4.1 异步电机变压变频一般问题

根据电机学异步电机工作原理可知转子旋转速度 n _r 、同步磁场旋转速度 n _s 、转（速）差Δ n 存在如下关系：

从式（4-1）可见，在转差不变情况，可以借助定子供电频率 f _s 的调节，实现转子速度的控制，以达到变频调速目的。异步电机中气隙感应电动势与气隙磁通之间的关系如下：

电机产生的电磁转矩与气隙磁通、转子电流关系如下：

式中，cos φ _r = 为转子侧功率因数； C _t 为电磁转矩系数

根据式（4-3）可见，在一定的转速及定子供电频率情况下，电机能产生的最大电磁转矩与转子绕组电流幅值、气隙磁通幅值均有关系。从电机产生最大负载能力角度，希望电机的气隙磁通幅值最大。正常电机本体在设计时，考虑到负载能力，将磁路额定工作点设计在铁磁材料B-H曲线的接近饱和弯曲点，从降低电机无功电流角度，希望电机在工作过程中气隙磁通幅值最大不超过额定值 ϕ _gN 。若实际气隙磁通超出该额定值，定子绕组将会流过较大的励磁电流，导致电机发热严重，同时也严重降低了电机工作效率。

为此，从避免电机过分发热，且又能尽可能发挥电机负载能力角度，希望在调速过程中把气隙磁通控制为额定值 ϕ _gN 不变。

从式（4-2）可见：

若希望气隙磁通控制为额定值 ϕ _gN 不变，则

从式（4-5）可见，在变频调速过程中，气隙感应电动势 E _g 必须随频率 f _s 按式（4-5）成正比例变化，才能维持气隙磁通为额定值不变。

根据图3-1可见，气隙感应电动势无法直接测量及直接控制，但定子端电压可以直接测量及直接控制。根据图3-1定子回路电压平衡方程如下：

若定子侧阻抗压降 相对于气隙感应电动势 幅值较小情况下（例如电机转速较高运行时定子电压和频率均较大），则式（4-6）近似如下：

这样，

所以，定子侧阻抗压降 相对于气隙感应电动势 幅值较小情况下，可以按照式（4-8）控制定子电压和频率之间的比值近似达到气隙磁通额定值控制之目的。利用变频方式调节电机的转速过程中，定子电压必须配合频率变化，这便是“变压变频调速”思想。

进一步研究，若采用式（4-5）和式（4-8）分别控制气隙磁通，电机对应的相量图分别如图4-1a、b所示，由此可见按照式（4-8）控制得到的气隙磁链低于按照式（4-5）控制的气隙磁链。并且随着转速的降低，气隙感应电动势 幅值也随之降低，按式（4-8）控制所获得的气隙磁通更低，严重降低了电机的负载能力。

为了避免气隙磁场的弱磁现象，需要在式（4-8）控制定子电压的基础上补偿定子阻抗的压降。根据式（4-6）相量形式的定子电压平衡方程式近似可以求得经过定子阻抗压降补偿后的定子电压如下：

在电机带额定负载、维持气隙磁通为额定值控制过程中，随着定子频率升高到额定值 f _sN ，定子端电压也升高到额定值 U _sN ；若此后，在气隙磁通仍然维持额定值不变情况下需要进一步升高转速，定子频率就会超出额定值，定子电压势必会超出额定值。这种定子电压试图超出额定电压值的需求对实际电机驱动系统而言是不切合实际的：①电机在设计时考虑到额定运行需要及绕组绝缘等因素，长期运行定子电压最大限定在额定值；②一般的变压变频交流电由电力电子变换器产生，其前端交流或直流供电电压最大值受限，也不可能产生超出电机额定电压的交流电。综上分析，当定子频率超出额定值后，定子电压最大为额定值，根据（4-4）可见随着定子频率的继续升高，气隙磁通必然要求随定子频率的升高成反比例的减小。

综合电机运行的定子频率变化范围，以额定频率 f _sN 为分界点：① f _s < f _sN 时，电机气隙磁通希望控制为额定值，根据式（4-3）在转子绕组流过额定电流情况下，电机的电磁转矩基本不变，由此称该频率区域为恒转矩调速区；② f _s > f _sN 时，电机气隙磁通随频率升高近似成反比例减小，根据式（4-3）在转子绕组流过额定电流情况下，电机的电磁转矩也随频率升高近似成反比例减小，从而电机的输出机械功率近似恒定，由此称该频率区域为恒功率调速区，也称为弱磁升速区。根据上述分析，可以画出变压变频调速过程中气隙磁通、定子电压、转矩及输出功率随频率变化特性如图4-2所示。