电动机调速的功率控制原理—P理论

，

代数变换后有

 。

由于同步转速

  ,

于是

。

    显然，定义式无论如何变换也不会形成公式，公式只能由客观定律和已有的公式推演产生，如果把上述的定义式式视为公式来遵循，不仅犯了基本的逻辑错误，而且将违背客观的调速规律。

    根据上述的转速"定义式"，异步机被按传统理论人为地划分为变频、变极和变转差率三种调速方案，文献¹甚至认为："变频和变转差率调速有本质不同，在所有交流调速中，变频调速的效率最高（理由是转差率不变）是最合理和理想的方法"。这种观点既缺乏理论依据也与实践不符，例如串级、双馈调速和变频调速相比，机械特性和调速效率等主要性能都很一致，并没有本质不同。

    有鉴于此，本文根据电动机最基本的电—机能量转换原理，并力求避免复杂的数学分析，采用重在物理原理的方法，重新探讨异步机调速的原理，所得出的功率控制理论虽然源自异步机，但结论适用于所有电动机。

    电动机是将电能转换成机械能的设备，因此可以普遍地表达为图1的两端口网络。

图1 电动机的两端口网络

    由电动机输出端口观察，根据力学原理

，(1)

式中：   P_M为输出机械功率，

         T为输出转矩亦即电磁转矩，

         Ω为角速度 。

故转速

。（2）

根据转矩平衡方程式

，（3）

电动机的稳态电磁转矩必须与负载转矩T_L相平衡，而负载转矩是由负载性质决定的客观存在，与调速控制无关，因此，稳态电磁转矩是不调速意志为转移的，不能成为调速的控制量。

    另外，动态转矩是功率激励和转速惯性作用的结果，当克服惯性后，动态转矩自动随速度响应而减小，直至形成新的转矩平衡，动态转矩为零。总之，动态转矩的变化过程是自动完成的。详细论述参见论文《转矩控制调速原理的商榷》。

    根据能量守恒和转换原理，机械功率P_M

   。（4）

其中：    为转子电磁功率，

          为转子损耗功率，

故转速

  
               。（5）

其中：     称为理想空载转速，

              称为转速降。

式（5）可经过量纲变换折算成每分钟转速，乘以系数60/2π后有

，（6）

其中

 ，

 。

2. 异步机模型与功率控制调速原理
    异步机是电动机的一种，其调速原理必然服从上述的普遍调速规律。根据能量转换原理，异步机可以等效成图3的网络模型

图3  a. 鼠笼转子异步机网络模型                             b. 绕线转子异步机网络模型

    异步机定子通过旋转磁场的作用，将电磁功率传输给转子，因此旋转磁场可以等效为电磁功率的传输通道，即图3 中的感应通道。在磁场的作用下，转子电磁功率除损耗外转化为机械功率，这种电磁感应通道的特点是交流机与直流机本质的区别。

    异步机按转子型式可分为鼠笼型和绕线型，前者转子是封闭短路的，因此只有一个机械功率输出端口；后者转子是开启的，因此具有机械功率和电功率两个端口。转子的电功率端口可以通过电传导与外电路进行功率交换。

    异步机调速可以通过定子口或转子口实施功率控制调速，分别控制电磁功率或损耗功率。前者改变的是理想空载转速，调速效率较高，机械特性为平行曲线；后者增大转速降，调速效率较低，机械特性为汇交曲线。

    应该注意同步转速和理想空载转速的区别，同步转速 n₁ 是旋转磁场的变化速度，理想空载转速 n ₀ 是假定转子全部电磁功率都转换为机械功率的机械速度。电动机的速度显然与n₀密切相关，而与同步转速没有直接、必然的联系。

    所谓恒转矩调速是指额定输出转矩能力不变的调速，其特点是主磁通Φ_m不变。恒转矩调速可以分别选择定子或转子为对象，通过的电磁功率控制实现转速调节，两种调速的性能基本一致。但在定子控制时，必须要注意主磁通Φ_m 的恒定，即，使主磁通量为设计的常量，如果调速时主磁通量减小，电动机的恒转矩调速特性将遭到破坏，而且损耗增大，成为改变转速降的调速。

3.1 定子电磁功率控制——调压+变频调速的原理

    从功率控制角度观察，变频调速是典型的定子电磁功率控制调速。由于转子电磁功率是由定子传输的，且定、转子电磁功率相等，因此控制定子电磁功率就可间接地控制转子电磁功率。定子电磁功率

，（7）

及                                             。（8）

    根据转矩平衡方程式3，以及电磁转矩

，（9）

取决于客观的负载，不能作为控制量，因此定子电磁功率只能通过调节U₁来改变。必须注意，单纯调压将导致异步机主磁通量的削弱，结果非但不能实现定子电磁功率控制，反而增大损耗和转速降。

    根据电机学原理，异步机属于定子励磁，且主磁通为 

 ，（10）

取决于定子电压和频率之比，单纯降压将使主磁通量正比减小，从而导致损耗功率急剧增大。为简化分析，设负载转矩不变，则电磁转矩亦不变，根据转矩公式9，定子和转子电流将随Φ_m减小而增大（即使功率因数不变）。定、转子的铜耗按电流平方律增大，关系为

，（11）

。（12）

    为了解决上述问题，应根据式(10)，在调压的同时正比地改变频率f₁ ，使主磁通Φ_m保持不变。从而实现高效率的电磁功率控制调速。变频调速时，理想空载转速按n₀随U₁改变，此时同步转速n₁ 随f₁而变，且有n₀ = n₁，但决定异步机转速的是n₀而不是n₁ ，下面将会看到，既使n₁不变，n₀也可随电磁功率改变。变频调速的功率控制原理如图4 所示

图4   变频调速的功率控制原理

    根据上述分析，恒转矩的变频调速，其充分条件是调压，必要条件是变频，调速的实质是电磁功率控制，变频调速的称谓严格应是调压变频，例如国外文献中的“VVVF”控制，实际就是这个含义。

3.2  转子电磁功率控制调速

    对于绕线转子异步机调速，电磁功率控制可以选择转子为对象。方法是在转子回路串联附加电动势，通过电传导吸收或注入电功率，从而改变转子的净电磁功率。转子电磁功率控制的突出优点是：

        可以方便地避开定子控制的高压问题，使调速的可靠性和经济性明显改善。

        控制装置和机械输出呈并联，其功率可以随调速范围的需要小于电动机功率，进一步改善调
        速的经济、可靠性。

        调速效率没有高压控制的附加变压器损耗，可以高于定子变频调压控制。

        由于定转子的隔离，明显降低转子控制产生的谐波对电源的影响。

    对于图3b 的模型，在转子口引入附加电磁功率时，转子的净电磁功率

 ，(13)

式中：Pem为定子传输给转子的电磁功率，

         Pes 为附加电磁功率，亦称电转差功率，

注意不要把Pes简单理解成传统电机学中的转差功率Ps，Pes是电功率，而不是传统的Ps损耗功率，两者性质不同，对调速的影响也不同。

    Pes改变的是理想空载转速。式（13）中的-Pes表示移出，而+Pes表示注入，前者使转子的净电磁功率减小，后者则使其增大，异步机的理想空载转速为

  。（14）

    可见，-Pes控制得到的是低同步调速，而+Pes 则是超同步调速，而此时定子频率不变，同步转速亦不变，可见异步机的理想空载转速n₀并不完全取决于旋转磁场的转速n₁。

    转子电磁功率控制调速的技术关键为：

        实行频率变换，使转子和附加电源两个频率不同的电源完成有功功率交换。

        连续地控制Pes的大小，以获得平滑的无级调速。

        尽量避免产生感性无功功率，以提高功率因数，减小无功损耗。 

上述的技术关键是设计调速控制装置应该注意的原则。

    附加电源是转子电磁功率控制系统所必须的。传统的方法是外置，例如串级（cascade  control）、双馈（double Fed）等调速。附加电源的外置，使电转差功率从电机泄露于外，一方面造成系统复杂化，另外在低同步调速时造成Pes从定子至外置电源之间的无谓循环，增大了定子损耗。

    较好的方法是如图5所示我国首创的斩波内馈调速。

图5  斩波内馈功率圆图
该系统突出特征是将附加电源内置在异步机的定子上，附加电势由电磁感应而产生，在典型的低同步调速时，Pes由转子引出，经斩波—逆变器ZNK传输给定子附加的内馈绕组（亦称调节绕组）。内馈绕组工作在发电状态，通过电磁感应抵消定子原边输入的多余电功率。这种内馈调速方式使电转差功率封闭在电机传统之中，从根本上解决了外置附加电源的缺点。斩波控制则是调节Pes的大小，实现转速的无级调节，克服了有源逆变器移相控制所带来的功率因数低、谐波分量大等一系列缺点。

    与按表达式不同，根据本文所述的电机调速功率控制理论，异步机调速分类可表示如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)  异步机调速的实质在于功率控制，控制原则有电磁功率控制和损耗功率控制，前者改变的是理
     想空载转速，后者增大转速降，电机转速 是调速的普遍表达式，理想空载转速和同步转速没
     有直接、必然的联系。

2)  功率控制调速原理可以方便地推广到直流电动机，限于篇幅，不加详述。

3)  调速效率和特性决定于功率控制属性。转子电磁功率控制的调速与变频调压调速只有控制对象
     的不同，没有本质区别。

4)  传统交流调速的 以及转矩控制理论，在理论论证和实践检验等方面都存在值得商榷之处，不能
     视为电动机调速的科学依据。