電動機調(diào)速的功率控制原理—P理論

，

代數(shù)變換后有

 。

由于同步轉(zhuǎn)速

  ,

于是

。

    顯然，定義式無論如何變換也不會形成公式，公式只能由客觀定律和已有的公式推演產(chǎn)生，如果把上述的定義式式視為公式來遵循，不僅犯了基本的邏輯錯誤，而且將違背客觀的調(diào)速規(guī)律。

    根據(jù)上述的轉(zhuǎn)速"定義式"，異步機被按傳統(tǒng)理論人為地劃分為變頻、變極和變轉(zhuǎn)差率三種調(diào)速方案，文獻¹甚至認(rèn)為："變頻和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速有本質(zhì)不同，在所有交流調(diào)速中，變頻調(diào)速的效率最高（理由是轉(zhuǎn)差率不變）是最合理和理想的方法"。這種觀點既缺乏理論依據(jù)也與實踐不符，例如串級、雙饋調(diào)速和變頻調(diào)速相比，機械特性和調(diào)速效率等主要性能都很一致，并沒有本質(zhì)不同。

    有鑒于此，本文根據(jù)電動機最基本的電—機能量轉(zhuǎn)換原理，并力求避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析，采用重在物理原理的方法，重新探討異步機調(diào)速的原理，所得出的功率控制理論雖然源自異步機，但結(jié)論適用于所有電動機。

    電動機是將電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，因此可以普遍地表達為圖1的兩端口網(wǎng)絡(luò)。

圖1 電動機的兩端口網(wǎng)絡(luò)

    由電動機輸出端口觀察，根據(jù)力學(xué)原理

，(1)

式中：   P_M為輸出機械功率，

         T為輸出轉(zhuǎn)矩亦即電磁轉(zhuǎn)矩，

         Ω為角速度 。

故轉(zhuǎn)速

。（2）

根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程式

，（3）

電動機的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩必須與負(fù)載轉(zhuǎn)矩T_L相平衡，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由負(fù)載性質(zhì)決定的客觀存在，與調(diào)速控制無關(guān)，因此，穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩是不調(diào)速意志為轉(zhuǎn)移的，不能成為調(diào)速的控制量。

    另外，動態(tài)轉(zhuǎn)矩是功率激勵和轉(zhuǎn)速慣性作用的結(jié)果，當(dāng)克服慣性后，動態(tài)轉(zhuǎn)矩自動隨速度響應(yīng)而減小，直至形成新的轉(zhuǎn)矩平衡，動態(tài)轉(zhuǎn)矩為零。總之，動態(tài)轉(zhuǎn)矩的變化過程是自動完成的。詳細(xì)論述參見論文《轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速原理的商榷》。

    根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)換原理，機械功率P_M

   。（4）

其中：    為轉(zhuǎn)子電磁功率，

          為轉(zhuǎn)子損耗功率，

故轉(zhuǎn)速

  
               。（5）

其中：     稱為理想空載轉(zhuǎn)速，

              稱為轉(zhuǎn)速降。

式（5）可經(jīng)過量綱變換折算成每分鐘轉(zhuǎn)速，乘以系數(shù)60/2π后有

，（6）

其中

 ，

 。

2. 異步機模型與功率控制調(diào)速原理
    異步機是電動機的一種，其調(diào)速原理必然服從上述的普遍調(diào)速規(guī)律。根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，異步機可以等效成圖3的網(wǎng)絡(luò)模型

圖3  a. 鼠籠轉(zhuǎn)子異步機網(wǎng)絡(luò)模型                             b. 繞線轉(zhuǎn)子異步機網(wǎng)絡(luò)模型

    異步機定子通過旋轉(zhuǎn)磁場的作用，將電磁功率傳輸給轉(zhuǎn)子，因此旋轉(zhuǎn)磁場可以等效為電磁功率的傳輸通道，即圖3 中的感應(yīng)通道。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子電磁功率除損耗外轉(zhuǎn)化為機械功率，這種電磁感應(yīng)通道的特點是交流機與直流機本質(zhì)的區(qū)別。

    異步機按轉(zhuǎn)子型式可分為鼠籠型和繞線型，前者轉(zhuǎn)子是封閉短路的，因此只有一個機械功率輸出端口；后者轉(zhuǎn)子是開啟的，因此具有機械功率和電功率兩個端口。轉(zhuǎn)子的電功率端口可以通過電傳導(dǎo)與外電路進行功率交換。

    異步機調(diào)速可以通過定子口或轉(zhuǎn)子口實施功率控制調(diào)速，分別控制電磁功率或損耗功率。前者改變的是理想空載轉(zhuǎn)速，調(diào)速效率較高，機械特性為平行曲線；后者增大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速效率較低，機械特性為匯交曲線。

    應(yīng)該注意同步轉(zhuǎn)速和理想空載轉(zhuǎn)速的區(qū)別，同步轉(zhuǎn)速 n₁ 是旋轉(zhuǎn)磁場的變化速度，理想空載轉(zhuǎn)速 n ₀ 是假定轉(zhuǎn)子全部電磁功率都轉(zhuǎn)換為機械功率的機械速度。電動機的速度顯然與n₀密切相關(guān)，而與同步轉(zhuǎn)速沒有直接、必然的聯(lián)系。

    所謂恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速是指額定輸出轉(zhuǎn)矩能力不變的調(diào)速，其特點是主磁通Φ_m不變。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速可以分別選擇定子或轉(zhuǎn)子為對象，通過的電磁功率控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，兩種調(diào)速的性能基本一致。但在定子控制時，必須要注意主磁通Φ_m 的恒定，即，使主磁通量為設(shè)計的常量，如果調(diào)速時主磁通量減小，電動機的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性將遭到破壞，而且損耗增大，成為改變轉(zhuǎn)速降的調(diào)速。

3.1 定子電磁功率控制——調(diào)壓+變頻調(diào)速的原理

    從功率控制角度觀察，變頻調(diào)速是典型的定子電磁功率控制調(diào)速。由于轉(zhuǎn)子電磁功率是由定子傳輸?shù)模叶ā⑥D(zhuǎn)子電磁功率相等，因此控制定子電磁功率就可間接地控制轉(zhuǎn)子電磁功率。定子電磁功率

，（7）

及                                             。（8）

    根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程式3，以及電磁轉(zhuǎn)矩

，（9）

取決于客觀的負(fù)載，不能作為控制量，因此定子電磁功率只能通過調(diào)節(jié)U₁來改變。必須注意，單純調(diào)壓將導(dǎo)致異步機主磁通量的削弱，結(jié)果非但不能實現(xiàn)定子電磁功率控制，反而增大損耗和轉(zhuǎn)速降。

    根據(jù)電機學(xué)原理，異步機屬于定子勵磁，且主磁通為 

 ，（10）

取決于定子電壓和頻率之比，單純降壓將使主磁通量正比減小，從而導(dǎo)致?lián)p耗功率急劇增大。為簡化分析，設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，則電磁轉(zhuǎn)矩亦不變，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式9，定子和轉(zhuǎn)子電流將隨Φ_m減小而增大（即使功率因數(shù)不變）。定、轉(zhuǎn)子的銅耗按電流平方律增大，關(guān)系為

，（11）

。（12）

    為了解決上述問題，應(yīng)根據(jù)式(10)，在調(diào)壓的同時正比地改變頻率f₁ ，使主磁通Φ_m保持不變。從而實現(xiàn)高效率的電磁功率控制調(diào)速。變頻調(diào)速時，理想空載轉(zhuǎn)速按n₀隨U₁改變，此時同步轉(zhuǎn)速n₁ 隨f₁而變，且有n₀ = n₁，但決定異步機轉(zhuǎn)速的是n₀而不是n₁ ，下面將會看到，既使n₁不變，n₀也可隨電磁功率改變。變頻調(diào)速的功率控制原理如圖4 所示

圖4   變頻調(diào)速的功率控制原理

    根據(jù)上述分析，恒轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速，其充分條件是調(diào)壓，必要條件是變頻，調(diào)速的實質(zhì)是電磁功率控制，變頻調(diào)速的稱謂嚴(yán)格應(yīng)是調(diào)壓變頻，例如國外文獻中的“VVVF”控制，實際就是這個含義。

3.2  轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速

    對于繞線轉(zhuǎn)子異步機調(diào)速，電磁功率控制可以選擇轉(zhuǎn)子為對象。方法是在轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)附加電動勢，通過電傳導(dǎo)吸收或注入電功率，從而改變轉(zhuǎn)子的凈電磁功率。轉(zhuǎn)子電磁功率控制的突出優(yōu)點是：

        可以方便地避開定子控制的高壓問題，使調(diào)速的可靠性和經(jīng)濟性明顯改善。

        控制裝置和機械輸出呈并聯(lián)，其功率可以隨調(diào)速范圍的需要小于電動機功率，進一步改善調(diào)
        速的經(jīng)濟、可靠性。

        調(diào)速效率沒有高壓控制的附加變壓器損耗，可以高于定子變頻調(diào)壓控制。

        由于定轉(zhuǎn)子的隔離，明顯降低轉(zhuǎn)子控制產(chǎn)生的諧波對電源的影響。

    對于圖3b 的模型，在轉(zhuǎn)子口引入附加電磁功率時，轉(zhuǎn)子的凈電磁功率

 ，(13)

式中：Pem為定子傳輸給轉(zhuǎn)子的電磁功率，

         Pes 為附加電磁功率，亦稱電轉(zhuǎn)差功率，

注意不要把Pes簡單理解成傳統(tǒng)電機學(xué)中的轉(zhuǎn)差功率Ps，Pes是電功率，而不是傳統(tǒng)的Ps損耗功率，兩者性質(zhì)不同，對調(diào)速的影響也不同。

    Pes改變的是理想空載轉(zhuǎn)速。式（13）中的-Pes表示移出，而+Pes表示注入，前者使轉(zhuǎn)子的凈電磁功率減小，后者則使其增大，異步機的理想空載轉(zhuǎn)速為

  。（14）

    可見，-Pes控制得到的是低同步調(diào)速，而+Pes 則是超同步調(diào)速，而此時定子頻率不變，同步轉(zhuǎn)速亦不變，可見異步機的理想空載轉(zhuǎn)速n₀并不完全取決于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n₁。

    轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速的技術(shù)關(guān)鍵為：

        實行頻率變換，使轉(zhuǎn)子和附加電源兩個頻率不同的電源完成有功功率交換。

        連續(xù)地控制Pes的大小，以獲得平滑的無級調(diào)速。

        盡量避免產(chǎn)生感性無功功率，以提高功率因數(shù)，減小無功損耗。 

上述的技術(shù)關(guān)鍵是設(shè)計調(diào)速控制裝置應(yīng)該注意的原則。

    附加電源是轉(zhuǎn)子電磁功率控制系統(tǒng)所必須的。傳統(tǒng)的方法是外置，例如串級（cascade  control）、雙饋（double Fed）等調(diào)速。附加電源的外置，使電轉(zhuǎn)差功率從電機泄露于外，一方面造成系統(tǒng)復(fù)雜化，另外在低同步調(diào)速時造成Pes從定子至外置電源之間的無謂循環(huán)，增大了定子損耗。

    較好的方法是如圖5所示我國首創(chuàng)的斬波內(nèi)饋調(diào)速。

圖5  斬波內(nèi)饋功率圓圖
該系統(tǒng)突出特征是將附加電源內(nèi)置在異步機的定子上，附加電勢由電磁感應(yīng)而產(chǎn)生，在典型的低同步調(diào)速時，Pes由轉(zhuǎn)子引出，經(jīng)斬波—逆變器ZNK傳輸給定子附加的內(nèi)饋繞組（亦稱調(diào)節(jié)繞組）。內(nèi)饋繞組工作在發(fā)電狀態(tài)，通過電磁感應(yīng)抵消定子原邊輸入的多余電功率。這種內(nèi)饋調(diào)速方式使電轉(zhuǎn)差功率封閉在電機傳統(tǒng)之中，從根本上解決了外置附加電源的缺點。斬波控制則是調(diào)節(jié)Pes的大小，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)，克服了有源逆變器移相控制所帶來的功率因數(shù)低、諧波分量大等一系列缺點。

    與按表達式不同，根據(jù)本文所述的電機調(diào)速功率控制理論，異步機調(diào)速分類可表示如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)  異步機調(diào)速的實質(zhì)在于功率控制，控制原則有電磁功率控制和損耗功率控制，前者改變的是理
     想空載轉(zhuǎn)速，后者增大轉(zhuǎn)速降，電機轉(zhuǎn)速 是調(diào)速的普遍表達式，理想空載轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速沒
     有直接、必然的聯(lián)系。

2)  功率控制調(diào)速原理可以方便地推廣到直流電動機，限于篇幅，不加詳述。

3)  調(diào)速效率和特性決定于功率控制屬性。轉(zhuǎn)子電磁功率控制的調(diào)速與變頻調(diào)壓調(diào)速只有控制對象
     的不同，沒有本質(zhì)區(qū)別。

4)  傳統(tǒng)交流調(diào)速的 以及轉(zhuǎn)矩控制理論，在理論論證和實踐檢驗等方面都存在值得商榷之處，不能
     視為電動機調(diào)速的科學(xué)依據(jù)。