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的一種新型交流調速技術，通過近20 年的實踐探索和理論研究，斬波內饋調速取得了長足的進步，產品在發電、供水、冶金等領域獲得了推廣應用，技術經濟性能都達到了較為理想的指標。事實表明，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點，不僅為我國的風機泵類節能提供了一種經濟、高效的調速技術和產品，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中，作者發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本質的區別。顯然，面對毋庸質疑的客觀事實，傳統電機學理論就值得探討了。

重新審視電機學的有關部分，發現被視為經典的異步機轉速公式竟然是一個人為的定義式，根本無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和方法也是不科學的。電機調速的實質究竟是什么，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題。

為此本文從能量轉換守恒、牛頓力學定律、電磁感應定律等最基本的物理法則出發，分析和探討電機調速的實質及統一規律，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機，調速的實質是功率控制，電機轉速只能通過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施。

1 異步機轉速公式的質疑

公式是客觀規律的數學表達形式，它只能產生于已有的定律、公式，而不能產生于人為的定義。

經典電機學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)沒有本質變化，盡管式(3)是公式，但它僅僅起到參數變換作用，并沒有改變式(1)、(2)的定義式性質。因此，我們認為式(4)只不過是人為的定義式，在沒有經過科學論證之前，是不能稱其為公式的。

2 電動機模型與功率控制原理

電動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所示的四端網絡。

負載轉矩Mfz是由負載決定的客觀存在，電磁轉矩則跟隨著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，這一動態變化過程及對轉速的影響如下。

可見，電動機調速時，軸功率是主變控制量，電磁轉矩是因變量，調速的本質在于功率控制。現在的問題是如何用電氣的方法控制軸功率PM。

式(16)是電動機調速普遍規律的表達式。由此可見，電動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所示的網絡模型，也稱為功率圓圖。

定子和轉子是構成異步機的兩個重要部件，也是異步機能量傳輸和轉換的關鍵單元。異步機的定子與電源相聯并吸收電功率P1，扣除損耗形成電磁功率Pem，定子通過旋轉磁場的作用，將電磁功率傳輸給轉子，因此旋轉磁場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是交流機與直流機本質的區別。

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

異步機按轉子型式分為鼠籠型和繞線型，前者轉子是封閉短路的，因此只有一個軸功率輸出端口;后者轉子是開啟的，因此具有軸功率和電功率兩個端口。轉子的電功率端口可以通過與外電路聯接進行功率交換，由于轉子電壓較低，因此可以實現高壓電機低壓控制的調速，這是繞線異步機獨具的優點。

異步機調速可以通過定子口或轉子口對電動機實施功率控制調速，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;后者增大轉速降，調速是低效率的，機械特性為匯交曲線。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的觀點是錯誤的。

應該注意同步轉速和理想空載轉速有本質的區別，同步轉速n1是旋轉磁場的變化速度，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。電動機的轉速和調速效率只與n0密切相關，而與同步轉速沒有直接、必然的聯系。

4 變頻調速的功率控制原理

從功率控制角度觀察，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，從而實現高效率的電磁功率控制調速。變頻調速時，理想空載轉速n0隨U1改變，此時同步轉速n1隨f1而變，且有n0=n1，但決定電動機轉速的是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。

根據上述分析，恒轉矩變頻調速時，其充分條件是調壓，必要條件是變頻，調速的實質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

對于繞線轉子異步機，可以對轉子直接實施電磁功率控制。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：

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無直接必然的聯系);

3)技術簡單，效率高，經濟性好。

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，轉子的凈電磁功率

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