第7章 变频调速拖动系统

第7章变频调速拖动系统7.1异步电动机变频调速的原理7.1.1异步电动机变频调速工作原理

1．旋转磁场在异步电动机的三相定子绕组中通入三相交变电流后，它们合成的磁场是一个旋转磁场，磁场旋转的转速(即同步转速)n0可用下式表示：

(7-1)式中

fI——电流的频率；

p——旋转磁场的磁极对数。如果频率调节成fx，则同步转速n0x也随之调节成

(7-2)这就是变频调速的理论依据。2021/5/91《变频器原理与应用（第2版）》第7章2．异步电动机的工作原理图5-1所示为异步电动机的工作原理。定子通入交流电电流后形成旋转磁场切割转子绕组，由右手定则可判断转子绕组中的感生电流方向。载流的转子绕组在磁场中受到电磁力的作用就形成电磁转矩T，根据左手定则可判断T的方向。在T的作用下转子就跟随定子的旋转磁场旋转起来。

图7-1异步电动机的工作原理

2021/5/92《变频器原理与应用（第2版）》第7章3．异步电动机的转速及转差率

只有旋转磁场和转子绕组之间存在相对运动，转子绕组才能切割磁力线，进而产生感应电流和形成电磁转矩。因此转子转速n与旋转磁场转速n0之间一定存在着一个差值，我们称之为转差，用Δn表示，即

(5-3)异步电动机的实际转速为n，n总是小于n0，异步电动机的“异步”正是来源于此。转差n0–n与同步转速n0的比值称为转差率，用s表示，即

(5-4)由上式可推导出异步电动机的转速n的表达式为

(5-5)2021/5/93《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.1.2三相异步电动机的机械特性

机械特性是指电动机在运行时，其转速与电磁转矩之间的关系，即

n＝f(T)。三相异步电动机的机械特性曲线如图7-1所示。

图7-1三相异步电动机的机械特性曲线2021/5/94《变频器原理与应用（第2版）》第7章

1．起动转矩Tst

在n=0(s=1)，T=Tst点，这点的转矩称为起动转矩Tst，也称为堵转转矩。当电动机的负载转矩大于Tst时，电动机将不能起动。

2．额定转矩TN

在n=nN(s=sN)，T=TN点，这点的转矩称为额定转矩TN。当电动机工作在额定转矩TN时，sN通常在0.02～0.06之间，转速在很小的范围内变化时，转矩即可在很大的范围内变化，即工作于额定转矩TN时，电动机具有很硬的机械特性。2021/5/95《变频器原理与应用（第2版）》第7章

3．最大转矩TM

在n=nL(s=sL)，T=TM点，这点的转矩称为最大转矩TM。TM的大小象征着电动机的过载能力，用过载倍数λ表示，λ＝TM／TN。在任何情况下，电动机的负载转矩都不能大于TM，否则电动机转速将急剧下降，致使电动机堵转停止，因此，这一点称为临界转速点。临界转速nL的大小决定了L点的上下位置，从而反映了机械特性的硬度。2021/5/96《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.1.3三相异步电动机的起动

起动时定子电流Ist也很大，一般会达到额定电流IN的4～7倍，除了小容量的三相异步电动机能直接起动外，一般要采取不同的方法起动，变频器用降低频率f1从而也降低了U1的方法来起动电动机。如图7-2所示为低频起动时电动机的机械特性曲线。图7-2低频起动时电动机的机械特性曲线2021/5/97《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.1.4三相异步电动机的制动电动机的制动状态是指电磁转矩T与转速n方向相反的状态。

1．直流制动

电动机制动时，切断电动机的三相电源，在定子绕组中通入直流电，产生一恒定磁场，如图7-3所示。

a)直流制动的原理b)直流制动的机械特性曲线图7-3直流制动的原理与机械特性2021/5/98《变频器原理与应用（第2版）》第7章

2．回馈制动由于某些原因，当n＞n1时，转子切割旋转磁场的方向和电动运行状态n＜n1正好相反，转子中感应电动势和电流的方向也相反，电磁转矩T也就和n反向，为制动转矩。回馈制动是将轴上的机械能转换成电能，回馈给电源。图7-4回馈制动的机械特性曲线2021/5/99《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.2异步电动机的调速方式

7.2.1异步电动机的调速

1．调速与速度改变

1）调速是在负载没有改变的情况下，根据生产过程需要人为地强制性地改变拖动系统的转速。

2）速度改变速度改变是由于负载的变化而引起拖动系统的转速改变。

2021/5/910《变频器原理与应用（第2版）》第7章

2.调速指标

1）调速范围指电动机在额定负载时所能达到的最高转速nLmax与最低转速nLmin之比，即

(7-4)2)调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度。

3）调速特性①

静态特性主要是指调速后机械特性的硬度。工程上常用静差度δ来表示

(7-5)②

动态特性指过渡过程中的性能。2021/5/911《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.2.2异步电动机的调速方式1.变极调速三相异步电动机的变极调速属于有级调速，通过改变磁极对数p得到。2.变转差率调速变转差率调速一般适用于绕线型异步电动机或转差电动机。具体的实现方法很多，比如：转子串电阻的串级调速、调压调速、电磁转差离合器调速等。但是随着s的增大，电机的机械特性变软，效率变低。2021/5/912《变频器原理与应用（第2版）》第7章(1)异步电动机的等效电路图5-2异步电动机定子转子等效电路在图5-2中，U1为定子的相电压；I1为定子的相电流；r1为定子每相绕组的电阻；x1为定子每相绕组的漏抗；E2s、I2s、x2s分别为转子电路中产生的电动势、电流、漏电抗；E1为每相定子绕组的反电动势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的，其有效值计算如下：

(7-6)式中kN1——与绕组结构有关有常数；

N1——每相定子绕组的匝数。3.变频率调速2021/5/913《变频器原理与应用（第2版）》第7章(2)变频调速的要求由式(7-6)，若为常数，则

(7-7)忽略定子绕组的阻抗压降可得若f1减小，则增加。造成电机铁心出现深度饱和，使电机无法正常工作。为达到下调频率时不变，必须有因此，在额定频率以下，即调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒控制。2021/5/914《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.3对不同负载类型变频器的选择

在电力拖动系统中，存在着两个主要转矩，一个是生产机械的负载转矩TL，一个是电动机的电磁转矩T。这两个转矩与转速之间的关系分别叫做负载的机械特性n＝f(TL)和电动机的机械特性n＝f(T)。由于电动机和生产机械是紧密相连的，它们的机械特性必须适当配合，才能得到良好的工作状态。2021/5/915《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.3.1恒转矩负载变频器的选择1.恒转矩负载特性恒转矩负载是指那些负载转矩的大小，仅仅取决于负载的轻重，而和转速大小无关的负载。带式输送机和起重机械都是恒转矩负载的典型例子。

a)b)

图7-8恒转矩负载的机械特性和功率特性

a)机械特性b)功率特性2021/5/916《变频器原理与应用（第2版）》第7章2.恒转矩负载的基本特点

1)恒转矩由于F和r都和转速的快慢无关，所以在调节转速nL的过程中负载的阻转矩TL保持不变，即具有恒转矩的特点：

TL＝常数

2)负载功率与转速成正比根据负载的机械功率PL和转矩TL、转速nL之间的关系，有：

(7-12)3.恒转矩负载下变频器的选择

1）依据调速范围。

2）依据负载转矩的变动范围。

3）考虑负载对机械特性的要求。2021/5/917《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.3.2恒功率负载变频器的选择

恒功率负载是指负载转矩TL的大小与转速n成反比，而其功率基本维持不变的负载。属于这类负载的有：

1）各种卷取机械

2）轧机在轧制小件时用高速轧制，但转矩小；轧制大件时轧制量大需较大转矩，但速度低，故总的轧制功率不变。

3）车床加工零件，在精加工时切削力小，但切削速度高；相反，粗加工时切削力大，切削速度低，故总的切削功率不变。

a）机械特性b)功率特性图7-10恒功率负载的机械特性和功率特性2021/5/918《变频器原理与应用（第2版）》第7章恒功率负载的特点

（1）功率恒定恒功率负载的力F必须保持恒定，且线速度v保持恒定。所以，在不同的转速下，负载的功率基本恒定：

PL=Fv＝常数（2）负载阻转矩的大小与转速成反比负载阻转矩的大小决定于：

TL=Fr(7-13)式中F——卷取物的张力；

r——卷取物的卷取半径。根据负载的机械功率PL和转矩PL、转速nL之间的关系，有：

(7-14)即，负载阻转矩的大小与转速成反比。2021/5/919《变频器原理与应用（第2版）》第7章

2.恒功率负载变频器的选择对恒功率负载，一般可选择通用型的，采用V/f控制方式的变频器。但对于动态性能有较高要求的卷取机械，则必须采用具有矢量控制功能的变频器。2021/5/920《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.3.3二次方律负载变频器的选择

二次方律负载是指转矩与速度的二次方成正比例变化的负载，例如：风扇、风机、泵、螺旋桨等机械的负载转矩，机械特性和功率特性如图7-12所示。

a)机械特性b)功率特性图7-12二次方律负载的特性2021/5/921《变频器原理与应用（第2版）》第7章1.二次方律负载的特点

二次方律负载机械在低速时由于流体的流速低，所以负载转矩很小，随着电动机转速的增加，流速增快，负载转矩和功率也越来越大，负载转矩TL和功率PL可用下式表示：

(7-15)(7-16)

式中T0、P0——分别为电动机轴上的转矩损耗和功率损耗；

KT、KP——分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数2021/5/922《变频器原理与应用（第2版）》第7章2.二次方律负载变频器的选择可以选用“风机、水泵用变频器”。这是因为：1)风机和水泵一般不容易过载，所以，这类变频器的过载能力较低。为120％，1min(通用变频器为150％，1min)。因此在进行功能预置时必须注意。由于负载转矩与转速的平方成正比，当工作频率高于额定频率时，负载的转矩有可能大大超过变频器额定转矩，使电动机过载。所以，其最高工作频率不得超过额定频率。2)配置了进行多台控制的切换功能。3)配置了一些其他专用的控制功能，如“睡眠”与“唤醒”功能、PID调节功能。2021/5/923《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.3.4直线律负载变频器的选择

轧钢机和辗压机等都是直线负载。

1.直线律负载及其特性

(1)转矩特点。负载阻转矩TL与转速nL成正比：

(7-17)(2)功率特点。负载的功率PL与转速nL的二次方成正比。（7-18）

式中，和——直线律负载的转矩常数和功率常数。

2021/5/924《变频器原理与应用（第2版）》第7章其机械特性曲线如图7-13所示。

a)辗压机示意图b)机械特性c)功率特性图7-13直线律负载及其特性2021/5/925《变频器原理与应用（第2版）》第7章2．变频器的选择直线律负载的机械特性虽然也有典型意义．但在考虑变频器时的基本要点与二次方律负载相同，故不作为典型负载来讨论。2021/5/926《变频器原理与应用（第2版）》第7章7.3.5特殊性负载变频器的选择

大部分金属切削机床属于混合特殊性负载。

1．混合特殊性负载及其特性金属切削机床中的低速段，由于工件的最大加工半径和允许的最大切削力相同，故具有恒转矩性质；而在高速段，由于受到机械强度的限制，将保持切削功率不变，属于恒功率性质。2021/5/927《变频器原理与应用（第2版）》第7章特殊性负载机械特性和功率特性则如图7-14所示。

a)机械特性b)功率特性图7-14混合负载的机械特性和功能特性

2021/5/928《变频器原理与应用（第2版）》第7章

2．变频器的选择金属切削机床除了在切削加工毛坯时，负载大小有较大变化外，其他切削加工过程中，负载的变化通常是很小的。就切削精度而言，选择V／f控制方式能够满足要求。但从节能角度看并不理想。矢量变频器在无反馈矢量控制方式下，已经能够在0．5Hz时稳定运行，完全可以满足要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服V／f控制方式的缺点。