交流調速功率控制論文

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摘要:本文根據電動機最基本的電—機能量轉換原理，對交流調速的實質進行了新的分析，并得出交流調速的實質是功率控制的結論。交流調速的所有方法都可歸結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速，調速是高效率的;損耗功率控制增大的是轉速降，調速是低效率的。

關鍵詞:交流調速功率控制效率

Abstract:Accordingtotheelectromechanicalenergyconversionprinciple,theessenceof

ACspeedregulationisanalyzedthoroughly;moreover,acreativeconclusionthatthe

essenceofACspeedregulationliesinthepowercontrolisdrawninthispaper.Infact,

alltheACspeedregulationapproachescanbegeneralizedintwobasicstrategies,

electromagneticpowercontrolandlosspowercontrol.Theformeristoadjusttheideal

no-loadrotationspeed,andthuspossesseshighefficiency.Whereas,thelatteristoregulate

therotationspeeddepression,andthuspossesseslowefficiency.

Keywords:ACspeedregulationPowercontrolEfficiency

[中圖分類號]TM343[文獻標識碼]B文章編碼1561-03(2003)-03-0024-031引言

交流調速實質的討論，是關系到近代交流調速發展的重要理論問題。盡管傳統電機學對此作了較深入的分析，但所給出的異步機轉速表達式卻是由轉差率定義式變換而產生的，即根據上述的轉速“定義式”，異步機被傳統理論人為地劃分為變頻、變極和變轉差率三種調速方案，文獻1還認為“變頻和變轉差率調速有本質不同，在所有交流調速中，變頻調速的效率最高(理由是轉差率不變)是最合理和理想的方法”。這種觀點既缺乏理論依據也與實踐不符，例如串級、雙饋調速和變頻調速相比，機械特性和調速效率都很接近，并沒有本質不同。

有鑒于此，本文根據電動機最基本的電-機能量轉換原理，重新探討異步機調速的原理，所得出的功率控制理論雖然導由異步機，但結論基本適用于所有電動機。

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的兩端口網絡。

由電動機輸出端口觀察，根據動力學原理

(1)

式中:Pm為輸出機械功率

T為輸出轉矩即電磁轉矩

Ω為角速度由此可見，電動機調速的方法有兩種:一是控制電磁功率，所改變的是理想空載轉速;二是增大損耗功率，以增大轉速降。公式(6)是電動機調速普遍的表達式。

2異步機模型與功率控制調速原理

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2的網絡模型。異步機的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2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機械功率，這種電磁感應通道的特點是交流機與直流機本質的區別。

異步機按轉子型式可分為鼠籠型和繞線型，前者轉子是封閉短路的，因此只有一個機械功率輸出端口;后者轉子是開啟的，因此具有機械功率和電功率兩個端口。轉子的電功率端口可以通過電傳導與外電路進行功率交換。

異步機調速可以通過定子口或轉子口實施功率控制調速，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，調速效率較高，機械特性為平行曲線;后者增大轉速降，調速效率較低，機械特性為匯交曲線。

應該注意同步轉速和理想空載轉速的區別，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機械功率的機械速度。電動機的速度顯然與n0密切相關，而與同步轉速沒有直接、必然的聯系。

3恒轉矩的電磁功率控制調速

所謂恒轉矩調速，是指額定輸出轉矩能力不變的調速，特點是主磁通Φm不變。恒轉矩調速可以通過定子或轉子的電磁功率控制實現，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--變頻調速的原理

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。由于轉子電磁功率是由定子傳輸的，且定、轉子電磁功率相等，因此控制定子電磁功率就可間接地控制轉子電磁功率。定子電磁功率轉矩平衡方程式約束，不能作為控制量。但單純調壓并不能實現定子電磁功率控制，因U1不但影響電磁功率，還作用于磁場。為了解決上述問題，應根據式(9)，在調壓的同時正比地改變頻率f1，使主磁通Φm保持不變。從而實現高效率的電磁功率控制調速。變頻調速時，理想空載轉速按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，可見n0與n1沒有直接、必然的聯系。變頻調速的功率控制原理如圖3所示。可見恒轉矩變頻調速時，其充分條件是調壓，必要條件是變頻，調速的實質在于電磁功率控制。3.2轉子電磁功率控制調速

對于繞線式異步機調速，可以對轉子直接進行電磁功率控制。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。與定子電磁功率控制調速(即調壓變頻調速)相比，兩者并無原理的區別。對于圖2(b)的模型，在轉子口引入附加電磁功率時，轉子的凈電磁功率(13)

式中:Pem1為定子傳輸給轉子的電磁功率

Pes為附加電磁功率，亦稱電轉差功率

Pem2將隨Pes的方向和大小而改變。注意不要把Pes簡單理解成轉差功率Ps，應該把Ps中的電磁功率和損耗功率區別開來，對調速的影響也不同,Pes將改變異步機的理想空載轉速。

式(13)中的-Pes表示移出，而+Pes表示注入，前者使轉子的凈電磁功率減小，后者則使其增大，異步機的理想空載轉速(14)

可見，-Pes控制得到的是低同步調速，而+Pes則是超同步調速。

轉子電磁功率控制調速的技術關鍵為:

l由于轉子電壓的頻率為變化的轉差頻率，因此必須要進行頻率變換，以使轉子和附加電源進行有功功率交換。

l能夠連續地控制Pes的大小，以獲得平滑的無級調速。

l盡量避免產生感性無功功率以提高功率因數，減小無功損耗。

上述的技術關鍵是設計調速控制裝置應該注意的。轉子電磁功率控制的系統構成要點是附加電源，它是Pes傳輸所必須的。傳統的方法是外置，例如串級(cascadecontrol)、雙饋doubleFeed)等調速。外置電源將使系統復雜化，而且在低同步調速時造成Pes從定子至外置電源之間的無謂循環，增大了定子損耗。

較好的方法,是我國首創的斬波內饋調速。如圖4示:該系統突出特征是將附加電源設置在異步機自身的定子上，附加電勢由電磁感應產生，在典型的低同步調速時，由轉子引出，經交流控制裝置傳給定子附加的內饋繞組(以前亦稱調節繞組)。內饋繞組處于發電狀態，通過電磁感應抵消定子原邊輸入的多余電功率。斬波控制,則是用以調節Pes的大小實現轉速的無級調節，克服有源逆變器移相控制所帶來的功率因數低、諧波分量大等一系列缺點。

4結論

(1)異步機調速的實質在于功率控制，控制原則有電磁功率控制和損耗功率控制，前者改變的是理想空載轉速，后者增大轉速降。

(2)動態轉矩是功率激勵和轉速響應的結果，并隨轉速響應自動減小，直至新的轉矩平衡后為零，穩態電磁轉矩只能服從客觀負載轉矩，調速的實質并非轉矩控制。

(3)調速效率和特性只決定于功率控制屬性。轉子電磁功率控制的調速與變頻調壓調速只有控制對象的不同，沒有本質區別。

參考文獻

[1]湯蘊繆.電機學—機電能量轉換[M]機械工業出版社,1986.63-183

[2](日)上山直彥編吳鐵堅譯.現代交流調速[M].水利電力出版社,1989.1-55

[3]佟純厚.近代交流調速[M].冶金工業出版社,1985.5-125