交流调速的功率控制原理

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  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

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