第第7章章 变频调速拖动系统变频调速拖动系统7.1 异步电动机变频调速的原理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异步电动机变频调速工作原理 1 1旋转磁场旋转磁场在在异异步步电电动动机机的的三三相相定定子子绕绕组组中中通通入入三三相相交交变变电电流流后后，它它们们合合成成的的磁磁场是一个旋转磁场，磁场旋转的转速场是一个旋转磁场，磁场旋转的转速( (即同步转速即同步转速) )n n0 0可用下式表示：可用下式表示： (7-1)(7-1)式中式中 f fI I 电流的频率；电流的频率； p p 旋转磁场的磁极对数。旋转磁场的磁极对数。如果频率调节成如果频率调节成f fx x，则同步转速则同步转速n n0x0x也随之调节成也随之调节成 (7-2) (7-2)这就是变频调速的理论依据。这就是变频调速的理论依据。变频器原理与应用（第2版）第7章2 2异步电动机的工作原理异步电动机的工作原理图图5-15-1所所示示为为异异步步电电动动机机的的工工作作原原理理。定定子子通通入入交交流流电电电电流流后后形形成成旋旋转转磁磁场场切切割割转转子子绕绕组组，由由右右手手定定则则可可判判断断转转子子绕绕组组中中的的感感生生电电流流方方向向。载载流流的的转转子子绕绕组组在在磁磁场场中中受受到到电电磁磁力力的的作作用用就就形形成成电电磁磁转转矩矩T T，根根据据左左手手定定则则可可判判断断T T的的方方向向。在在T T的的作作用用下下转转子子就就跟随定子的旋转磁场旋转起来。跟随定子的旋转磁场旋转起来。 图图7-1 7-1 异步电动机的工作原理异步电动机的工作原理变频器原理与应用（第2版）第7章3异步电动机的转速异步电动机的转速及转差率及转差率只只有有旋旋转转磁磁场场和和转转子子绕绕组组之之间间存存在在相相对对运运动动，转转子子绕绕组组才才能能切切割割磁磁力力线线，进进而而产产生生感感应应电电流流和和形形成成电电磁磁转转矩矩。因因此此转转子子转转速速n n与与旋旋转转磁磁场场转转速速n n0 0之之间间一一定定存存在在着着一一个个差差值值，我我们们称称之之为为转转差差，用用n n表表示示，即即 (5-3)(5-3)异异步步电电动动机机的的实实际际转转速速为为n n，n n总总是是小小于于n n0 0，异异步步电电动动机机的的“异异步步”正正是是来源于此。转差来源于此。转差n n0 0n n与同步转速与同步转速n n0 0的比值称为转差率，用的比值称为转差率，用s s表示，即表示，即 (5-4)(5-4)由上式可推导出异步电动机的转速由上式可推导出异步电动机的转速n n的表达式为的表达式为 (5-5)(5-5)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三相异步电动机的机械特性 机机械械特特性性是是指指电电动动机机在在运运行行时时，其其转转速速与与电电磁磁转转矩矩之之间间的的关关系系，即即 n nf f ( (T T ) )。 三相异步电动机的机械特性曲线如图三相异步电动机的机械特性曲线如图7-1所示。所示。 图图7-1 三相异步电动机的机械特性曲线三相异步电动机的机械特性曲线变频器原理与应用（第2版）第7章1起动转矩起动转矩Tst 在在n = 0 (s=1)，T = Tst点，这点的转矩称为起点，这点的转矩称为起动转矩动转矩Tst，也称为堵转转矩。当电动机的负载，也称为堵转转矩。当电动机的负载转矩大于转矩大于Tst时，电动机将不能起动。时，电动机将不能起动。 2额定转矩额定转矩TN 在在n = nN (s= sN)，T = TN点，这点的转矩称为点，这点的转矩称为额定转矩额定转矩TN。当电动机工作在额定转矩。当电动机工作在额定转矩TN时，时，sN通常在通常在0.020.06之间，转速在很小的范围内变之间，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，即工作于化时，转矩即可在很大的范围内变化，即工作于额定转矩额定转矩TN时，电动机具有很硬的机械特性。时，电动机具有很硬的机械特性。变频器原理与应用（第2版）第7章 3最大转矩最大转矩TM 在在n = n L (s= s L)，T = TM点，这点的点，这点的转矩称为最大转矩转矩称为最大转矩TM。TM的大小象征着电的大小象征着电动机的过载能力，用过载倍数动机的过载能力，用过载倍数表示，表示，TMTN。在任何情况下，电动机的负载转。在任何情况下，电动机的负载转矩都不能大于矩都不能大于TM，否则电动机转速将急剧，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。临界转速点称为临界转速点。临界转速nL的大小决的大小决定了定了L点的上下位置，从而反映了机械特点的上下位置，从而反映了机械特性的硬度。性的硬度。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三相异步电动机的起动 起起动动时时定定子子电电流流Ist也也很很大大，一一般般会会达达到到额额定定电电流流IN的的47倍倍，除除了了小小容容量量的的三三相相异异步步电电动动机机能能直直接接起起动动外外，一一般般要要采采取取不不同同的的方方法法起起动动，变变频频器器用用降降低低频频率率f1从从而而也也降降低低了了U1的的方方法法来来起起动动电电动动机机。如如图图7-2所所示示为为低低频频起起动动时电动机的机械特性曲线。时电动机的机械特性曲线。 图图7-2 低频起动时电动机的机械特性曲线低频起动时电动机的机械特性曲线变频器原理与应用（第2版）第7章7.1.4 三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动电动机的制动状态是指电磁转矩电动机的制动状态是指电磁转矩T与转速与转速n方向相反的状态。方向相反的状态。 1直流制动直流制动 电电动动机机制制动动时时，切切断断电电动动机机的的三三相相电电源源，在在定定子子绕绕组组中中通通入入直直流电，产生一恒定磁场，如图流电，产生一恒定磁场，如图7-3所示。所示。 a) 直流制动的原理直流制动的原理 b)直流制动的机械特性曲线直流制动的机械特性曲线 图图7-3 直流制动的原理与机械特性直流制动的原理与机械特性 变频器原理与应用（第2版）第7章 2回馈制动回馈制动 由于某些原因，当由于某些原因，当nn1时，转子切割旋转磁时，转子切割旋转磁场的方向和电动运行状态场的方向和电动运行状态nn1正好相反，转子中正好相反，转子中感应电动势和电流的方向也相反，电磁转矩感应电动势和电流的方向也相反，电磁转矩T也就也就和和n反向，为制动转矩。回馈制动是将轴上的机械反向，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。能转换成电能，回馈给电源。 图图7-4 回馈制动的机械特性曲线回馈制动的机械特性曲线 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异步电动机的调速方式 7.2.1 异步电动机的调速异步电动机的调速 1调速与速度改变调速与速度改变 1）调速）调速 是在负载没有改变的情况下，根据生产过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。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 速度改变是由于负载的变化而引起拖速度改变是由于负载的变化而引起拖动系统的转速改变。动系统的转速改变。 变频器原理与应用（第2版）第7章2. 调速指标调速指标 1）调速范围）调速范围 指电动机在额定负载时所能达到的最高转速指电动机在额定负载时所能达到的最高转速nLmax与最低转速与最低转速nLmin之比，即之比，即 (7-4) 2) 调速的平滑性调速的平滑性 是指相邻两级转速的接近程度。是指相邻两级转速的接近程度。3）调速特性）调速特性 静静态态特特性性主主要要是是指指调调速速后后机机械械特特性性的的硬硬度度。工工程程上上常用静差度常用静差度来表示来表示 (7-5) 动态特性动态特性指过渡过程中的性能。指过渡过程中的性能。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.变极调速变极调速 三相异步电动机的变极调速属于有级调速，三相异步电动机的变极调速属于有级调速，通过改变磁极对数通过改变磁极对数p得到得到 。2.变转差率调速变转差率调速 变转差率调速一般适用于绕线型异步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、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。调压调速、电磁转差离合器调速等。 但但是随着是随着s的增大，电机的机械特性变软，的增大，电机的机械特性变软，效率变低。效率变低。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异步电动机的等效电路 图图5-2 5-2 异步电动机定子转子等效电路异步电动机定子转子等效电路在在图图5-2中中，U1为为定定子子的的相相电电压压；I1为为定定子子的的相相电电流流；r1为为定定子子每每相相绕绕组组的的电电阻阻；x1为为定定子子每每相相绕绕组组的的漏漏抗抗；E2s、I2s、x2s分分别别为为转转子子电电路路中中产产生生的的电电动动势势、电电流流、漏漏电电抗抗；E1为为每每相相定定子子绕绕组组的的反反电电动动势势，它是定子绕组切割旋转磁场而产生的，其有效值计算如下：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)式中式中kN1与绕组结构有关有常数；与绕组结构有关有常数； N1每相定子绕组的匝数。每相定子绕组的匝数。1.3.变频率调速变频率调速变频器原理与应用（第2版）第7章(2)变频调速的要求变频调速的要求由式由式(7-6)，若，若为常数，则为常数，则(7-7)忽略定子绕组的阻抗压降忽略定子绕组的阻抗压降 可得可得 若若f1减小，则减小，则 增加。造成电机铁心出现深度饱和，使电机增加。造成电机铁心出现深度饱和，使电机无法正常工作。为达到下调频率时无法正常工作。为达到下调频率时 不变，必须有不变，必须有 因此，在额定频率以下，即因此，在额定频率以下，即 调频时，同时下调加在定调频时，同时下调加在定子绕组上的电压，即恒子绕组上的电压，即恒 控制。控制。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转矩，一个是生产机械的负载转矩TL，一，一个是电动机的电磁转矩个是电动机的电磁转矩T。这两个转矩与。这两个转矩与转速之间的关系分别叫做负载的机械特性转速之间的关系分别叫做负载的机械特性nf (TL)和电动机的机械特性和电动机的机械特性nf (T)。由于电动机和生产机械是紧密相连的，它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，才能得到良们的机械特性必须适当配合，才能得到良好的工作状态。好的工作状态。 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 1.1.恒转矩负载特性恒转矩负载特性 恒恒转转矩矩负负载载是是指指那那些些负负载载转转矩矩的的大大小小，仅仅仅仅取取决决于于负负载载的的轻轻重重，而而和和转转速速大大小小无无关关的负载。带式输送机和起重机械都是恒转矩负载的典型例子。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) a) b) 图图7-8 7-8 恒转矩负载的机械特性和功率特性恒转矩负载的机械特性和功率特性 a) a) 机械特性机械特性 b) b) 功率特性功率特性变频器原理与应用（第2版）第7章2.恒转矩恒转矩负载的基本特点负载的基本特点1)恒恒转转矩矩由由于于F和和r都都和和转转速速的的快快慢慢无无关关，所所以以在在调调节节转转速速nL的的过过程程中中负负载载的的阻阻转转矩矩TL保保持持不变，即具有恒转矩的特点：不变，即具有恒转矩的特点：TL常数常数2)负负载载功功率率与与转转速速成成正正比比根根据据负负载载的的机机械械功功率率PL和转矩和转矩TL、转速转速nL之间的关系，有：之间的关系，有：(7-12) 3. 恒转矩负载下变频器的选择恒转矩负载下变频器的选择 1）依据调速范围。）依据调速范围。 2）依据负载转矩的变动范围）依据负载转矩的变动范围 。 3）考虑负载对机械特性的要求。）考虑负载对机械特性的要求。 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恒功功率率负负载载是是指指负负载载转转矩矩TL的的大大小小与与转转速速n成成反反比比，而而其其功功率率基基本本维维持持不不变变的的负负载载。属属于这类负载的有：于这类负载的有：1）各种卷取机械）各种卷取机械2）轧轧机机在在轧轧制制小小件件时时用用高高速速轧轧制制，但但转转矩矩小小；轧轧制制大大件件时时轧轧制制量量大大需需较较大大转转矩矩，但但速速度低，故总的轧制功率不变。度低，故总的轧制功率不变。3）车车床床加加工工零零件件，在在精精加加工工时时切切削削力力小小，但但切切削削速速度度高高；相相反反，粗粗加加工工时时切切削削力力大大，切削速度低，故总的切削功率不变。切削速度低，故总的切削功率不变。 a a）机械特性机械特性 b)b)功率特性功率特性 图图7-10 7-10 恒功率负载的机械特性和功率特性恒功率负载的机械特性和功率特性变频器原理与应用（第2版）第7章恒功率负载的特点 （1）功率恒定功率恒定恒恒功功率率负负载载的的力力F必必须须保保持持恒恒定定，且且线线速速度度v保保持持恒恒定定。所所以以，在在不不同同的的转转速下，负载的功率基本恒定：速下，负载的功率基本恒定：PL=F v常数常数（2）负载阻转矩的大小与转速成反比）负载阻转矩的大小与转速成反比负载阻转矩的大小决定于：负载阻转矩的大小决定于：TL= F r (7-13)式中式中F卷取物的张力；卷取物的张力； r 卷取物的卷取半径。卷取物的卷取半径。根据负载的机械功率根据负载的机械功率PL和转矩和转矩PL、转速转速nL之间的关系，有：之间的关系，有：(7-14)即，负载阻转矩的大小与转速成反比。即，负载阻转矩的大小与转速成反比。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，对恒功率负载，一般可选择通用型的，采用采用V/f控制方式的变频器。但对于动态性控制方式的变频器。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。矢量控制功能的变频器。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 二二次次方方律律负负载载是是指指转转矩矩与与速速度度的的二二次次方方成成正正比比例例变变化化的的负负载载，例例如如：风风扇扇、风风机机、泵泵、螺螺旋旋桨桨等等机机械械的的负负载载转转矩矩，机械特性和功率特性如图机械特性和功率特性如图7-12所示。所示。 a)机械特性机械特性 b)功率特性功率特性 图图7-12 二次方律负载的特性二次方律负载的特性 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的特点二二次次方方律律负负载载机机械械在在低低速速时时由由于于流流体体的的流流速速低低，所所以以负负载载转转矩矩很很小小，随随着着电电动动机机转转速速的的增增加加，流流速速增增快快，负负载载转转矩矩和和功功率率也也越越来来越越大大，负负载转矩载转矩TL和功率和功率PL可用下式表示：可用下式表示：(7-15)(7-16)式中式中T 0、P 0分别为电动机轴上的转矩损耗和功率损耗；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分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数变频器原理与应用（第2版）第7章2. 二次方律负载变频器的选择二次方律负载变频器的选择可以选用可以选用“风机、水泵用变频器风机、水泵用变频器”。这是因为：。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。为力较低。为120，1min (通用变频器为通用变频器为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。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。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，如配置了一些其他专用的控制功能，如“睡眠睡眠”与与“唤醒唤醒”功能、功能、PID调节功能。调节功能。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。轧钢机和辗压机等都是直线负载。 1. 直线律负载及其特性直线律负载及其特性 (1) 转矩特点。负载阻转矩转矩特点。负载阻转矩TL与转速与转速nL成正比：成正比： (7-17) (2) 功率特点。负载的功率功率特点。负载的功率PL与转速与转速nL的二次方成正比。的二次方成正比。 （7-18） 式中，式中， 和和 直线律负载的转矩常数和功率常数。直线律负载的转矩常数和功率常数。变频器原理与应用（第2版）第7章其机械特性曲线如图其机械特性曲线如图7-13所示。所示。 a) 辗压机示意图辗压机示意图 b) 机械特性机械特性 c) 功率特性功率特性 图图7-13 直线律负载及其特性直线律负载及其特性 变频器原理与应用（第2版）第7章 2变频器的选择变频器的选择 直线律负载的机械特性虽然也有典型意义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。同，故不作为典型负载来讨论。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。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。保持切削功率不变，属于恒功率性质。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特殊性负载机械特性和功率特性则如图7-14所示。所示。 a) 机械特性机械特性 b) 功率特性功率特性 图图7-14 混合负载的机械特性和功能特性混合负载的机械特性和功能特性 变频器原理与应用（第2版）第7章 2变频器的选择变频器的选择 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，选择化通常是很小的。就切削精度而言，选择Vf 控控制方式能够满足要求。但从节能角度看并不理想。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，已经能够矢量变频器在无反馈矢量控制方式下，已经能够在在05Hz时稳定运行，完全可以满足要求。而且时稳定运行，完全可以满足要求。而且无反馈矢量控制方式能够克服无反馈矢量控制方式能够克服Vf控制方式的缺控制方式的缺点。点。 当机床对加工精度有特殊要求时，才考虑有反馈当机床对加工精度有特殊要求时，才考虑有反馈矢量控制方式。矢量控制方式。变频器原理与应用（第2版）第7章7.4 7.4 拖动系统与传动机构拖动系统与传动机构 7.4.1 拖动系统 拖动系统的组成拖动系统的组成 图图7-15 7-15 拖动系统的组成拖动系统的组成变频器原理与应用（第2版）第7章7.4.2 7.4.2 传动传动机构的作用及系机构的作用及系统统参数参数 1.传动比传动比大多数的传动机构都具有变速的功能，如图大多数的传动机构都具有变速的功能，如图5-17所示。所示。 图图5-17 5-17 电动机与负载的联接电动机与负载的联接变速的多少由传动比来衡量变速的多少由传动比来衡量,常用常用表示：表示：(7-31)式中式中nmax电动机的最高转速；电动机的最高转速；nLmax负载的最高转速。负载的最高转速。2.拖动系统的参数折算拖动系统的参数折算TMTLnLnM1变频器原理与应用（第2版）第7章本本 章章 小小 结结 异步电动机的转速异步电动机的转速n的表达式为：的表达式为：可可见见改改变变f1即即可可实实现现电电动动机机的的速速度度调调节节。由由于于电电动动机机结结构构参参数数及及其其所所带带负负载载的的特特性性对对变变频频器器的的正正常常工工作作有有着着极极大的影响，所以应掌握以下的原理与概念：大的影响，所以应掌握以下的原理与概念： 1. 异步电动机的变频调速工作原理。异步电动机的变频调速工作原理。 2. 异步电动机的机械特性。异步电动机的机械特性。 3. 异步电动机的起动和制动方法。异步电动机的起动和制动方法。 4. 异步电动机实现变频调速的要求。异步电动机实现变频调速的要求。 5. 负载类型，恒转矩、恒功率及二次方律负载的特点和负载类型，恒转矩、恒功率及二次方律负载的特点和对应的机械特性。对应的机械特性。变频器原理与应用（第2版）第7章