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n 与旋转磁场转速1n 接近，磁场转速1n 改变后，电机转速n 也

就随之变化，由公式1

160f n p

=可知，改变电源频率1f ，可以调节磁场旋转，从

而改变电机转速，这种方法称为变频调速。

根据三相异步电动机的转速公式为

()()1

16011f n s n s p

=

-=- 式中1f 为异步电动机的定子电压供电频率；p 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1f ，可以改变同步转速n ，从而改变转速。如果频率1f 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

1111m 4.44m U E f N k φ≈=

式中1E 为气隙磁通在定子每相中的感应电动势；1f 为定子电源频率；1N 为定子每相绕组匝数；m k 为基波绕组系数，m φ为每极气隙磁通量。

如果改变频率1f ，且保持定子电源电压1U 不变，则气隙每极磁通m φ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1f 时，必须同时降低电源电压，已达到控制磁通m φ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1f 时，保持

1

1

U f 为常数，使气每极磁通m φ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

矩为()()222

2111

111

212222*********p r r m pU f m U s s T f r r f r x x r x x s s ππ??

???? ?

?? ??? ?????

''??== ?''????'+++'+++ ??? [1][8]

上式对s 求导，即

0dT

ds

=，有最大

转矩和临界转差率为()()

()

2

2

11

111

22

221111121111212222m m p U T f f r r x x f r r x x ππ??=

= ???''++++++ ()

2

2

2112m s r x x '=

'++由上式可知：当

1

1

U f =常数时，在1f 较高时，即接近额定频率时，()112r x x '+，随着1f 的降低，m T 减少的不多；当1f 较低时，()12x x '+较小；1r 相对变大，则随着1f 的降低，m T 就减小了。显然，当1f 降低时，最大转矩m T 不等于常数。保持

1

1

U f =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。

图1 变频调速的机械特性

（a ）基频以下调速（

1

1

U f =常数） （b ）基频以上调速（1U =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n U 不变，频率1f 越高，磁通m φ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。

保持n U =常数,升高频率时，电动机的电磁转矩为()

2

2

211221112

2r m pU s

T r f

r x x s

π?????? ???

??? ??

?

??

'=

'

'+

++

上式求

0dT

ds

=，得最大转矩和临界转差率为 ()()

2

112

21111222m T f r r x x π=

'+++

()

2

2

21

12m s r x x '=

'++

由于1f 较高，1x 、2x '和

2

r s

'比1r 大的多，则上式变为 ()()2111121

22121121

11221

2m m m pU T f x x f r r s x x f L L f ππ≈'∝

'+'≈=∝

''++

因此，频率越高时，m T 越小，m s 也越小。保持 n U 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，可以采用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60z H ，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。

（a ）变频调速仿真模型

（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r t 是输出响应从零开始第一次上升到稳态值所需的时间。r 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，s t 分别设定为40ms ，由于初始设定的频率为60z H ，根据

1

160f n p

可知1n 应该为1800r/min 。 （1）未变频时仿真结果

（c ）示波器读数

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1

1

60f n p

=

可知，转速最终稳定在1800r/min ，同时在40ms 左右，电机的转速到达标准，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50z H ，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1f 时，保持

1

1

U f =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50z H 后，根据公式1

160f n p

=

可知，转速最终稳定在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70z H ，由前面的理论知识可知，基频以上调速时电源电压n U 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1

160f n p

=

这个公式的理论计算结果，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。