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交流調速的功率控制原理
屈維謙 聶海亮Qu Weiqian Nie Hailiang
摘 要:本文根據電動機最基本的電—機能量轉換原理，對交流調速的實質進行了新的分析，并得出交流調速的實質是功率控制的結論。交流調速的所有方法都可歸結為電磁功率和損耗功率兩種控制方案，電磁功率控制改變的是理想空載轉速，調速是高效率的;損耗功率控制增大的是轉速降，調速是低效率的。
關鍵詞:交流調速 功率控制 效率
Abstract: According to the electromechanical energy conversion principle, the essence of
AC speed regulation is analyzed thoroughly; moreover, a creative conclusion that the
essence of AC speed regulation lies in the power control is drawn in this paper. In fact,
all the AC speed regulation approaches can be generalized in two basic strategies,
electromagnetic power control and loss power control. The former is to adjust the ideal
no-load rotation speed, and thus possesses high efficiency. Whereas, the latter is to regulate
the rotation speed depression, and thus possesses low efficiency.
Keywords: AC speed regulation Power control Efficiency
[中圖分類號] TM343 [文獻標識碼] B 文章編碼1561-03(2003)-03-0024-031 引言
交流調速實質的討論，是關系到近代交流調速發展的重要理論問題。盡管傳統電機學對此作了較深入的分析，但所給出的異步機轉速表達式卻是由轉差率定義式變換而產生的，即根據上述的轉速“定義式”，異步機被傳統理論人為地劃分為變頻、變極和變轉差率三種調速方案，文獻1還認為“變頻和變轉差率調速有本質不同，在所有交流調速中，變頻調速的效率最高(理由是轉差率不變)是最合理和理想的方法”。這種觀點既缺乏理論依據也與實踐不符，例如串級、雙饋調速和變頻調速相比，機械特性和調速效率都很接近，并沒有本質不同。
有鑒于此，本文根據電動機最基本的電-機能量轉換原理，重新探討異步機調速的原理，所得出的功率控制理論雖然導由異步機，但結論基本適用于所有電動機。
2 電動機模型與功率控制原理
電動機是將電能轉換成機械能的設備，因此可以普遍地表達為圖1的兩端口網絡。
由電動機輸出端口觀察，根據動力學原理
(1)
式中: Pm為輸出機械功率
T為輸出轉矩即電磁轉矩
Ω為角速度 由此可見，電動機調速的方法有兩種:一是控制電磁功率，所改變的是理想空載轉速;二是增大損耗功率，以增大轉速降。公式(6) 是電動機調速普遍的表達式。
2 異步機模型與功率控制調速原理
異步機是電動機的一種，其調速原理必然服從上述的普遍調速規律。根據能量轉換原理，異步機可以等效成圖2的網絡模型。異步機的定子通過旋轉磁場的作用，將電磁功率傳輸給轉子，因此旋轉磁場可以等效為電磁功率的傳輸通道，即圖2中的感應通道。在磁場的作用下，轉子電磁功率除損耗外轉化為機械功率，這種電磁感應通道的特點是交流機與直流機本質的區別。
異步機按轉子型式可分為鼠籠型和繞線型，前者轉子是封閉短路的，因此只有一個機械功率輸出端口;后者轉子是開啟的，因此具有機械功率和電功率兩個端口。轉子的電功率端口可以通過電傳導與外電路進行功率交換。
異步機調速可以通過定子口或轉子口實施功率控制調速，分別控制電磁功率或損耗功率。前者改變的是理想空載轉速，調速效率較高，機械特性為平行曲線;后者增大轉速降，調速效率較低，機械特性為匯交曲線。
應該注意同步轉速和理想空載轉速的區別，同步轉速 n1 是旋轉磁場
的變化速度，理想空載轉速 n 0 是假定、轉子全部電磁功率都轉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，而與同步轉速沒有直接、必然的聯系。
3 恒轉矩的電磁功率控制調速
所謂恒轉矩調速，是指額定輸出轉矩能力不變的調速，特點是主磁通Φm不變。恒轉矩調速可以通過定子或轉子的電磁功率控制實現，但在定子控制時，必須要注意主磁通Φm 的恒定。
3.1 定子電磁功率控制--變頻調速的原理
從功率控制角度觀察，變頻調速是典型的定子電磁功率控制調速。由于轉子電磁功率是由定子傳輸的，且定、轉子電磁功率相等，因此控制定子電磁功率就可間接地控制轉子電磁功率。定子電磁功率轉矩平衡方程式約束，不能作為控制量。但單純調壓并不能實現定子電磁功率控制，因U1不但影響電磁功率，還作用于磁場。為了解決上述問題，應根據式(9)，在調壓的同時正比地改變頻率f1，使主磁通Φm保持不變。從而實現高效率的電磁功率控制調速。變頻調速時，理想空載轉速按n0隨U1改變，此時同步轉速n1 隨f1而變，且有n0=n1，但決定電動機轉速的是n0而不是n1，下面將會看到，即使n1不變，n0也可隨電磁功率改變，可見n0與n1沒有直接、必然的聯系。變頻調速的功率控制原理如圖3所示�？梢姾戕D矩變頻調速時，其充分條件是調壓，必要條件是變頻，調速的實質在于電磁功率控制。3.2 轉子電磁功率控制調速
對于繞線式異步機調速，可以對轉子直接進行電磁功率控制。方法是從轉子口移出或注入電功率，以改變轉子的凈電磁功率。與定子電磁功率控制調速(即調壓變頻調速)相比，兩者并無原理的區別。 對于圖2(b)的模型，在轉子口引入附加電磁功率時，轉子的凈電磁功率 (13)
式中: Pem1為定子傳輸給轉子的電磁功率
Pes為附加電磁功率，亦稱電轉差功率
Pem2將隨Pes 的方向和大小而改變。注意不要把Pes 簡單理解成轉差功率Ps ，應該把Ps 中的電磁功率和損耗功率區別開來，對調速的影響也不同,Pes將改變異步機的理想空載轉速。
式(13)中的-Pes 表示移出，而+ Pes表示注入，前者使轉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速 (14)
可見，-Pes控制得到的是低同步調速，而+Pes則是超同步調速。
轉子電磁功率控制調速的技術關鍵為:
l 由于轉子電壓的頻率為變化的轉差頻率，因此必須要進行頻率變換，以使轉子和附加電源進行有功功率交換。
l 能夠連續地控制Pes 的大小，以獲得平滑的無級調速。
l 盡量避免產生感性無功功率以提高功率因數，減小無功損耗。
上述的技術關鍵是設計調速控制裝置應該注意的。轉子電磁功率控制的系統構成要點是附加電源，它是Pes 傳輸所必須的。傳統的方法是外置，例如串級(cascade control)、雙饋double Feed)等調速。外置電源將使系統復雜化，而且在低同步調速時造成 Pes從定子至外置電源之間的無謂循環，增大了定子損耗。
較好的方法,是我國首創的斬波內饋調速。如圖4示:該系統突出特征是將附加電源設置在異步機自身的定子上，附加電勢由電磁感應產生 ，在典型的低同步調速時， 由轉子引出，經交流控制裝置傳給定子附加的內饋繞組(以前亦稱調節繞組)。內饋繞組處于發電狀態，通過電磁感應抵消定子原邊輸入的多余電功率。斬波控制,則是用以調節 Pes的大小實現轉速的無級調節，克服有源逆變器移相控制所帶來的功率因數低、諧波分量大等一系列缺點。
4 結論
(1) 異步機調速的實質在于功率控制，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速，后者增大轉速降。
(2) 動態轉矩是功率激勵和轉速響應的結果，并隨轉速響應自動減小，直至新的轉矩平衡后為零，穩態電磁轉矩只能服從客觀負載轉矩，調速的實質并非轉矩控制。
(3) 調速效率和特性只決定于功率控制屬性。轉子電磁功率控制的調速與變頻調壓調速只有控制對象的不同，沒有本質區別。
參考文獻
[1] 湯蘊繆.電機學—機電能量轉換[M]機械工業出版社,1986.63-183
[2] (日)上山直彥編 吳鐵堅譯.現代交流調速[M]. 水利電力出版社,1989.1-55
[3] 佟純厚.近代交流調速[M].冶金工業出版社,1985.5-125
作者簡介
屈維謙(1948-) 男 高級工程師 1977年畢業于阜新礦業大學，1981年就職于阜新礦務局設計處，1993年8月至今在保定北方調速有限公司從事異步機調速系統的開發工作。
摘自《變頻器世界》
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