卻是由轉(zhuǎn)差率定義式變換而產(chǎn)生的，即定義轉(zhuǎn)差率
，代數(shù)變換后有
。由于同步轉(zhuǎn)速
,于是
。 顯然，定義式無(wú)論如何變換也不會(huì)形成公式，公式只能由客觀定律和已有的公式推演產(chǎn)生，如果把上述的定義式式視為公式來(lái)遵循，不僅犯了基本的邏輯錯(cuò)誤，而且將違背客觀的調(diào)速規(guī)律。
根據(jù)上述的轉(zhuǎn)速"定義式"，異步機(jī)被按傳統(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，文獻(xiàn)1甚至認(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(diǎn)既缺乏理論依據(jù)也與實(shí)踐不符，例如串級(jí)、雙饋調(diào)速和變頻調(diào)速相比，機(jī)械特性和調(diào)速效率等主要性能都很一致，并沒(méi)有本質(zhì)不同。
有鑒于此，本文根據(jù)電動(dòng)機(jī)最基本的電—機(jī)能量轉(zhuǎn)換原理，并力求避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析，采用重在物理原理的方法，重新探討異步機(jī)調(diào)速的原理，所得出的功率控制理論雖然源自異步機(jī)，但結(jié)論適用于所有電動(dòng)機(jī)。
1. 電動(dòng)機(jī)模型與功率控制原理
電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備，因此可以普遍地表達(dá)為圖1的兩端口網(wǎng)絡(luò)。
圖1 電動(dòng)機(jī)的兩端口網(wǎng)絡(luò)
由電動(dòng)機(jī)輸出端口觀察，根據(jù)力學(xué)原理
，(1)式中： PM為輸出機(jī)械功率，
T為輸出轉(zhuǎn)矩亦即電磁轉(zhuǎn)矩，
Ω為角速度 。
故轉(zhuǎn)速
。（2）根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程式
，（3） 電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩必須與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL相平衡，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩是由負(fù)載性質(zhì)決定的客觀存在，與調(diào)速控制無(wú)關(guān)，因此，穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩是不調(diào)速意志為轉(zhuǎn)移的，不能成為調(diào)速的控制量。
另外，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是功率激勵(lì)和轉(zhuǎn)速慣性作用的結(jié)果，當(dāng)克服慣性后，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩自動(dòng)隨速度響應(yīng)而減小，直至形成新的轉(zhuǎn)矩平衡，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩為零?？傊?，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的變化過(guò)程是自動(dòng)完成的。詳細(xì)論述參見(jiàn)論文《轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速原理的商榷》。
根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)換原理，機(jī)械功率PM
。（4）其中： 
為轉(zhuǎn)子電磁功率，
為轉(zhuǎn)子電磁功率，
為轉(zhuǎn)子損耗功率，故轉(zhuǎn)速
。（5）其中： 
稱為理想空載轉(zhuǎn)速，
稱為理想空載轉(zhuǎn)速，
稱為轉(zhuǎn)速降。式（5）可經(jīng)過(guò)量綱變換折算成每分鐘轉(zhuǎn)速，乘以系數(shù)60/2π后有
，（6）其中
，
。 由此可見(jiàn)，電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有兩種：一是電磁功率控制，所改變的是理想空載轉(zhuǎn)速；二是損耗功率控制，增大轉(zhuǎn)速降。公式(6)是電動(dòng)機(jī)調(diào)速的通用表達(dá)式。
2. 異步機(jī)模型與功率控制調(diào)速原理
異步機(jī)是電動(dòng)機(jī)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(jī)可以等效成圖3的網(wǎng)絡(luò)模型
異步機(jī)是電動(dòng)機(jī)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(jī)可以等效成圖3的網(wǎng)絡(luò)模型
圖3 a. 鼠籠轉(zhuǎn)子異步機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型 b. 繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型
異步機(jī)定子通過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用，將電磁功率傳輸給轉(zhuǎn)子，因此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以等效為電磁功率的傳輸通道，即圖3 中的感應(yīng)通道。在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子電磁功率除損耗外轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，這種電磁感應(yīng)通道的特點(diǎn)是交流機(jī)與直流機(jī)本質(zhì)的區(qū)別。
異步機(jī)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(gè)機(jī)械功率輸出端口；后者轉(zhuǎn)子是開(kāi)啟的，因此具有機(jī)械功率和電功率兩個(gè)端口。轉(zhuǎn)子的電功率端口可以通過(guò)電傳導(dǎo)與外電路進(jìn)行功率交換。
異步機(jī)調(diào)速可以通過(guò)定子口或轉(zhuǎn)子口實(shí)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(jī)械特性為平行曲線；后者增大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速效率較低，機(jī)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(chǎng)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(jī)械功率的機(jī)械速度。電動(dòng)機(jī)的速度顯然與n0密切相關(guān)，而與同步轉(zhuǎn)速?zèng)]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，其特點(diǎn)是主磁通Φm不變。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速可以分別選擇定子或轉(zhuǎn)子為對(duì)象，通過(guò)的電磁功率控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，兩種調(diào)速的性能基本一致。但在定子控制時(shí)，必須要注意主磁通Φm 的恒定，即，使主磁通量為設(shè)計(jì)的常量，如果調(diào)速時(shí)主磁通量減小，電動(dòng)機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性將遭到破壞，而且損耗增大，成為改變轉(zhuǎn)速降的調(diào)速。
3.1 定子電磁功率控制——調(diào)壓+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
，（7）及 
。（8）
。（8）根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程式3，以及電磁轉(zhuǎn)矩
，（9） 取決于客觀的負(fù)載，不能作為控制量，因此定子電磁功率只能通過(guò)調(diào)節(jié)U1來(lái)改變。必須注意，單純調(diào)壓將導(dǎo)致異步機(jī)主磁通量的削弱，結(jié)果非但不能實(shí)現(xiàn)定子電磁功率控制，反而增大損耗和轉(zhuǎn)速降。
根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步機(jī)屬于定子勵(lì)磁，且主磁通為
，（10） 取決于定子電壓和頻率之比，單純降壓將使主磁通量正比減小，從而導(dǎo)致?lián)p耗功率急劇增大。為簡(jiǎn)化分析，設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，則電磁轉(zhuǎn)矩亦不變，根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式9，定子和轉(zhuǎn)子電流將隨Φm減小而增大（即使功率因數(shù)不變）。定、轉(zhuǎn)子的銅耗按電流平方律增大，關(guān)系為
，（11）
。（12） 為了解決上述問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)式(10)，在調(diào)壓的同時(shí)正比地改變頻率f1 ，使主磁通Φm保持不變。從而實(shí)現(xiàn)高效率的電磁功率控制調(diào)速。變頻調(diào)速時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速按n0隨U1改變，此時(shí)同步轉(zhuǎn)速n1 隨f1而變，且有n0 = n1，但決定異步機(jī)轉(zhuǎn)速的是n0而不是n1 ，下面將會(huì)看到，既使n1不變，n0也可隨電磁功率改變。變頻調(diào)速的功率控制原理如圖4 所示
圖4 變頻調(diào)速的功率控制原理
根據(jù)上述分析，恒轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速，其充分條件是調(diào)壓，必要條件是變頻，調(diào)速的實(shí)質(zhì)是電磁功率控制，變頻調(diào)速的稱謂嚴(yán)格應(yīng)是調(diào)壓變頻，例如國(guó)外文獻(xiàn)中的“VVVF”控制，實(shí)際就是這個(gè)含義。
3.2 轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速
對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī)調(diào)速，電磁功率控制可以選擇轉(zhuǎn)子為對(duì)象。方法是在轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)附加電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)電傳導(dǎo)吸收或注入電功率，從而改變轉(zhuǎn)子的凈電磁功率。轉(zhuǎn)子電磁功率控制的突出優(yōu)點(diǎn)是：
可以方便地避開(kāi)定子控制的高壓?jiǎn)栴}，使調(diào)速的可靠性和經(jīng)濟(jì)性明顯改善。
控制裝置和機(jī)械輸出呈并聯(lián)，其功率可以隨調(diào)速范圍的需要小于電動(dòng)機(jī)功率，進(jìn)一步改善調(diào)
速的經(jīng)濟(jì)、可靠性。
速的經(jīng)濟(jì)、可靠性。
調(diào)速效率沒(méi)有高壓控制的附加變壓器損耗，可以高于定子變頻調(diào)壓控制。
由于定轉(zhuǎn)子的隔離，明顯降低轉(zhuǎn)子控制產(chǎn)生的諧波對(duì)電源的影響。
對(duì)于圖3b 的模型，在轉(zhuǎn)子口引入附加電磁功率時(shí)，轉(zhuǎn)子的凈電磁功率
，(13)式中：Pem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，
注意不要把Pes簡(jiǎn)單理解成傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)中的轉(zhuǎn)差功率Ps，Pes是電功率，而不是傳統(tǒng)的Ps損耗功率，兩者性質(zhì)不同，對(duì)調(diào)速的影響也不同。
Pes改變的是理想空載轉(zhuǎn)速。式（13）中的-Pes表示移出，而+Pes表示注入，前者使轉(zhuǎn)子的凈電磁功率減小，后者則使其增大，異步機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速為
。（14） 可見(jiàn)，-Pes控制得到的是低同步調(diào)速，而+Pes 則是超同步調(diào)速，而此時(shí)定子頻率不變，同步轉(zhuǎn)速亦不變，可見(jiàn)異步機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速n0并不完全取決于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1。
轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速的技術(shù)關(guān)鍵為：
實(shí)行頻率變換，使轉(zhuǎn)子和附加電源兩個(gè)頻率不同的電源完成有功功率交換。
連續(xù)地控制Pes的大小，以獲得平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速。
盡量避免產(chǎn)生感性無(wú)功功率，以提高功率因數(shù)，減小無(wú)功損耗。
上述的技術(shù)關(guān)鍵是設(shè)計(jì)調(diào)速控制裝置應(yīng)該注意的原則。
附加電源是轉(zhuǎn)子電磁功率控制系統(tǒng)所必須的。傳統(tǒng)的方法是外置，例如串級(jí)（cascade control）、雙饋（double Fed）等調(diào)速。附加電源的外置，使電轉(zhuǎn)差功率從電機(jī)泄露于外，一方面造成系統(tǒng)復(fù)雜化，另外在低同步調(diào)速時(shí)造成Pes從定子至外置電源之間的無(wú)謂循環(huán)，增大了定子損耗。
較好的方法是如圖5所示我國(guó)首創(chuàng)的斬波內(nèi)饋調(diào)速。
圖5 斬波內(nèi)饋功率圓圖
該系統(tǒng)突出特征是將附加電源內(nèi)置在異步機(jī)的定子上，附加電勢(shì)由電磁感應(yīng)而產(chǎn)生，在典型的低同步調(diào)速時(shí)，Pes由轉(zhuǎn)子引出，經(jīng)斬波—逆變器ZNK傳輸給定子附加的內(nèi)饋繞組（亦稱調(diào)節(jié)繞組）。內(nèi)饋繞組工作在發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)電磁感應(yīng)抵消定子原邊輸入的多余電功率。這種內(nèi)饋調(diào)速方式使電轉(zhuǎn)差功率封閉在電機(jī)傳統(tǒng)之中，從根本上解決了外置附加電源的缺點(diǎn)。斬波控制則是調(diào)節(jié)Pes的大小，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，克服了有源逆變器移相控制所帶來(lái)的功率因數(shù)低、諧波分量大等一系列缺點(diǎn)。
該系統(tǒng)突出特征是將附加電源內(nèi)置在異步機(jī)的定子上，附加電勢(shì)由電磁感應(yīng)而產(chǎn)生，在典型的低同步調(diào)速時(shí)，Pes由轉(zhuǎn)子引出，經(jīng)斬波—逆變器ZNK傳輸給定子附加的內(nèi)饋繞組（亦稱調(diào)節(jié)繞組）。內(nèi)饋繞組工作在發(fā)電狀態(tài)，通過(guò)電磁感應(yīng)抵消定子原邊輸入的多余電功率。這種內(nèi)饋調(diào)速方式使電轉(zhuǎn)差功率封閉在電機(jī)傳統(tǒng)之中，從根本上解決了外置附加電源的缺點(diǎn)。斬波控制則是調(diào)節(jié)Pes的大小，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，克服了有源逆變器移相控制所帶來(lái)的功率因數(shù)低、諧波分量大等一系列缺點(diǎn)。
4. 異步機(jī)調(diào)速的分類方法
與按
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)速分類可表示如下：
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)速分類可表示如下：異步機(jī)調(diào)速的原理分類表
|
原理 |
對(duì)象 |
方法 |
性能 |
特點(diǎn) |
|
電磁功率
改變n0
平行機(jī)械特性 |
定子 |
調(diào)壓+變頻
VVVF |
高效率；平滑調(diào)速；無(wú)刷；低同步時(shí)恒轉(zhuǎn)矩 |
控制裝置和電動(dòng)機(jī)串聯(lián)，容量大于電動(dòng)機(jī)；裝置承受電網(wǎng)電壓 |
|
轉(zhuǎn)子
|
內(nèi)饋
Inter Fet |
高效率；平滑調(diào)速；有刷；調(diào)速可超、低同步；恒轉(zhuǎn)矩 |
控制裝置和電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，容量小于電動(dòng)機(jī)；裝置承受轉(zhuǎn)子電壓；無(wú)轉(zhuǎn)差功率 | |
|
外饋（串級(jí)）
CascadeControl |
高效率；平滑調(diào)速；有刷；低同步調(diào)速；恒轉(zhuǎn)矩 |
控制裝置和電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，容量小于電動(dòng)機(jī)；裝置承受轉(zhuǎn)子電壓；有轉(zhuǎn)差功率 | ||
|
雙饋
Double Fed |
高效率；平滑調(diào)速；有刷；調(diào)速可超、低同步；恒轉(zhuǎn)矩 |
控制裝置和電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，容量小于電動(dòng)機(jī)；裝置承受轉(zhuǎn)子電壓；有轉(zhuǎn)差功率 | ||
|
損耗功率
增大Δn
匯交機(jī)械特性 |
定子 |
恒頻調(diào)壓
|
低效率，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重；平滑調(diào)速；轉(zhuǎn)矩能力隨調(diào)壓降低 |
控制簡(jiǎn)單，多用于小功率的風(fēng)機(jī)、水泵調(diào)速 |
|
轉(zhuǎn)子 |
串電阻 |
低效率；恒轉(zhuǎn)矩
低效率，變轉(zhuǎn)矩 |
控制簡(jiǎn)單，多用于起動(dòng)控制 |
5. 結(jié)論
1) 異步機(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì)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(zhuǎn)速，后者增大轉(zhuǎn)速降，電機(jī)轉(zhuǎn)速 是調(diào)速的普遍表達(dá)式，理想空載轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速?zèng)]
有直接、必然的聯(lián)系。
想空載轉(zhuǎn)速，后者增大轉(zhuǎn)速降，電機(jī)轉(zhuǎn)速 是調(diào)速的普遍表達(dá)式，理想空載轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速?zèng)]
有直接、必然的聯(lián)系。
2) 功率控制調(diào)速原理可以方便地推廣到直流電動(dòng)機(jī)，限于篇幅，不加詳述。
3) 調(diào)速效率和特性決定于功率控制屬性。轉(zhuǎn)子電磁功率控制的調(diào)速與變頻調(diào)壓調(diào)速只有控制對(duì)象
的不同，沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。
的不同，沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。
4) 傳統(tǒng)交流調(diào)速的 以及轉(zhuǎn)矩控制理論，在理論論證和實(shí)踐檢驗(yàn)等方面都存在值得商榷之處，不能
視為電動(dòng)機(jī)調(diào)速的科學(xué)依據(jù)。
視為電動(dòng)機(jī)調(diào)速的科學(xué)依據(jù)。
（轉(zhuǎn)載）
