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交流調(diào)速的功率控制原理
（作者未知） 2006/10/26
摘 要:本文根據(jù)電動機最基本的電—機能量轉(zhuǎn)換原理，對交流調(diào)速的實質(zhì)進行了新的分析，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)速是高效率的;損耗功率控制增大的是轉(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)對此作了較深入的分析，但所給出的異步機轉(zhuǎn)速表達式卻是由轉(zhuǎn)差率定義式變換而產(chǎn)生的，即根據(jù)上述的轉(zhuǎn)速“定義式”，異步機被傳統(tǒng)理論人為地劃分為變頻、變極和變轉(zhuǎn)差率三種調(diào)速方案，有的文獻還認(rèn)為“變頻和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速有本質(zhì)不同，在所有交流調(diào)速中，變頻調(diào)速的效率最高(理由是轉(zhuǎn)差率不變)是最合理和理想的方法”。這種觀點既缺乏理論依據(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。
有鑒于此，本文根據(jù)電動機最基本的電-機能量轉(zhuǎn)換原理，重新探討異步機調(diào)速的原理，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。
1 電動機模型與功率控制原理
電動機是將電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備，因此可以普遍地表達為圖1的兩端口網(wǎng)絡(luò)。
由電動機輸出端口觀察，根據(jù)動力學(xué)原理
(1)
式中: Pm為輸出機械功率
T為輸出轉(zhuǎn)矩即電磁轉(zhuǎn)矩
Ω為角速度 由此可見，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。公式(6) 是電動機調(diào)速普遍的表達式。
2 異步機模型與功率控制調(diào)速原理
異步機是電動機的一種，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，異步機可以等效成圖2的網(wǎng)絡(luò)模型。異步機的定子通過旋轉(zhuǎn)磁場的作用，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，即圖2中的感應(yīng)通道。在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子電磁功率除損耗外轉(zhuǎn)化為機械功率，這種電磁感應(yīng)通道的特點是交流機與直流機本質(zhì)的區(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)速效率較高，機械特性為平行曲線;后者增大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速效率較低，機械特性為匯交曲線。
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 n 0 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)，而與同步轉(zhuǎn)速沒有直接、必然的聯(lián)系。
3 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，必須要注意主磁通Φm 的恒定。
3.1 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，應(yīng)根據(jù)式(9)，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。變頻調(diào)速的功率控制原理如圖3所示。可見恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速時，其充分條件是調(diào)壓，必要條件是變頻，調(diào)速的實質(zhì)在于電磁功率控制。3.2 轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速
對于繞線式異步機調(diào)速，可以對轉(zhuǎn)子直接進行電磁功率控制。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。 對于圖2(b)的模型，在轉(zhuǎn)子口引入附加電磁功率時，轉(zhuǎn)子的凈電磁功率 (13)
式中: Pem1為定子傳輸給轉(zhuǎn)子的電磁功率
Pes為附加電磁功率，亦稱電轉(zhuǎn)差功率
Pem2將隨Pes 的方向和大小而改變。注意不要把Pes 簡單理解成轉(zhuǎn)差功率Ps ，應(yīng)該把Ps （未完，下一頁）
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