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1、第一章第一章第一章第一章第一章 异步电动机变频调速理论基础主讲教师： 杜春水 张承慧 1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21.2 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 人为地改人为地改变异步电动机的机械特性变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：为定子每相电阻和折算到定子侧的转子每相电阻；为定
2、子每相漏感和折算到定子侧的转子每相漏感（1-18） 31.2 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性可见，当电源频率1、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。当电压Us和频率1一定时，机械特性方程式Te= f（s）是一个二次表达式。在定子电压Us和频率1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如图1-7所示。 nsTeTq0Temaxsman001bTL图1-7异步电动机固有机械特性41.2 异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性从从机机械械特特性性曲曲线线上上看看，转转矩矩有有一一个个最最大大值值Temax。对对应应于于最最大大转转矩矩的的转转差差率率sm称
3、称为为临临界界转转差差率率，它它可可由由式式（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）n sTeTq0Temaxsman001bTL图1-7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注意：注意： （1）设设计计电电动动机机时时通通常常把把额额定定转转矩矩Ten确确定定为为 左左右右, ,。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M称为过载倍数。称为过载倍数。 nsTeTq0Temaxsman001
4、bTL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(2)异步电动机的工作区域，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比，故称为机械特性的线性段，大于sm部分则为机械特性的非线性段。 nsTeTq0Temaxsman001bTL图1-7异步电动机固有机械特性（3）在机械特性曲线上，转速为零时所对应的起始转矩为Tq，且s=1，此点对应着电机刚开始启动的状态，此时启动电流很大，可达电机额定电流的47倍，但启动转矩却不大。 7 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
5、式在家用风扇、电动工具等小容量系统中仍然普遍应用。 可见，当电源频率1、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8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)T(包括Tst)正比于u1的平方(3)Sm不变9 带带恒恒转矩负载转矩负载TL时，可得不同的稳定转时，可得
6、不同的稳定转速，如图速，如图2-1中的中的A，B，C点。由于普通异步点。由于普通异步电动机工作段转差率电动机工作段转差率S很小，因此对恒转矩很小，因此对恒转矩负载来说，调速范围很小。但是，对风机泵负载来说，调速范围很小。但是，对风机泵类机械，由于其负载特性为类机械，由于其负载特性为TL=kna(a1)，采采用调压调速则可得到较大的调速范围，如图用调压调速则可得到较大的调速范围，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10交流调压调速的基本结论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) 可得：当Te=TL时，有Us n 额定恒
7、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。 因此，降压调速的方法仅适用于负载较轻或调速范围因此，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。较小的情况。 11 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。12 交流力矩电机的机械特性图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 UsN0.7UsNABCTL0.5Us
8、N恒转矩负载特性n0Te0s,n1013调压调速更适合于风机泵类负载转子电流随转速的下降明显上升，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(rRss-r2202)1()1(rLRssIsknknTT-=2rprRsT3nfI=p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泵类负载时转子电流变化曲线调（降）压调速更适用调（降）压调速更
9、适用于风机泵类负载。于风机泵类负载。 15 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据下转速的目的。改变电动机在一定输出转据下转速的目的。 那么，怎样实现调压调速呢？那么，怎样实现调压调速呢？16异步电动机变压调速电路 变压调速是一种典型的转差功率消耗型调速系统。 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17Y形接法0负载abca)uaubuciaUa0VT1VT3VT5VT4VT6
10、VT2RRR18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Tm1s,则TonToff=60 (保证每个时刻至少有两个管子导通。触发规律T1T2T3T4T5T6NabcuaubuciaUa0VT1VT3VT5VT4VT6V
11、T2RARBRC26设系统已经工作，即在VT1的脉冲到来之前，VT4,VT5,VT6导通(1)分析0时Y电路的工作原理，此时N点电位为0，触发VT1，则VT1导通。图 三相全波星形联结调压电路 0时的波形ouRAVT1VT2VT3VT4VT5VT6123456oa)b)c)d)uAuBuCugttt27正向晶闸管T1,T3,T5在电源电压波形正半波的起始点被触发导通反向晶闸管T4,T6,T2在电源电压波形负半波的起始点被触发导通每个元件导通180,半波过零点，自行关断在每个60区间有三个晶闸管同时导通。ouRAVT1VT2VT3VT4VT5VT6123456oa)b)c)d)uAuBuCugt
12、tt28(2)分析30时Y电路的工作原理图30时的波形ouRAVT1VT2VT3VT4VT5VT6123456oa)b)c)d)uAuBuCugt1t20t10t2t3ttt关注关注N点电位变化！点电位变化！设系统已经工作，即在T1的脉冲到来之前，VT5,VT6已经导通（ 而不是VT4 VT5,VT6导通）29 由导通区间可计算各相负载所获得的调压电压（一周12个阶段），以A相正半周为例30 (3) 60情况下的具体分析与30时分析相似。每个晶闸管导通120每个区间均有两个晶 闸管构成回路。导通特点：60时A相脉冲分配图，导通区间图和负载电压波形的波形ouRAVT1VT2VT3VT4VT5VT
13、6123456oa)b)c)d)uAuBuCugt1t2t3ttt/331(4) 90情况90情况图2-9ouRAVT1VT2VT3VT4VT5VT6123456oa)b)c)d)uAuBuCugt1t2t3ttt/2632 由此负载电压URA可以求出(正、负半周反向对称)，波形如图所示。NabcuaubuciaUa0VT1VT3VT5VT4VT6VT2RARBRC33小 结电路移相范围为150，为设计触发电路参考。电阻性负载：如电炉子电解过程白炽灯6090150120180图2-12 移相角与控制角之间的关系34(二) 在电阻电感性负载时 当交流调压电路的负载为交流电动机、变压器等电感性负载
14、时，晶间管的工作情况与电阻性负载时就不相同. 因为在电阻-电感性负载时，电路中电流的波形与电压的波形不同相。当电源电压过零点时，由于电路自感电势的作用使电流要滞后一个角度(时间)才能为零而去关断晶闸管，因此，晶闸管的导通角会增大，并由于晶间管是在电压过零后经过一个延迟才关断，所以它是在承受反压情况下被关断的。显然此时晶闸管的工作不只与控制角有关。还与负载电路的参数阻抗角有关。35以单相为例(a)单相交流调压电路单相交流调压电路，以阻抗角来表征电阻电感负载的参数情况。分析一下电路的工作原理，画出相应的波形VT2R u1iLuLVT1L36b)输入U1电压波形c)触发脉冲d)为晶闸管的导通区间e)
15、为负载电流波形f)为负载电压波形图2-14utg0u12tttVT1VT212iLuLb)c)d)e)f)37当很小或者负载电感量很大时；UL=Ui-失控需要研究f(,L,R)=f(, )之间的关系，这是一个超越方程，它表示了f(, )的关系。利用它可以按负载阻抗角 求得不同时的导电角。但是这组曲线只适用于 的情况。(2-2)38020406080 100 120 140 160 18020406080100120140160180图2-15 电路在39讨 论当 时，为纯电阻性负载，有当时，导通角也是断续的时，为临界状态，电流刚好导通晶闸管全导通工作，负载上得到的是电源电压，实际上失去了调压作用。，此时电流波形，这相当于当且0joa j40时，电路中的电感作用相对很大，电流维持以上，影响晶闸管的正常触发，波形畸变时的输出波形可与 综上所述，对电感性负载，晶闸管调压电路应采用宽脉冲触发，晶闸管控制角的，如果电路的触发脉冲采用宽脉冲或者脉冲列，了调压作用。相同，均失去正常移相范围为当41作业题对于三相星型晶闸管调压电路，带纯电阻性负载，分析45时A相电阻上的电压波形。为什么说交流调压调速更适合于风机泵类负载？交流调压调速有哪些特点？42下 课43
