交流調(diào)速的功控原理與內(nèi)饋調(diào)速

1、 交流調(diào)速的功控原理與內(nèi)饋調(diào)速交流調(diào)速的功控原理與內(nèi)饋調(diào)速 屈維謙 引言二十世紀(jì)九十年代以來(lái)，近代交流調(diào)速步入了以變頻調(diào)速為主導(dǎo)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(diào)速在低壓（380V）、中小容量（200KW以下）方面取得了較大的進(jìn)展。但是面對(duì)高壓（6KV-10KV）中大容量領(lǐng)域，由于電力電子器件自身規(guī)律的限制，變頻調(diào)速在技術(shù)上遇到了很大困難，無(wú)論是“高低” 、“高-低-高”以及“多電平串聯(lián)”方案，都在實(shí)踐中暴露出技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、效率降低、可靠性較差等缺點(diǎn)，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(jié)果，因?yàn)槟壳皫缀跛械碾娏﹄娮悠骷洳牧稀⒐に嚈C(jī)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(shì)頭仍有增無(wú)減，除了客觀市場(chǎng)需求的拉動(dòng)以外（諸如高壓中大容量的風(fēng)機(jī)泵類節(jié)能），主要是“變頻調(diào)速是唯一的最佳交流調(diào)速”理論導(dǎo)向的結(jié)果。變頻調(diào)速果真是唯一的最佳交流調(diào)速嗎？事實(shí)并非如此。例如串級(jí)調(diào)速不僅具有和變頻調(diào)速幾乎一致的調(diào)速機(jī)械特性，而且調(diào)速效率還略高于后者（參考文獻(xiàn)2），當(dāng)然串級(jí)調(diào)速存在一些缺點(diǎn)，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(jī)學(xué)理論，交流調(diào)速被劃分為變頻、變極和變轉(zhuǎn)差率三種方案，在缺乏科學(xué)分析的條件下，認(rèn)定變轉(zhuǎn)差率調(diào)速是低效率的，而變極調(diào)速又屬于有級(jí)調(diào)速，因此惟有變頻調(diào)速最佳。例如文獻(xiàn)2提出：“變頻調(diào)速方法與變轉(zhuǎn)差調(diào)速

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

4、調(diào)速的實(shí)質(zhì)，以及便于深入分析，應(yīng)首先建立異步機(jī)的物理模型。根據(jù)異步機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與傳輸原理，異步機(jī)等效于圖1的功率園模型。圖1A鼠籠轉(zhuǎn)子的異步機(jī)模型 圖1B 繞線轉(zhuǎn)子的異步機(jī)模型電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備。異步機(jī)的定子與電源相聯(lián)，從中吸收電功率P1，同時(shí)吸收感性無(wú)功功率建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。通過電磁感應(yīng)將定子的電磁功率傳輸給轉(zhuǎn)子，是異步機(jī)最主要的特征，盡管旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生和分析較為復(fù)雜，但功能卻是簡(jiǎn)單明了的。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的功能是將定子的電磁功率傳輸給轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子則將電磁功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，因此，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效于聯(lián)接定、轉(zhuǎn)子的功率傳輸通道，稱為感應(yīng)通道。主磁通是電磁感應(yīng)中極為重要的參數(shù)，可以形象地認(rèn)為是感應(yīng)通

5、道暢通與否的標(biāo)志，為了保證感應(yīng)通道暢通，應(yīng)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(jī)的轉(zhuǎn)矩性能。定、轉(zhuǎn)子之間傳輸?shù)碾姽β史Q為電磁功率，也是轉(zhuǎn)化為機(jī)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(zhuǎn)子的電磁功率則為， （2）意為機(jī)械功率與轉(zhuǎn)子損耗功率之和。定、轉(zhuǎn)子的電磁功率相等，只是表達(dá)形式不同。對(duì)于鼠籠型異步機(jī)，轉(zhuǎn)子是短路封閉的，雖然轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子只有一個(gè)機(jī)械輸出端口。繞線型異步機(jī)的轉(zhuǎn)子則是開啟的，受外部控制才能形成電氣回路，因此具有機(jī)械和電氣兩個(gè)輸出端口。由于只有轉(zhuǎn)子才能將電功率轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率，因此是調(diào)速分析

6、的主要對(duì)象。事實(shí)上，所有的異步機(jī)調(diào)速都是最終通過轉(zhuǎn)子的功率控制才能完成的，轉(zhuǎn)子功率控制是調(diào)速的必由途徑。根據(jù)力學(xué)原理，異步機(jī)的角速度， （3）其中：PM為異步機(jī)機(jī)械功率；T為輸出轉(zhuǎn)矩。根據(jù)異步機(jī)的能量轉(zhuǎn)換與守恒，轉(zhuǎn)子的功率方程為 （4）其中：Pem為異步機(jī)轉(zhuǎn)子的電磁功率； 為轉(zhuǎn)子的損耗功率。因此，異步機(jī)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(zhuǎn)速；， （10）為轉(zhuǎn)速降。應(yīng)該注意，和直流電動(dòng)機(jī)一樣，異步機(jī)也具有機(jī)械運(yùn)動(dòng)的理想空載轉(zhuǎn)速，與同步轉(zhuǎn)速相比，兩者的定義和屬性都不同，前者屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)，后者

7、則是非機(jī)械的磁場(chǎng)變化。異步機(jī)轉(zhuǎn)速只與理想空載轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，而與同步轉(zhuǎn)速?zèng)]有直接、必然的聯(lián)系。異步機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速表達(dá)為電磁功率與電磁轉(zhuǎn)矩之比，其含義是：在假定轉(zhuǎn)子無(wú)損耗的理想狀態(tài)下，異步機(jī)的全部電磁功率都轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率所能獲得的轉(zhuǎn)速。由于這種假設(shè)只有在理想空載的條件下才能實(shí)現(xiàn)，故稱理想空載轉(zhuǎn)速。理想空載轉(zhuǎn)速取決于電磁功率，是異步機(jī)調(diào)速非常重要的參量。轉(zhuǎn)速降即為轉(zhuǎn)速損失，取決于損耗功率。按照公式（3），轉(zhuǎn)矩T似乎也應(yīng)該成為調(diào)速的控制參量，實(shí)際上是不可能的。電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行必須遵循轉(zhuǎn)矩平衡方程式，即電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等。 （11）負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由機(jī)械負(fù)載本身的性質(zhì)決定的，既不取決于電機(jī)性能也不取決于調(diào)速

8、與否，電磁轉(zhuǎn)矩只能服從客觀存在的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，不能隨意改變，否則，破壞了轉(zhuǎn)矩平衡方程式，電機(jī)將無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。 那么是否可以先改變電磁轉(zhuǎn)矩，等到轉(zhuǎn)速達(dá)到所需要的數(shù)值時(shí)，再調(diào)整電磁轉(zhuǎn)矩，使之與實(shí)際的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡？這在工程上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。設(shè)想在電磁轉(zhuǎn)矩改變之后，為了轉(zhuǎn)矩平衡，就要隨時(shí)測(cè)量當(dāng)前的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其復(fù)雜性是可想而知的。更為困難的是要控制電磁轉(zhuǎn)矩立即與當(dāng)前的負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，其快速性、精確性實(shí)際上無(wú)法實(shí)現(xiàn)，迄今為止，沒有任何調(diào)速是這樣控制的。因此電磁轉(zhuǎn)矩不能成為調(diào)速的控制參量（詳見論文交流調(diào)速的功率控制原理）。由此可見，交流調(diào)速的實(shí)質(zhì)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(zhuǎn)速，而損耗功率控制則是增大轉(zhuǎn)速降，前者是高效率節(jié)能型調(diào)速，后者則是低效率的耗能型調(diào)速。調(diào)速性能取決于調(diào)速原理，高效率交流調(diào)速的關(guān)鍵在于如何控制電磁功率，至于選擇定子控制還是轉(zhuǎn)子控制，僅僅是對(duì)象的不同，并沒有本質(zhì)的區(qū)別。以上就是交流調(diào)速的功率控制原理，為了便于稱謂，簡(jiǎn)稱為P理論。機(jī)械特性是電機(jī)調(diào)速性能實(shí)質(zhì)的表達(dá)，也是評(píng)價(jià)調(diào)速優(yōu)劣的科學(xué)依據(jù)。電磁功率控制改變的是理想空載轉(zhuǎn)速，不增大損耗和轉(zhuǎn)速降，因此調(diào)速機(jī)械特性為平行曲線；損耗功率控制增大轉(zhuǎn)速降，理想空載轉(zhuǎn)速不變，因此機(jī)械特性為匯交曲線。附圖 2 定性地給出了兩種機(jī)械特性的曲線。分析表明，由機(jī)械特性判斷調(diào)速性能的推論也是成立的，即：凡是

10、機(jī)械特性為平行曲線的調(diào)速，都是高效率、電磁功率控制的調(diào)速；而凡是機(jī)械特性為匯交曲線的調(diào)速則是低效率、損耗功率控制的調(diào)速。圖2 a. 電磁功率調(diào)速特性 b. 損耗功率調(diào)速特性2異步機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速與調(diào)速功率控制原理雖然定性地說(shuō)明了交流調(diào)速的機(jī)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(yīng)用需要具體的物理量和數(shù)學(xué)關(guān)系。因此，分析導(dǎo)出異步機(jī)調(diào)速的數(shù)學(xué)模型是十分重要的。鑒于重要性和篇幅，對(duì)轉(zhuǎn)速降分析從略，重點(diǎn)分析理想空載轉(zhuǎn)速。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步機(jī)轉(zhuǎn)子的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩方程為 ； （12） 。 （13） 其中，轉(zhuǎn)矩系數(shù) 。 （14）根據(jù)功率控制原理所得出的公式（6），異步機(jī)的理想

11、空載角速度為 ， （15）其中的電勢(shì)系數(shù)： （16）。換算成每分鐘轉(zhuǎn)速，同乘以，有 （17）其中的轉(zhuǎn)子電勢(shì)系數(shù) （18）表明異步機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子開路電勢(shì)E2成正比，與主磁通量成反比。至于電勢(shì)系數(shù)，在電機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)多已確定，不易改變，可以當(dāng)作常量，改變理想空載轉(zhuǎn)速可以通過 1) 恒磁調(diào)壓方法。即，使主磁通不變，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓（電勢(shì)）。2) 恒壓弱磁方法。即，使轉(zhuǎn)子電壓不變，減小主磁通。公式（15（17）物理意義鮮明，頗具應(yīng)用價(jià)值，實(shí)際上高效率交流調(diào)都是依據(jù)該式實(shí)現(xiàn)的，包括變頻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速以及將介紹的內(nèi)饋調(diào)速。6磁通、轉(zhuǎn)矩與損耗主磁通是異步機(jī)中非常重要的物理量，直接影響異步機(jī)的性能指標(biāo)。為了

12、提高調(diào)速效率和不影響轉(zhuǎn)矩輸出能力，調(diào)速時(shí)應(yīng)盡量使主磁通為常量，即恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。如果破壞了這一條件，一方面將增大調(diào)速損耗，另一方面將減小輸出轉(zhuǎn)矩。由于磁飽和的約束，控制主磁通只能使之減小，因此所實(shí)現(xiàn)的是弱磁調(diào)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(zhuǎn)速不變，后者的理想空載轉(zhuǎn)速升高，共同的結(jié)果是導(dǎo)致同一負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)子電流和損耗增大。設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程式，及 ，主磁通減小將導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)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(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)速降增大，效率降低，異步機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速就是實(shí)例。弱磁調(diào)速同時(shí)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩減小，原因是要保證額定電磁轉(zhuǎn)矩，在

13、主磁通減小時(shí)，必須增大電流，然而受導(dǎo)線面積的限制，電流無(wú)法增大，否則將產(chǎn)生熱損耗和溫升，致使電機(jī)不能正常運(yùn)行。因此，弱磁調(diào)速必須減小負(fù)載轉(zhuǎn)矩，只能適用于高速輕載的工況。從轉(zhuǎn)矩輸出角度看，調(diào)速可劃分為恒轉(zhuǎn)矩和恒功率兩種類型。前者是調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩輸出能力不變，后者是調(diào)速時(shí)功率輸出能力不變。工程上應(yīng)用最多的是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也是電機(jī)調(diào)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(diào)速的主要方案和典型方法。3轉(zhuǎn)子直接控制的調(diào)速控制理想空載轉(zhuǎn)速的方法之一是通過電傳導(dǎo)直接控制轉(zhuǎn)子的合電勢(shì)，按照附圖3 圖3 轉(zhuǎn)子串聯(lián)附加電勢(shì)的等效電路在轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)附加電勢(shì)。此時(shí)轉(zhuǎn)子的合電勢(shì)為。 （21）其

14、中的EF為附加電勢(shì)，當(dāng)Ef與E2反極性串聯(lián)時(shí)，符號(hào)取正，它將使轉(zhuǎn)子的合電勢(shì)增大，理想空載轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速；而當(dāng)同極性串聯(lián)時(shí)，符號(hào)取負(fù)，它使轉(zhuǎn)子的合電勢(shì)減小，理想空載轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速。結(jié)合（15）式，此時(shí)的理想空載角速度為 。 （22）其中為E2單獨(dú)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(shí)際理想空載角速度為兩者的代數(shù)和。令 ， （23）稱為電轉(zhuǎn)差率（注意與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)差率相區(qū)別）。因此， （24） 量綱變換后的理想空載轉(zhuǎn)速為 。 （25） 轉(zhuǎn)子串聯(lián)附加電勢(shì)調(diào)速的特點(diǎn)是定子的原邊電壓和頻率不變，主磁通自然恒定,因此調(diào)速如同直流機(jī)一樣，只需要控制附加電勢(shì)單一變量，系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。傳統(tǒng)的串

15、級(jí)調(diào)速、雙饋調(diào)速以及我國(guó)首創(chuàng)的內(nèi)饋調(diào)速就是基于上述原理。4 內(nèi)饋調(diào)速的系統(tǒng)與原理內(nèi)饋調(diào)速是我國(guó)首創(chuàng)的一種新型交流調(diào)速方法，其系統(tǒng)如附圖4 所示圖4 內(nèi)饋調(diào)速系統(tǒng)原理與圖5的串級(jí)調(diào)速相比，系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：電轉(zhuǎn)差功率不是外饋電網(wǎng)而是回饋電機(jī)內(nèi)部，目的是為了解決串級(jí)調(diào)速與雙饋調(diào)速存在的問題和缺點(diǎn)。圖5 串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理串級(jí)調(diào)速以及雙饋調(diào)速等外饋方式都存在電轉(zhuǎn)差功率的無(wú)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(shì)調(diào)速原理，從轉(zhuǎn)子移出并反饋電源的電轉(zhuǎn)差功率是由定子以電能的形式吸收進(jìn)來(lái)的，結(jié)果又以同樣的形式輸出出去，沒有產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，因此是無(wú)謂的。問題是這部分功率要在調(diào)速時(shí)不斷地循環(huán)，定子

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

17、磁感應(yīng)抵消定子原邊輸入的多余電功率。電機(jī)調(diào)速時(shí)定子功率為 （26）式中的轉(zhuǎn)子功率 （27）由于內(nèi)饋繞組的發(fā)電功率（）與電轉(zhuǎn)差功率近似相等，有 （28）因此 （29）定子主要供給機(jī)械功率，不含轉(zhuǎn)差功率，從根本上克服了電轉(zhuǎn)差功率無(wú)謂循環(huán)的缺點(diǎn)。l 性能與特點(diǎn)1) 回避了定子高電壓?jiǎn)栴}功率較大的電機(jī)工作電壓必然高，如果采用定子控制的調(diào)速方法，不可避免地要遇到高電壓?jiǎn)栴}。內(nèi)饋調(diào)速采用的是轉(zhuǎn)子控制，有效利用了異步機(jī)的變壓器機(jī)理，避開了高壓?jiǎn)栴}，實(shí)現(xiàn)了高壓電機(jī)低壓控制，既降低了成本，又提高了可靠性。2) 無(wú)附加的變壓器內(nèi)饋調(diào)速合理利用了異步機(jī)的變壓器原理，附加電勢(shì)由定子感應(yīng)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(diào)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(diào)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(duì)電機(jī)和電源的不良影響。電機(jī)繞組的分布和短距，對(duì)諧波的抑制非常有效，事實(shí)上，異步機(jī)的繞組就是一個(gè)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(xiàn)2給出的串級(jí)調(diào)速轉(zhuǎn)子和定子電流波形，并得出結(jié)論：“異步機(jī)轉(zhuǎn)子電流中含有大量的諧波分量，但由于電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子電勢(shì)的諧波分量也不大?！眻D6 串級(jí)調(diào)速的定子和轉(zhuǎn)子電流示波圖曲線1-轉(zhuǎn)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(duì)諧波的高阻，可以減小諧波電流。內(nèi)饋調(diào)速的控制裝置分別與轉(zhuǎn)子和內(nèi)饋繞組聯(lián)接，和定子沒有電的直接聯(lián)系，轉(zhuǎn)子及內(nèi)饋繞組與定子都存在較大的漏抗，因此對(duì)諧波產(chǎn)生較大的抑制作用。4) 調(diào)速范圍與精度內(nèi)饋調(diào)速有低同步和超同步兩種調(diào)速方式，前者的內(nèi)饋繞組工作于發(fā)電狀態(tài)，后者則是電動(dòng)狀態(tài)。與變頻調(diào)速的超同步狀態(tài)不同的是，內(nèi)饋調(diào)速的主磁通都不變，具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性。工程上應(yīng)用較多的是低同步調(diào)速，因此重點(diǎn)討論。內(nèi)饋調(diào)速的下限轉(zhuǎn)速取決于，即內(nèi)饋繞組的電勢(shì)與轉(zhuǎn)子電勢(shì)之比。當(dāng)E3越接近于E2時(shí)，下限轉(zhuǎn)速越低，特別是時(shí)，下限轉(zhuǎn)速為零，調(diào)速范圍無(wú)窮大，電機(jī)自起動(dòng)就進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)。擴(kuò)大內(nèi)饋調(diào)

20、速的調(diào)速范圍在技術(shù)上是沒有困難的，但是必須慮及經(jīng)濟(jì)性。擴(kuò)大調(diào)速范圍必然增大經(jīng)濟(jì)成本，理由是內(nèi)饋繞組電壓的提高，導(dǎo)致內(nèi)饋電機(jī)的制作成本加大，同時(shí)，必然引起電力電子控制器件耐壓等級(jí)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(jì)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(yīng)降低。因此不要盲目地提高調(diào)速范圍，應(yīng)根據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)際需要具體選擇。對(duì)于風(fēng)機(jī)水泵類負(fù)載，調(diào)速以節(jié)能為目標(biāo)，通常轉(zhuǎn)速下調(diào)（4050）%，電機(jī)功率降低為額定值的（2515）%，節(jié)能達(dá)到（7585）%，完全滿足了需要，更沒必要過分追求調(diào)速范圍。調(diào)速精度主要取決于速度閉環(huán)調(diào)節(jié)性能的優(yōu)劣，對(duì)于調(diào)速精度要求

21、較高的場(chǎng)合，內(nèi)饋調(diào)速可采取相應(yīng)的速度閉環(huán)控制，以達(dá)到實(shí)際需求。5 定子間接控制的調(diào)速方法之二是通過電磁感應(yīng)間接地控制轉(zhuǎn)子電勢(shì)，控制對(duì)象則選擇為定子，由于轉(zhuǎn)子電勢(shì)是由定子電勢(shì)感應(yīng)產(chǎn)生，因此，可以通過控制定子電勢(shì)，來(lái)改變轉(zhuǎn)子電勢(shì)。根據(jù)電機(jī)學(xué)，將轉(zhuǎn)子電勢(shì)折算的定子側(cè)，有 ， （30） 故按式（15）的推導(dǎo)過程 。 （31）折算為每分鐘轉(zhuǎn)速，有 。 （32）新量綱下的電勢(shì)系數(shù) 。 （33）變頻調(diào)速實(shí)際遵循的是公式（32），而不是傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速表達(dá)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(duì)于附圖7的變頻調(diào)速系統(tǒng)圖7 變頻調(diào)速的功率控制原理變頻器串聯(lián)于電源和異步機(jī)之間，目的在于通過控制定子輸入功率來(lái)達(dá)

22、到控制定子的電磁功率，從而實(shí)現(xiàn)高效率的調(diào)速，這是調(diào)速的實(shí)質(zhì)。變頻調(diào)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(zhuǎn)矩調(diào)速；后者的定子電壓不變，改變磁通，屬于恒功率的弱磁調(diào)速。對(duì)于低同步的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，根據(jù)公式(32)，通過調(diào)壓改變定子電勢(shì)E1是容易理解的，關(guān)鍵在于如何恒磁通。根據(jù)電機(jī)學(xué)，主磁通 （34）近似與電源電壓成正比，與頻率成反比。為此，在調(diào)壓的同時(shí)正比地改變頻率，即可保證主磁通恒定。工程上實(shí)際應(yīng)用的變頻調(diào)速就是這樣控制的，并非單純改變頻率，否則電機(jī)將無(wú)法正常運(yùn)行。對(duì)于恒功率的超同步調(diào)速，電源電壓不變，單純改變頻率，根據(jù)式(34)，實(shí)際上是減小。弱磁的結(jié)果是轉(zhuǎn)速升高，超

23、過同步轉(zhuǎn)速。但同時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩減小，調(diào)速時(shí)只能保證輸出功率能力不變。通過以上分析，為了實(shí)現(xiàn)恒磁通高效率的交流調(diào)速，典型方案是異步機(jī)的轉(zhuǎn)子附加電勢(shì)調(diào)速和定子的變壓變頻調(diào)速。前者采用電傳導(dǎo)控制法，由于定子電壓和頻率不變，主磁通自然是恒定的。調(diào)速時(shí)只需獨(dú)立地（即不改變定子電勢(shì)E1）控制轉(zhuǎn)子電勢(shì)E2，因此具有技術(shù)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子存在滑環(huán)和電刷；后者采用電磁感應(yīng)控制法，由于主磁通受控于電源電壓和頻率，為了在調(diào)壓時(shí)保持主磁通恒定，需要同時(shí)改變頻率，使。該方案技術(shù)較為復(fù)雜，但轉(zhuǎn)子可以為鼠籠型，避免了前者的缺點(diǎn)。特別應(yīng)該引起注意的是，兩種控制方案的控制機(jī)理是完全一致的，只是控制對(duì)象不同。傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)

24、認(rèn)為兩者分別屬于變轉(zhuǎn)差率和變頻的不同調(diào)速原理，把兩者截然區(qū)別開來(lái)的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。7異步機(jī)的等效直流機(jī)模型直流電動(dòng)機(jī)易于實(shí)現(xiàn)調(diào)速是其突出的優(yōu)點(diǎn)，交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速則要困難得多。實(shí)際上兩者的調(diào)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(shù)上。異步機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速公式（17）（28）與直流機(jī)的相應(yīng)轉(zhuǎn)速公式是基本一致的。同時(shí)注意到，在定子電壓作用下，異步機(jī)定子產(chǎn)生主磁通為的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)產(chǎn)生電磁功率，其方程分別為據(jù)此，異步機(jī)的定子可以等效成圖8的直流并激電動(dòng)機(jī)。其中，定子的激磁功能等效為直流機(jī)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(zhuǎn)化成機(jī)械功率，而是通過電磁感

25、應(yīng)傳輸給轉(zhuǎn)子，然后由后者完成機(jī)械功率的轉(zhuǎn)化，因此，如果把電樞定義為“將電磁功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率的部件”，轉(zhuǎn)子才是真正的電樞，定子應(yīng)該稱為“偽電樞”。圖8異步機(jī)的等效直流機(jī) 圖9異步機(jī)恒磁通調(diào)速的等效直流機(jī)可見，在主磁通不變的條件下，可以通過控制定子電勢(shì)來(lái)改變異步機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速。問題在于E1與的耦合，單純地改變E1必然導(dǎo)致m變化，為了不使受到影響，需要同時(shí)變頻以解除兩者的耦合，致使技術(shù)復(fù)雜化。對(duì)于圖8的等效異步機(jī)，如果單純的定子調(diào)壓，電勢(shì)和主磁通同比變化，理想空載轉(zhuǎn)速不變，損耗和轉(zhuǎn)速降反而增大。為了實(shí)現(xiàn)恒磁通的高效率調(diào)速，必須設(shè)法將圖8的直流并激電動(dòng)機(jī)改變?yōu)閳D9的直流他激電動(dòng)機(jī)，顯然，對(duì)于直流機(jī)是輕而易舉的，而對(duì)于異步機(jī)則頗為困難，交流調(diào)速所以難于直流調(diào)速，恐怕原因就在于此。8交流調(diào)速的新分類交流調(diào)速的劃分應(yīng)該按照調(diào)速原理進(jìn)行，由于調(diào)速原理發(fā)生變化，與傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)的調(diào)速分類自然就不盡相同。根據(jù)功率控制原理，交流調(diào)速的劃分如下機(jī)理 控制對(duì)象 方式 特點(diǎn) 特性（n1以下）異步機(jī)調(diào)速