图 异步电动机的机械特性
有特性或自然特性。
异步电动机

异步电动机的调速方法
所谓调速，就是人为地改变机械特性的参数，
使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在
人为机械特性上，以达到调速的目的。 能够改变的参数可分为3类： 电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率）
异步电动机
调压调速：

保持电源频率为额定频率，只改变定子电压的调 速方法称作调压调速。

最大转矩，又称临界转矩
Tem

21 Rs Rs2 12 ( Lls L'lr ) 2

3n pU s2

临界转差率：对应最大转矩的转差率
sm
' Rr 2 Rs

2 1 ( Lls

' 2 Llr )
异步电动机
当s很小时，忽略分母中含s各项
Te

3npU s
1R
2 s ' r
异步电动机
交-直-交变频器主回路结构图
异步电动机
变压变频调速系统—转速开环变压变频调速系统
图5-40 转速开环变压变频调速系统
异步电动机
交流电动机工作在发电制动状态时，能量
从电动机侧回馈至直流侧，导致直流电压 上升，称为泵升电压。 电动机储存的动能较大、制动时间较短或 电动机长时间工作在发电制动状态时，泵 升电压很高，严重时将损坏变频器。
异步电动机调压调速的机械特性
异步电动机
变压变频调速

变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种 调速方法，同步转速随频率而变化
60 f1 601 n1 np 2n p
异步电动机
变压变频调速

基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。
Eg 4.44 Ns kNS ΦmN 常值 f1

结构简单，设备成本少，还有一定的应用价值。
转差功率馈送型（绕线电机串行调速）

转差功率一部分被消耗掉，大部分则通过变流装
置回馈给电网或转化成机械能予以利用。

功率既可以从转子馈入又可以馈出的系统称作双 馈调速系统。

效率较高，只能采用绕线转子感应电动机。
转差功率不变型（变压变频调速）

变压变频调速，转子铜损基本不变，转子电路
习题
什么叫恒功率调速？什么叫恒转矩调速？
习题
什么叫恒功率调速？什么叫恒转矩调速？
答：在调速过程中，无论速度高低，当电动机电流保持不
变时，电磁转矩也不变，这种调速叫恒转矩调速。
在调速过程中，无论速度高低，当电动机电流保持不变
时，功率也不变，叫恒功率调速。
习题
ASR
PWM
习题
ASR
PWM
转速调节器
异步电动机
图5-10 异步电动机变压变频调速的控制特性
异步电动机
变压变频调速

在恒压频比的条件下把频率向下调节时，机械
特性基本上是平行下移的。
当频率较低时，电动机带载能力减弱，采用低频
定子压降补偿，适当地提高电压，可以增强带载能
力。
异步电动机
变压变频调速时的机械特性
图5-11 异步电动机变压变频调速机械特性
异步电动机的三相数学模型
作如下的假设： （1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动 势沿气隙按正弦规律分布。 （2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒 定的。 （3）忽略铁心损耗。 （4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影 响。

异步电动机的三相数学模型
定子三相绕组
轴线A、B、C在 空间是固定的。 转子绕组轴线a、 b、c随转子旋转。


转矩大小恒定不变； 作用方向始终与速度n的方 向相反， 当n的方向发生变化时，它的作用方 向也随之发生变化，恒与运动方向相 图1-3 恒转矩负载
反，即总是阻碍运动的。
生产机械的负载转矩特性
2．位能转矩 , 其特点为：
转矩大小恒定不变；
作用方向不变，与运动方向无关，
即在某一方向阻碍运动而在另一 方向促进运动。

由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制，定子电压 只能降低，不能升高，故又称作降压调速。
异步电动机
调压调速的主电路
TVC——双向晶 闸管交流调压 器 a) 不可逆电路 b) 可逆电路
晶闸管交流调压器调速
异步电动机

调压调速的机械特性表达式
Te
3n pU s2 Rr' s
' 1 sR R s r

从频率控制的方式来看，同步电动机调速可分为
他控变频调速和自控变频调速两类。

自控变频调速利用转子磁极位置检测信号来控制 变压变频装置换相，又称作无换向器电动机调速， 或无刷直流电动机调速。
异步电动机
稳态等效电路：
假定条件： ①忽略空间和时间谐波， ②忽略磁饱和，③忽略铁 损 忽略励磁电流
异步电动机
异步电动机
变压变频调速系统 措施： 在直流侧并入一个制动电阻，当泵升电压达到一 定值时，开通与制动电阻相串联的功率器件，通 过制动电阻释放电能，以降低泵升电压。
在 直 流 侧 并 入 一 组 晶 闸 管 有 源 逆 变 器 或 采 用
PWM可控整流，当泵升电压升高时，将能量回馈 至电网，以限制泵升电压。
图6-1 三相异步电动机的物理模型
异步电动机三相动态模型的数学表达式

异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、 转矩方程和运动方程组成。 磁链方程和转矩方程为代数方程 电压方程和运动方程为微分方程


异步电动机三相动态模型的数学表达式
磁链方程

异步电动机每个绕组的磁链是它本身的自感磁链 和其它绕组对它的互感磁链之和
A LAA L B BA C LCA a LaA b LbA c LcA LAB LBB LCB LaB LbB LcB LAC LBC LCC LaC LbC LcC LAa LBa LCa Laa Lba Lca LAb LBb LCb Lab Lbb Lcb LAc iA i LBc B LCc iC Lac ia Lbc ib Lcc ic
异步电动机动态数学模型的性质
（2）异步电动机无法单独对磁通进行控制，电流 乘磁通产生转矩，转速乘磁通产生感应电动势， 在数学模型中含有两个变量的乘积项。 （3）三相异步电动机三相绕组存在交叉耦合，每 个绕组都有各自的电磁惯性，再考虑运动系统的 机电惯性，转速与转角的积分关系等，动态模型 是一个高阶系统。

额度电流不变时，电动机允许输出的转矩将随磁 通变化。在基频以下，由于磁通恒定，允许输出 转矩也恒定。
异步电动机
变压变频调速

在基频以上调速时，频率从向上升高，受到电机
绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压不能随之
升高，最多只能保持额定电压不变。

这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电
动机工作在弱磁状态。
异步电动机
转差频率控制的转速闭环变压变频调速系统结构原理 图
电力拖动自动控制系统 —运动控制系 统
第 6章
基于动态模型的异 步电动机调速系统
异步电动机动态数学模型的性质

异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、 强耦合的多变量系统。
（1）异步电动机变压变频调速时需要进行电压 （或电流）和频率的协调控制，有电压（或电流） 和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除 转速外，磁通也是一个输出变量。
异步电动机三相动态模型的数学表达式
三相绕组电压平衡方程
d A u A iA Rs dt d B uB iB Rs dt d C uC iC Rs dt
调压调速的机械特性

临界转矩
Tem
21 Rs R ( Lls L )
2 s 2 1

3n pU
2 s ' 2 lr

随定子电压的减小而成平方比地下降
异步电动机
调压调速的机械特性


调速范围有限，图中A、 B、C为恒转矩负载在 不同电压时的稳定工作 点。 带风机类负载运行，调 速范围可以稍大一些， 图中D、E、F为风机 类负载在不同电压时的 稳定工作点。
பைடு நூலகம்


2
s Lls L
2 2 1
' lr

2

U s 可调

电磁转矩与定子电压的平方成正比
异步电动机
调压调速的机械特性： 理想空载转速保持为同步转速不变
n0 n1N

临界转差率保持不变
sm Rr' R s2 12 ( Lls L'lr ) 2
异步电动机
在同一轴上，负载转矩和转速之间
的函数关系，称为生产机械的机械 特性。
生产机械的负载转矩特性
介绍几种典型的生产机械负载转矩特性：

负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载
a）反抗性恒转矩负载 b) 位能性恒转矩负载

恒功率负载 风机、泵类负载
生产机械的负载转矩特性
1．反抗转矩：又称摩擦性转矩， 其特点如下：
特点？
答：反抗性恒转矩负载恒与运动方向相反。
位能性恒转矩负载作用方向恒定，与运动方向 无关。
交流调速系统


交流电动机有异步电动机和同步电动机两大类。
按转差功率将异步电动机的调速系统分成三类：
转差功率消耗型
转差功率不变型 转差功率不变型
转差功率消耗型（调压调速）