6ES7212-1BB23-0XB8产品齐全

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1、概述

中国北方的冬季供暖工程既是党和的民心工程，又是能源消耗大户。开发节能，使用节能采暖和供暖设备可以在满足供暖需求的同时，降低能量消耗。

 北方目前规划和在建的节能住宅节能率在65％左右，节能住宅中采用加厚外墙保温、中空双玻璃外窗、屋面保温等方式后，避免了住宅的外墙热损失、门窗热损失、屋热损失等，也提高了居住的舒适度。由于属于建筑范畴，本文不做详细讨论。

采暖系统担负着热量产生、热量供应和热量调节的功能，合理的采用节能技术能够减少能源消耗。

2、采暖系统构成

典型的立采暖系统由热源（如电锅炉、燃气锅炉等）、循环系统、系统构成。

目前许多地区实行分段电价政策，低谷电时段（晚上11点到早上7点）电价是其它时段的一半。随着峰谷电价分计政策的实行，采用电锅炉做热源，配置蓄热水箱，利用低谷电蓄热的采暖系统可以大幅度降低运行费用。

电锅炉蓄热采暖系统由电锅炉、蓄热水箱、热交换器、蓄热循环泵、供热循环泵、软水器、泵、温度调节阀、控制系统等构成。见图一。

**供水经过软水器处理后注入蓄热水箱。为了节省投资，采暖系统中采暖水的由蓄热水箱提供。蓄热时段蓄热循环泵、电锅炉和电动阀V2开启，同时电动三通调节阀V1工作，供热循环泵运行，在蓄热的同时为采暖系统提供热源。供热时段（非蓄热时段）除电锅炉和电动阀V2停止工作外，其它设备运行，由蓄热水箱储存的热能给系统供暖。

3、工作流程

使用时，根据用户要求设定蓄热时段、供热时段、蓄热温度、电锅炉出水温度、供水压力、循环加压泵蓄热时工作频率等参数。

到达蓄热时段时，电动阀开启，蓄热水箱到高水位时电动阀关闭。循环加压泵按设定的频率运行，30秒之后电锅炉运行，开始蓄热。当蓄热水箱的温度达到设定温度或蓄热时段结束，电锅炉停止工作，60秒之后循环加压泵停止运行。如果在蓄热时段且蓄热水箱温度设定温度5℃，循环加压泵再次投入运行，30秒之后电锅炉开始工作。

到达供水时段时，供水电动阀开启，蓄热电动阀关闭，电锅炉不工作，循环加压泵变频调速恒压供水。供水时段电动阀一直关闭，不进行操作，以免向用户供应冷水。如果供水时段结束或蓄热水箱的水位低水位60秒，循环加压泵停止工作。

控制系统可以选择手动工作。开启供水电动阀，关闭蓄热电动阀，启动循环加压泵以变频调速恒压方式供水，约30秒之后启动电锅炉，这样以方式向用户供水。供水结束时，先停止循环加压泵，60秒之后停止电锅炉。

水泥作为建材行业的一个主要组成部分，其自动化与节能要求越来越高。而施耐德变频器在很多水泥厂中得到应用，可以充分满足其节能与自动化应用的要求。

一个典型的是水泥生产线有如下几个部分组成：

原料粉磨控制站

该控制站完成从石灰石进厂，石灰石预均化，原料调配，原料粉磨及生料入库输送所有设备的控制。

煤粉制备控制站

该控制站完成从辅助原料进厂，辅助原料堆场，煤粉制备，煤破碎及输送和生产循环水泵站的控制。

窑尾控制站

该控制站完成烧成窑尾，生料入库系统，空压机站，烧成窑中，废气处理等。

烧成窑头控制站

该控制站完成烧成窑头，孰料库及水泥熟料输送等。

水泥磨控制站

该控制站完成水泥粉磨，水泥调配站，水泥库，石膏破碎及输送，水泥包装及散装，水泥磨空压机的控制。

施耐德变频器可以应在其中很多环节，其主要作用为调速和节能。可以说凡是需要调速的地方都可以用到它。同时在风机水泵系统中，它不但起到调节风量和水压的作用，它还起到了节能的作用，其节能效果**，大节能可达30~40%。

施耐德ATV系列变频器，采用磁通矢量控制方式，内建电机模型，为电机提供的速度控制和转矩控制，完整多样的电机保护和变频器保护，适用于各种工况。

变频器内置多种应用红，可根据应用要求灵活编程。其设置简单，使用方便。一般根据应用只需设置电机参数和加减速时间就可以满足应用。

其具体主要应用有板喂机，选粉机，风机，水泵等。

1）板喂机应用    

用于调节石灰石与煤等原料喂料快慢，，有可能带料启动，设定时需将频率环增益设的大些。

2）选粉机应用    

用于煤粉和原料粉末的选送，需要将启动时间，减速时间设的长些；有时会在某频率产生共振导致电机电流速度不稳，需要设定跳频，将该频率跨过。

3）风机应用      

是一种平方转矩负载，需要将启动时间，减速时间设的长些。

4）水泵应用      

是一种平方转矩负载，需要将启动时间，减速时间设的长些。有时水泵厂家配的电机不是变频电机，电机为自带风叶冷却方式，需设定电机转速，一般为额定转速的20%。

1、交流调速系统概述

1.1 交流调速系统的特点
对于可调速的电力拖动系统，工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的，所谓交流调速系统，就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置，并对其进行控制以产生所需要的转速。
纵观电力拖动的发展过程，交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。在过去很长一段时期，由于直流电动机的优良调速性能，在可逆、可调速与、宽调速范围的电力拖动技术领域中，几乎都是采用直流调速系统。然而由于直流电动机其械式换向器这一致命的弱点，致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制，其自身结构也约束了单台电机的转速，功率上限，从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造，坚固，运行，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。
随着电力电子器件，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功速传动系统，从一般要求的小范围调速传动到、快响应、大范围的调速传动，从单机传动到多机协调运转，已几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明，它可以和直流传动相、相抗衡，并有取代的趋势。

1.2 交流调速常用的调速方案及其性能比较
由电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：

n= 60ƒ1 (1-s) (1-1)
 pn 

式中 Pn——电动机定子绕阻的磁对数；
 f1——电动机定子电压供电频率；
 s ——电动机的转差率。
从式（1-1）中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。


（1）改变电动机的磁对数
由异步电动机的同步转速

no= 60ƒ1
 pn

可知，在供电电源频率f1不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁对数Pn，即可改变异步电动机的同步转速n0，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁对数。采用这种控制方式，电动机转速的变化是有级的，不是连续的，一般多只有三档，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。
（2）变频调速
 从式（1—1）中可以看出，当异步电动机的磁对数Pn一定，转差率s—定时，改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的，电动机转速n基本上与电源的频率f1成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频f=50Hz以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动能交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩。所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。
（3）变转差率调速
改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。
定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。
电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁的速度调节。这种系统一般也采用转速闭环控制。
绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。
绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef，只要改变这个附加的，同电动机转子电压同频率的反向电势Ef，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。Ef越大，电动机转速越低。
 上述这些调速的共同特点是调程中没有改变电动机的同步转速n0，所以低速时，转差率s较大。
 在交流异步电动机中，从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分：一部分P2=（1—s）PM是拖动负载的有效功率，另一部分是转差功率PS=sPM，与转差率s成正比，它的去向是调速系统效低的标志。就转差功率的去向而言，交流异步电动机调速系统可以分为三种：
1）转差功率消耗型
 这种调速系统全部转差功率都被消耗掉，用增加转差功率的消耗来换取转速的降低，转差率s增大，转差功率PS=sPM增大，以发热形式消耗在转子电路里，使得系统效率也随之降低。定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类，这类调速系统存在着调速范围愈宽，转差功率PS愈大，系统效率愈低的问题，故不值得提倡。
2）转差功率回馈型
 这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用，转速越低回馈的功率越多，但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步电动机转子串级调速即属于这一类，它将转差功率通过整流和逆变作用，经变压器回馈到交流电网，但没有以发热形式消耗能量，即使在低速时，串级调速系统的效率也是很高的。
3）转差功率不变型
 这种调速系统中，转差功率仍旧消耗在转子里，但不论转速高低，转差功率基本不变。如变对数调速，变频调速即属于这一类，由于在调程中改变同步转速n0，转差率s是一定的，故系统效率不会因调速而降低。在改变n0的两种调速方案中，又因变对数调速为有调速，且数很有限，调速范围窄，所以，目前在交流调速方案中，变频调速是理想，有前途的交流调速方案。

1.3 变流调速系统的发展趋势
 近十几年来，随着现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中相继了重大进展，使得交流调速技术有了很大发展。今后的交流调速技术将在以下几个方面得到进一步的发展。
（1）交流调速系统的化
 交流电动机是个多变量、强耦合、非线性被控对象，仅用电压/频率（V/f）恒定控制，不能满足对调速系统的要求。今后的产品将普遍采用矢量控制技术，提高调速性能，达到和过直流调速水平。
 矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术，它的想法是设法摸拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。调速的关键问题是转矩控制问题，直流电动机调速性能好的根本原因就在于它的转矩控制容易，而交流电动机的转矩则难于控制。为使交流电动机得到和直流电动机一样的控制性能，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变，而控制转矩电流分量，它就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态特性。
 矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了**的改善，这无疑是交流传动控制理论上一个质的飞跃。但是经典的矢量控制方法比较复杂，它要进行坐标变换，且需测算出转子磁链的大小和方向，比较麻烦，且其精度受转子参数变化的影响很大。近年来又出现了一种对交流电动机实现直接转矩控制的新方法，它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算工作量，而直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，通过转矩的砰砰控制，使转矩响应时间控制在一拍以内，且无调，控制性能比矢量控制还好。此法虽尚未形成商品化的产品，但却是很有发展前景的一种新的控制原理。交流电动机调速控制理论，从V/f恒定控制法到矢量控制法是一个飞跃，从矢量控制法到直接转矩控制法将是二个飞跃。 
（2）全控型大功率新型电力器件
 交流电动机调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的，50年代世界上出现了电力半导体器件的晶闸管，为交流电动机调速技术的发展开辟了道路。但是作为代电力半导体器件的晶闸管没有自关断能力，需要利用电源或负载的外界条件来实现换相，因此用晶闸管来实现的交—直—交变频装置的的逆变器，配以大功率的强迫换相线路才能实现的逆变。所以，人们一直在致力于研制出一种大功率，正反间均可用较小的功率进行导通与关断控制的全控型器件，以便用较简单的手段即可实现复杂的逆变工作。经过10年左右的研制，场效应晶体管（MOSFET），巨型晶体管（GTR）及门关断（GTO）晶闸管等全控型器件问世，并在实际应用中了理想效果。从半控型器件向全控型器件的过渡标志着变频装置进入了可以与直流调速装置在性能/价格比上相比美，这是交流调速技术产生飞跃的又一个重要的突破。
 目前，全控型电力电子器件正沿着大电流、高电压、快通断、低损耗、易触发、好保护、小体积、集成化等方向继续发展，又出现了绝缘门双晶体管（IGBT）和绝缘栅门关断（IGTO）晶体管等，即具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工作频、器件容量大及热稳定性好的特点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。这类器件是90年代变频装置的主流。电力电子器件发展的进一步的目标将是把控制、触发、保护等功能再集成化进来，从而形成电力电子与微电子技术相结合的产物，构成新一代的功率集成器件（PIC）。它将为新一代高、小型化、电机与电控装置可能合而为一的未来型交流电动机调速系统提供新的发展基础。
（3）脉宽调制技术
 在交流电动机的调程中，通常要求调频和调压同时进行，早期调压多用相控技术，用相控方式生成的变频电压电源含有大量的谐波分量，功率因数低，动态响应慢，线路复杂，无法满足调速系统的要求。近年在广泛采用自关断元器件的情况下，逆变器普遍采用了脉宽调制技术，成功地解决了电源侧功率因数低的问题，同时也减少了谐波分量对电网的影响。为了限制开关损耗，脉宽调制的频率通常选在300~1000Hz左右，但这个频率正好在人耳的敏感区，所以电机运行时的噪声是一个新问题。为解决这个问题现在有几种不同的发展趋势。一种是采用新型的谐振式逆变器，可以把开关频率提高到20KHz以上的声区，从而噪声；另一种是在现有的元器件基础上，优选调制策略，降低脉宽调制的频率至人耳不敏感区，从而降低噪声。总之，研究开关损耗小，功率因数高，谐波分量小，噪声低，运转平稳的逆变器是今后发展的方向。脉宽调制技术的发展与应用使变频装置性能优化，可以适用于各类交流电动机，为交流调速的普及创造了条件。
（4）数字技术的应用
 随着计算机技术突飞猛进的发展，16位乃至32位微处理机的应用越来越普及，且由于微处理机的运算速度提高、价格下降等新因素的出现，在电气传动中控制系统硬件由模拟技术转向数字技术，全部采用数字控制，充分发挥微机控制的综合优点。数字调速技术不仅使传动系统获得、高性、还为新的控制理论与方法提供了物质基础。微型计算机在性能、速度、价格、体积等方面的不断发展与交流电动机调速理论的现实化提供了重要的保。
 从发展趋势看，交流数字调速有以下两个发展方向：一是采用的硬件、大规模集成电路（IC）；硬件可以降低设备的投资，提高装置的性。研制交流调速系统的IC芯片，可使控制系统硬件小型化、简单化。二是采用通用计算机硬件、软件模块化，可编程化，通用硬件可编程序控制，应用范围广，但造。从上采用数字调速的情况来看，前者一般多用于中小容量的标准系列产品，后者多用于大型工程大容量的传动系统。

1.4 交流变频调速在起重机上的应用
 绝大多数起重机要求在不同的场合，用不同的速度进行工作，其目的在于使起重机在各种合理的速度下有效地工作，以提高生产率和确保生产。这种调程需在运行过程中进行，而且变换次数较多，因而机械变速一般不合适，大多数情况下需采用电气调速。起重机电气调速系统分为两大类，即直流调速系统和交流调速系统，如前所述，直流调速方案因为直流电动机结构复杂，制造成本高，维护不便等诸多缺点，虽然目前在大型起重机上仍在使用，但正有逐步被交流调速方案所替代的趋势。目前在起重机上采用的交流调速方案主要有：绕线式异步电动机转子串电阻调速；能耗制动下降调速；涡流制动器调速，定子调压调速，串级调速及变频调速等。表1—1比较了这几种主要的起重机交流调速方案的优缺点并指出了各自的应用场合。
 从表1—1中可以看出，交流变频调速和其它起重机调速方案相比，具有明显的优点。，起重机整体性能会有很大的提高，具有速度可在整个调速范围内连续控制，开、闭环特性好，调速比可达1：100以上，调速精度±1%，调速平稳，负载突然变化时有好的动态响应，可以长时间低速运行，使其具有高的定位精度，节能效果**，简化了电控系统，省去了电动机转子侧的大功率电阻、切换交流接触器和电动机正反转交流接触器，再加之系统传动所用变频电机属鼠笼式异步电动机类、成本相对低廉，维修少，因此变频调速是起重机理想的交流调速方案，具有同直流传动一样的调速性能，性能价格比。但在国内，交流变频调速在起重机特别是大吨位起重机上的应用还刚起步，原因是作为起重机机构的起升机构其位能性负载特性和使用性的需求使一般通用变频器在性能上不能满足要求。低频时能否达到恒转矩输出；空中是否溜钩等问题一直是起重机起升机构使用变频调速的难点，还有起升机构重载下放时其再生制动能量是消耗在制动电阻上还是回馈回电网，这些一直都给起重机使用全变频调速控制系统带来困惑。近年来，矢量控制变频器的出现给起重机能否使用变频调速技术带来了生机，国外、国内各大电气公司也都在致力于这方面的开发和研究，因此，怎样使矢量控制变频调速技术用于起重机电气传动，实现四象限运行，**起升机构各种工况要求和良好的低速就位性能，对推动港口机械电气控制与调速系统的新换代，具有非常实用的意义。

表1-1 起重机常用交流调速方案
调 速方 案 调速范围 低速运行时的效率 特 点 适用负载 驱动机构
转子串电阻调速 1：3 低 1.线路简单、、易维修2.调速性能差，无低速下降3.不能长期低速运行。 位能反抗 起升运行
能耗制动调速 1：3~1：5 低 1.同上2.重载下降能获得低速，上升无低速3.直流电源因电机而异，无法标准 位能 起升
涡流制动器调速 1：10 低 1.同上2.速度有低速，但不能长时间低速运行3.加大了系统GD2 位能反抗 起升运行
定子调压调速 1：10 低 1.线路复杂、成本高2.若采用闭环控制能得到稳定低速且调速范围 较大，能无级调速 位能反抗 起升运行
串调速 1：10~1：30 高 1.同上2.适用于长期低速运行，重物下降时再生能量 能收回，调速范围较大，能无级调速 位能反抗 起升运行
变调速 1：2~1：4 高 1.一般采用鼠笼式异步电机，只能适用于小容量起重机上2.有调速，调速范围小 位能反抗 起升运行
变频调速 1：100 高 1.速度可在整个调速范围内连续控制2.有恒转矩性能，基频以上恒功率调速3.性能优，但需变频装置，成本高 位能反抗 起升运行

2．变频调速系统

 
前已提到异步电动机的转速公式为：

n= 60ƒ1 (1-s) (2-1)
 pn 

式中s —异步电动机的转差率，s=(no-n)/no。其中no为同步转速。改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。
 对异步电动机进行调速控制时，通常要考虑的一个重要因素是，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁能太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，负载能力也要下降。对于直流电机，励磁系统是立的，只要对电枢反应的补偿合适，保护фm不变是很容易做到的。在交流异步电机中，气隙磁通（主磁通）是定子和转子磁动势合成产生的，怎样才能保护磁通恒定呢？下面说明之。
由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值是
 Eg=4.44ƒ1N1фm （2-2）
式中Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；
 f1—定子频率（Hz）；
N1—定子每相绕组串联匝数；
фm—每磁通量（Wb）。
 由式（2-2）可见，фm的值是由Eg和f1共同决定，对Eg和f1进行适当的控制，就可以使气隙磁通фm保持额定值不变，达到控制фm的目的。对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。
（1） 基频以下调速，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙磁通фm不变，这就要求频率f1从额定值向下调节时，同时降Eg使
Eg =常数
ƒ 
即保持电动势与频率之比常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。
但是，Eg难于直接检测和直接控制。（当Eg和f1的值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如忽略不计，则可近似地保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数，即认为U1= Eg，保持U1/ f1=常数即可）。这就是恒压频比控制方式，是近似的恒磁通控制。
低频时，U1和Eg都较小，定子漏阻抗压降（主要是定子电阻压降）不能在忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。如图2-1所示，其中I为U1/ f1=C时电压，频率关系，II为有电压补偿时（近似的Eg/ f1=c）的电压，频率关系。

图2-1 恒压频比控制特性
 （2）基频以上调速
在基频以上调速时，频率可以从f1N往上增上，但电压U1却不能过额定电压UN，多只能保持U1=U1N。由式2-2可知，这必然会使主磁通фm随着f1的上升而减小，相当于直流电动机弱磁升速的情况，属于近似的恒功率调速方式。
把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图2-2所示的异步电机变压变频调速控制特性，即异步电机变频调速的基本控制方式
图2-2 异步电机变压变频调速控制特性

根据电机学原理，在下述定条件下：①忽略空间和时间谐波；②忽略磁饱和；③忽略铁损。异步电机在正弦波恒压恒频供电下的机械特性,由下式表示：
 (2-3)
各参数定义如下：
R1、R2’——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；
L11+L12’——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；
U1、ω1 ——定子相电压和供电角频率；
s ——转差率；
pn ——对数。
当s很小时，可忽略上式分母中含s的各项，则

 (2-4)

即s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线，如图2-3所示。
当s接近于1时，可忽略式（2-3）分母中的R2’，则
 (2-5)
图2-3 恒压恒频异步电机的机械特性

即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时，机械特性以直线段逐渐过渡到双曲线段。
基于式（2-3），我们来推导一下异步电机变频调速的机械特性，分基频以下和基频以上两种情况。
 （一）基频以下、频率协调控制时的机械特性
由式（2-3）的机械特性可以看出，对于同一组转矩Te和转速n（或转差率s）的要求，电压U1和频率ω1可以有多种配合。在U1和ω1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此，可以有不同方式的电压、频率协调控制。
 （1）恒压频比控制（U1/ω1=c）
为了近似地保持气隙磁通фm不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。
 式中n0—同步转速（r/min）

因此，带负载时的转速降落∆n为

 式中∆n—转速降落（r/min）

在式（2-3）所表示的机械特性的近似直线段上，可以导出

 由此可见，当U1/ω1为恒值时，对于同一转矩Te，sω1是基本不变的，因而∆n也是基本不变的。这就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本上是平行下移的，如图2-4所示。它们和他励直流电机变压调速时特性的变化情况相似，所不同的是，当转矩增大到大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率低时大转矩越小。
U1 /ω1 =c，大转矩Temax随角频率ω1的变化关系为

 (2-6)
图2-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性

可见Temax是随着ω1的降低而减小的。频率很低时，Temax太小，将限制调速系统的带载能力。采用定子压降补偿，适当地提高电压U1可以增强带载能力。
 （2）恒Eg/ω1控制
图2-5给出了异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下：
Eg—气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势；
Es—定子全磁通的感应电动势；
Er—转子全磁通的感应电动势（折合到定子边）。

图2-5 异步电机稳态等效电路和感应电动势

如果在电压、频率协调控制中，恰当地提高电压U1的份量，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/ω1为恒值（基频以下），则由式（2-2）可知，无论频低，每磁通фm均为常值，由图2-5可以得到
 

将它代入电磁转矩基本关系式，得
 
 (2-7)
这就是恒Eg/ω1时的机械特性
利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（2-7）分母中含s2项，则有
 （2-8）
这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s接近1时，可忽略式（2-7）分母中的R2’2项，则有

（2-9）
对比式（2-3）和式（2-7）可以看出，恒Eg/ω1，特性分母中含s的参数要小于恒U1/ω1特性中的同类项，也就是说，s值要大一些才能使该项占有**的份量，从而不能被忽略，因此恒Eg/ω1特性的线形段范围宽。图2-6给出了不同控制方式的机械特性。
将式（2-7）对s求导，并令dTe/ds=0，可得Eg/ω1，控制特性在大转矩时的转差率

（2-10）
和大转矩
2-6 不同电压、频率协调控制方式时的机械特性
Ⅰ-恒控制U1/ω1控制 Ⅱ-恒控制Eg/ω1控制 Ⅲ-恒控制Er/ω1控制
可见，当Eg/ω1为恒值时，Temax恒定不变。可见恒Eg/ω1控制的稳态性能是恒U1/ω1控制的，它正是恒U1/ω1控制的，它正是恒U1/ω1控制中补偿定子压降所追求的目标。
 （3）恒控制Er/ω1控制
如果把电压、频率协调控制中的电压U1进一步再提高一些，把转子漏抗上的压降也抵消掉，便得到Er/ω1控制，由图2-5可得到

（2-11）
代人电磁转矩基本关系式，得
由于分母中没有s, 这时的机械特性Te=f（s）是一条直线，如图2-6所示，显然，恒Er/ω1控制的稳态性能，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是交流变频调速所要求得性能。按照式（2-2）电动势和磁通得关系，可以看出，当频率恒定时，电动势与磁通成正比。气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值фm，那么，转子全磁通的感应电动势Er就应该对应于转子全磁通幅值фm
 Er=4.44f1N1фrm （2-12）
由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值фm=恒值进行控制，就可获得恒Er/ω1控制。这正是矢量控制系统的目标。
 （二）基频以上变频调速时的机械特性
（2-13）
在基频f1N以上变频调速时，由于电压U1=U1N不变，式（2-3）的机械特性可写成


大转矩表达式为
（2-14）
同步转速仍为 ，由此可见，当角频率ω1提高时，同步转速随之提高，
大转矩减小，机械特性上移，如图2-7所示。由于频率提高而电压不变，气隙磁通必然减小，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以，基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。

图2-7 基频以上变频调速的机械特性

2.2 矢量控制的基本思想
交流电动机矢量控制原理是1971年由F.Blaschke提出的，其基本思想是设法模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，使之能够象直流电机调速系统一样具有良好的动、静态性能。直流电机调速性能好的根本原因是由于其磁通和转矩能很容调节励磁电流和电枢电流分别得到控制。以他励直流电动机为例，其电磁转矩表达式如下式所示：
 Te=CmФIa （2-15）
式中Te为电磁转矩；Cm为转矩系数；Ф为磁通；
Ia为电枢电流。由于电枢电流Ia所产生的电枢磁
通和励磁磁通Ф是相互垂直的，如图2-8所示，
再加上一定的补偿以后，电枢反应对主磁场祛磁
的实际影响是很小的。因此，可以认为，Ф和Ia
是互不相关的立变量，磁通Ф只与励磁电流If
有关。如果保持If不变，即Ф不变，则Te与Ia
成正比，调节和控制电枢电流Ia也就直接调节和
控制了电磁转矩Te，从而使转矩控制具有良好的
动态性能。 图2-8 直流电机磁势图
异步电动机与直流电机不同，异步电动机的电磁转矩表达式如下式所示：
 Te=CmФIrcosφr （2-16）
式中Ф为气隙磁通，Ir为转子电流；φr为转子电流Ir滞后转子电势的电角度；
Cm为异步感应电动机转矩系数。由于转子阻抗角 ，异步电动机的转
矩不仅与转子电流Ir和气隙磁通Ф有关，而且与转速（转差率s）有关，Ir和Ф两个量既不成直角，又不是两个立变量，因此不能以简单的方法进行磁通和转矩的单控制，因此，要在动态中准确地控制转矩显然比较困难。要解决这个问题，一种办法是从根本上上改造交流电机，改变其产生转矩的规律，迄今为止，在这方面的研究成效尚少。另一种办法是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电机控制转矩的规律，通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量，把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后，交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变，而控制转矩电流分量，它就相当于直流电机中维持励磁不变，而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，能使系统具有较好的动态持性。这就是矢量控制或称矢量变换控制的基本思想。
众所周知，对三相静止的对称绕组A、B、C通以三相正弦交流电流iA、iB、iC时，便产生转速为ω1的旋转磁场Ф。如图2-9（a）所示。然而，旋转磁场并不一定非要三相不可，两相、四相等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁场。图2-9（b）是两相静止绕组α和β厂（空间位置相差900），通以两相平衡电流Iα和Iβ（时间上差900）时所产生的旋转磁场Ф。当图2-9（a）和2-9（b）中所示的旋转磁场的大小与转速都相同时，则两套绕组等效，再看图2-9（c）中的两个匝数相等且互相垂直的绕组M和T，分别通以直流电流iM和iT，产生位置固定的磁通Ф。如果使两个绕组同时以同步转速ω1旋转，磁通Ф自然随着旋转起来，而成为旋转磁场，并可以和图2-9（a）、（b）中的绕组等效。但如果观察者站到铁心上和绕组一起旋转时，在他看来，M、T是两个通以直流的互相垂直的静止绕组。如果取磁通Ф的位置和M绕组的平面正交，就和等效的直流电动机绕组没有差别了。这样，以产生同样的旋转磁场为准则，图2-9（a）中的三相绕组，（b）中的两相绕组和（c）中的直流绕组等效。iA、iB、iC与iα和iβ及iM、iT之间存在着确定的关系，即矢量变换关系。这样只要按照某个规律去控制三相电流iA、iB、iC就可以等效地控制iM和iT来达到所需控制转矩的目的。