《电气传动与调速系统》课程思考题与习题解答四

第四章 交流调速系统

1．为什么改变异步电动机定子供电频率，可以调节异步电动机的转速？ 由p f n /6011=可知，当极对数p 不变时，同步转速1n 和电源频率1f 成正比。而异步电动机的转速p f s sn n /60)1(1(11-=-=，所以连续地改变供电电源频率，就可以平滑地调节电动机的转速。

2．异步电动机变频调速时，如果只从调速角度出发，仅改变人是否可行？为什么？在实际应用中，同时还要调节1U ，否则会出现什么问题？

由电机学可知，异步电动机有如下关系式：m N N K E U Φ==11111 4.4f 4

式中，定于绕组匝数1N ，定于绕组系数NI K 为常数。在电源频率1f 一定时，定于绕组感应电压势1U 与1E 与产生它的气隙合成磁通电成正比。忽略定子阻抗压降时，定子电压U ；与E ；近似相等。由式（4-1）看出，若1U 不变，Φ与1f 成反成反比。如果人下降，则入增加，使磁路过饱和，励磁电流迅速上升，铁损增加，电动机效率降低，也使功率因数减小。如果1f 上升，则m Φ减小，电磁转矩减小，电动机的过载能力下降。可见调速时为维持恒磁通m Φ不变，在调节人的同时还要协调地调节1U ，才可以使异步电动机具有较好的性能。

3、异步电动机变频调速时，常用的控制方式有哪几种？它们的基本思想是什么？这几种控制方式得到的机械特性如何？

常用的控制方式有三种：

（1）保持11/f U =常数的控制方式

一般生产机械的负载多为恒转矩负载。对恒转矩负载，希望在调速过程中保持最大转矩几。不变，即电动机的过载能力不变。由电机学可知，最大转矩max T 为

]

([432)2121112max x x r r f pU T ++=π 若忽略定子电阻1r rl ，并考虑到)(221121L L f x x x k +==+π,则211max )/(f U T α所以在从额定频率（称为基频）向下调节1f 时，协调控制1U ，使11U f 与的比值保持不变，即可保证在调速过程中，电动机的最大转矩不变。称为压频比恒定的控制方式。

在频率较高时，定子电阻1r 马相对于短路电抗1f x k αk x x 。来说，可以忽略（因为1f x k α），在调节1f 同时，调节1U ，并保持=11/f U 常数，即可使max T 不变。但是在频率较低时，1r 相对k x 来说，不可忽略。此时既使仍保持压频比恒定，由m Φ也要减小，从而使最大转矩max T 减小。电动机低速运行时，过载能力随转速n 的降低而降低。因此这种控制方式的变频调速只适用于风机类负载，或是能轻载起动，而又要求调速范围较小的场合。

（2）保持11/f E =常数的控制方式

对于要求调速范围大的恒转矩负载，希望在整个调速范围内，保持最大转矩不变，即m Φ不变，可以采用11/f E =的控制方式，也称为恒磁通控制方式。

由于异步电动机的感应电动势1E 不好测量和控制，所以在实际应用中，是采取补偿的办法。随着1f 的降低，适当提高1U ，以补偿1r 上的压降，等效地满足11/f E =常数，以达到维持最大转矩不变的目的。考虑到低频空载时，由于电阻压降减小，应减少补偿量，否则将使电动机磁通m Φ增大，导致磁路过饱和而带来的问题，具体如何做需根据生产工艺要求而定。

（3）恒功率控制方式

电动机在额定转速以上运行时，定子频率将大于额定频率，如按以上控制方式，定子电压则要相应地高于额定电压，这是不允许的。因此在基频以上应采取恒功率控制方式。这与直流电动机在额定转速以上，采用恒压弱磁调速相似。此时，由于定子电压限制在允许范围内，而频率升高，致使气隙磁通减小，转矩减小，但因为转速上升了，所以属恒功率性质。 只要满足11/f U =常数的条件，即可恒功率调速。实际在基频上以上调速时，是保持1U 为额定值不变，而只升高频率，所以为近似恒功率调速。一般在基频以下采用11/f U =常数或11/f E =数的控制方式；基频以上采用恒功率控制方式。

（4）机械特性

由p f n 1160=知，改变电源频率1f 人，就有不同的1n ，从而得到不同的机械特性。再得知最大转矩的变化规律和机械特性运行段的斜率，即可大致画出变频调速的机械特性。

（a ）最大转矩当1f 从基频向下调，而数值较高时，1r 可忽略11max /f U T α，按压频比

恒定的控制方式调速，最大转矩基本保持不变。当1f 人数值较低时，1r 不可忽略，由式（4－2）可见，最大转矩将减小。这是因为在1r 上产生的压降使得定子电动势1E 进一步降低，气隙磁通m Φ减小，所以，既使保持11/f U =常数，也不能保持m Φ不变，致使最大转矩max T 减小。1f 下降越多，1r 的影响越大，max T 减小越多。为了提高低速时电动机的过载能力，必须适当地提高1U ，采用11/f E =常数的控制方式。当从基频向上调时，1U 保持额定值不变，1f 增加，m Φ减小，max T 随之减小。

（b ）运行段的斜率由电机学知，临界转差率m S 为：22121

2)(x x r r S m +=在1f 较高时

忽略1r 并用)(221121L L f x x +=+π代人式中，得)(22112L L f r s m +=π又因为转速)1(1s n n -=则对应最大转矩时)

(221121L L f r n s n m m ===?π=常数可见m n ?与频率1f 无关。因此，无论在基频以下还是基频以上调速时，机械特性都是平行上下移动的。到频率1f 很低时，1r 不可以忽略，m n ?减小，机械特性更硬些，根据以上分析，可以定性画出机械特性。

4．请画出交一直一交变频器和交一交变频器的示意图，并指出各自的特点。 交一交变频系统的示意图。

如果使左右两组晶闸管轮流向交流电动机供电，交流电动机的定子上即可得到交流电压，两组晶闸管切换得快，则电压频率高，反之则频率低。这就是交＞交变频器的工作原理。交一变变频器的主要优点是只进行一次能量变换，所以效率较高，而且晶闸管靠电源电压自然换流，不需要设置强迫换流装置。其缺点是所用开关元件多。另外，这种变频器输出电压的频率调节范围在电源频率的1/3以下，最高不超过1/2，因而限制了它的应用