笼型异步电机变压变频调速解析
异步电动机变频调速控制系统
主电路（续）
泵升限制电路——由于二极管整流器不能为 异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所 以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸 收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电 状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C 充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压） 升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使 开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动 电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附
所谓“通用”，包含着两方面的含义： （1）可以和通用的笼型异步电机配套使用； （2）具有多种可供选择的功能，适用于各种
不同性质的负载。
下页图绘出了一种典型的数字控制通用变 频器-异步电动机调速系统原理图。
1. 系统组成
K
UR
RR00
RR11
RRbb
UI
~
M 3~
RR22
VTb
显示
单
设定
片
机
接口
件单独装在变频器机箱外边。
二极管整流电流波形具有较大的谐波分 量，使电源受到污染。
为了抑制谐波电流，对于容量较大的 PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗 器，有时也可以在整流器和电容器之间串 接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不 平衡对变频器的影响。
电路分析（续）
控制电路——现代PWM变频器的控制电路 大都是以微处理器为核心的数字电路，其 功能主要是接受各种设定信息和指令，再 根据它们的要求形成驱动逆变器工作的 PWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆 变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用 8位或16位的单片机，或用32位的DSP，现 在已有应用RISC的产品出现。
控制电路（续）
信号设定——需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间 等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用 变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒 压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小 不同时，都得靠改变 U / f 函数发生器的特性来补 偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能（见第 6.2.2节），在通用产品中称作“电压补偿”或 “转矩补偿”。
笼型异步电动机变压变频调速系统的研究
笼型异步电动机变压变频调速系统的研究随着电力电子技术的发展, 交流电机的变频调速已逐步取代了传统的变极调速、电磁调速和调压调速系统, 被广泛应用于矿产、钢铁、运输、纺织及空调家电等领域, 其控制性能及经济性能都已接近或超过直流电机调速系统.变频调速的目的主要是节能调速和工艺调速. 节能调速用于具有平方转矩负载特性的风机、泵类机构的转速控制, 其变频调速控制方式比传统的用风门或阀门调节方式节约能量30%～40 %. 工艺调速是根据生产工艺要求进行调速, 它能够实现电机软起动, 减少对电网的冲击; 能提高系统控制精度和生产效率; 可扩大调速范围, 提高电机的转速和电压.变频调速系统是通过改变定子供电频率来调节交流异步电机转速的。
为了使得电机具有良好的运行特性，在变频的同时必须改变定子的供电电压，即给电机供电的变频器必须兼有调压调频两个功能，以保证V/F= 常数，这就是所谓的变压变频调速。
按变频器结构可以分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类；按滤波方式不同又可分为电压源型和电流源型。
直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。
因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。
好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。
为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。
如果要求更高一些的调速范围和起制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。
一、转速开环恒压频比控制调速系统1、概述现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件IGBT 或功率模块IPM 组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5~500kV·A 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。
笼型三相异步电动机的起动和调速解析
2020年第5期第55卷（总第216期）(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE)笼型三相异步电动机的起动和调速解析张志伟'，晁爱民2,陈金刚'(1德州恒力电机有限责任公司，山东德州2530052海装驻青岛地区第一军事代表室，山东青岛266001)摘要讲述笼型三相异步电动机起动和调速的主要方式，分别对单速和多速电动机的全压直接起动和单速大功率电机的调压调频起动阐述分析,并对起动和调速过程中常出现的问题进行剖析，提出解决措施。
关键词笼型三相异步电动机;直接起动;降压起动;起动电流;起动转矩;变频起动;变极调速DOI：10.3969/J.ISSN.1008-7281.2020.05.19中图分类号:TM343+.2文献标识码：A文章编号：1008-7281(2020)05-()060-005Analyses on Starting and Speed Regulation of Squirrel-CageThree-Phase Induction MotorsZhang Zhiwei and Chao ai'min,Chen Jingang(1.Dezhou Hengli Electrical Machinery Co.,Ltd.,Dezhou253005,China；2.The first military representative oflice of Haichuang in Qingdao)Abstract This paper chiefly describes the main starting and speed control methods of squirrel-cage three-phase induction motor,respectively expounds and analyzes the full-voltage direct starting of single-speed and multi-speed motors and the adjustable-voltage adjustable-frequency starting of single-speed high-power motor,analyzes the problems that often appear in starting and adjustable-speed processes,and proposes the solutions.Key words Squirrel-cage three-phase induction motor；direct starting；reduced-voltage starting；starting current；starting torque；variable・frequency starting；variable-pole speed regulation0引言笼型三相异步电动机广泛应用在水泵、鼓风机、运输机械、农业机械、矿山机械等对转差率及其他性能无特殊要求的机械设备上。
笼型三相异步电动机变极调速和变频调速解析
(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE)2018年第5期第53卷（总第2〇4« )笼型三相异步电动机变极调速和变频调速解析陈金刚，黄莉明，张红枝(德州恒力电机有限责任公司，山东德州253005)摘要主要讲述笼型三相异步电动机变极调速和变频调速的特性。
重点对变极调速电机 恒功率和恒转矩调速的接法和特性，变频调速电机设计特点,基频以下和基频以上调速时对应的 恒转矩和恒功率调速特性进行阐述和分析，从而指出两种调速电机的特点和发展趋势。
关键词变极调速;变频调速;恒转矩;恒功率;变频器;功率密度;无级调速DOI：10.3969/J.ISSN.1008-7281.2018.05.11中图分类号:T M344.6文献标识码:B文章编号= 1008-7281 (2018)054037^003Analysis on Variable-Pole and Variable-Frequency Speed Controlsfor Squirrel-Cage Three-Phase Induction MotorsChen Jingang，Huang Liming,and Zhang Hongzhi(Dezhou Hengli Electrical Machinery Co.，Ltd.，Dezhou 253005，China) Abstract This paper mainly describes the characteristics of variable-pole and variable- frequency speed controls for squirrel-cage three-phase induction motor, emphasizes the connec- tion and characteristics of speed control of the motor at constant power and constant torque, gives the design features of the motor, and describes and analyzes the constant-torque and constant-power characteristics of speed control below and above fundamental frequency- Thus, the characteristics and development trend of the two kinds of speed control motors are pointed out.Key words Variable-pole speed control；variable-frequency speed control； constant torque; c onstant power frequency converter; power density; stepless speed regulation〇引言笼型调速电动机目前主要有两种调速方式:变极调速和变频调速。
5.3 异步电动机的变压变频调速解析
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
第四节笼型异步电机调速
在图11-18b中绘出 Ef 越前 E s900时异步电动机的向量图。 2
•
•
U1 I X 11
•
IR 11
E 1 1
2
I' 2
E '2
（a）
•
•
U1
IX
1
1
•
IR
11
•
I
E
1
•
I 1
1
1
•
I 0
•
I 0
2
图（1118）
E '2
I' 2
E ' / s
（b）
E ' / s f
2021/6/18
2021/6/18
（11-18） （11-21） （11-22）
二. 改变定子电压调速
人为机械特性。 控制电路价格较低。 调速范围很小。 对于恒转距调速，如能增加
n
nn0
U U' U"
1
1
2
n1 n2
3
U
T
1
Z
U'
n
U"
1
2
m
转子电阻，则改变定子电
压可得较宽 的调速范 围，
此时特性太软，其静差率
0
2021/6/18
2021/6/18
n
f 11
f 12
f 13
f 14
f 15
f 16
0 图（1 0 1 4）
T
变频调速的优点：调速范围大，平滑性较高，变频时Ux按不同
规律变化可实现转矩或恒功率调速，低速时特性的静差率较高。
变频调速的缺点：专用的变频电源；在恒转矩调速时，低速段 电动机的过载倍数大为降低，甚至不能带动负载。
5.2 异步电动机的调压调速解析
1TL
np
Pmech mTL (1 s ) Ps sPm s
1TL
np
1TL
np
转差功率随着转差率的增大而增大，转速越 低，转差功率越大。
带恒转矩负载的降压调速就是靠增大转差功率、减小输出 功率来换取转速的降低。所增加的转差功率全部消耗在转 子电阻上，这就是转差功率消耗型的由来。
• 变压调速系统的特点 异步电机闭环变压调速系统不同于直流 电机闭环变压调速系统的地方是：静特性 左右两边都有极限，不能无限延长，它们 是额定电压 UsN 下的机械特性和最小输出 电压Usmin下的机械特性。 当负载变化时，如果电压调节到极限值， 闭环系统便失去控制能力，系统的工作点 只能沿着极限开环特性变化。
0.7UsN
O
TL
Te
返回目录
图5-6 高转子电阻电动机（交流力矩电动机） 在不同电压下的机械特性
5.2.3 闭环控制的变压调速系统
采用普通异步电机的变电压调速时，调速 范围很窄，采用高转子电阻的力矩电机可 以增大调速范围，但机械特性又变软，因 而当负载变化时静差率很大（见图5-6）， 开环控制很难解决这个矛盾。 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5-7）。
按照反馈控制规律，将A’’、A、A’ 连接 起来便是闭环系统的静特性。尽管异步电 机的开环机械特性和直流电机的开环特性 差别很大，但是在不同电压的开环机械特 性上各取一个相应的工作点，连接起来便 得到闭环系统静特性，这样的分析方法对 两种电机是完全一致的。
尽管异步力矩电机的机械特性很软， 但由系统放大系数决定的闭环系统静特 性却可以很硬。 如果采用PI调节器，照样可以做到无 静差。改变给定信号，则静特性平行地 上下移动，达到调速的目的。
异步电机变频调速原理分析
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.29 No.00 Jul. 5, 2009 ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng.
恒压频比控制的 VVVF 调速系统原理
XXX，XXX
引言
三相交流异步电动机（以下简称电机）由于价 格低廉、可靠耐用，成为电力拖动系统中最常见的 动力机械。 变频调速系统是交流异步电动机的变 压变频调速系统的简称，在调速的过程中，转差功 率不随电机转速的变化而变化，电机的调速范围比 较宽，不管是在低速时还是在高速时都能获得较高 的效率，采取一定控制策略后可以实现高动态性 能，甚至可以和直流调速系统相媲美。
Te
=
Pe Ωs
=
mp 2πf s
I
2 r
Rr
/s
（4）
其中，Te 为电磁转矩。
VVVF 调速方式常为恒转矩（恒压频比）控制
和恒功率控制两种调速方式。1）基频以下，采用
恒转矩调速，其特点是负载转矩与转速无关，任何
转速下转矩总保持恒定或基本恒定。在这种调速控
图 5 恒压频比下的矩速特性
2）基频以上，采用恒功率调速，其特点是负载功 率保持不变,转矩反比与转速。在一个闭环控制系统 中，转差频率总是限定在小于 fm 的一个极小范围 内，s 极小，忽略 Xlr 故对（5）式简化，可得：
由于感应电动机的电磁转矩正比于电源电压 的二次方，通过改变电压可以得到交流力矩电机的 一组调速特性，如图 3 所示。在负载转矩(或转速) 不变时，可以通过调节电压来改变电动机的转速(或 转矩)。
图 1 棒磨机启动特性曲线
交流力矩电动机与一般鼠笼式异步电动机的 运转原理是完全相同的，但结构上有所不同，它是 采用电阻率较高的材料(例如黄铜、纯铜、铝锰合金 等)作转子的导条及端环，因此，力矩电机的转子电
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
下移，如图6-4所示。它们和直流他励电机
变压调速时的情况基本相似。
所不同的是，当转矩增大到最大值以
后，转速再降低，特性就折回来了。而且 频率越低时最大转矩值越小，可参看第5章 式（5-5），对式（5-5）稍加整理后可得
返回目录
6.2 异步电动机电压－频率协调控制时 的机械特性
本节提要 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械
特性 基频以下电压-频率协调控制时的机械特性 基频以上恒压变频时的机械特性 恒流正弦波供电时的机械特性
6.2.1 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的 机械特性
第5章式（5-3）已给出异步电机在恒压恒
6.1 变压变频调速的基本控制方式
电机调速时：希望保持每极磁通量 m 为额定值不变。 (1)如果磁通太弱，没有充分利用电机的 铁心，是一种浪费；
(2)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。
在异步电机中，磁通 m 由定子和转子磁 势合成产生，如何保持磁通恒定呢？
• 变压变频控制特性
Us Φm
恒转矩调速
UsN ΦmN
Us
恒功率调速
Φm
O
f1N
f1
图6-2 异步电机变压变频调速的控制特性
如果电机在不同转速时所带的负载都 能使电流达到额定值，即都能在允许温升 下长期运行，则转矩基本上随磁通变化， 按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒 定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性 质，而在基频以上，转速升高时转矩降低， 基本上属于“恒功率调速”。
• 机械特性
当 s 为以上 两段的中间数 值时，机械特 性从直线段逐 渐过渡到双曲 线段，如图所 示。
ns n0 0
sm
Temax
Te
0
1
Temax
Te
图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性
6.2.2 基频以下电压-频率协调控制时的 机械特性
由式（6-4）机械特性方程式可以看出， 对于同一组转矩 Te 和转速 n（或转差率s）的
• 定子每相电动势
Eg 4.44 f1NskNS Φm （6-1）
式中：Eg —气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值；
f1 —定子频率，单位为Hz； 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（6-1）可知，只要控制好 Eg 和 f1 ， 便可控制磁通m 。
按：
a. 基频（额定频率）以下; b. 基频以上 进行控制。
1. 基频以下调速
由式（6-1）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
Eg 常值 f1
（6-2）
即采用恒值电动势频率比的控制方式。
• 恒压频比的控制方式
然而，绕组中的感应电动势是难以直接 控制的，当电动势值较高时，可以忽略定 子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电 压 Us ≈ Eg，则得
a.降压调速；b.滑差调速； c.绕线转子异步电动机转子串电阻调速； d.绕线转子异步电动机串级调速； e.变极调速；f.变频调速
●同步电机调速
a.他控变频； b.自控变频
异步电机滑差调速原理图
转差功率
ps sPM
按转差功率是否增大，消耗掉还是回收，将异步电机调速分 为三类：
(1)转差功率消耗型------a,b,c; (2)转差功率回馈型------d; (3)转差功率不变型------e,f.
电力拖动自动控制系统
第6章
笼型异步电机变压变频调速系统
（VVVF系统）——转差功率不变型调速系统
•概 述
异步电机变压变频调速系统,在 调速时转差功率不随转速而变化，调 速范围宽，无论是高速还是低速时效 率都较高，在采取一定的技术措施后 能实现高动态性能，可与直流调速系 统媲美。
6-0 交流调速的基本类型 ●异步电机调速
n0
601 2np
（6-7）
带负载时的转速降落为
n
sn0
60
2np
s1
（6-8）
在式（6-5）所表示的机械特性近似直线 段上，可以导出
s1
Rr' Te
3np
Us
1
2
（6-9）
由此可见，当 Us /1 为恒值时，对于同一 转矩 Te ，s1 是基本不变的，因而 n 也是
基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件
也就是说，当s很小时，转矩近似与s成 正比，机械特性 Te = f（s）是一段直线， 见图6-3。
特性分析（续）
当 s 接近于1时，可忽略式（6-4）分母 中的Rr' ，则
Te
3np
Us
1
2
s[ Rs 2
1Rr' 12 (Lls
L'lr )2 ]
1 s
（6-6）
即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时， Te = f（s）是对称于原点的一段双曲线。
U s 常值 f1
（6-3）
这是恒压频比的控制方式。
但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子 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漏阻抗压降。
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。
频正弦波供电时的机械特性方程式 Te= f (s)。
当定子电压 Us 和电源角频率 1 恒定时，可
以改写成如下形式：
Te
3np
Us
1
2
(sRs
Rr' )2
s1Rr'
s
2 2 1
(LlsBiblioteka L'lr )2（6-4）
• 特性分析
当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则
2
Te
3np
Us
1
s1
Rr'
s
（6-5）
要求，电压 Us 和频率 1 可以有多种配合。 在 Us 和 1 的不同配合下机械特性也是
不一样的，因此可以有不同方式的电压－频 率协调控制。
1. 恒压频比控制（ Us /1 ）
在第6-1节中已经指出，为了近似地保持 气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心， 发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须 采用恒压频比控制。这时，同步转速自然 要随频率变化。
• 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
f1
图6-1 恒压频比控制特性
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 ＝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。