三相异步电动机特性及其变频调速分析

杨雪林

（一重集团大连工程建设有限公司，辽宁大连，116600）



三相异步电动机特性及其变频调速分析

杨雪林

（一重集团大连工程建设有限公司，辽宁大连，116600）

摘要：电动机是目前应用最为广泛的电气传动装置，针对三相异步电动机，利用电工理论，深入分析了其等值电路，将转子回路折算到定子侧，形成一个完整的统一回路，在等值电路的基础上分析了各种方程式，方程式对电动机的能量传递过程有了深刻直观的体现，根据方程式绘制了工作特性曲线。各种电动机控制方法大有不同，针对三相异步鼠笼型电动机，本文分析了现代最流行的驱动系统，即变频驱动，分析了变频器应用时的相关注意事项及变频调速的优良特性。

关键词：电动机；传动；变频器；调速系统

引言

按电源性质可以把电动机分为直流电动机和交流电动机。

直流电动机按供磁方式分为励磁电动机和永磁电动机，励磁电动机有三种励磁方式，即他励、串励、复励，永磁电动机一般都是小功率的电动机[1]。交流电动机分为异步电动机和同步电动机，异步电动机按转子结构可分为鼠笼型电动机（转子）和绕线型转子电动机，异步电动机定子由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。

同步电动机有三类，具有励磁式或永磁式的普通同步电动机、无换向器同步电动机、磁阻同步电动机。交流异步电动机就是常提到的感应电动机，感应电动机除分为鼠笼感应电动机和绕线型感应电动机外，按定子电源相数又分为单相、两相（属于单相）、三相感应电动机。

1　三相感应电动机方程式

分析三相感应电动机的方程式，首先分析电动机的等值电路，如图1所示。电动机通过电磁感应的方式将电能转换为机械能，由转子的输出带动负载运转。

图1　三相感应电动机等值电路

U1、E1、E'2、I1、I'2、R1、R'2、X1、X'2、Im、Rm、Xm、S分别为定子绕组的相电压、定子绕组相电动势、转子折算到定子侧的相电动势、定子绕组相电流、转子折算到定子侧的相电流、定子绕组相电阻、转子折算到定子侧的相电阻、定子绕组相电抗、转子折算到定子侧的相电抗、励磁电流、励磁电阻、励磁电抗、转差率。三相感应电动机等值电路简化了电动机工作电路原理，优化了电磁转换抽象过程，形成一个整体的直观电工电路。利用电工理论对等值电路进行分析，电源输入三相总有功功率[3-4]:

cosφ1为电源功率因数，定子三相铜耗:

消耗于电动机铁芯中三相铁耗:

因为有功功率只消耗在电阻上，整个电路只有定子回路电阻、励磁电阻、转子回路电阻，电源输入的有功功率扣除定子铜耗、铁芯中铁耗就得到折算后的转子回路电阻上的总有功功率，即电磁功率:

cosφ2是转子回路功率因数，转子折算到定子侧转子三相铜耗:

电磁功率减去定子侧转子三相铜耗就得到可以利用的总机械功率:

总机械功率公式通过变形转换可以表示为:

（功率为转矩N.m与机械角速度rad/s之积），转子机械角速度:

等效转子电角速度此处定义为:

p电动机机对数，f是电源频率。电动机的损耗还包括轴承、风扇等运转时产生的摩擦损耗（机械损耗），定转子磁动势中含有高次谐波磁动势，这部分磁动势将产生损耗（附加损耗），电动机轴输出功率:

将以上所有分析归纳起来:

通过该公式可以清楚的看到电动机输出功率与其它各种损耗之间的关系。以上主要针对电动机各种功率进行了分析，接下来对电动机的转矩进行分析，电磁转矩:

即电磁转矩为空载转矩与输出转矩之和，电磁转矩也可表示为:

为电源电磁（同步）机械角速度，n1为电源电磁转速（同步转速），CT感应电动机的转矩常数，Φm电动机的主磁通幅值。由于感应电动机的励磁阻抗很大，就可以忽略励磁回路，那么电磁转矩表达式可进一步表示为:

由等值电路图得到定子绕组电流相量表达式为:

通过推导可得电动机转子电流频率:

通过以上分析，电动机几乎所有的计算都基于这些方程式，为做进一步分析及电动机控制选型等奠定了坚实基础。比如运用这些方程式可以分析电动机的各种特性曲线。

2　三相感应电动机特性

三相感应电动机的工作特性主要指各种参数与输出功率的关系，特别重要的有电源侧功率因数、转子转速（转差率）、效率、电磁转矩、电源侧电流等，如图2所示。

图2　三相感应电动机特性

转子转速与转差率:

电动机启动后，空载时，转子没有输出，此时可以近似认为转子没有电流，即PCu2为零，转差率为零，转子转速近似等于同步转速；当有负载后，负载逐渐变大，输出功率逐渐变大，转子电流逐渐变大，此时转差率也会逐渐变大，就导致转子转速比空载时的转速略下滑。

定子电流表达式在上节已进行了分析，表达式为一个相量表达式，空载时转子电流为零，随负载逐渐变大，转子电流逐渐变大就致使定子电流也会逐渐变大。

当负载逐渐变大时，转子电流的有功分量逐渐变大，定子电流的有功分量随之也会逐渐变大，这就使得定子功率因数逐渐变大，当接近额定负载时，定子侧功率因数能达到最大，如果负载继续变大，转子电流中的无功分量会反而变大，反而导致定子侧功率因数变小。

电磁转矩为空载转矩与输出转矩之和，随负载逐渐变大，输出转矩必定逐渐变大，而空载转矩几乎不变，那么电磁转矩就会随负载变大而变大。

在空载到满载过程中，电动机的铁损及机械损耗变化很小，定义为不变损耗，定子铜耗及转子铜耗和附加损耗是随负载变化而变化的，定义为可变损耗，通过数学运算，利用导数求取最值的方法，得到不变损耗与可变损耗相等时，效率达到最大，当继续加大负载，效率反而会随负载变大而变小，效率曲线近似为开口向下的凸曲线。

3　三相交流电动机调速

交流异步电动机的转速公式:

交流同步电动机转速公式:

按调速方法可分为变频、变转差率、变极对数。按调速效率可分为高效、低效率。按调速平滑性可分为有级、无级。按调速装置所在位置可分为定子侧、转子侧、转子轴上。按使用的电动机分异步电动机，即鼠笼型及绕线转子型、同步电动机。常用的有级调速有变极对数调速，高效，定子侧，异步电动机；转子串电阻调转差率，低效，转子侧，绕线转子异步电动机。无级调速可以分为三大类，第一类定子侧，定子侧调压，变转差率，低效，异步电动机，定子侧变频，变电源频率，高效，异步电动机或同步电动机。第二类转子侧，转子侧串级向下调速，变转差率，高效，绕线转子异步电动机，转子侧双馈上下调速，调转差率，高效，绕线转子异步电动机。第三类转子轴上，液力耦合器，调转差率，低效，异步电动机或同步电动机，电磁转差离合器，调转差率，低效，异步电动机或同步电动机。

4　三相交流异步电动机变频调速

目前，国内对鼠笼异步电动机调速用得最多的是变频调速方法，变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变转子转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

要进行变频调速的鼠笼异步电动机需要专用的变频电机，变频电机是可以根据工作需要，通过改变电机的的频率来达到所要的转速要求，增加了强冷风扇，用来保证电机在低转速下的冷却，变频电机从电磁和结构设计上讲与普通电机有不同之处，更能适应电源频率的变化，专门制作的变频电机，其作用实际上可理解为电抗器加普通电机。另外，由PWM变频器产生的矩形斩波冲击电压叠加在电动机运行电压上，会对电动机对地绝缘构成威胁，对地绝缘在高压的反复冲击下会加速老化等。

变频器的输入端最好只接断路器，如果接接触器，也是拿它当上电开关用，不能当起停电机的控制用，控制电机的启动停止，采用对变频器的控制，决不要采用切断与接通变频器的输入电源的控制方法，变频器输入端每次上电都是对器件的损伤。如果电源侧加接触器，其使用目的是，电源一旦断电，自动将变频器与电源脱开，以免在外部端子控制状态下重新供电时变频器自行工作，以保护设备的安全及人身安全，在变频器内部保护功能起作用时，通过接触器使变频器与电源脱开。输入端加接触器，只要不频繁的通断对变频器威胁不大。

如果是一拖一情况下是没有必要加输出接触器的，且加了没有好处，在变频器和电机是一拖二方案时，一用一备情况下是需要加接触器来转换工作电机的，在做控制时，需要先让输出接触器动作吸合，使用接触器的常开触点作为变频器运行的条件之一。输出端加接触器，输出端接触器在断开时将有过电压（电机感性负载）作用在功率组件上，变频器虽然有吸收回路防止过电压，造成故障不是必然的，但应避免。所以不加是最好的，就算要加，也要在变频器停止输出后才能断开，还要做连锁防止变频器有输出时接通，否则大电流将烧坏IGBT。

在变频器整流的过程中，产生大量的高次谐波，据滤波节能的不完全统计，最高的电流畸变率，可以达到70％以上，这些高次谐波，会通过与变频器输入端连接的电源线，进入到电网中，进而会影响到使用这一电网的敏感设备的正常工作，变频器输入滤波器，就是为了解决变频器干扰电网的问题，同时，亦能解决变频器遭受电网中的谐波危害所产生的过压、欠压、过载、过流、等误报警、误动作、拒动等问题，当然，变频器输入滤波器的功能，还不止这些。变频器输出滤波器，就是安装在变频器输出端，用以抑制变频器逆变过程中产生的谐波，防止其顺着变频器输出端与电机之间的连线进入电机，进而避免电机因遭受变频器输出端的谐波所引发的过热、噪音过大、震动剧烈、绝缘快速老化等问题。

变频器专用滤波器的主要构件包括：滤波电容、滤波电感和电阻，而电抗器的主要构件只有一个，那就是电感；变频器专用滤波器，分为变频器输入滤波器和变频器输出滤波器两种；电抗器，亦有两种，一种是变频器输入电抗器，一种是变频器输出电抗器。变频器输入滤波器，取代变频器输入电抗器，基本没有任何问题，因为输入滤波器具有输入电抗器的功能。但是，变频器输出滤波器，要想取代变频器输出电抗器，却有一个难以逾越的鸿沟，虽然变频器输出滤波器的滤波能力远大于变频器输出电抗器；然而变频器输出电抗器时，因其电感量比较大，可以更好的改善变频器输出线路上的分布电容，延长变频器和电机之间的距离，这也是为什么长距离传输的时候，用变频器输出滤波器和变频器输出电抗器进行配合的根本原因。一般情况下，在变频器输入端，选用的是变频器输入滤波器，而非变频器输入电抗器，考虑到成本问题，选用输入电抗器也是可以的，在变频器输出端，一般选用的是变频器输出滤波器，如果是在长距离传输的情况下（变频器和电机之间的距离一般大于100米以上时），将变频器输出滤波器和变频器输出电抗器配合使用，一方面可以抑制变频器输出端的高频谐波；另一方面可以改善传输线路上的分布电容，有效延长变频器和电机之间的距离。在工程实际中，为了节约成本，多数时候会考虑输入输出电抗器。

5　结论

电动机种类繁多，各种电动机的特性也不一样，针对实际运用的电机，需要分析它的工作特性，更好的了解它的本质，才能运用现代先进的控制方法。鼠笼式交流异步电动机在工业生产中运用较多，分析它的特性显得尤为重要。针对鼠笼式交流异步电动机，现在国内外运用得最多的调速方法就是变频控制，变频控制从启动到调速乃至停车都有完美的设计，是运用最为广泛的调速方案。

参考文献

[1]天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2]王斯然.异步电机高性能变频器若干关键技术的研究[D].浙江大学,2011.

[3]丁辉,胡协和.交流异步电动机调速系统控制策略综述[J].浙江大学学报,2011.

[4]赵博研.异步电动机变频调速系统的研究[D].哈尔滨工程大学,2009.

杨雪林(1981-)，男，工程师，2008年毕业于东北大学，控制理论与控制工程专业，硕士研究生学历，现主要从事电气供配电系统、电气自动化控制系统设计与研究等。

E-mail:503229412@qq.com

Characteristics of Three Phase Asynchronous Motor and Analysis of Variable Frequency Speed Regulation

Xuelin Yang
(A Group of Dalian Engineering Construction Co.Ltd.,Dalian,Liaoning,116600,China)

Abstract:The motor is currently used the most extensive electrical transmission device,the three-phase asynchronous motor,using electrical theory,in-depth analyzes its equivalent circuit,the rotor circuit,referred to the stator side,forming a complete unity circuit,analyzes the various equations based on equivalent circuit,motor energy transfer process is embodied by the equation,mapped the working characteristic curve according to the equation.All motor control method is different,for three phase asynchronous cage motor,this paper analyzes the modern most popular drive system,variable frequency drive,analyzes the excellent characteristics and attention of frequency converter application.

Key words:Motor;drive;Frequency converter;Speed regulation system

作者简介：

DOI:工业技术创新 URL:http//www.china-iti.com10.14103/j.issn.2095-8412.2016.01.016

中图分类号：TP

文献标识码：A

文章编号：2095-8412(2016)01-644-05