笼型异步电机变压变频调速解析

笼型异步电动机变压变频调速系统的研究随着电力电子技术的发展, 交流电机的变频调速已逐步取代了传统的变极调速、电磁调速和调压调速系统, 被广泛应用于矿产、钢铁、运输、纺织及空调家电等领域, 其控制性能及经济性能都已接近或超过直流电机调速系统.变频调速的目的主要是节能调速和工艺调速. 节能调速用于具有平方转矩负载特性的风机、泵类机构的转速控制, 其变频调速控制方式比传统的用风门或阀门调节方式节约能量30%～40 %. 工艺调速是根据生产工艺要求进行调速, 它能够实现电机软起动, 减少对电网的冲击; 能提高系统控制精度和生产效率; 可扩大调速范围, 提高电机的转速和电压.变频调速系统是通过改变定子供电频率来调节交流异步电机转速的。

为了使得电机具有良好的运行特性，在变频的同时必须改变定子的供电电压，即给电机供电的变频器必须兼有调压调频两个功能，以保证V/F= 常数，这就是所谓的变压变频调速。

按变频器结构可以分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类；按滤波方式不同又可分为电压源型和电流源型。

直流电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。

因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。

好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。

为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。

如果要求更高一些的调速范围和起制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。

一、转速开环恒压频比控制调速系统1、概述现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件IGBT 或功率模块IPM 组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5~500kV·A 中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。

2020年第5期第55卷（总第216期）(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE)笼型三相异步电动机的起动和调速解析张志伟'，晁爱民2,陈金刚'(1德州恒力电机有限责任公司，山东德州2530052海装驻青岛地区第一军事代表室，山东青岛266001)摘要讲述笼型三相异步电动机起动和调速的主要方式，分别对单速和多速电动机的全压直接起动和单速大功率电机的调压调频起动阐述分析,并对起动和调速过程中常出现的问题进行剖析，提出解决措施。

关键词笼型三相异步电动机;直接起动;降压起动;起动电流;起动转矩;变频起动;变极调速DOI：10.3969/J.ISSN.1008-7281.2020.05.19中图分类号:TM343+.2文献标识码：A文章编号：1008-7281(2020)05-()060-005Analyses on Starting and Speed Regulation of Squirrel-CageThree-Phase Induction MotorsZhang Zhiwei and Chao ai'min,Chen Jingang(1.Dezhou Hengli Electrical Machinery Co.,Ltd.,Dezhou253005,China；2.The first mil­itary representative oflice of Haichuang in Qingdao)Abstract This paper chiefly describes the main starting and speed control methods of squirrel-cage three-phase induction motor,respectively expounds and analyzes the full-voltage direct starting of single-speed and multi-speed motors and the adjustable-voltage adjustable-fre­quency starting of single-speed high-power motor,analyzes the problems that often appear in starting and adjustable-speed processes,and proposes the solutions.Key words Squirrel-cage three-phase induction motor；direct starting；reduced-voltage starting；starting current；starting torque；variable・frequency starting；variable-pole speed regula­tion0引言笼型三相异步电动机广泛应用在水泵、鼓风机、运输机械、农业机械、矿山机械等对转差率及其他性能无特殊要求的机械设备上。

(EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE)2018年第5期第53卷（总第2〇4« )笼型三相异步电动机变极调速和变频调速解析陈金刚，黄莉明，张红枝(德州恒力电机有限责任公司，山东德州253005)摘要主要讲述笼型三相异步电动机变极调速和变频调速的特性。

重点对变极调速电机 恒功率和恒转矩调速的接法和特性，变频调速电机设计特点,基频以下和基频以上调速时对应的 恒转矩和恒功率调速特性进行阐述和分析，从而指出两种调速电机的特点和发展趋势。

关键词变极调速;变频调速;恒转矩;恒功率;变频器;功率密度;无级调速DOI：10.3969/J.ISSN.1008-7281.2018.05.11中图分类号:T M344.6文献标识码:B文章编号= 1008-7281 (2018)054037^003Analysis on Variable-Pole and Variable-Frequency Speed Controlsfor Squirrel-Cage Three-Phase Induction MotorsChen Jingang，Huang Liming,and Zhang Hongzhi(Dezhou Hengli Electrical Machinery Co.，Ltd.，Dezhou 253005，China) Abstract This paper mainly describes the characteristics of variable-pole and variable- frequency speed controls for squirrel-cage three-phase induction motor, emphasizes the connec- tion and characteristics of speed control of the motor at constant power and constant torque, gives the design features of the motor, and describes and analyzes the constant-torque and con­stant-power characteristics of speed control below and above fundamental frequency- Thus, the characteristics and development trend of the two kinds of speed control motors are pointed out.Key words Variable-pole speed control；variable-frequency speed control； constant torque; c onstant power frequency converter; power density; stepless speed regulation〇引言笼型调速电动机目前主要有两种调速方式:变极调速和变频调速。

异步电机变频调速原理
异步电机变频调速原理是通过变频器控制电机的供电频率和电压来实现调速的方法。

变频器将直流电源转换为可调频、可调幅的交流电源，通过改变输出电压的频率和幅值，控制电机的转速和负载。

变频器的工作原理如下：
1. 电源输入：将交流电源输入到变频器的整流电路中，经过整流、滤波等处理，将交流电源转换为稳定的直流电源。

2. 逆变输出：经过变频器的逆变电路将直流电压转换为交流电压，调节输出电压的频率和幅值，并将其送到电机绕组中。

3. 控制逻辑：变频器内部有控制逻辑电路，根据用户设定的转速需求和反馈信号，通过运算、控制算法等实现电机的闭环调速控制。

4. 异步电机控制：变频器控制电机的供电频率和电压，通过改变频率，可实现电机的转速调节；通过改变电压，可实现电机的负载调节。

调速原理是根据电机的转速和负载需求，将变频器的工作状态（输出频率和幅值）调整到合适的值，以实现电机的稳定运行和高效工作。

同时，变频器还能实现多种保护功能，如过流保护、过载保护、温度保护等，保证电机的安全运行。

异步电动机变频调速控制线路解析
变频调速的功能是将电网电压提供的恒压恒频交流电变换为变压变频的交流电，它是通过平滑改变异步电动机的供电频率f来调节异步电动机的同步转速n0。

从而实现异步电动机的无级调速。

这种调速方法由于调节同步转速n0，故可以由高速到低速保持有限的转差率，效率高、调速范围大，精度高，是交流变频电机一种比较理想的调速方法。

由于电动机每极气隙主磁通￠m要受到电源频率f的影响，所以实际调速控制方式中要保持定子电压U1与其频率f为常数这一基本原则。

由于变频调速技术日趋成熟，故把实现交流电动机调速装置做成产品即变频器。

按变频器的变频原理可分为：交—交变频器和交—直—交变频器。

随着现代通信载波技术及电力电子技术的发展，PMW（输出电压调宽不调幅）变频器已成为当今变频器的主流。

交—交变频器和交—直—交变频器的结构如图1所示。

交—交变频器也称直接变频器，它没有明显的中间滤波环节，电网交流电被直接变成可调频调压的交流电。

交—直—交变频器也称间接变频器，它先将电网交流电转换为直流电，经过中间滤波环节之后，再进行逆变才能转换为变频变压的交流电。

三相笼型异步电动机的调速方法
三相笼型异步电动机的调速方法主要有以下几种：
1. 变频调速：通过改变电源频率来控制电动机的转速。

通过变频器将电源频率转换为可调的高频输出，控制电机的速度。

2. 软起动调速：通过在电动机起动过程中逐步增加电源电压，使电机实现平稳启动和调速。

3. 电阻调速：在电动机的转子电路中串入可调的电阻，改变转子电阻来控制电机的转速。

4. 转子电流分解调速：通过将电动机转子电流分解成主磁通分量和励磁分量，通过调节励磁分量来控制电机的转速。

5. 增加机械负载：通过增加机械负载来降低电动机的转速。

以上是常见的几种三相笼型异步电动机的调速方法，具体选择哪种方法需要根据实际需要和具体情况进行判断和选择。

第5章 鼠笼型异步电动机变频调速原理应交流电动机无级调速的需要诞生了变频技术，交-直-交（AC-DC-AC ）变频电路是一种应用最广和最具有发展前景的交流调速方法。

例如，在煤矿井下使用的交流电牵引采煤机的牵引系统、交流运煤车的牵引系统等，都采用变频调速控制。

到目前为止，变频电路应用的电力电子器件有D （电力二极管）、SCR （晶闸管）、GTO （门极可关断晶闸管）、GTR （电力晶体管）、IGBT （绝缘栅双极型晶体管）和智能模块IPM （Intelligent Power Module ）等，而IGBT 应用的最多。

IGBT 的工作频率可在10kH Z ~20kH Z 之间，与GTR （工作频为2kH Z 以下）相比，工作频率高出一个数量极，IGBT 的电流浪涌耐量、导通电流密度、栅极驱动功耗等各相指标均已超过GTR 。

新一代的变频器上，其逆变电路部分基本上由IGBT 所占据。

整流部分有采用D ，SCR 或IGBT 的。

IGBT 在低压变频器中，380V 级，可达540kVA ；600V 级，达700kVA ，最高输出频率可达400H Z ~650H Z ，能对中频电动机进行调频控制；3kV/6.3kV ，最大容量可达7000kVA 。

IPM 智能功率模块，是以IGBT 为开关器件，同时含有驱动电路和保护电路的一种功率集成器件，其上的保护功能有过电流、欠电压、过电压和过热等，还可以实现再生制动。

5.1 变频调速的基本概念1. VVVF 控制从变频器控制方式的发展来看，经历了3代的研发过程。

VVVF 控制是第1代变频器，采用恒压频比11/U f 的控制方式。

由异步电动机转速方程()1601f n s p=-（n 电动机轴输出的转速；s 为转差率；1f 为电源的频率；p 是电机的磁极对数）可以看出，改变电源的频率1f 就可调节异步电机的转速。

但是，由三相异步电动机定子每相电压方程的有效值111114.44N m U E f N k φ≈=（1U 为定子每相绕组相电压；1E 为气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值；1N 定子每相绕组串联匝数；1N k 基波绕组系数；m φ为每极气隙磁通）看出，在1U ，1N ，1N k 确定的条件下，调节1f 时磁通m φ发生变化，当1f ↑（增加）→m φ↓（减小）→电磁转矩T ↓→电机拖动负载的能力减弱；当1f ↓→m φ↑→虽然电磁转矩T 有所增大，但铁芯饱和→励磁电流↑→电机过热，严重时会烧坏电机，这是不允许的。