源，⼀般⼆极管反向耐压值应选1200V，⼆极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。
（⼆）变频器元件作⽤电容C1：是吸收电容,整流电路输出是脉动的直流电压，必须加以滤波，变压器是⼀种常见的电⽓设备，可⽤来把某种数值的交变电压变换为同频率的另⼀数值的交变电压，也可以改变交流电的数值及变换阻抗或改变相位。
压敏电阻：有三个作⽤,⼀过电压保护,⼆耐雷击要求,三安规测试需要.热敏电阻：过热保护霍尔:安装在UVW的其中⼆相,⽤于检测输出电流值。
选⽤时额定电流约为电机额定电流的2倍左右。
充电电阻：作⽤是防⽌开机上电瞬间电容对地短路，烧坏储能电容开机前电容⼆端的电压为0V；所以在上电（开机）的瞬间电容对地为短路状态。
如果不加充电电阻在整流桥与电解电容之间，则相当于380V电源直接对地短路，瞬间整流桥通过⽆穷⼤的电流导致整流桥炸掉。
异步电动机变压调速系统解读
（异步电动机变压调速系统) (一种转差功率消耗型调速系统）
02:23
---主要内容-- 交流拖动控制概述
交流拖动控制系统的应用领域 异步电动机的调速方法 对上述调速方法按电动机的转差功率分类
异步电动机变压调速电路 异步电动机改变电压时的机械特性 闭环控制的变压调速系统及其静特性
二、异步电动机变压调速电路
图1: 利用晶闸管交流调压器变压调速
TVC——双向晶闸管交流调压器（调节定子外加相电压）
02:23
图2：采用晶闸管反并联的异步电机可逆和制动电路
晶闸管 1~6 控制电动机正转运行， 反转时，可由晶闸管1，4和7~10 提供逆相序电源，同时也可用于 反接制动。 当需要能耗制动时，可以根据制 动电路的要求选择某几个晶闸管 不对称地工作，例如让 1 ， 2 ， 6 三个器件导通，其余均关断，就 可使定子绕组中流过半波直流电 流，对旋转着的电机转子产生制 动作用。必要时，还可以在制动 电路中串入电阻以限制制动电流。
--- 异步电动机的转速 ---
n
60 f (1 s) n1 (1 s) np
--- 异步电动机的调速方法 --变电压调速 串级调速 转差离合器 调速 转子串电阻 调速 交-交变频 交-直-交变 频
变转差率调速
变极对数调速
变频调速
•变压调速是异步电动机调速方法中比较简便的一种。
3．对调速方法按电动机的转差功率分类
闭环变压调速系统的近似动态结构图
02:23
一、交流拖动控制概述
1.交流拖动控制系统的应用领域
目前，交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：
(1)一般性能的节能调速
(2)高性能的交流调速系统和伺服系统
异步电动机变频调速控制线路解析
异步电动机变频调速控制线路解析
变频调速的功能是将电网电压提供的恒压恒频交流电变换为变压变频的交流电，它是通过平滑改变异步电动机的供电频率f来调节异步电动机的同步转速n0。
从而实现异步电动机的无级调速。
这种调速方法由于调节同步转速n0，故可以由高速到低速保持有限的转差率，效率高、调速范围大，精度高，是交流变频电机一种比较理想的调速方法。
由于电动机每极气隙主磁通￠m要受到电源频率f的影响，所以实际调速控制方式中要保持定子电压U1与其频率f为常数这一基本原则。
由于变频调速技术日趋成熟，故把实现交流电动机调速装置做成产品即变频器。
按变频器的变频原理可分为：交—交变频器和交—直—交变频器。
随着现代通信载波技术及电力电子技术的发展，PMW（输出电压调宽不调幅）变频器已成为当今变频器的主流。
交—交变频器和交—直—交变频器的结构如图1所示。
交—交变频器也称直接变频器，它没有明显的中间滤波环节，电网交流电被直接变成可调频调压的交流电。
交—直—交变频器也称间接变频器，它先将电网交流电转换为直流电，经过中间滤波环节之后，再进行逆变才能转换为变频变压的交流电。
5.3-异步电动机的变压变频调速
（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 而且，在动态中也尽可能保持 rm 恒定
对s求导，求出临界转差率
sm 1
Rr' Lls L'lr
Temax
3np 2
Es
1
2
1 Lls L'lr
分析可知，当频率发生变化时，恒定子磁 通控制的临界转矩恒定不变。
恒定子磁通控制的临界转差率大于恒压频 比控制方式。
恒定子磁通控制的临界转矩也大于恒压频 比控制方式。
Er 4.44 f1NskNsΦrm
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，下面在第6章中将详细讨论。
4．几种控制方式的比较
（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。
n2p
12
U
2 sN
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。
由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减 弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可 以认为输出功率基本不变。所以基频以上 变频调速属于弱磁恒功率调速。
异步电动机的调速
10.1 三相异步电动机的降定子电压调速 调压调速是一种比较简单的调方法，控制电路价格
较低。但是低速时转子铜耗较大，效率较低。
• 其特点和性能为： 1）三相异步电动机降压调速方法比较简单； 2）对于一般的鼠笼式异步电动机，拖动恒转矩负载 时，调速范围很小，没多大实用价值； 3）若拖动泵类负载时，如通风机，降压调速有较好 调速效果，但在低速运行时，由于转差率s 增大， 消耗在转子电路的转差功率增大，电机发热严重； 4）低速时，机械性能太软，其调速范围和静差率达 不到生产工艺的要求； 5）采用下述闭环控制系统的调速范围一般为10:1。
• 1.转差率调速
改变转差率的方法很多，常用的方案有改变异步电
动机的定子电压调速，采用电磁转差（或滑差）离合
器调速，转子回路串电阻调速以及串极调速。前两种
方法适用于鼠笼式异步电动机，后者适合于绕线式异
步电动机。这些方案都能使异步电动机实现平滑调
速，但共同的缺点是在调速过程中存在转差损耗，即
在调节过程中转子绕组均产生大量的钢损耗
转子回路串电阻属恒转矩调速方法，其特点和性为： 1）绕线式异步电动机转子回路串电阻调速方法简单，调速设备简单，易于实现; 2）调速方法为分段多级调节，为有级调速系统，且调速的平滑性较差; 3）不利于空载或轻载调速，表现于转速变化很小; 4）低速时转差率s大。转差功率大，转子回路中的功率损耗大，效率低，发热严重经济性差; 5）调速范围不，也按比例身高电源电压时不允许的，只能保持电压为UN不变， 频率f1 越高，磁通 越低，是一种降低磁通升速的方法，这相当于他励直流电动机弱磁调速。
保持UN =常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为
m
• 变频调速的特点和性能
• （1）变频调速设备（简称变频器）结构复杂，价格昂贵，容量有限。需要专用的变频电源， 应用上受到一定限制。但随着电力电子技术的发展，变频器向着简单可靠、性能优异、价格 便宜、操作方便等趋势发展；
异步电动机变频调速系统PPT课件
目前，变频调速系统使用较为普遍，例如工农业生产、家用电器等领 域，且具有节能、调速效率较高等特点。变频调速系统正向着高性能、 高精度、大容量、微型化、数字化和智能化方向发展。
主回路 18
.
主回路：整流桥为三相全控桥，逆变器为1200导电型，中间环节采用 电抗器滤波，为电流型变频调速系统。
电压控制回路：采用电压外环、电流内环的双闭环结构。电压控制回 路采用了相位控制技术。关于电压控制回路的说明：
采用闭环控制电压，来保证实际电压与给定电压相一致。
电流调节器的给定值为电压调节器的输出值，而反馈值为电动机 电流的实际值。一方面，采用闭环控制电流，可保证实际电流与 给定电流一致，且在动态过程中，能够保证恒流加速或减速。另 一方面，如果按电机最大允许电流设计电压调节器的限幅值，能 保证主回路电流不超过最大允许电流，提高了可靠性。
.
9
3、斩波器调压
换流器—L—C
斩波器调压原理图如下：
斩波器：调压
换流电路
逆变器：调频
二极管 整流器
晶闸管 VT
开关
VD
L 斩波器 C
逆变器
M 3~
整流器采用三相二极管整流桥，把交流电变换成直流电； 逆变器采用三相全控桥，实现变频； 斩波器采用脉频调制或脉宽调制，输出大小可调的直流电压。
特点：斩波器调压的特点是输入功率因数高，动态响应快。
G
图 六行电 恒电 频 回压 ， 控给 在 性载保 ；跃把将为环 三
+
GF
AVR GT1
-
实验五 三相异步电机变频调速系统实验
实验五 三相异步电机变频调速系统实验一、实验目的(1)掌握SPWM 的调速基本原理和实现方法。
(2)掌握马鞍波变频的调速基本原理和实现方法。
(3)掌握SVPWM 的调速基本原理和实现方法。
二、实验原理异步电机转速基本公式为：60(1)f n s p =- 其中n 为电机转速，f 为电源频率，p 为电机极对数，s 为电机的转差率。
当转差率固定在最佳值时，改变f 即可改变转速n 。
为使电机在不同转速下运行在额定磁通，改变频率的同时必须成比例地改变输出电压的基波幅值。
这就是所谓的VVVF （变压变频）控制。
工频50Hz 的交流电源经整流后可以得到一个直流电压源。
对直流电压进行PWM 逆变控制，使变频器输出PWM 波形中的基波为预先设定的电压/频率比曲线所规定的电压频率数值。
因此，这个PWM 的调制方法是其中的关键技术。
目前常用的变频器调制方法有SPWM ，马鞍波PWM ，和空间电压矢量PWM 等方式。
（1）SPWM 变频调速方式：正弦波脉宽调制法（SPWM ）是最常用的一种调制方法，SPWM 信号是通过用三角载波信号和正弦信号相比较的方法产生，当改变正弦参考信号的幅值时，脉宽随之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。
当改变正弦参考信号的频率时，输出电压的频率即随之改变。
在变频器中，输出电压的调整和输出频率的改变是同步协调完成的，这称为VVVF （变压变频）控制。
SPWM 调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距、脉冲等幅，调节脉冲的宽度，使各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比例，因此，其调制波形接近于正弦波。
在实际运用中对于三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号，与一个公用的三角载波信号相比较，而产生三相调制波。
如图4-1所示。
图5-1 正弦波脉宽调制法（2）马鞍波PWM变频调速方式前面已经说过，SPWM信号是由正弦波与三角载波信号相比较而产生的，正弦波幅值与三角波幅值之比为m，称为调制比。
异步电机的变频调速_精讲
三相异步电动机的变频调速)1(60)1(n n 0s pfs -=-= : 改变s 、f 、p ，即可实现3种调速 P —电机磁极对数；f —电机运行频率；s —滑差（转差率）改变定子绕组供电电源频率调速－变频调速)1(60)1(n n 0s pfs -=-=N f 以下：m Ns s s s k fN E U Φ=≈44.4,为不使磁通饱和，必须同时降压N f 以上：受绝缘耐压限制，电压只能维持额定，磁通必随频率上升而下降。
一、 在额定转速以下保持f E s为常数的变频调速Rs Xs Is ·Im·Er'=Es ··-+Xr'Rr'Ir'·1-s s Rr'Us ·+-不计Rm后三相异步电动机的T型等值电路由4－39、4－78、4－88，有 s RI f 2p 3T 'r2'r emπ=而s'r 2'r 2'r'r 'r E E ,X s R E I =+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2'r 2'r 'r2s emX s R 1s R f f E 2p 3T +⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛π= 令dT/ds=0，可得'r 'rcr X R s ±=对应转速：n n pL 2R 60p f 60)s 1(n n 0'r'rcr 0cr ∆-=π-=-=； 对同一电机n ∆为与0n 无关的常数,最大电磁转矩'r2s maxL 41f E 2p 3T π⎪⎭⎫ ⎝⎛π=，与f 无关，为常数。
机械特性：Tmaxn f11f12f13T n01n02n03nn nΔΔ Δ负载能力：Es/f=常数的变频调速属恒转矩调速 证明见〖参考文献1，P329～P330〗。
实现：Es 测量困难，用保持Us/f=常数近似。
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5.3.2 变压变频调速时的机械特性 式（5-5）已给出异步电机在恒压恒频正弦 波供电时的机械特性方程式 Te= f (s)。 当采 用恒压频比控制时，可以改写成如下形式：
Us s1 Rr' Te 3np ( sR R ' ) 2 s 2 2 ( L L' ) 2 （5-28） s r 1 ls lr 1
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。 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 f1Ns kNS Φm
（5-11）
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；
2
• 特性分析 当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则
U s s1 Te 3np R' s r 1
2
（5-29）
s1
Rr'Te Us 3n p 1
2
10 R T 60 n sn1 s1 2 n p n
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
于下图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。
• 带压降补偿的恒压频比控制特性
Us
UsN
b —带定子压降补偿
a —无补偿
O
f 1N
图5-9 恒压频比控制特性
2
Eg R s1 Rr' 3np R '2 s 2 2 L'2 s 1 lr 1 r
（5-49）
特性分析（续） 利用与前相似的分析方法，当s很小时， 可忽略式（5-49）分母中含 s 项，则
Eg s1 Te 3np s ' R r 1
U s Rs I s Es
忽略励磁电流
I r' Es Rr' 2 ' 2 1 ( Lls Llr ) s
2
Te
3np
1 Rr' 2
2
Es2
2 ' 2 ( L L 1 ls lr ) s
Rr' s
Us s1 Rr' Te 3np ' 2 2 2 ' 2 ( sR R ) s ( L L 1 s r 1 ls lr )
Te max 3np 2
2
sRr' 1 (sRs Rr' ) 2 s 212 ( Lls L'lr ) 2
U
2 sN
1
1 Rs Rs2 12 ( Lls L'lr ) 2
sm
Rr' Rs2 12 ( Lls L'lr ) 2
当s很小时，
U s ( Rs j1Lls ) I s Eg
由等效电路可以看出
I
' r
Eg R s
' r
2 ' 2 1 Llr
E
2 g ' r 2
2
（5-48）
代入电磁转矩关系式，得
Te 3np
1
R s
' r
2 ' 2 1 Llr
f1
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。 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。
• 变压变频控制特性
2 U sN s Te 3np 1 Rr'
Rr'Te12 s1 2 3n pU sN
10Rr'Te 12 60 n sn1 s1 2 2 np n2 U p sN
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。 由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减 弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可 以认为输出功率基本不变。所以基频以上 变频调速属于弱磁恒功率调速。
• 机械特性曲线
n
n0 N
1N
11
1N 11 12 13
n01
n02 n03
12
13
补偿比控制时变频调速的机械特性
基频以上
在基频以上变频调速时，由于定子电压 Us= UsN 不变，式（5-5）的机械特性方程式可写 成
Te 3npU sN
Ns —定子每相绕组串联匝数； kNs —基波绕组系数；
m —每极气隙磁通量，单位为Wb。
由式（5-11）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。
1. 基频以下调速 由式（5-11）可知，要保持 m 不变，当 频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时 降低 Eg ，使
5.3异步电动机的变压变频调速
5.3.1 变压变频调速的基本原理 变压变频调速：改变异步电动机同步转速的 方法
60 f1 601 n1 np 2 n p
5.3.1变压变频调速的基本控制方式 1. 基频以下调速
在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希 望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。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。
与恒定子磁通控制方式相比，恒气隙磁通控制方式的 临界转差率和临界转矩更大，机械特性更硬。
• 机械特性曲线
n
n0 N
1N
11
1N 11 12 13
n01
n02 n03
O
12
13
Temax 恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性
Te
3. 恒 Er /1 控制 如果把电压－频率协调控制中的电压再 进一步提高，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
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
（折合到定子边）。
• 异步电动机等效电路
Rs Is Us Lls L’lr I’r Es Eg Lm I0 Er R’r /s
3np U s Te max 2 1 Rs
2
1
2
Rs ' 2 ( L L ls lr ) 1 1
（5-32）
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。
1
图5-12 异步电动机稳态等效电路和感应电动势
Eg 4.44 f1 N s k NS Φ m Es 4.44 f1 N s k NS Φ ms E 4.44 f1 N s k NS Φ mr
' r
1. 恒定子磁通控制
恰当地提高电压 Us 的数值，使它在克 服定子阻抗压降，能维持 Es /f1 为恒值 （基频以下），每极磁通 m 均为常值。
R sm ' 1Llr
和最大转矩
' r
（5-50）
3 Eg 1 Te max np ' 2 1 Llr
2
（5-51）
性能比较（续）
值得注意的是，在式（5-51）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。
将恒定子磁通控制时的转矩表达式与恒压 频比时的比较发现，其分母小于恒压频比 中的同类项，因此，当转差率相同时，采 用恒定子磁通控制方式的电磁转矩大于采 用恒压频比控制方式。或者说当负载转矩 相同时，恒定子磁通控制方式的转速降落 小于恒压频比控制方式。
对s求导，求出临界转差率
Rr' sm 1 Lls L'lr
这表明机械特性的这一段近似为一条直线。
2
特性分析（续） 当 s 接近于1时，可忽略式（5-49）分母中 的 Rr'2 项，则
Eg Rr' 1 Te 3np ' 2 s L s 1 lr 1
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。
2
• 性能比较 但是，对比式（6-4）和式（6-12）可以 看出，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。
性能比较（续）
将式（5-49）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
' r e 2 p
1 Te Us
2