交流调速的功率控制原理

交流调速的功率控制原理

  屈维谦     聂海亮
Qu Weiqian  Nie Hailiang
摘  要:本文根据电动机最基本的电—机能量转换原理，对交流调速的实质进行了新的分析，并得出交流调速的实质是功率控制的结论。交流调速的所有方法都可归结为电磁功率和损耗功率两种控制方案，电磁功率控制改变的是理想空载转速，调速是高效率的;损耗功率控制增大的是转速降，调速是低效率的。
关键词:交流调速   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
[中图分类号] TM343        [文献标识码] B        文章编码1561-03(2003)-03-0024-031  引言
交流调速实质的讨论，是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。尽管传统电机学对此作了较深入的分析，但所给出的异步机转速表达式却是由转差率定义式变换而产生的，即根据上述的转速“定义式”，异步机被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还认为“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都很接近，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，重新探讨异步机调速的原理，所得出的功率控制理论虽然导由异步机，但结论基本适用于所有电动机。
2  电动机模型与功率控制原理  
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。 
由电动机输出端口观察，根据动力学原理
                                 (1)
式中: Pm为输出机械功率
       T为输出转矩即电磁转矩
       Ω为角速度 由此可见，电动机调速的方法有两种:一是控制电磁功率，所改变的是理想空载转速;二是增大损耗功率，以增大转速降。公式(6) 是电动机调速普遍的表达式。
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2的网络模型。异步机的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2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。
3  恒转矩的电磁功率控制调速
所谓恒转矩调速，是指额定输出转矩能力不变的调速，特点是主磁通Φm不变。恒转矩调速可以通过定子或转子的电磁功率控制实现，但在定子控制时，必须要注意主磁通Φm 的恒定。
3.1 定子电磁功率控制--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。定子电磁功率转矩平衡方程式约束，不能作为控制量。但单纯调压并不能实现定子电磁功率控制，因U1不但影响电磁功率，还作用于磁场。为了解决上述问题，应根据式(9)，在调压的同时正比地改变频率f1，使主磁通Φm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，但决定电动机转速的是n0而不是n1，下面将会看到，即使n1不变，n0也可随电磁功率改变，可见n0与n1没有直接、必然的联系。变频调速的功率控制原理如图3所示。可见恒转矩变频调速时，其充分条件是调压，必要条件是变频，调速的实质在于电磁功率控制。3.2 转子电磁功率控制调速
对于绕线式异步机调速，可以对转子直接进行电磁功率控制。方法是从转子口移出或注入电功率，以改变转子的净电磁功率。与定子电磁功率控制调速(即调压变频调速)相比，两者并无原理的区别。 对于图2(b)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: Pem1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
 Pem2将随Pes 的方向和大小而改变。注意不要把Pes 简单理解成转差功率Ps ，应该把Ps 中的电磁功率和损耗功率区别开来，对调速的影响也不同,Pes将改变异步机的理想空载转速。
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                        (14)
可见，-Pes控制得到的是低同步调速，而+Pes则是超同步调速。
转子电磁功率控制调速的技术关键为:
l 由于转子电压的频率为变化的转差频率，因此必须要进行频率变换，以使转子和附加电源进行有功功率交换。
l 能够连续地控制Pes 的大小，以获得平滑的无级调速。
l 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。转子电磁功率控制的系统构成要点是附加电源，它是Pes 传输所必须的。传统的方法是外置，例如串级(cascade  control)、双馈double Feed)等调速。外置电源将使系统复杂化，而且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,是我国首创的斩波内馈调速。如图4示:该系统突出特征是将附加电源设置在异步机自身的定子上，附加电势由电磁感应产生 ，在典型的低同步调速时， 由转子引出，经交流控制装置传给定子附加的内馈绕组(以前亦称调节绕组)。内馈绕组处于发电状态，通过电磁感应抵消定子原边输入的多余电功率。斩波控制,则是用以调节 Pes的大小实现转速的无级调节，克服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。
4  结论
(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。
(2) 动态转矩是功率激励和转速响应的结果，并随转速响应自动减小，直至新的转矩平衡后为零，稳态电磁转矩只能服从客观负载转矩，调速的实质并非转矩控制。
(3) 调速效率和特性只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。
参考文献
[1] 汤蕴缪.电机学—机电能量转换[M]机械工业出版社,1986.63-183
[2] (日)上山直彦编  吴铁坚译.现代交流调速[M]. 水利电力出版社,1989.1-55
[3] 佟纯厚.近代交流调速[M].冶金工业出版社,1985.5-125
作者简介
屈维谦(1948-)    男   高级工程师  1977年毕业于阜新矿业大学，1981年就职于阜新矿务局设计处，1993年8月至今在保定北方调速有限公司从事异步机调速系统的开发工作。
              摘自《变频器世界》

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