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交流調(diào)速的功率控制原理
屈維謙 聶海亮Qu Weiqian Nie Hailiang
摘 要:本文根據(jù)電動機(jī)最基本的電—機(jī)能量轉(zhuǎn)換原理，對交流調(diào)速的實(shí)質(zhì)進(jìn)行了新的分析，并得出交流調(diào)速的實(shí)質(zhì)是功率控制的結(jié)論。交流調(diào)速的所有方法都可歸結(jié)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(zhuǎn)速，調(diào)速是高效率的;損耗功率控制增大的是轉(zhuǎn)速降，調(diào)速是低效率的。
關(guān)鍵詞:交流調(diào)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(xiàn)標(biāo)識碼] B 文章編碼1561-03(2003)-03-0024-031 引言
交流調(diào)速實(shí)質(zhì)的討論，是關(guān)系到近代交流調(diào)速發(fā)展的重要理論問題。盡管傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)對此作了較深入的分析，但所給出的異步機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式卻是由轉(zhuǎn)差率定義式變換而產(chǎn)生的，即根據(jù)上述的轉(zhuǎn)速“定義式”，異步機(jī)被傳統(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(xiàn)1還認(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(diǎn)既缺乏理論依據(jù)也與實(shí)踐不符，例如串級、雙饋調(diào)速和變頻調(diào)速相比，機(jī)械特性和調(diào)速效率都很接近，并沒有本質(zhì)不同。
有鑒于此，本文根據(jù)電動機(jī)最基本的電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換原理，重新探討異步機(jī)調(diào)速的原理，所得出的功率控制理論雖然導(dǎo)由異步機(jī)，但結(jié)論基本適用于所有電動機(jī)。
2 電動機(jī)模型與功率控制原理
電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備，因此可以普遍地表達(dá)為圖1的兩端口網(wǎng)絡(luò)。
由電動機(jī)輸出端口觀察，根據(jù)動力學(xué)原理
(1)
式中: Pm為輸出機(jī)械功率
T為輸出轉(zhuǎn)矩即電磁轉(zhuǎn)矩
Ω為角速度 由此可見，電動機(jī)調(diào)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(zhuǎn)速;二是增大損耗功率，以增大轉(zhuǎn)速降。公式(6) 是電動機(jī)調(diào)速普遍的表達(dá)式。
2 異步機(jī)模型與功率控制調(diào)速原理
異步機(jī)是電動機(jī)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(jī)可以等效成圖2的網(wǎng)絡(luò)模型。異步機(jī)的定子通過旋轉(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2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(jī)械功率，這種電磁感應(yīng)通道的特點(diǎn)是交流機(jī)與直流機(jī)本質(zhì)的區(qū)別。
異步機(jī)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(gè)機(jī)械功率輸出端口;后者轉(zhuǎn)子是開啟的，因此具有機(jī)械功率和電功率兩個(gè)端口。轉(zhuǎn)子的電功率端口可以通過電傳導(dǎo)與外電路進(jìn)行功率交換。
異步機(jī)調(diào)速可以通過定子口或轉(zhuǎn)子口實(shí)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(jī)械特性為平行曲線;后者增大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速效率較低，機(jī)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(jī)械功率的機(jī)械速度。電動機(jī)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。
3 恒轉(zhuǎn)矩的電磁功率控制調(diào)速
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，特點(diǎn)是主磁通Φm不變。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速可以通過定子或轉(zhuǎn)子的電磁功率控制實(shí)現(xiàn)，但在定子控制時(shí)，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(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)�，且定、轉(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。定子電磁功率轉(zhuǎn)矩平衡方程式約束，不能作為控制量。但單純調(diào)壓并不能實(shí)現(xiàn)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(yīng)根據(jù)式(9)，在調(diào)壓的同時(shí)正比地改變頻率f1，使主磁通Φm保持不變。從而實(shí)現(xiàn)高效率的電磁功率控制調(diào)速。變頻調(diào)速時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速按n0隨U1改變，此時(shí)同步轉(zhuǎn)速n1 隨f1而變，且有n0=n1，但決定電動機(jī)轉(zhuǎn)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(lián)系。變頻調(diào)速的功率控制原理如圖3所示。可見恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速時(shí)，其充分條件是調(diào)壓，必要條件是變頻，調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于電磁功率控制。3.2 轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速
對于繞線式異步機(jī)調(diào)速，可以對轉(zhuǎn)子直接進(jìn)行電磁功率控制。方法是從轉(zhuǎn)子口移出或注入電功率，以改變轉(zhuǎn)子的凈電磁功率。與定子電磁功率控制調(diào)速(即調(diào)壓變頻調(diào)速)相比，兩者并無原理的區(qū)別。 對于圖2(b)的模型，在轉(zhuǎn)子口引入附加電磁功率時(shí)，轉(zhuǎn)子的凈電磁功率 (13)
式中: Pem1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
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(zhuǎn)差功率Ps ，應(yīng)該把Ps 中的電磁功率和損耗功率區(qū)別開來，對調(diào)速的影響也不同,Pes將改變異步機(jī)的理想空載轉(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(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速 (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。
轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速的技術(shù)關(guān)鍵為:
l 由于轉(zhuǎn)子電壓的頻率為變化的轉(zhuǎn)差頻率，因此必須要進(jìn)行頻率變換，以使轉(zhuǎn)子和附加電源進(jìn)行有功功率交換。
l 能夠連續(xù)地控制Pes 的大小，以獲得平滑的無級調(diào)速。
l 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(jì)調(diào)速控制裝置應(yīng)該注意的。轉(zhuǎn)子電磁功率控制的系統(tǒng)構(gòu)成要點(diǎn)是附加電源，它是Pes 傳輸所必須的。傳統(tǒng)的方法是外置，例如串級(cascade control)、雙饋double Feed)等調(diào)速。外置電源將使系統(tǒng)復(fù)雜化，而且在低同步調(diào)速時(shí)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,是我國首創(chuàng)的斬波內(nèi)饋調(diào)速。如圖4示:該系統(tǒng)突出特征是將附加電源設(shè)置在異步機(jī)自身的定子上，附加電勢由電磁感應(yīng)產(chǎn)生 ，在典型的低同步調(diào)速時(shí)， 由轉(zhuǎn)子引出，經(jīng)交流控制裝置傳給定子附加的內(nèi)饋繞組(以前亦稱調(diào)節(jié)繞組)。內(nèi)饋繞組處于發(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。斬波控制,則是用以調(diào)節(jié) Pes的大小實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié)，克服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(diǎn)。
4 結(jié)論
(1) 異步機(jī)調(diào)速的實(shí)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。
(2) 動態(tài)轉(zhuǎn)矩是功率激勵和轉(zhuǎn)速響應(yīng)的結(jié)果，并隨轉(zhuǎn)速響應(yīng)自動減小，直至新的轉(zhuǎn)矩平衡后為零，穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩只能服從客觀負(fù)載轉(zhuǎn)矩，調(diào)速的實(shí)質(zhì)并非轉(zhuǎn)矩控制。
(3) 調(diào)速效率和特性只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。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介
屈維謙(1948-) 男 高級工程師 1977年畢業(yè)于阜新礦業(yè)大學(xué)，1981年就職于阜新礦務(wù)局設(shè)計(jì)處，1993年8月至今在保定北方調(diào)速有限公司從事異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)工作。
摘自《變頻器世界》
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