1、1第一章 異步電動機變頻調速理論基礎主講教師： 崔納新2本本 章章 提提 要要 1.1 異步電動機運行原理異步電動機運行原理 1.2 異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性 1.3 變頻調速的基本控制方式變頻調速的基本控制方式 1.4 負載轉矩特性及其與調速方負載轉矩特性及其與調速方式的配合式的配合31.2 異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性q異步電動機不同的調速方式異步電動機不同的調速方式 人為地改變人為地改變異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性 一、異步電動機的固有機械特性一、異步電動機的固有機械特性式中：式中：為定子每相電阻和折算到定子側的轉子每相電阻；為定子每相電阻和折算到

2、定子側的轉子每相電阻；為定子每相漏感和折算到定子側的轉子每相漏感為定子每相漏感和折算到定子側的轉子每相漏感2lrsl212rs1r2spe/3LLsRRsRUnTrs,RRs1L1rL（1-18） 可見，當電源頻率電源頻率 1、轉速或、轉速或轉差率s一定時，電磁轉矩與定子電壓的平方成正比。41.2 異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性 當電壓當電壓Us和頻率和頻率 1一定時，機械特性方程式一定時，機械特性方程式Te= f（s）是一個二次表達式。在定子電壓是一個二次表達式。在定子電壓Us和頻率和頻率 1均為額定均為額定值的情況下，可畫出異步電動機的固有機械特性曲線值的情況下，可畫出異步電動機

3、的固有機械特性曲線如圖如圖1-7所示。所示。 nsTeTq0Temaxsman001bTL圖圖1-7異步電動機固有機械特性異步電動機固有機械特性51.2 異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性從機械特性曲線上看，轉矩有一個最大值從機械特性曲線上看，轉矩有一個最大值Temax。對應于最大轉矩。對應于最大轉矩的轉差率的轉差率sm稱為臨界轉差率，它可由式（稱為臨界轉差率，它可由式（1-18）對）對s求導，并令求導，并令dTe/ds = 0求得求得 （1-21）將將sm代入式（代入式（1-18）即可求得最大轉矩）即可求得最大轉矩Temax為為 （1-22）2lrsl212rm)(LLRRss2lrl

4、212112pemax)(123LLRRUnTssssn sTeTq0Temaxsman001bTL圖1-7異步電動機固有機械特性61.2 異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性 注意：注意： （1）設計電動機時通常把額定轉矩）設計電動機時通常把額定轉矩Ten確定為確定為 左右左右, ,定義最大轉矩定義最大轉矩Temax與額定轉矩與額定轉矩Ten之比為之比為emax21TenemaxMTTM稱為過載倍數。稱為過載倍數。 nsTeTq0Temaxsman001bTL圖1-7異步電動機固有機械特性71.2 異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性 （2 2）異步電動機的工作區域，一般只能在）異步

5、電動機的工作區域，一般只能在 范圍內，在該范圍內轉矩可以近似看成和轉差率成正范圍內，在該范圍內轉矩可以近似看成和轉差率成正比，故稱為機械特性的線性段，大于比，故稱為機械特性的線性段，大于sm部分則為機械部分則為機械特性的非線性段。特性的非線性段。 m0ss nsTeTq0Temaxsman001bTL圖1-7異步電動機固有機械特性（3）在機械特性曲線上，轉速在機械特性曲線上，轉速為零時所對應的起始轉矩為為零時所對應的起始轉矩為Tq，且且s=1，此點對應著電機剛開始，此點對應著電機剛開始啟動的狀態，此時啟動電流很啟動的狀態，此時啟動電流很大，可達電機額定電流的大，可達電機額定電流的47倍，倍，但

6、啟動轉矩卻不大。但啟動轉矩卻不大。 8 二、調壓時的人為機械特性二、調壓時的人為機械特性 異步電動機調壓調速方式廣泛應用于啟動時限制異步電動機調壓調速方式廣泛應用于啟動時限制啟動電流和一些調速精度要求不高的場合，目前調壓啟動電流和一些調速精度要求不高的場合，目前調壓調速方式在家用風扇、電動工具等小容量系統中仍然調速方式在家用風扇、電動工具等小容量系統中仍然普遍應用。普遍應用。 當當電源頻率電源頻率 1、轉速或、轉速或轉差率s一定時，電磁轉矩與定子電壓的平方成正比，這說明不同的定子電壓，可以得到不同的人為機械特性，如圖1-8。1.2 異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性2lrsl212rs1

7、r2spe/3LLsRRsRUnT9調壓時的機械特性TeOnn0TemaxsmTL UsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風機類負載特性風機類負載特性恒轉矩負載特性恒轉矩負載特性Tst 圖圖1-8 異步電動機在異步電動機在不同電壓下的機械特性不同電壓下的機械特性特點：(1) n0不變(2) Te(包括Tst)正 比于u1的平方(3)Sm不變10 帶恒轉矩負載帶恒轉矩負載TL時，可時，可得不同的穩定轉速，如圖得不同的穩定轉速，如圖2-1中的中的A，B，C點。由于普通點。由于普通異步電動機工作段轉差率異步電動機工作段轉差率S很小，因此對恒轉矩負載來很小，因此對恒轉矩負載來說，調速范圍很小。但是

8、，說，調速范圍很小。但是，對風機泵類機械，由于其負對風機泵類機械，由于其負載特性為載特性為TL=kna(a1)，采用，采用調壓調速則可得到較大的調調壓調速則可得到較大的調速范圍，如圖速范圍，如圖2-1中的中的D，E，F點。點。1.2 異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性TeOnn0TemaxsmTL UsN0.7UsNABCFDE0.5UsN風機類負載特性風機類負載特性恒轉矩負載特性恒轉矩負載特性Tst 圖圖1-8 異步電動機在異步電動機在不同電壓下的機械特性不同電壓下的機械特性11交流調壓調速的基本結論 1）恒轉矩負載降壓調速在恒轉矩條件下，轉子電流隨轉速的降低而增大由公式(1-17)

9、可得：當Te=TL 時，有Us n 額定恒轉矩條件下，降壓則過載！例如冰箱、空調等。 U I 電動機為非線性負載，不能簡單套用歐姆定律。 rrRskI00nnnsrI因此，降壓調速的方法僅適用于負載較輕或因此，降壓調速的方法僅適用于負載較輕或調速范圍較小的情況。調速范圍較小的情況。 12顯然，帶恒轉矩負載時的變壓調速范圍增大了，堵轉工作也不致燒壞電機，這種電機又稱作交流力矩電機。 為了能在恒轉矩負載下擴大調速范圍，并使電機能在較低轉速下運行而不致過熱，就要求電機轉子有較高的電阻值，這樣的電機在變電壓時的機械特性繪于圖1-10。UsN0.7UsNABCTL0.5UsN恒轉矩負載特性n0Te0s,

10、n10圖1-10 高轉子電阻電動機（交流力矩電動機）在不同電壓下的機械特性 交流力矩電機的機械特性13 2）調壓調速更適合于風機泵類負載轉子電流隨轉速的下降不明顯上升，有時還會下降（調速范圍比較寬）由公式(1-17)可得： 穩態運行時：U1 n s 必有最大值)1(rRssr2202)1()1(rLRssIsknknTT2rprRsTe3nfIp交流調壓調速的基本結論14交流調壓調速的基本結論解上式，得解上式，得s1/3。 當當s1/31/3時，轉子和定子電流將時，轉子和定子電流將隨速度的降低而降低。隨速度的降低而降低。 s0Ir1Ir=f(s)圖圖1-11 風機泵類負載時轉子電流變化曲線風機

11、泵類負載時轉子電流變化曲線0121)1 (r2rsssRKdsdI調（降）壓調速更適用調（降）壓調速更適用于風機泵類負載。于風機泵類負載。 15異步電動機變壓調速 變壓調速是一種典型的轉差功率消耗型變壓調速是一種典型的轉差功率消耗型調速系統。調速系統。 轉差功率消耗型轉差功率消耗型異步電動機降壓調速異步電動機降壓調速轉子回路串電阻調速轉子回路串電阻調速電磁轉差離合器調速電磁轉差離合器調速16 所謂的所謂的調壓調速調壓調速，就是通過改變定子外加就是通過改變定子外加電壓來改變其機械特性的函數關系，從而達到電壓來改變其機械特性的函數關系，從而達到改變電動機在一定輸出轉矩下轉速的目的。改變電動機在一定

12、輸出轉矩下轉速的目的。 那么，怎樣實現調壓調速呢？那么，怎樣實現調壓調速呢？17Y形接法0負載abca)uaubuciaUa0VT1VT3VT5VT4VT6VT2RRR18形接法負載b)abcuaubucia19 交流變壓調速系統可控電源M3TVC利用晶閘管交流調壓器變壓調速TVC雙向晶閘管交流調壓器 利用晶閘管交流調壓器變壓調速利用晶閘管交流調壓器變壓調速 20 控制方式控制方式1 1）相位控制）相位控制ut特點：能實現無級調速，對電網有污染，功率因數低212）周波控制（開關控制） 特點：無污染，功率因數高；不能實現無級調速TonToff機械時間常數Tm1:10 控制方式控制方式22如Tm1

13、s,則TonToff0nn0s0T e圖1-12 定子回路串接對稱電抗或電阻時機械特性32（二）定子回路串電抗或電阻時的機械特性（二）定子回路串電抗或電阻時的機械特性 異步電動機定子回路串電阻啟動異步電動機定子回路串電阻啟動/調速的缺點是，在電調速的缺點是，在電阻上功率損耗較大，如果啟動頻繁，則電阻的溫升很阻上功率損耗較大，如果啟動頻繁，則電阻的溫升很高，對于精密的生產機械有一定影響。功率較大或高高，對于精密的生產機械有一定影響。功率較大或高壓籠型轉子異步電動機啟動時，可以用定子串聯電抗壓籠型轉子異步電動機啟動時，可以用定子串聯電抗的方法限制啟動電流，以免因串聯電阻而產生較大的的方法限制啟動電

14、流，以免因串聯電阻而產生較大的能量損耗。例如，我們日常生活中的調速電風扇有相能量損耗。例如，我們日常生活中的調速電風扇有相當一部分就是采用定子串聯電抗的方法實現調速的。當一部分就是采用定子串聯電抗的方法實現調速的。2122221121123/(/ )() ellpU RsTRRsLL33（三）繞線轉子異步電動機轉子串電阻時（三）繞線轉子異步電動機轉子串電阻時的機械特性的機械特性 異步電動機轉子串電阻時的機械特性異步電動機轉子串電阻時的機械特性曲線如圖曲線如圖1-13所示。由圖中可以看出，所示。由圖中可以看出，轉子電阻為轉子電阻為R時，起動轉矩為時，起動轉矩為Tq，轉，轉子電阻增加到子電阻增加到

15、R1時，起動轉矩增加至時，起動轉矩增加至Tq1，轉子電阻增加到，轉子電阻增加到R2時，起動轉時，起動轉矩增加至矩增加至Tq2，如果再增加轉子電阻，如果再增加轉子電阻至至R3時，啟動轉矩卻減小至時，啟動轉矩卻減小至Tq3。異。異步電動機轉子串電阻調速時，同步轉步電動機轉子串電阻調速時，同步轉速速n0不變，而臨界轉差率與轉子電阻不變，而臨界轉差率與轉子電阻Ri成正比，即轉子串接電阻越大，則成正比，即轉子串接電阻越大，則臨界轉差率越大，機械特性越軟。臨界轉差率越大，機械特性越軟。 圖1-13 繞線式電動機轉子串電阻機械特性TTq20n0nn1n2n3RR1R2R3TqTq1Tq32lrsl212rm

16、)(LLRRss34（三）繞線轉子異步電動機轉子串電阻時（三）繞線轉子異步電動機轉子串電阻時的機械特性的機械特性 繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速的優點是設備和繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速的優點是設備和線路簡單，投資不高，啟動轉矩大。線路簡單，投資不高，啟動轉矩大。 但這種調速方法屬于轉差功率消耗型，即調速過程中但這種調速方法屬于轉差功率消耗型，即調速過程中增加的轉差功率全部被轉化成熱能消耗，因此這種調增加的轉差功率全部被轉化成熱能消耗，因此這種調速系統的效率隨調速范圍的增大而降低，機械特性較速系統的效率隨調速范圍的增大而降低，機械特性較軟，因而穩定性差，調速范圍受到一定的限制。軟，因而穩定性差，調速范圍受到一定的限制。 35（三）繞線轉子異步電動機轉子串電阻時（三）繞線轉子異步電動機轉子串電阻時的機械特性的機械特性 目前，這種調速方式仍較多地應用目前，這種調速方式仍較多地應用于塔吊、行車吊鉤、卷揚機等位能于塔吊、行車吊鉤、卷揚機等