交流調速的功控原理與內饋調速

1、 交流調速的功控原理與內饋調速交流調速的功控原理與內饋調速 屈維謙 引言二十世紀九十年代以來，近代交流調速步入了以變頻調速為主導的發(fā)展階段。其間，由于各種新型電力電子器件的支持，使變頻調速在低壓（380V）、中小容量（200KW以下）方面取得了較大的進展。但是面對高壓（6KV-10KV）中大容量領域，由于電力電子器件自身規(guī)律的限制，變頻調速在技術上遇到了很大困難，無論是“高低” 、“高-低-高”以及“多電平串聯(lián)”方案，都在實踐中暴露出技術復雜、價格昂貴、效率降低、可靠性較差等缺點，從理論上看，高壓變頻所面臨的問題是違反電力電子器件客觀規(guī)律的結果，因為目前幾乎所有的電力電子器件，其材料、工藝機理

2、都決定了其屬性是低壓大電流的。盡管如此，高壓變頻的勢頭仍有增無減，除了客觀市場需求的拉動以外（諸如高壓中大容量的風機泵類節(jié)能），主要是“變頻調速是唯一的最佳交流調速”理論導向的結果。變頻調速果真是唯一的最佳交流調速嗎？事實并非如此。例如串級調速不僅具有和變頻調速幾乎一致的調速機械特性，而且調速效率還略高于后者（參考文獻2），當然串級調速存在一些缺點，但較比高壓變頻存在的問題還是容易解決的。根據(jù)傳統(tǒng)電機學理論，交流調速被劃分為變頻、變極和變轉差率三種方案，在缺乏科學分析的條件下，認定變轉差率調速是低效率的，而變極調速又屬于有級調速，因此惟有變頻調速最佳。例如文獻2提出：“變頻調速方法與變轉差調速

3、方法有本質不同，從高速到低速都可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、寬范圍和高精度的調速性能?？梢哉J為，變頻調速是交流電動機的一種比較合理和理想的調速方法?！边@樣，就把變頻調速和變轉差率調速對立起來，并且完全否定了變轉差率調速，顯然與事實不符。盡管很多文獻試圖從轉差功率回收角度來解釋串級調速，但在調速機理和特性等方面仍未得到科學、深入的解答。本文為此對交流調速的原理和方案進行了新的分析和研究，提出了功率控制調速原理，建立了調速公式，同時研究發(fā)明了一種新型交流調速內饋調速，實踐證明，以上的理論和技術是符合客觀科學規(guī)律的，希望引起有關各界的關注。1交流調速的功率控制原理P理論為了探求異步機

4、調速的實質，以及便于深入分析，應首先建立異步機的物理模型。根據(jù)異步機的能量轉換與傳輸原理，異步機等效于圖1的功率園模型。圖1A鼠籠轉子的異步機模型 圖1B 繞線轉子的異步機模型電動機是將電能轉化為機械能的設備。異步機的定子與電源相聯(lián)，從中吸收電功率P1，同時吸收感性無功功率建立旋轉磁場。通過電磁感應將定子的電磁功率傳輸給轉子，是異步機最主要的特征，盡管旋轉磁場的產(chǎn)生和分析較為復雜，但功能卻是簡單明了的。旋轉磁場的功能是將定子的電磁功率傳輸給轉子，轉子則將電磁功率轉化為機械功率，因此，旋轉磁場等效于聯(lián)接定、轉子的功率傳輸通道，稱為感應通道。主磁通是電磁感應中極為重要的參數(shù)，可以形象地認為是感應通

5、道暢通與否的標志，為了保證感應通道暢通，應使主磁通為常量，否則將使功率傳輸?shù)膿p耗增大，并且影響電機的轉矩性能。定、轉子之間傳輸?shù)碾姽β史Q為電磁功率，也是轉化為機械功率的源泉。定子的電磁功率為， （1）即輸入功率與損耗功率之差，轉子的電磁功率則為， （2）意為機械功率與轉子損耗功率之和。定、轉子的電磁功率相等，只是表達形式不同。對于鼠籠型異步機，轉子是短路封閉的，雖然轉子中含有電壓和電流，但卻不能為外界所控制，因此，鼠籠型異步機轉子只有一個機械輸出端口。繞線型異步機的轉子則是開啟的，受外部控制才能形成電氣回路，因此具有機械和電氣兩個輸出端口。由于只有轉子才能將電功率轉換為機械功率，因此是調速分析

6、的主要對象。事實上，所有的異步機調速都是最終通過轉子的功率控制才能完成的，轉子功率控制是調速的必由途徑。根據(jù)力學原理，異步機的角速度， （3）其中：PM為異步機機械功率；T為輸出轉矩。根據(jù)異步機的能量轉換與守恒，轉子的功率方程為 （4）其中：Pem為異步機轉子的電磁功率； 為轉子的損耗功率。因此，異步機輸出角速度表為。 （5）式中的 ， （6）稱為理想空載角速度；， （7）稱為角速度降。量綱變換后，有 ， （8）式中的 ， （9）即為理想空載轉速；， （10）為轉速降。應該注意，和直流電動機一樣，異步機也具有機械運動的理想空載轉速，與同步轉速相比，兩者的定義和屬性都不同，前者屬于機械運動，后者

7、則是非機械的磁場變化。異步機轉速只與理想空載轉速密切相關，而與同步轉速沒有直接、必然的聯(lián)系。異步機的理想空載轉速表達為電磁功率與電磁轉矩之比，其含義是：在假定轉子無損耗的理想狀態(tài)下，異步機的全部電磁功率都轉化為機械功率所能獲得的轉速。由于這種假設只有在理想空載的條件下才能實現(xiàn)，故稱理想空載轉速。理想空載轉速取決于電磁功率，是異步機調速非常重要的參量。轉速降即為轉速損失，取決于損耗功率。按照公式（3），轉矩T似乎也應該成為調速的控制參量，實際上是不可能的。電機穩(wěn)定運行必須遵循轉矩平衡方程式，即電磁轉矩與負載轉矩相等。 （11）負載轉矩是由機械負載本身的性質決定的，既不取決于電機性能也不取決于調速

8、與否，電磁轉矩只能服從客觀存在的負載轉矩，不能隨意改變，否則，破壞了轉矩平衡方程式，電機將無法穩(wěn)定運行。 那么是否可以先改變電磁轉矩，等到轉速達到所需要的數(shù)值時，再調整電磁轉矩，使之與實際的負載轉矩平衡？這在工程上是無法實現(xiàn)的。設想在電磁轉矩改變之后，為了轉矩平衡，就要隨時測量當前的負載轉矩，其復雜性是可想而知的。更為困難的是要控制電磁轉矩立即與當前的負載轉矩相等，其快速性、精確性實際上無法實現(xiàn)，迄今為止，沒有任何調速是這樣控制的。因此電磁轉矩不能成為調速的控制參量（詳見論文交流調速的功率控制原理）。由此可見，交流調速的實質在于功率控制，即電磁功率控制和損耗功率控制兩種原則。電磁功率控制改變的

9、是理想空載轉速，而損耗功率控制則是增大轉速降，前者是高效率節(jié)能型調速，后者則是低效率的耗能型調速。調速性能取決于調速原理，高效率交流調速的關鍵在于如何控制電磁功率，至于選擇定子控制還是轉子控制，僅僅是對象的不同，并沒有本質的區(qū)別。以上就是交流調速的功率控制原理，為了便于稱謂，簡稱為P理論。機械特性是電機調速性能實質的表達，也是評價調速優(yōu)劣的科學依據(jù)。電磁功率控制改變的是理想空載轉速，不增大損耗和轉速降，因此調速機械特性為平行曲線；損耗功率控制增大轉速降，理想空載轉速不變，因此機械特性為匯交曲線。附圖 2 定性地給出了兩種機械特性的曲線。分析表明，由機械特性判斷調速性能的推論也是成立的，即：凡是

10、機械特性為平行曲線的調速，都是高效率、電磁功率控制的調速；而凡是機械特性為匯交曲線的調速則是低效率、損耗功率控制的調速。圖2 a. 電磁功率調速特性 b. 損耗功率調速特性2異步機的理想空載轉速與調速功率控制原理雖然定性地說明了交流調速的機理，卻不能直接用作定量分析。理由是功率本身是多元參數(shù)的合成，工程應用需要具體的物理量和數(shù)學關系。因此，分析導出異步機調速的數(shù)學模型是十分重要的。鑒于重要性和篇幅，對轉速降分析從略，重點分析理想空載轉速。根據(jù)電機學原理，異步機轉子的電磁功率和電磁轉矩方程為 ； （12） 。 （13） 其中，轉矩系數(shù) 。 （14）根據(jù)功率控制原理所得出的公式（6），異步機的理想

11、空載角速度為 ， （15）其中的電勢系數(shù)： （16）。換算成每分鐘轉速，同乘以，有 （17）其中的轉子電勢系數(shù) （18）表明異步機的理想空載轉速與轉子開路電勢E2成正比，與主磁通量成反比。至于電勢系數(shù)，在電機設計制造時多已確定，不易改變，可以當作常量，改變理想空載轉速可以通過 1) 恒磁調壓方法。即，使主磁通不變，調節(jié)轉子電壓（電勢）。2) 恒壓弱磁方法。即，使轉子電壓不變，減小主磁通。公式（15（17）物理意義鮮明，頗具應用價值，實際上高效率交流調都是依據(jù)該式實現(xiàn)的，包括變頻調速、串級調速以及將介紹的內饋調速。6磁通、轉矩與損耗主磁通是異步機中非常重要的物理量，直接影響異步機的性能指標。為了

12、提高調速效率和不影響轉矩輸出能力，調速時應盡量使主磁通為常量，即恒轉矩調速。如果破壞了這一條件，一方面將增大調速損耗，另一方面將減小輸出轉矩。由于磁飽和的約束，控制主磁通只能使之減小，因此所實現(xiàn)的是弱磁調速。弱磁的方法有恒頻降壓和恒壓升頻兩種，前者的理想空載轉速不變，后者的理想空載轉速升高，共同的結果是導致同一負載轉矩下的轉子電流和損耗增大。設負載轉矩不變，根據(jù)轉矩平衡方程式，及 ，主磁通減小將導致定、轉子電流增大，繞組的損耗將按電流的平方律激增，其值為 （19） （20）從而導致電機的轉速降增大，效率降低，異步機定子調壓調速就是實例。弱磁調速同時導致電磁轉矩減小，原因是要保證額定電磁轉矩，在

13、主磁通減小時，必須增大電流，然而受導線面積的限制，電流無法增大，否則將產(chǎn)生熱損耗和溫升，致使電機不能正常運行。因此，弱磁調速必須減小負載轉矩，只能適用于高速輕載的工況。從轉矩輸出角度看，調速可劃分為恒轉矩和恒功率兩種類型。前者是調速時的轉矩輸出能力不變，后者是調速時功率輸出能力不變。工程上應用最多的是恒轉矩調速，也是電機調速性能最理想的方式。下面根據(jù)功率控制原理和公式（15、17）分析交流調速的主要方案和典型方法。3轉子直接控制的調速控制理想空載轉速的方法之一是通過電傳導直接控制轉子的合電勢，按照附圖3 圖3 轉子串聯(lián)附加電勢的等效電路在轉子回路中串聯(lián)附加電勢。此時轉子的合電勢為。 （21）其

14、中的EF為附加電勢，當Ef與E2反極性串聯(lián)時，符號取正，它將使轉子的合電勢增大，理想空載轉速超過同步轉速；而當同極性串聯(lián)時，符號取負，它使轉子的合電勢減小，理想空載轉速低于同步轉速。結合（15）式，此時的理想空載角速度為 。 （22）其中為E2單獨作用下的理想空載角速度，為Ef產(chǎn)生的附加理想空載角速度，實際理想空載角速度為兩者的代數(shù)和。令 ， （23）稱為電轉差率（注意與傳統(tǒng)的轉差率相區(qū)別）。因此， （24） 量綱變換后的理想空載轉速為 。 （25） 轉子串聯(lián)附加電勢調速的特點是定子的原邊電壓和頻率不變，主磁通自然恒定,因此調速如同直流機一樣，只需要控制附加電勢單一變量，系統(tǒng)得以簡化。傳統(tǒng)的串

15、級調速、雙饋調速以及我國首創(chuàng)的內饋調速就是基于上述原理。4 內饋調速的系統(tǒng)與原理內饋調速是我國首創(chuàng)的一種新型交流調速方法，其系統(tǒng)如附圖4 所示圖4 內饋調速系統(tǒng)原理與圖5的串級調速相比，系統(tǒng)的主要特點是：電轉差功率不是外饋電網(wǎng)而是回饋電機內部，目的是為了解決串級調速與雙饋調速存在的問題和缺點。圖5 串級調速系統(tǒng)原理串級調速以及雙饋調速等外饋方式都存在電轉差功率的無謂循環(huán)問題，這是由附加電源外置所決定的。根據(jù)前述的附加電勢調速原理，從轉子移出并反饋電源的電轉差功率是由定子以電能的形式吸收進來的，結果又以同樣的形式輸出出去，沒有產(chǎn)生能量轉換，因此是無謂的。問題是這部分功率要在調速時不斷地循環(huán)，定子

16、除了供給必須的機械功率之外，還要供給電轉差功率。這樣就加重了定子的負擔，特別在恒轉矩負載時，表現(xiàn)為機械功率隨調速而減小，但定子電流和有功功率卻不變，電機運行惡化，因此多應用于風機水泵類負載，而很少在恒轉矩負載上應用。此外，外饋系統(tǒng)還要設置變壓器，一方面增加了系統(tǒng)成本，還造成損耗和對電源的諧波污染。l 內饋繞組內饋調速系統(tǒng)突出特征是將附加電源內置在異步機的內部，方法是在定子上與原繞組同槽嵌放一個內饋繞組。內饋繞組與原繞組只存在電磁感應，沒有電傳導的聯(lián)系。附加電勢由內饋繞組受感應而產(chǎn)生，在典型的低同步調速時，電轉差功率Pes由轉子引出，經(jīng)控制裝置傳輸給內饋繞組。此時，內饋繞組工作在發(fā)電狀態(tài)，通過電

17、磁感應抵消定子原邊輸入的多余電功率。電機調速時定子功率為 （26）式中的轉子功率 （27）由于內饋繞組的發(fā)電功率（）與電轉差功率近似相等，有 （28）因此 （29）定子主要供給機械功率，不含轉差功率，從根本上克服了電轉差功率無謂循環(huán)的缺點。l 性能與特點1) 回避了定子高電壓問題功率較大的電機工作電壓必然高，如果采用定子控制的調速方法，不可避免地要遇到高電壓問題。內饋調速采用的是轉子控制，有效利用了異步機的變壓器機理，避開了高壓問題，實現(xiàn)了高壓電機低壓控制，既降低了成本，又提高了可靠性。2) 無附加的變壓器內饋調速合理利用了異步機的變壓器原理，附加電勢由定子感應產(chǎn)生，系統(tǒng)成本降低，效率提高，是

18、目前所有高壓交流調速效率最高的系統(tǒng)。3) 分布短距和電磁隔離有效地抑制定子諧波電流調速裝置絕大多數(shù)采用電力電子控制，由于電力電子器件的非線性，必然產(chǎn)生諧波，造成對電機和電源的不良影響。電機繞組的分布和短距，對諧波的抑制非常有效，事實上，異步機的繞組就是一個高效的濾波器，這是變壓器的集中繞組望塵莫及的。附圖6是文獻2給出的串級調速轉子和定子電流波形，并得出結論：“異步機轉子電流中含有大量的諧波分量，但由于電動機定轉子繞組的分布系數(shù)和短距系數(shù)之故，使得定子電流定子阻抗壓降中的高次諧波分量都很小，轉子電勢的諧波分量也不大?！眻D6 串級調速的定子和轉子電流示波圖曲線1-轉子電流 曲線2-定子電流有效抑

19、制諧波的另外方法是電磁隔離，利用漏抗對諧波的高阻，可以減小諧波電流。內饋調速的控制裝置分別與轉子和內饋繞組聯(lián)接，和定子沒有電的直接聯(lián)系，轉子及內饋繞組與定子都存在較大的漏抗，因此對諧波產(chǎn)生較大的抑制作用。4) 調速范圍與精度內饋調速有低同步和超同步兩種調速方式，前者的內饋繞組工作于發(fā)電狀態(tài)，后者則是電動狀態(tài)。與變頻調速的超同步狀態(tài)不同的是，內饋調速的主磁通都不變，具有恒轉矩調速特性。工程上應用較多的是低同步調速，因此重點討論。內饋調速的下限轉速取決于，即內饋繞組的電勢與轉子電勢之比。當E3越接近于E2時，下限轉速越低，特別是時，下限轉速為零，調速范圍無窮大，電機自起動就進入調速狀態(tài)。擴大內饋調

20、速的調速范圍在技術上是沒有困難的，但是必須慮及經(jīng)濟性。擴大調速范圍必然增大經(jīng)濟成本，理由是內饋繞組電壓的提高，導致內饋電機的制作成本加大，同時，必然引起電力電子控制器件耐壓等級和其它性能的提高，目前，電力電子器件的工作電壓在低于660V的區(qū)間較為經(jīng)濟可靠，超過這一區(qū)間，一方面成本加大，另一方面可靠性相應降低。因此不要盲目地提高調速范圍，應根據(jù)工程應用的實際需要具體選擇。對于風機水泵類負載，調速以節(jié)能為目標，通常轉速下調（4050）%，電機功率降低為額定值的（2515）%，節(jié)能達到（7585）%，完全滿足了需要，更沒必要過分追求調速范圍。調速精度主要取決于速度閉環(huán)調節(jié)性能的優(yōu)劣，對于調速精度要求

21、較高的場合，內饋調速可采取相應的速度閉環(huán)控制，以達到實際需求。5 定子間接控制的調速方法之二是通過電磁感應間接地控制轉子電勢，控制對象則選擇為定子，由于轉子電勢是由定子電勢感應產(chǎn)生，因此，可以通過控制定子電勢，來改變轉子電勢。根據(jù)電機學，將轉子電勢折算的定子側，有 ， （30） 故按式（15）的推導過程 。 （31）折算為每分鐘轉速，有 。 （32）新量綱下的電勢系數(shù) 。 （33）變頻調速實際遵循的是公式（32），而不是傳統(tǒng)的轉速表達式。為了與傳統(tǒng)的變頻原理相區(qū)別，現(xiàn)重新分析如下。對于附圖7的變頻調速系統(tǒng)圖7 變頻調速的功率控制原理變頻器串聯(lián)于電源和異步機之間，目的在于通過控制定子輸入功率來達

22、到控制定子的電磁功率，從而實現(xiàn)高效率的調速，這是調速的實質。變頻調速有低同步和超同步良種狀態(tài)，前者的主磁通不變，改變定子電壓，屬于恒轉矩調速；后者的定子電壓不變，改變磁通，屬于恒功率的弱磁調速。對于低同步的恒轉矩調速，根據(jù)公式(32)，通過調壓改變定子電勢E1是容易理解的，關鍵在于如何恒磁通。根據(jù)電機學，主磁通 （34）近似與電源電壓成正比，與頻率成反比。為此，在調壓的同時正比地改變頻率，即可保證主磁通恒定。工程上實際應用的變頻調速就是這樣控制的，并非單純改變頻率，否則電機將無法正常運行。對于恒功率的超同步調速，電源電壓不變，單純改變頻率，根據(jù)式(34)，實際上是減小。弱磁的結果是轉速升高，超

23、過同步轉速。但同時輸出轉矩減小，調速時只能保證輸出功率能力不變。通過以上分析，為了實現(xiàn)恒磁通高效率的交流調速，典型方案是異步機的轉子附加電勢調速和定子的變壓變頻調速。前者采用電傳導控制法，由于定子電壓和頻率不變，主磁通自然是恒定的。調速時只需獨立地（即不改變定子電勢E1）控制轉子電勢E2，因此具有技術簡單，經(jīng)濟性好的優(yōu)點。缺點是轉子存在滑環(huán)和電刷；后者采用電磁感應控制法，由于主磁通受控于電源電壓和頻率，為了在調壓時保持主磁通恒定，需要同時改變頻率，使。該方案技術較為復雜，但轉子可以為鼠籠型，避免了前者的缺點。特別應該引起注意的是，兩種控制方案的控制機理是完全一致的，只是控制對象不同。傳統(tǒng)電機學

24、認為兩者分別屬于變轉差率和變頻的不同調速原理，把兩者截然區(qū)別開來的觀點是錯誤的。7異步機的等效直流機模型直流電動機易于實現(xiàn)調速是其突出的優(yōu)點，交流電動機的調速則要困難得多。實際上兩者的調速原理和公式非常相似，并沒有難易之分，問題主要是在技術上。異步機的理想空載轉速公式（17）（28）與直流機的相應轉速公式是基本一致的。同時注意到，在定子電壓作用下，異步機定子產(chǎn)生主磁通為的旋轉磁場，同時產(chǎn)生電磁功率，其方程分別為據(jù)此，異步機的定子可以等效成圖8的直流并激電動機。其中，定子的激磁功能等效為直流機的主磁極；電磁功率傳輸功能等效為電樞。需要注意的是，定子的電磁功率并不直接轉化成機械功率，而是通過電磁感

25、應傳輸給轉子，然后由后者完成機械功率的轉化，因此，如果把電樞定義為“將電磁功率轉化為機械功率的部件”，轉子才是真正的電樞，定子應該稱為“偽電樞”。圖8異步機的等效直流機 圖9異步機恒磁通調速的等效直流機可見，在主磁通不變的條件下，可以通過控制定子電勢來改變異步機的理想空載轉速。問題在于E1與的耦合，單純地改變E1必然導致m變化，為了不使受到影響，需要同時變頻以解除兩者的耦合，致使技術復雜化。對于圖8的等效異步機，如果單純的定子調壓，電勢和主磁通同比變化，理想空載轉速不變，損耗和轉速降反而增大。為了實現(xiàn)恒磁通的高效率調速，必須設法將圖8的直流并激電動機改變?yōu)閳D9的直流他激電動機，顯然，對于直流機是輕而易舉的，而對于異步機則頗為困難，交流調速所以難于直流調速，恐怕原因就在于此。8交流調速的新分類交流調速的劃分應該按照調速原理進行，由于調速原理發(fā)生變化，與傳統(tǒng)電機學的調速分類自然就不盡相同。根據(jù)功率控制原理，交流調速的劃分如下機理 控制對象 方式 特點 特性（n1以下）異步機調速