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

根据电机学原理，交流异步电动机的转速可表示为：

)1(**60s p

f n -= （2-1-1） 式中： n 一 电动机转速/分钟，单位：r/min ；

p 一 电动机磁极对数；

f 一 电源频率，单位：Hz ；

s 一 转差率，10<

注：p 是磁极对数，不是磁极数。

由式（2-1-1）知，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数 p ，转差率 s 和电源

频率f 。对于给定的电动机，磁极对数 p 一般是固定的；通常情况下，转差率 s 对于特定

负载来说是基本不变的，并且其可以调节的范围较小，加之转差率 s 不易被直接测量，调

节转差率来调速在工程上并未得到广泛应用。如果电源频率可以改变，那么通过改变电源频

率来实现交流异步电动机调速的方法应该是可行的，这就是所谓变频调速。

由电机学原理知，如忽略绕组间的互感、绕组的漏感及空间电磁谐波，交流异步电动机

的相等效稳态电路如图 2-1。

图 2-1 交流异步电动机的相等效稳态电路

由戴维南定理，图 2-1-1电压平衡方程式为：

U = E + I * r （2-1-2）

式中： U 一 相电压 ；

E 一 定子绕组的感应电动势；

I 一 定子绕组的相电流；

r 一 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和。

交流异步电动机的定子绕组的感应电动势是定于绕组切割旋转磁场磁力线的结果， 其

有效值计算如下：

E = K * f * Φ （2-1-3） 式中：Ｋ 一 与电动机结构有关的常数；

ｆ 一 电源频率；

Φ 一 磁通量 。

由式（2-1-2）知，加在电机绕组端的电源电压Ｕ，一部分产生感应电动势Ｅ，另一部

分消耗在电阻 r （ 定子绕组电阻与转子绕组电阻折算到定子侧的电阻之和 ）上 。其中定

子绕组的相电流 I 由两部分构成：

21I I I += （2-1-4）

电机的定子电流有一小部分1I 用于建立磁场的主磁通，其余大部分2I 用于产生拖动负

载的电磁力。

由式 （2-1-1）知，调整电源频率f 时，可以调节速度n 。 当电源频率f 下降时，由式 （2-1-3）

知，感应电动势随之比例减小；在相电压U 保持不变的情况下，由式（2-1-2）知，定子绕

组的相电流I 相应增大。在很多情况下，电机的负载是基本恒定的，因此用于产生电磁力的

电流2I 是基本不变的，于是1I 将增大；1I 的增大将直接导致主磁通的增大。由式 （2-1-3），

主磁通的增大，将引起感应电动势Ｅ比例增大；由式（2-1-2），感应电动势Ｅ的增大将使定

子电流I 减小。不难理解，通过这样的负反馈，电机将最终稳定在一个新的工作点。

这样的控制方法看起来似乎没有问题。但实际情况是主磁通容量上限与电机的铁芯有关。

电机的铁芯受制于重量、体积、成本等因素的考虑，不可能做的很大。对于电机设计来说，

设计目标之一就是：当电机处于额定工作状态下时，主磁通接近容量上限。上述的变频调速

方法工作在额定频率以下时，将会导致铁心磁饱和，引起电流波形畸变，有效力矩下降；严

重时，将导致电机发热过快，振动和噪音加大；工作在额定频率以上时，铁心处于弱磁状态，

电磁力矩不足，电机的机械特性变软（转差率s 变大），带载能力下降。

结论：通过只调节电源频率来调节速度的方法不可取。

既然不可取的原因是因为铁心磁饱和。那么在调节电源频率的同时，通过某种处理使电

机的磁通量保持恒定。

由式（2-1-3）知：

Φ ∝ E/f (2-1-5)

在电机运转速度不是很低的情况下，由于电机的电阻r很小，电机定子线圈上的阻抗压降（I*r）可以忽略。由式（2-1-2）可以得到：

U≈ E (2-1-6) 于是式(2-1-5)可以表示为：

Φ∝ U/f(2-1-7) 由式(2-1-7)知，在调节电源频率f的同时同比例地调节电源电压U可保持磁通量Φ基本恒定，达到了调节速度的目的，又不影响电机的带载能力。这就是所谓的变频变压调速法：VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制法，也称恒压频比（V/F）控制法。

当电源频率较低时，因定子绕组的感应电动势较小，忽略电机定子线圈上的阻抗压降（I*r）时引入了较大的误差，直接表现就是电机的带栽能力下降。实际应用中，为了保持转矩基本恒定，在低频段，通常需要对V/F 曲线进行补偿。所以低频段也称恒转矩区。见图2-2。

当电源频率高于一定频率时，电机绕组相电压并不能依据式（2-1-7）比例增加。主要原因是：

➢相电压受制于电机绕组的绝缘强度；

➢相电压受制于电源的利用率；

➢相电压受制于系统供电。

实际中的做法是：当电源频率高于一定阈值时，相电压保持不变。见图2-1-2。此区间相电流基本保持不变，即电机的输入功率基本保持不变，所以该区间也称恒功率区。不难理解，此时铁心处于弱磁状态，电磁力矩不足，电机的带载能力下降，机械特性变软。

图2-2 ：异步电机V/F控制特性

图2-2中：

Ⅰ：理想V/F 特性曲线；

Ⅱ：实际V/F 特性曲线（低频力矩补偿高频限压）；

Ⅲ：对应Ⅱ的主磁通特性。

V/F控制法最大的优点是绕开了定子绕组感应电动势的测量，可实现转速开环控制，简化了控制结构。我们知道，交流异步电动机的理想激励源是正弦波。在早期的V/F调速系统中，受限于电力电子器件及微处理器的性能，固定脉宽的6拍阶梯波控制法较常使用。这种控制方法的电流谐波比较大，电机的力矩波动明显。已较少采用。目前正弦波脉宽调制SPWM 与空间矢量脉宽调制SVPWM两种方案的应用最为广泛。