交流調(diào)速的功率控制分析

[摘 要] 電動機是最基本的電——機能量轉(zhuǎn)換工具，對交流調(diào)速進(jìn)行實質(zhì)性的分析，并得出交流調(diào)速的實質(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)速是高效的損耗功率增大是轉(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

交流調(diào)速實質(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)電機學(xué)對此做了較深入的分析，但所出的異步機轉(zhuǎn)速表達(dá)式卻是由轉(zhuǎn)差率定義變換而產(chǎn)生的，即根據(jù)上述的轉(zhuǎn)速定義式，異步機被傳統(tǒng)理論人為劃分為變頻、變極和變轉(zhuǎn)差率三種調(diào)速方案，湯蘊繆認(rèn)為變頻和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速有本質(zhì)的不同，在縮有交流調(diào)速中，變頻調(diào)速的效率最高，是最合理和理想的方法。這種觀點即缺乏理論依據(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)速效率都很接近，并沒有本質(zhì)不同。鑒于此，本文根據(jù)電動機最基本的電機能量轉(zhuǎn)換原來，所得出的功率控制理論雖然導(dǎo)由異步機，但結(jié)論基本適用于所有電動機。

一、電動機模型與功率控制調(diào)速原來

電動機是將電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，因此可普遍表達(dá)為兩端口網(wǎng)絡(luò)。由電動機輸出端口觀察，根據(jù)動力學(xué)原理，電動機調(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。

二、異步電動機與功率控制調(diào)速原來

異步電動機是電動機的一種，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，異步機也可等效為一個二端網(wǎng)絡(luò)，異步機的定子在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，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，在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子電磁功率除損耗外，轉(zhuǎn)換為機械功率，這種電磁感應(yīng)通道的特點是交流機與直流機的本質(zhì)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(jìn)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)速效率低高，機械特性為平行曲線，后者增大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速效率較低，機械特性為交匯曲線。

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n0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)的，而與同步轉(zhuǎn)速沒有直接必然的聯(lián)系。

三、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現(xiàn)，但在定子控制時，必須注意磁通φm的恒定。

四、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，在調(diào)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(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，但決定電動機轉(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。

對于繞線式異步機調(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。

五、轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速

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。能夠連續(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。轉(zhuǎn)子電磁功率控制的系統(tǒng)構(gòu)成要點是附加電源，它是Pes傳輸所必須的。傳統(tǒng)的方法是外置，例如串級a、雙饋等調(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。該系統(tǒng)突出特征是將附加電源設(shè)置在異步機自身的定子上，附加電勢由電磁感應(yīng)產(chǎn)生 ，在典型的低同步調(diào)速時，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。

六、 結(jié)論

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。

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。

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