变频调速对电动机转矩有什么影响

异步电动机的变压变频调速一般简称变频调速，由于调速时转差功率不变，在各种异步电动机调速方法中效率最高、性能最好，是交流调速的主要研究和发展方向。

1.变频调速的原理及机械特性

根据异步电动机转速公式，改变异步电动机定子供电电源的频率f1，可以改变同步转速n1，从而改变转速n。如果f1连续可调，则可平滑地调节转速，实现变频调速。

三相异步电动机运行时，若忽略定子阻抗压降，定子每相电压为：

式中：E1为气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势；N1为定子每相绕组串联匝数；kω1为定子基波绕组系数；Φm为每极气隙磁通。

从式（10－43）可以看出：如果只减小频率f1，而定子电压U1保持不变，则气隙每极磁通Φm将增大。这将会引起电动机铁心磁路饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。因此，在改变f1时，必须同时改变U1，已达到控制Φm的目的。对此，需要考虑基频fN（额定频率）以下的调速和基频以上的调速两种情况。

（1）基频fN以下变频调速

为了防止磁路的饱和，当f从f向下调节时，为使Φ为常数，应保持＝常数，即恒压1Nm频比控制（准确地说，只有保持＝常数，才能保持Φ不变）。这时，电动机的电磁转矩为：m

由式（10－44）可以画出基频以下，恒控制时的机械特性，如图10.3.14所示，它具有以下特点：

①同步转速n1随定子电压频率f1正比变化。

②不同频率下机械特性为一组硬度相同的平行直线。

异步电动机带负载运行时的转速降落Δn＝sn1＝，在s很小的机械特性直线段上，忽略s2（X1＋X2）2和r1s。根据式（10－44）可以导出：

图10.3.14　恒压频比控制变频调速机械特性

由式（10－45）可知：恒控制时，在同一转矩下，sf1基本相同。因此不同频率下的转速降落Δn基本不变，机械特性表现为一组硬度相同的平行直线。

③最大转矩Tmax随f1降低而减小。

将式（10－44）对s求导，并令＝0，可求出Tmax及其对应的sm。

由式（10－47）式可知：恒控制时，最大转矩T是随着f的降低而减小。因此恒压频max1比控制只适合调速范围不大、最低转速不太低或负载转矩随转速降低而减小的负载，如负载转矩随转速平方变化的风机、泵类负载。频率很低时，Tmax太小将限制电动机的带载能力，可采用定子电压补偿，适当提高U1，增强电动机的带载能力。由于＝常数，Φ＝常数，因此恒压m频比控制调速属于近似的恒转矩调速。

（2）基频fN以上调速

在基频fN以上调速时，鉴于电动机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压，电动机运行将受到绕组绝缘强度的限制，因此定子电压U1不能超过额定电压UN，最多只能保持U1＝UN。根据式（10－43），这将迫使磁通Φm与频率f1成反比地降低，即恒压变频控制方式，类似于直流电动机弱磁升速的情况。当f1＞fN时，r1比x1＋x′2小得多，忽略r1，这时，电动机的Tmax、sm为：

最大转矩时的转速降Δnm为：

其中X1＝2πf1L1，X′2＝2πf1L′2。由式（10－48）～式（10－50）可知：当U1＝UN不变，f1＞fN变频调速时，Tmax与f21成反比，sm与f1成反比，而Δnm则保持不变。即不同频率下各机械特性曲线的稳定运行区近似平行，其机械特性曲线如图10.3.15所示。由于f1升高后，Φm将减小，因此若保持定转子电流为额定值不变，电磁转矩将低于额定转矩。电动机的电磁功率PM为：

正常运行时s很小，r′2／s比r1和x1＋x′2大得多，忽略r1和x1＋x′2，PM≈。运行时若U＝U不变，则在1N不同频率下s变化不大，PM≈常数，因此在基频以上调速时可以近似认为属于恒功率调速。

2.特点和适用场合

异步电动机变频调速的优点是调速范围宽、平滑性好、效率最高、具有优良的静态及动态特性，是应用最广泛的交流调速系统。缺点是变频调速设备成本较高（尽管价格还在降）、变频调速原理较复杂等。目前实用的异步电动机变频调速系统，主要有四种控制方法：恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。这些内容将会在后续的课程中详细讲解，本课程不再作过多介绍。现在变频调速已广泛应用于冶金、采矿、化工、机械制造等很多领域。

以上介绍了三相异步电动机的各种调速方法，现将这些调速方法的调速性能进行比较列与表10.3.1中。

图10.3.15　U1＝UN升频调速机械特性

表10.3.1　异步电动机各种调速方法调速性能的比较