| 引言：
電機(jī)調(diào)速實質(zhì)的探討，是關(guān)系到近代交流調(diào)速發(fā)展的重要理論問題。隨著近代變頻調(diào)速矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制等調(diào)速控制理論的提出和實踐，很多有關(guān)文獻(xiàn)和論著都把調(diào)速的轉(zhuǎn)矩控制確認(rèn)為調(diào)速的普遍規(guī)律，并提出調(diào)速的實質(zhì)和關(guān)鍵在于電磁轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種觀點尚缺乏理論和實踐的證明，值得商榷。 本文根據(jù)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換的普遍原理，提出并證明恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的實質(zhì)在于電機(jī)的軸功率控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是功率控制的響應(yīng)，其關(guān)鍵為如何通過電功率控制軸功率。 轉(zhuǎn)矩控制僅適于恒功率調(diào)速，它只是電機(jī)調(diào)速的局部，而不是調(diào)速的普遍規(guī)律。變頻調(diào)速所依據(jù)的是轉(zhuǎn)矩控制，實際執(zhí)行的卻是功率控制，因此才沒有影響到應(yīng)用的正確性。 一、功率控制與轉(zhuǎn)矩控制 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，凡電動機(jī)都可劃分為主磁極和電樞兩個功能部分。主磁極的作用是建立主磁場，電樞則是與磁場相互作用將電磁功率轉(zhuǎn)換為軸功率。 直流電動機(jī)的主磁極和電樞不僅結(jié)構(gòu)鮮明，而且功能獨立，無疑符合以上定義。而交流（異步）電動機(jī)通常以定子、轉(zhuǎn)子劃分構(gòu)成，需加說明。 根據(jù)所述電樞定義，異步機(jī)的軸功率產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子，因此，異步機(jī)真正的電樞是轉(zhuǎn)子。問題在于定子，一方面定子勵磁產(chǎn)生主磁場，故定子是主磁極。另一方面，定子又通過電磁感應(yīng)為電樞（轉(zhuǎn)子）輸送電磁功率，卻不產(chǎn)生軸功率，因此定子又具有電樞的部分特征，這里我們把它稱為偽電樞。定子的這種復(fù)合功能，是異步機(jī)區(qū)別于直流機(jī)的主要特征。 從電樞輸出角度觀察，電動機(jī)的軸功率與電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)械轉(zhuǎn)速的關(guān)系為： ＰM＝ＭΩ (１) 或 Ω＝ＰM／Ｍ （２） 公式（２）除了給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速與軸功率和電磁轉(zhuǎn)矩間的量值關(guān)系以外，同時表明，電機(jī)轉(zhuǎn)速最終只能通過軸功率或電磁轉(zhuǎn)矩兩種控制獲得調(diào)節(jié)，前者簡稱功率控制，后者簡稱轉(zhuǎn)矩控制。 １. 功率控制 功率控制是以軸功率ＰM為調(diào)速主控量， 作用對象必然是電樞或偽電樞。電磁轉(zhuǎn)矩在調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小。 即 Ｍ＝Ｍfz (３) 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一經(jīng)為客觀工況所確定之后，電磁轉(zhuǎn)矩就唯一地被決定了，因此電磁轉(zhuǎn)矩不僅與調(diào)速控制無關(guān)，而且不能隨意改變其量值。 電磁轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速的作用表現(xiàn)在調(diào)速的過渡過程，轉(zhuǎn)矩的變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后的結(jié)果，此時，功率控制造成電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 設(shè)電機(jī)調(diào)速前的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω1，軸功率為ＰM1，調(diào)速后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω2，相應(yīng)的軸功率變?yōu)椋蠱2。 由于電磁轉(zhuǎn)矩： Ｍ＝ＰM／Ω (４） 故調(diào)速時，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)椋?/FONT> Ｍ＝ＰM2／Ω 由于受慣性的作用，在ｔ＝0的調(diào)速瞬時Ω＝Ω1，故 Ｍ＝ＰM2／Ω1 t=0 此時的電磁轉(zhuǎn)矩將與原來的電磁轉(zhuǎn)矩Ｍ1＝ＰM1／Ω1不等，轉(zhuǎn)矩平衡被破壞并產(chǎn)生動態(tài)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速在動態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下開始由Ω1向Ω2過渡，其變化規(guī)律為： Ω1＝（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 （５） 電磁轉(zhuǎn)矩則為：Ｍ＝ＰM2／（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 隨著時間增大，動態(tài)轉(zhuǎn)矩減小，直至電磁轉(zhuǎn)矩與新的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，即： Ｍ＝ＰM2／Ω2＝Ｍfz， 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在Ω2不變，電機(jī)調(diào)速結(jié)束。 上述的調(diào)速過程可以由圖１的框圖說明。
圖１ 功率控制的調(diào)速流程
功率控制作用的是電樞，主磁場或主磁通量保持不變，根據(jù)電機(jī)理論，電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩正比于主磁通量，受限于電樞的最大載流量。因此功率控制調(diào)速時，電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 ２. 轉(zhuǎn)矩控制 根據(jù)公式（２），電機(jī)轉(zhuǎn)速在軸輸出功率不變的前提下，與電磁轉(zhuǎn)矩成反比。由于受電磁轉(zhuǎn)矩以額定轉(zhuǎn)矩為上限的約束，轉(zhuǎn)矩控制實際上只能在額定轉(zhuǎn)矩以下實現(xiàn)，因此屬于恒功率調(diào)速。 電磁轉(zhuǎn)矩的獨立控制方法主要依據(jù)轉(zhuǎn)矩公式： Ｍ＝ＣMΦmＩS （直流機(jī)） (６) 或 Ｍ＝ＣMΦmＩ2COSφ2 （交流機(jī)） (７) 受控的物理量為主磁通Φm，由于主磁通量Φm產(chǎn)生于主磁極，因此轉(zhuǎn)矩控制實際上是磁場控制，作用對象為主磁極。轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速同樣要保證穩(wěn)態(tài)時的轉(zhuǎn)矩平衡，即： Ｍ＝Ｍfz 由于調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生了變化，因此要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩適應(yīng)于電磁轉(zhuǎn)矩變化，即要求負(fù)載跟蹤電機(jī)。 轉(zhuǎn)矩控制實際是弱磁調(diào)速，主要用于額定轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速。鑒于本文重點討論的是功率控制，故不贅述。 二、功率控制的方法與性能 電機(jī)調(diào)速的軸功率控制只能通過電功率間接控制來實現(xiàn)。以異步機(jī)為例，圖２是其等效三端口網(wǎng)絡(luò)。 圖２.異步機(jī)的等效網(wǎng)絡(luò) 其中電樞（轉(zhuǎn)子）除產(chǎn)生軸功率輸出外，還產(chǎn)生以感應(yīng)電壓ｕ2和電流ｉ2為參量的電功率響應(yīng)。由于該功率與轉(zhuǎn)差率成正比，故稱轉(zhuǎn)差功率，其端口簡稱Ｐs口。 如果電機(jī)轉(zhuǎn)子為籠型，其繞組呈短路狀，Ｐs口為封閉不可控的。反之為繞線型，Ｐs口則是開啟可控的， 轉(zhuǎn)子可以通過Ｐs口輸出或輸入電功率。由此可見，異步機(jī)的功率控制調(diào)速有兩種方式，一種是通過偽電樞間接對電樞實現(xiàn)軸功率控制；另一種是通過Ｐs口直接控制電樞軸功率。 前者主要適用于籠型異步機(jī)，后者則適用于繞線型異步機(jī)。 １. 定子偽電樞功率控制。 圖３.異步機(jī)定子功率控制調(diào)速
作為偽電樞，定子向電樞（轉(zhuǎn)子）傳輸?shù)碾姶殴β剩?/FONT> Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1 （８） 電樞的軸功率則為： ＰM＝Ｐem－△Ｐ2 (９) 故 ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2） (10) 可見，控制偽電樞的輸入功率Ｐ1或增大其損耗△Ｐ1就可以控制電樞的軸功率，后者顯然是低效率、高損耗的調(diào)速，不宜推薦。 控制Ｐ1調(diào)速的唯一方法是調(diào)壓━━變頻， 即所謂的變頻調(diào)速。由于： Ｐ1＝ｍ1Ｕ1I1COSφ1 (11) 故對于電壓源供電調(diào)節(jié)端電壓Ｕ1是控制功率Ｐ1的必須手段。問題的關(guān)鍵是為什么不能單純調(diào)壓，而必須輔以變頻？這是定子除了偽電樞的功能之外，還同時兼主磁極之故。 前已敘及，功率控制的要點有： ① 保持主磁通量不變 ② 作用對象是電樞或偽電樞 ③ 控制目標(biāo)是軸功率 如果單純調(diào)壓而頻率不變，定子的主磁極功能就要受到嚴(yán)重影響。根據(jù)電機(jī)理論，做為主磁極，定子的主磁通量： Φm＝Ｅ／4.44Ｗ1ｋr1ｆ1 ＝ＫＥ1／f1 ≈ＫＵ1／f1 (12) 恒頻調(diào)壓的結(jié)果，主磁通Φm將隨Ｕ1下降而減小，形成了前述的轉(zhuǎn)矩控制。更主要的是此時不但未能控制功率Ｐ1，反而增大了電機(jī)損耗，與目的絕然相悖。 設(shè)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)，由轉(zhuǎn)矩平衡方程，電磁轉(zhuǎn)矩： Ｍ＝Ｍfz＝const 又 Ｍ＝ＣMΦmＩ1COSφ1 ＝ＣMΦmＩ2COSφ2 (13) 設(shè)功率因數(shù)不變，定轉(zhuǎn)子電流Ｉ1、Ｉ2將隨主磁通Φm下降而正比增大，其結(jié)果功率Ｐ1不變，但定轉(zhuǎn)子損耗： △Ｐ1＝ｍ1Ｉ 12 r1 △Ｐ2＝ｍ2Ｉ 222 r1 將按電流的平方律增大。根據(jù)式（１０），軸功率控制雖能實現(xiàn)，卻屬低效率高損耗的調(diào)速。 為此，異步機(jī)定子的功率控制調(diào)速，必須要將定子的主磁極和偽電樞兩種功能游離開。針對同一定子繞組，一方面使主磁極產(chǎn)生的磁場保持穩(wěn)定，同時又要控制其向電樞傳遞的電磁功率。 于是變頻調(diào)速建立了一條重要原則，就是調(diào)壓變頻，且保證Ｖ／Ｆ（壓頻比）為常數(shù)，這樣就確保了上述控制要求的實現(xiàn)。順便指出，近代變頻調(diào)速的矢量控制，實際上就是遵循這一原理。矢量控制的核心思想，是把磁場與轉(zhuǎn)矩游離開，分別加以控制，認(rèn)為調(diào)速的根本在于轉(zhuǎn)矩，而事實上游離的卻是磁場和電磁功率，雖然結(jié)果無誤，但理論上必須加以澄清。 ２. 轉(zhuǎn)子功率控制 對于繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī)的調(diào)速，可以利用轉(zhuǎn)差功率端口━Ｐs口直接控制軸功率。方法是由Ｐs口移出或注入轉(zhuǎn)差功率。需要指出： ① 所述的轉(zhuǎn)差功率應(yīng)區(qū)別經(jīng)典電機(jī)學(xué)中的轉(zhuǎn)子損耗轉(zhuǎn)差功率，為此將后者稱為轉(zhuǎn)子損耗功率，記以△Ｐ2。 ② 轉(zhuǎn)差功率有電能與熱能之分，分別記以Ｐes和Ｐrs，兩者性質(zhì)不同，對調(diào)速的影響也不同。 圖４.異步機(jī)轉(zhuǎn)子功率控制調(diào)速
當(dāng)在轉(zhuǎn)子的Ｐs口引入電轉(zhuǎn)差功率Ｐes時，轉(zhuǎn)子的軸功率： ＰM＝（Ｐem±Ｐes）－△Ｐ2 （１４） 式中的Pem為定子向轉(zhuǎn)子傳輸?shù)碾姶殴β?，電轉(zhuǎn)差功率的負(fù)號表示從Ｐs口移出，正號表示從Ｐs口注入。Ｐes屬電功率，故與電磁功率相合成，結(jié)果使軸功率ＰM發(fā)生變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速得到相應(yīng)調(diào)節(jié)。 電轉(zhuǎn)差功率調(diào)速的典型實例是串級調(diào)速和雙饋調(diào)速，前者的電轉(zhuǎn)差功率為負(fù)，流向為從轉(zhuǎn)子移出，故實現(xiàn)的是額定轉(zhuǎn)速以下的調(diào)速。后者的電轉(zhuǎn)差功率可以雙向流動，既可以移出，又可以注入，因此可以實現(xiàn)低同步和超同步兩種調(diào)速。 當(dāng)Ｐs口引入的是熱轉(zhuǎn)差功率Ｐrs時， 轉(zhuǎn)子的軸功率則為： ＰM＝Ｐem－（△Ｐ2＋Ｐrs） (１５) 顯然熱轉(zhuǎn)差功率的引入，增大了電樞（轉(zhuǎn)子）的損耗，軸功率隨Ｐrs的增大而減小，其典型例子是異步機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。 三、功率控制的理想空載轉(zhuǎn)速，效率與機(jī)械特性 根據(jù)電機(jī)學(xué)，電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速主要取決于電樞的電磁功率，因有： Ω0＝Ｐem／Ｍ （１６） 由于電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)載所決定，理想空載轉(zhuǎn)速Ω0就決定于某一負(fù)載條件下電磁功率的大小。 功率控制調(diào)速的電樞功率可以綜合表達(dá)為： ＰM＝ΣＰem－Σｐ2 （１７） 相應(yīng)的轉(zhuǎn)速： ＰM／Ｍ＝ΣＰem／Ｍ－Σｐ2／Ｍ （１８） Ω＝Ω0－△Ω (１９) 其中Ω0＝ΣＰem／Ｍ為功率控制調(diào)速的理想空載轉(zhuǎn)速，因此調(diào)節(jié)電樞的電磁功率可以改變電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速。換言之，電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速取決于電樞的電磁功率。又，△Ω＝Σｐ2／Ｍ 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速降。由此表明增大電樞損耗，可以增加電機(jī)轉(zhuǎn)速降。 電機(jī)調(diào)速的效率表達(dá)為： η＝ＰM／（Ｐ1－Σｐi） ＝ＰM／（Ｐem－△Ｐ2) 因此，在一定的軸功率ＰM輸出條件下，控制電磁功率的調(diào)速是高效率的節(jié)能型調(diào)速，而控制損耗功率的調(diào)速必然是低效率的耗能型調(diào)速。 公式（１８）同時刻畫出了功率控制調(diào)速的機(jī)械特性，當(dāng)連續(xù)改變電磁功率ΣＰem時，如果損耗功率不變，電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速隨ΣＰem連續(xù)變化，其機(jī)械特性為一族平行的曲線。而增大損耗，電磁功率不變時，電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速不變，改變的只是轉(zhuǎn)速降，其機(jī)械特性為一族匯交型曲線。如圖５給出了兩種調(diào)速的定性曲線。 圖５ ａ.電磁功率調(diào)速特性 ｂ.轉(zhuǎn)速降調(diào)速特性
綜上所述，可以得出以下結(jié)論： ① 電磁功率控制調(diào)節(jié)的是理想空載轉(zhuǎn)速，損耗功率控制調(diào)節(jié)的是轉(zhuǎn)速降。 ② 電磁功率控制是高效率節(jié)能型的調(diào)速，其機(jī)械特性必為平行曲線族。損耗功率控制屬低效率耗能調(diào)速，其機(jī)械特性必為匯交型曲線族。 四、異步機(jī)調(diào)速的分類與方法 與按n＝ 60f1/p·(1-S）表達(dá)式不同，根據(jù)本文所述的電機(jī)調(diào)速功率控制理論，異步機(jī)調(diào)速可分類表示如下： 性質(zhì)/方案 控制點/變量 方法 要點 五、結(jié)論 1. 電機(jī)調(diào)速的基本原理有兩種，一為軸功率控制，二是轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩控制實際是磁場控制，適于恒功率調(diào)整。 2. 軸功率控制的調(diào)速具有恒轉(zhuǎn)矩特性，電磁轉(zhuǎn)矩的變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后所造成的，調(diào)速穩(wěn)態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩只決定于負(fù)載，與控制無關(guān)。 3.軸功率控制的作用對象是電樞或偽電樞， 并最終只能通過電功率控制來實現(xiàn)。其中，電磁功率調(diào)節(jié)的是理想空載轉(zhuǎn)速，損耗功率改變的是轉(zhuǎn)速降。前者為高效節(jié)能型，后者為低效耗能型，兩者的機(jī)械特性亦由此決定。 4. 變頻調(diào)速和電轉(zhuǎn)差功率控制調(diào)速同屬電磁功率控制調(diào)速，兩者性能一致，并無本質(zhì)差別。 |
（轉(zhuǎn)載）
