异步电动机电压频率协调控制下的机械特性优化方案

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：异步电动机变频调速时，电压和频率之间有基频以下和基频以上的不同控制方式，这统称为电压频率的协调控制。结合式和式，可以画出恒压频比控制时变频调速系统的机械特性，如图3.9所示，随频率降低，电动机空载转速减小，机械特性基本上平行下移，并且最大转矩减小。

异步电动机变频调速时，电压和频率之间有基频以下和基频以上的不同控制方式，这统称为电压频率的协调控制。不同的协调控制方法，异步电动机的性能也不同。

1.恒压频比控制（U_s/ω₁=常数）

在异步电动机的机械特性中，如图3.2所示，将同步转速和转速降以角频率ω₁表示，分别为

在0<s<s_m时，s较小，忽略式（3.24）分母中的含s项，可以得到

式（3.26）表明，变频调速采用恒压频比控制时，因为U_s/ω₁为恒值，转差角频率sω₁与转矩T_e成正比，说明不同频率时，异步电动机若有相同转矩，它们的转差角频率sω₁不变，即转速降Δn不变，因此它们机械特性的线性段是相互平行的。

图3.9 恒压频比控制机械特性

在式（3.25）中，项随ω₁减小而增大，说明在压频比不变控制时，电动机的最大转矩T_emax将随频率下降而减小，频率越低T_emax越小，这限制了低频时电动机的带载能力，需要采用定子压降补偿措施适当地提高电压U_s，以提高T_emax，增强电动机的带载能力。

结合式（3.24）和式（3.18），可以画出恒压频比控制时变频调速系统的机械特性，如图3.9所示，随频率降低，电动机空载转速减小，机械特性基本上平行下移，并且最大转矩减小。

2.恒E_g/ω₁控制

如果在电压频率协调控制中，恰当地提高U_s电压的数值，使它在补偿定子阻抗压降后维持E_g/ω₁为常数，则由式（3.20）可知，无论频率高低，每极磁通Φ_m均为常值。

图3.10 恒E_g/ω₁控制的机械特性

这时由等效电路（见图3.1b）得

将式（3.27）代入电磁转矩方程[见式（3.15）]，得

将式（3.28）对s求导，并令dT_e/ds=0，可得恒E_g/ω₁控制在最大转矩时的转差率和最大转矩为(https://www.chuimin.cn)

将式（3.31）代入式（3.15）可得

式（3.32）表明，在变频调速时，若保持E_r/ω₁=常数，转矩仅与转差频率sω₁成正比，则这时的机械特性是一组平行直线，如图3.11所示。该特性与直流电动机调电枢电压的特性相同，因此若采取E_r/ω₁=常数的控制方式，异步电动机就能有与直流电动机一样良好的调速性能。然而，转子全磁链感应电动势E_r是不能被直接检测和控制的，要实现E_r/ω₁=常数控制，定子电压不仅要补偿定子阻抗的压降，还要补偿转子漏抗的压降，这将在第4章矢量控制系统中介绍。

图3.11 恒E_r/ω₁控制的机械特性

4.基频以上恒压变频时的机械特性

在基频以上变频调速时，由于电压为额定电压（U_s=U_N）不变，将机械特性方程[见式（3.15）]和最大转矩方程[见式（3.16）]整理为

在基频以上，当角频率ω₁提高时，电动机同步转速随之提高，但因为U_N不变，最大转矩减小[见式（3.34）]。基频以上恒压变频调速的机械特性如图3.12所示。

5.四种变频控制方式的比较

恒压频比控制（U_s/ω₁=常数）最容易实现，其机械特性基本上是平行下移，硬度较好，能满足一般的调速要求，但其低速带载能力较差，需对定子阻抗压降进行补偿。

图3.12 基频以上恒压变频调速的机械特性

恒E_g/ω₁控制是在恒压频比控制基础上对电压进行补偿，在稳态时保持Φ_m=恒值，改善了电动机低速性能，但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。

恒E_r/ω₁控制可以有与他励直流电动机一样的机械特性，在高、低速都有较大的负载能力，负载能力仅受电动机电流限制，但是实现比较复杂。

恒压频比控制、恒E_g/ω₁控制和恒E_r/ω₁控制都是在基频以下调速，异步电动机气隙磁通不变，属于恒转矩调速方法。基频以上恒压变频调速时，由于频率提高而电压不变，气隙磁动势减弱，导致转矩也减小，但转速能高于额定转速，属于弱磁恒功率调速，这些与直流电动机调电枢电压调速的性质类似，可以参考图2.17。二者不同是，图2.17的橫坐标用转速表示，VVVF控制时橫坐标一般用频率f₁表示。

以上机械特性都是在正弦波电压供电情况下分析的。如果采用变频器，其输出电压含有谐波，谐波将引起电动机转矩波动，并增加电动机的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波，尤其是低次谐波。

异步电动机电压频率协调控制下的机械特性优化方案

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