异步电动机的运行特点及应用

1.起动

异步电动机在工频（50Hz）下直接运转，起动电流往往为额定电流的（5～7）倍，但起动转矩并不大。大的起动电流会使电网电压下降，影响其他的电气设备的正常工作；而起动转矩小，常使带有较重负载的电动机起动不能实现。在变频传动系统中，采用低频起动可以减小起动电流，增加起动转矩，从而加快起动过程。

根据异步电动机的机械特性，在频率较高时（低于工频），电动机的起动转矩是随着频率的降低而增大的，但当频率较低时，这个规律并不存在，即起动转矩随着频率的降低而减小，为了缩短起动时间，便要选择最佳的起动频率，以使起动时转矩为最大而电流尽可能为最小。

若令式（1-9）中定子频率f₁＝a_Ff_1N

又因U₁／f₁＝const为恒值，则

U₁＝a_FU_1N

式中 U_1N——定子额定电压。

可得转矩公式另一种形式为

式中，X_N——额定频率f_1N时定转子总漏抗，X_e＝X_1N＋X_2N。

令s＝1可得起动转矩公式为

将上式对a_F求导，并令其等于零，可得到最大起动转矩时的频率比

即

图1-19 电动机加速

f_m称为最佳起动频率，对一般电动机而言，此值大致在12.5～25Hz的范围内，超过此值，起动转矩都将小于最大值。起动后逐步加速到额定转速。实际上，在闭环控制系统中，从起动到加速至额定或给定转速是自动实现的，如图1-21所示。这种系统属于恒最大转矩或恒磁通运行，能在很低的频率下带负载起动和运行（详后）。

2.升速和调速

电动机起动之后，要使电动机加速，就必须连续地提高频率，其过程如图1-19所示。例如从n₁升速到n₃，即从f₁上升到f₃，实际上是从工作点1沿箭头到2再到3，达到新的稳定运行。

但是应当注意，频率增加的速度要与电动机的实际转速相适应，如果频率改变太快，例如从f₁突变到f₃，转速因惯性未跟上，工作点将从1移到f₃特性上4点，转矩将降低到M＜M_fz（M_fz为负载转矩），电动机就会停止。

根据转矩平衡公式，设负载转矩M_fz＝0，则加速转矩M为

式中 GD²——电动机及负载（折算到电动机轴上）的总飞轮矩（N·m²）；

Δn——转速的增量（r／min）；

Δt——时间增量，即升速所需时间（s）。

故得

在闭环系统中，起动加速是自动实现的，可自动地在升速电流不超过允许值下得到最短升速时间。

实际上，通常所用加速方式有三种：(www.xing528.com)

（1）限流加速

有转矩控制功能的变频器具有快速限制电流的功能，并能用最大转矩实现尽可能短的起动时间，实现限流加速。

（2）限时加速

没有转矩控制功能的变频系统，常用阶跃式转速设定，在系统内有斜坡积分环节，使随时间线性增加，称为限时加速。

（3）S形加速

为了使加速过程和缓，可采用抑制转矩变化率的方式，叫做S形加速，可使起动初期和结束时加速度有一个渐变过程，如电梯系统。

加速到额定或给定转速后，可根据需要改变频率进行调速，在调速过程中，升速过程同图1-19。

3.恒U₁／f₁运行方式及机械特性

在变频运行时，往往要气隙磁通保持恒定，并保持为设计值，这样就可以充分利用铁心材料又不致饱和过热，从电机学得知。

E₁＝4.44K_WN₁Φf₁

故

式中 E₁、U₁——电动机定子电动势和端电压；

f₁——定子频率；

K_W——绕组系数；

N₁——绕组匝数；

Φ——磁通。

在运行时，必须保持U₁／f₁为恒值，也即U₁随f₁线性变化，才能保持气隙磁通基本不变。U／f运行方式也称恒U／f控制。

在式（1-9）中，当在稳态运行时，s很小，从而绘出U₁／f₁为恒值的机械特性，如图1-20所示。可以看出，在一定负载转矩下，改变定子频率时，转速降不变，因此不同f₁时的机械特性为一簇平行曲线，如图1-20中虚线所示。还可以看出在低频下，r₁不可忽略，因它引起励磁电流减小。磁通也会减小，最大转矩随f₁减小而减小，甚至不能带负载。所以采用此种运行方式，应设定补偿曲线，或在低频时，要采用升压措施，即在较高频率时，U₁跟f₁线性变化，而在低频区域，将U₁或U₁／f₁的比值适当提高，参考数据是15Hz增加10％，10Hz时增加20％。当f₁大于额定值f_1N时，定子电压不能再升高，即U₁＝U_1N。否则铁心将过热。

图1-20 恒U／f运行的机械特性

4.恒最大转矩M_m运行方式及机械特性

电动机传动运行时，常需要最大转矩M_m，例如起动、加减速、恒转矩负载等，常采用恒M_m运行方式，可以保证负载所需转矩。因可采用恒磁通来实现，故也称恒磁通运行。

从电机学可得到转矩表达式为

可知异步电动机变频调速运行时，当保持气隙磁通为常数，电动机转矩仅决定于转子的转差频率f₂，若使f₂恒定，就可以得到M等于一恒值的恒转矩调速；当恒转矩运行时，若使f₂接近于临界转差频率f_2m，则在整个调速范围内，转矩都为最大值M_m，此时称为恒最大转矩运行。恒转矩可用闭环控制来保证。从电机学得知，最大转矩公式为

图1-21 恒M_m电动机机械特性

可见E₁／f₁为恒值，即磁通为恒值时，M_m为恒值，故也称恒E／f运行；恒M_m运行时的电动机机械性如图1-21所示，这样在整个调整范围内，都可得到相同的最大转矩与过载能力，并可用闭环控制来实现。