交流調速的功率控制原理與斬波內饋調速

0 引言

斬波內饋調速是我國首創(chuàng )的一種新型交流調速技術(shù)，通過(guò)近20 年的實(shí)踐探索和理論研究，斬波內饋調速取得了長(cháng)足的進(jìn)步，產(chǎn)品在發(fā)電、供水、冶金等領(lǐng)域獲得了推廣應用，技術(shù)經(jīng)濟性能都達到了較為理想的指標。事實(shí)表明，斬波內饋調速具有調速效率高，制造成本低，功率因數高，諧波分量小等一系列優(yōu)點(diǎn)，不僅為我國的風(fēng)機泵類(lèi)節能提供了一種經(jīng)濟、高效的調速技術(shù)和產(chǎn)品，也為世界的交流調速填補了一項空白。

在從事交流調速的多年研發(fā)中，作者發(fā)現變頻調速與串級調速(包括雙饋調速及內饋調速)具有極為相似的調速性能，例如調速效率、機械特性等都很一致，但按傳統理論串級調速屬于變轉差率調速，被認為與變頻調速有著(zhù)本質(zhì)的區別。顯然，面對毋庸質(zhì)疑的客觀(guān)事實(shí)，傳統電機學(xué)理論就值得探討了。

重新審視電機學(xué)的有關(guān)部分，發(fā)現被視為經(jīng)典的異步機轉速公式竟然是一個(gè)人為的定義式，根本無(wú)法成為交流調速的理論依據，自然，按該表達式劃分的調速種類(lèi)和方法也是不科學(xué)的。電機調速的實(shí)質(zhì)究竟是什么，電機調速的統一理論是什么，這是目前交流調速亟待解決的理論問(wèn)題。

為此本文從能量轉換守恒、牛頓力學(xué)定律、電磁感應定律等最基本的物理法則出發(fā)，分析和探討電機調速的實(shí)質(zhì)及統一規律，提出了電機調速的功率控制原理———P理論。P理論表明，包括異步機在內的所有電動(dòng)機，調速的實(shí)質(zhì)是功率控制，電機轉速只能通過(guò)電磁功率或損耗功率的改變才能得到調節，所有的電機調速方法都是功率控制原理的具體實(shí)施。

1 異步機轉速公式的質(zhì)疑

公式是客觀(guān)規律的數學(xué)表達形式，它只能產(chǎn)生于已有的定律、公式，而不能產(chǎn)生于人為的定義。

經(jīng)典電機學(xué)的異步機轉速公式是這樣建立的。

首先定義轉差率s，令

我們注意到，式(4)與式(2)沒(méi)有本質(zhì)變化，盡管式(3)是公式，但它僅僅起到參數變換作用，并沒(méi)有改變式(1)、(2)的定義式性質(zhì)。因此，我們認為式(4)只不過(guò)是人為的定義式，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)科學(xué)論證之前，是不能稱(chēng)其為公式的。

2 電動(dòng)機模型與功率控制原理

電動(dòng)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所示的四端網(wǎng)絡(luò )。

負載轉矩Mfz是由負載決定的客觀(guān)存在，電磁轉矩則跟隨著(zhù)負載轉矩的變化而變化，負載轉矩的每一次變化，都將引起電磁轉矩的變化，這一動(dòng)態(tài)變化過(guò)程及對轉速的影響如下。

可見(jiàn)，電動(dòng)機調速時(shí)，軸功率是主變控制量，電磁轉矩是因變量，調速的本質(zhì)在于功率控制?，F在的問(wèn)題是如何用電氣的方法控制軸功率PM。

式(16)是電動(dòng)機調速普遍規律的表達式。由此可見(jiàn)，電動(dòng)機調速的原則有兩種：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。

3 異步機模型與調速的功控原理

異步機是電動(dòng)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3所示的網(wǎng)絡(luò )模型，也稱(chēng)為功率圓圖。

定子和轉子是構成異步機的兩個(gè)重要部件，也是異步機能量傳輸和轉換的關(guān)鍵單元。異步機的定子與電源相聯(lián)并吸收電功率P1，扣除損耗形成電磁功率Pem，定子通過(guò)旋轉磁場(chǎng)的作用，將電磁功率傳輸給轉子，因此旋轉磁場(chǎng)可以等效為電磁功率的傳輸通道，即圖3 中的感應通道，在磁場(chǎng)的作用下，轉子電磁功率除損耗外轉化為軸功率。這種電磁感應通道的特點(diǎn)是交流機與直流機本質(zhì)的區別。

衡量磁場(chǎng)的主要物理量是主磁通椎m ，為了使電磁感應通道暢通，不產(chǎn)生堵塞而造成損耗，根據電機學(xué)理論，應該使主磁通椎m保持恒定。這是調速時(shí)必須引起注意的。

異步機按轉子型式分為鼠籠型和繞線(xiàn)型，前者轉子是封閉短路的，因此只有一個(gè)軸功率輸出端口;后者轉子是開(kāi)啟的，因此具有軸功率和電功率兩個(gè)端口。轉子的電功率端口可以通過(guò)與外電路聯(lián)接進(jìn)行功率交換，由于轉子電壓較低，因此可以實(shí)現高壓電機低壓控制的調速，這是繞線(xiàn)異步機獨具的優(yōu)點(diǎn)。

異步機調速可以通過(guò)定子口或轉子口對電動(dòng)機實(shí)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，調速是高效率的，且機械特性為平行曲線(xiàn);后者增大轉速降，調速是低效率的，機械特性為匯交曲線(xiàn)。電機調速的效率只取決于

功率控制的屬性，并不在于變頻還是變轉差率，因此，傳統理論把變頻調速和變轉差率調速對立起來(lái)的觀(guān)點(diǎn)是錯誤的。

應該注意同步轉速和理想空載轉速有本質(zhì)的區別，同步轉速n1是旋轉磁場(chǎng)的變化速度，理想空載轉速n0是假定轉子全部電磁功率都轉換為軸功率的機械速度。電動(dòng)機的轉速和調速效率只與n0密切相關(guān)，而與同步轉速沒(méi)有直接、必然的聯(lián)系。

4 變頻調速的功率控制原理

從功率控制角度觀(guān)察，變頻調速是典型的定子電磁功率控制調速。定子控制是間接控制轉子的調速，由于定、轉子電磁功率相等，而定子電磁功率

保持不變，從而實(shí)現高效率的電磁功率控制調速。變頻調速時(shí)，理想空載轉速n0隨U1改變，此時(shí)同步轉速n1隨f1而變，且有n0=n1，但決定電動(dòng)機轉速的是n0而不是n1，下面將會(huì )看到，即使n1不變，n0也可隨電磁功率改變。

根據上述分析，恒轉矩變頻調速時(shí)，其充分條件是調壓，必要條件是變頻，調速的實(shí)質(zhì)在于對電磁功率控制。

5 轉子電磁功率控制調速與內饋調速

對于繞線(xiàn)轉子異步機，可以對轉子直接實(shí)施電磁功率控制。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，使理想空載轉速得以調節。

轉子電磁功率控制有以下特點(diǎn)：

1)定子電壓、頻率不變，主磁通亦不變，因此調速是恒轉矩的;

2)同步轉速不變，理想空載轉速卻可變(n1 與n0無(wú)直接必然的聯(lián)系);

3)技術(shù)簡(jiǎn)單，效率高，經(jīng)濟性好。

對于圖3(b)的轉子電磁功率控制，當在轉子的轉差功率端口引入附加的電磁功率時(shí)，轉子的凈電磁功率

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