交流电机变频调速及其应用第一章-异步电动机变压变频调速理论基础..

1、1第一章 异步电动机变频调速理论基础主讲教师： 崔纳新2本本 章章 提提 要要 1.1 异步电动机运行原理异步电动机运行原理 1.2 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 1.3 变频调速的基本控制方式变频调速的基本控制方式 1.4 负载转矩特性及其与调速方负载转矩特性及其与调速方式的配合式的配合31.2 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性q异步电动机不同的调速方式异步电动机不同的调速方式 人为地改变人为地改变异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 一、异步电动机的固有机械特性一、异步电动机的固有机械特性式中：式中：为定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻；为定子每相电阻和折算到

2、定子侧的转子每相电阻；为定子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感为定子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感2lrsl212rs1r2spe/3LLsRRsRUnTrs,RRs1L1rL（1-18） 可见，当电源频率电源频率 1、转速或、转速或转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。41.2 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 当电压当电压Us和频率和频率 1一定时，机械特性方程式一定时，机械特性方程式Te= f（s）是一个二次表达式。在定子电压是一个二次表达式。在定子电压Us和频率和频率 1均为额定均为额定值的情况下，可画出异步电动机的固有机械特性曲线值的情况下，可画出异步电动机

3、的固有机械特性曲线如图如图1-7所示。所示。 nsTeTq0Temaxsman001bTL图图1-7异步电动机固有机械特性异步电动机固有机械特性51.2 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性从机械特性曲线上看，转矩有一个最大值从机械特性曲线上看，转矩有一个最大值Temax。对应于最大转矩。对应于最大转矩的转差率的转差率sm称为临界转差率，它可由式（称为临界转差率，它可由式（1-18）对）对s求导，并令求导，并令dTe/ds = 0求得求得 （1-21）将将sm代入式（代入式（1-18）即可求得最大转矩）即可求得最大转矩Temax为为 （1-22）2lrsl212rm)(LLRRss2lrl

4、212112pemax)(123LLRRUnTssssn sTeTq0Temaxsman001bTL图1-7异步电动机固有机械特性61.2 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 注意：注意： （1）设计电动机时通常把额定转矩）设计电动机时通常把额定转矩Ten确定为确定为 左右左右, ,定义最大转矩定义最大转矩Temax与额定转矩与额定转矩Ten之比为之比为emax21TenemaxMTTM称为过载倍数。称为过载倍数。 nsTeTq0Temaxsman001bTL图1-7异步电动机固有机械特性71.2 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性 （2 2）异步电动机的工作区域，一般只能在）异步

5、电动机的工作区域，一般只能在 范围内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正范围内，在该范围内转矩可以近似看成和转差率成正比，故称为机械特性的线性段，大于比，故称为机械特性的线性段，大于sm部分则为机械部分则为机械特性的非线性段。特性的非线性段。 m0ss nsTeTq0Temaxsman001bTL图1-7异步电动机固有机械特性（3）在机械特性曲线上，转速在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为为零时所对应的起始转矩为Tq，且且s=1，此点对应着电机刚开始，此点对应着电机刚开始启动的状态，此时启动电流很启动的状态，此时启动电流很大，可达电机额定电流的大，可达电机额定电流的47倍，倍，但

6、启动转矩却不大。但启动转矩却不大。 8 二、调压时的人为机械特性二、调压时的人为机械特性 异步电动机调压调速方式广泛应用于启动时限制异步电动机调压调速方式广泛应用于启动时限制启动电流和一些调速精度要求不高的场合，目前调压启动电流和一些调速精度要求不高的场合，目前调压调速方式在家用风扇、电动工具等小容量系统中仍然调速方式在家用风扇、电动工具等小容量系统中仍然普遍应用。普遍应用。 当当电源频率电源频率 1、转速或、转速或转差率s一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比，这说明不同的定子电压，可以得到不同的人为机械特性，如图1-8。1.2 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性2lrsl212rs1

7、r2spe/3LLsRRsRUnT9调压时的机械特性TeOnn0TemaxsmTL UsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性风机类负载特性恒转矩负载特性恒转矩负载特性Tst 图图1-8 异步电动机在异步电动机在不同电压下的机械特性不同电压下的机械特性特点：(1) n0不变(2) Te(包括Tst)正 比于u1的平方(3)Sm不变10 带恒转矩负载带恒转矩负载TL时，可时，可得不同的稳定转速，如图得不同的稳定转速，如图2-1中的中的A，B，C点。由于普通点。由于普通异步电动机工作段转差率异步电动机工作段转差率S很小，因此对恒转矩负载来很小，因此对恒转矩负载来说，调速范围很小。但是

8、，说，调速范围很小。但是，对风机泵类机械，由于其负对风机泵类机械，由于其负载特性为载特性为TL=kna(a1)，采用，采用调压调速则可得到较大的调调压调速则可得到较大的调速范围，如图速范围，如图2-1中的中的D，E，F点。点。1.2 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性TeOnn0TemaxsmTL UsN0.7UsNABCFDE0.5UsN风机类负载特性风机类负载特性恒转矩负载特性恒转矩负载特性Tst 图图1-8 异步电动机在异步电动机在不同电压下的机械特性不同电压下的机械特性11交流调压调速的基本结论 1）恒转矩负载降压调速在恒转矩条件下，转子电流随转速的降低而增大由公式(1-17)

9、可得：当Te=TL 时，有Us n 额定恒转矩条件下，降压则过载！例如冰箱、空调等。 U I 电动机为非线性负载，不能简单套用欧姆定律。 rrRskI00nnnsrI因此，降压调速的方法仅适用于负载较轻或因此，降压调速的方法仅适用于负载较轻或调速范围较小的情况。调速范围较小的情况。 12显然，带恒转矩负载时的变压调速范围增大了，堵转工作也不致烧坏电机，这种电机又称作交流力矩电机。 为了能在恒转矩负载下扩大调速范围，并使电机能在较低转速下运行而不致过热，就要求电机转子有较高的电阻值，这样的电机在变电压时的机械特性绘于图1-10。UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒转矩负载特性n0Te0s,

10、n10图1-10 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 交流力矩电机的机械特性13 2）调压调速更适合于风机泵类负载转子电流随转速的下降不明显上升，有时还会下降（调速范围比较宽）由公式(1-17)可得： 稳态运行时：U1 n s 必有最大值)1(rRssr2202)1()1(rLRssIsknknTT2rprRsTe3nfIp交流调压调速的基本结论14交流调压调速的基本结论解上式，得解上式，得s1/3。 当当s1/31/3时，转子和定子电流将时，转子和定子电流将随速度的降低而降低。随速度的降低而降低。 s0Ir1Ir=f(s)图图1-11 风机泵类负载时转子电流变化曲线风机

11、泵类负载时转子电流变化曲线0121)1 (r2rsssRKdsdI调（降）压调速更适用调（降）压调速更适用于风机泵类负载。于风机泵类负载。 15异步电动机变压调速 变压调速是一种典型的转差功率消耗型变压调速是一种典型的转差功率消耗型调速系统。调速系统。 转差功率消耗型转差功率消耗型异步电动机降压调速异步电动机降压调速转子回路串电阻调速转子回路串电阻调速电磁转差离合器调速电磁转差离合器调速16 所谓的所谓的调压调速调压调速，就是通过改变定子外加就是通过改变定子外加电压来改变其机械特性的函数关系，从而达到电压来改变其机械特性的函数关系，从而达到改变电动机在一定输出转矩下转速的目的。改变电动机在一定

12、输出转矩下转速的目的。 那么，怎样实现调压调速呢？那么，怎样实现调压调速呢？17Y形接法0负载abca)uaubuciaUa0VT1VT3VT5VT4VT6VT2RRR18形接法负载b)abcuaubucia19 交流变压调速系统可控电源M3TVC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 利用晶闸管交流调压器变压调速利用晶闸管交流调压器变压调速 20 控制方式控制方式1 1）相位控制）相位控制ut特点：能实现无级调速，对电网有污染，功率因数低212）周波控制（开关控制） 特点：无污染，功率因数高；不能实现无级调速TonToff机械时间常数Tm1:10 控制方式控制方式22如Tm1

13、s,则TonToff0nn0s0T e图1-12 定子回路串接对称电抗或电阻时机械特性32（二）定子回路串电抗或电阻时的机械特性（二）定子回路串电抗或电阻时的机械特性 异步电动机定子回路串电阻启动异步电动机定子回路串电阻启动/调速的缺点是，在电调速的缺点是，在电阻上功率损耗较大，如果启动频繁，则电阻的温升很阻上功率损耗较大，如果启动频繁，则电阻的温升很高，对于精密的生产机械有一定影响。功率较大或高高，对于精密的生产机械有一定影响。功率较大或高压笼型转子异步电动机启动时，可以用定子串联电抗压笼型转子异步电动机启动时，可以用定子串联电抗的方法限制启动电流，以免因串联电阻而产生较大的的方法限制启动电

14、流，以免因串联电阻而产生较大的能量损耗。例如，我们日常生活中的调速电风扇有相能量损耗。例如，我们日常生活中的调速电风扇有相当一部分就是采用定子串联电抗的方法实现调速的。当一部分就是采用定子串联电抗的方法实现调速的。2122221121123/(/ )() ellpU RsTRRsLL33（三）绕线转子异步电动机转子串电阻时（三）绕线转子异步电动机转子串电阻时的机械特性的机械特性 异步电动机转子串电阻时的机械特性异步电动机转子串电阻时的机械特性曲线如图曲线如图1-13所示。由图中可以看出，所示。由图中可以看出，转子电阻为转子电阻为R时，起动转矩为时，起动转矩为Tq，转，转子电阻增加到子电阻增加到

15、R1时，起动转矩增加至时，起动转矩增加至Tq1，转子电阻增加到，转子电阻增加到R2时，起动转时，起动转矩增加至矩增加至Tq2，如果再增加转子电阻，如果再增加转子电阻至至R3时，启动转矩却减小至时，启动转矩却减小至Tq3。异。异步电动机转子串电阻调速时，同步转步电动机转子串电阻调速时，同步转速速n0不变，而临界转差率与转子电阻不变，而临界转差率与转子电阻Ri成正比，即转子串接电阻越大，则成正比，即转子串接电阻越大，则临界转差率越大，机械特性越软。临界转差率越大，机械特性越软。 图1-13 绕线式电动机转子串电阻机械特性TTq20n0nn1n2n3RR1R2R3TqTq1Tq32lrsl212rm

16、)(LLRRss34（三）绕线转子异步电动机转子串电阻时（三）绕线转子异步电动机转子串电阻时的机械特性的机械特性 绕线转子异步电动机转子串电阻调速的优点是设备和绕线转子异步电动机转子串电阻调速的优点是设备和线路简单，投资不高，启动转矩大。线路简单，投资不高，启动转矩大。 但这种调速方法属于转差功率消耗型，即调速过程中但这种调速方法属于转差功率消耗型，即调速过程中增加的转差功率全部被转化成热能消耗，因此这种调增加的转差功率全部被转化成热能消耗，因此这种调速系统的效率随调速范围的增大而降低，机械特性较速系统的效率随调速范围的增大而降低，机械特性较软，因而稳定性差，调速范围受到一定的限制。软，因而稳定性差，调速范围受到一定的限制。 35（三）绕线转子异步电动机转子串电阻时（三）绕线转子异步电动机转子串电阻时的机械特性的机械特性 目前，这种调速方式仍较多地应用目前，这种调速方式仍较多地应用于塔吊、行车吊钩、卷扬机等位能于塔吊、行车吊钩、卷扬机等