变频器知识问答.doc

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。1.电机的旋转速度为什么能够自由地改变？*1:r/min电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm.例如：2极电机50Hz3000r/min4极电机50Hz1500r/min$电机的旋转速度同频率成比例本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。另外，频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。n=60f/pn:同步速度f:电源频率p:电机极对数$改变频率和电压是最优的电机控制方法如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V2.当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？*1:工频电源由电网提供的动力电源（商用电源）*2:起动电流当电机开始运转时，变频器的输出电流-变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动-电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。3.-当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低-通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速.(T=Te,P60Hz时,X会相应减小对于电机来说,T=K*I*X,(K:常数,I:电流,X:磁通),因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.同时,小于50Hz时,由于I*R很小,所以U/f=E/f不变时,磁通(X)为常数.转矩T和电流成正比.这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力.并称为恒转矩调速(额定电流不变-最大转矩不变)结论:当变频器输出频率从50Hz以上增加时,电机的输出转矩会减小.5.其他和输出转矩有关的因素发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。载波频率:一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率,最高环境温度下能保证持续输出的数值.降低载波频率,电机的电流不会受到影响。但元器件的发热会减小。环境温度：就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.海拔高度:海拔高度增加,对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑.以上每1000米降容5%就可以了.6.矢量控制是怎样改善电机的输出转矩能力的？*1:转矩提升此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。$改善电机低速输出转矩不足的技术使用矢量控制，可以使电机在低速,如(无速度传感器时)1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150）。对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。变频器的这个功能叫做转矩提升（*1）。转矩提升功能是提高变频器的输出电压。然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。矢量控制把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。矢量控制可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。1:工频电源由电网提供的动力电源（商用电源）2:起动电流当电机开始运转时，变频器的输出电流变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动，我们经常听到下面的说法：电机在工频电源供电时（*1）时，电机的起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。如果用大的电压和频率起动电机，例如使用工频电网直接供电，就会产生一个大的起动冲击（大的起动电流(*2)）。而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机产生的转矩要小于工频电网供电的转矩值。所以变频器驱动的电机起动电流要小些。通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。当变频器调速到大于60Hz频率时，电机的输出转矩将降低，通常的电机是按50Hz(60Hz)电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速.(T=Te,P60Hz时,X会相应减小对于电机来说,T=K*I*X,(K:常数,I:电流,X:磁通),因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.同时,小于50Hz时,由于I*R很小,所以U/f=E/f不变时,磁通(X)为常数.转矩T和电流成正比.这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载(转矩)能力.并称为恒转矩调速(额定电流不变-最大转矩不变)结论:当变频器输出频率从50Hz以上增加时,电机的输出转矩会减小.其他和输出转矩有关的因素载波频率:一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率,最高环境温度下能保证持续输出的数值.一般变频器如果负载能力不够,大都是变频器检测到电流太大而报警如果降低载波频率,但是电机的电流不会受到影响.虽然元器件的发热会减小,但我觉得这个量很难定量给出,不同功率的也不同.一般的厂商会在功率器件选型上留很大的裕量.不大会因为你设定的载波频率小了而把内部的电流保护水平放宽.就向厂商不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.海拔高度:海拔高度增加,对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑.以上每1000米降容5%就可以了1、电机的旋转速度为什么能够自由地改变？1:r/min电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为rpm.例如：4极电机60Hz1,800r/min4极电机50Hz1,500r/min2、电机的旋转速度同频率成比例本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业领域所使用的大部分电机均为此类型电机。感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。n=60f/pn:同步速度f:电源频率p:电机极数3、改变频率和电压是最优的电机控制方法如果仅改变频率，电机将被烧坏。特别是当频率降低时，该问题就非常突出。为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从60Hz改变到30Hz，这时变频器的输出电压就必须从200V改变到约100V。1、制动的概念指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速.负载的能量分为动能和势能.动能(由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产生制动过程.由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载,在下降时,能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行制动.这种操作方法被称作再生制动，而该方法可应用于变频器制动。在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做功率返回再生方法。在实际中，这种应用需要能量回馈单元选件。2、怎样提高制动能力？为了用散热来消耗再生功率，需要在变频器侧安装制动电阻。为了改善制动能力，不能期望靠增加变频器的容量来解决问题。请选用制动电阻、制动单元或功率再生变换器等选件来改善变频器的制动容量。1、如果要正确的使用变频器,必须认真地考虑散热的问题。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。使用寿命随温度升高而成指数的下降。环境温度升高10度，变频器使用寿命减半。因此，我们要重视散热问题啊！在变频器工作时，流过变频器的电流是很大的,变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。通常，变频器安装在控制柜中。我们要了解一台变频器的发热量大概是多少.可以用以下公式估算:发热量的近似值变频器容量（KW）55W在这里,如果变频器容量是以恒转矩负载为准的(过流能力150%*60s)，如果变频器带有直流电抗器或交流电抗器,并且也在柜子里面,这时发热量会更大一些。电抗器安装在变频器侧面或测上方比较好。这时可以用估算:变频器容量（KW）60W因为各变频器厂家的硬件都差不多,所以上式可以针对各品牌的产品.注意：如果有制动电阻的话，因为制动电阻的散热量很大，因此最好安装位置最好和变频器隔离开，如装在柜子上面或旁边等。2、怎样采能降低控制柜内的发热量呢?当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。还可以用隔离板把本体和散热器隔开,使散热器的散热不影响到变频器本体。这样效果也很好。注意：变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差的!3、关于冷却风扇一般功率稍微大一点的变频器，都带有冷却风扇。同时，也建议在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。注意控制柜和变频器上的风扇都是要的，不能谁替代谁。4、其他关于散热的问题（1）在海拔高于1000m的地方，因为空气密度降低，因此应加大柜子的冷却风量以改善冷却效果。理论上变频器也应考虑降容，1000m每-5%。但由于实际上因为设计上变频器的负载能力和散热能力一般比实际使用的要大，所以也要看具体应用。比方说在1500m的地方，但是周期性负载，如电梯，就不必要降容。（2）开关频率：变频器的发热主要来自于IGBT，IGBT的发热有集中在开和关的瞬间。因此开关频率高时自然变频器的发热量就变大了。有的厂家宣称降低开关频率可以扩容，就是这个道理。1、什么是变频器？变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。2、PWM和PAM的不同点是什么？PWM是英文PulseWidthModulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉冲列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。PAM是英文PulseAmplitudeModulation(脉冲幅度调制)缩写，是按一定规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。3、电压型与电流型有什么不同？变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容;电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变？异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的，在额定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加;对于变频器驱动，如果频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？频率下降(低速)时,如果输出相同的功率,则电流增加,但在转矩一定的条件下,电流几乎不变。6、采用变频器运转时，电机的起动电流、起动转矩怎样？采用变频器运转，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流被限制在150%额定电流以下(根据机种不同，为125%200%)。用工频电源直接起动时，起动电流为67倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动(起动时间变长)。起动电流为额定电流的1.21.5倍，起动转矩为70%120%额定转矩；对于带有转矩自动增强功能的变频器，起动转矩为100%以上，可以带全负载起动。7、V/f模式是什么意思？频率下降时电压V也成比例下降，这个问题已在回答4说明。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的，通常在控制器的存储装置(ROM)中存有几种特性，可以用开关或标度盘进行选择。8、按比例地改V和f时，电机的转矩如何变化？频率下降时完全成比例地降低电压，那么由于交流阻抗变小而直流电阻不变，将造成在低速下产生地转矩有减小的倾向。因此，在低频时给定V/f,要使输出电压提高一些,以便获得一定地起动转矩,这种补偿称增强起动。可以采用各种方法实现,有自动进行的方法、选择V/f模式或调整电位器等方法。9、在说明书上写着变速范围606Hz，即10:1，那么在6Hz以下就没有输出功率吗？在6Hz以下仍可输出功率，但根据电机温升和起动转矩的大小等条件，最低使用频率取6Hz左右，此时电动机可输出额定转矩而不会引起严重的发热问题。变频器实际输出频率(起动频率)根据机种为0.53Hz.10、对于一般电机的组合是在60Hz以上也要求转矩一定，是否可以？通常情况下时不可以的。在60Hz以上(也有50Hz以上的模式)电压不变，大体为恒功率特性，在高速下要求相同转矩时，必须注意电机与变频器容量的选择。11、所谓开环是什么意思？给所使用的电机装置设速度检出器(PG)，将实际转速反馈给控制装置进行控制的，称为“闭环”，不用PG运转的就叫作“开环”。通用变频器多为开环方式，也有的机种利用选件可进行PG反馈。12、实际转速对于给定速度有偏差时如何办？开环时，变频器即使输出给定频率，电机在带负载运行时，电机的转速在额定转差率的范围内(1%5%)变动。对于要求调速精度比较高，即使负载变动也要求在近于给定速度下运转的场合，可采用具有PG反馈功能的变频器(选用件)。13、如果用带有PG的电机，进行反馈后速度精度能提高吗？具有反馈功能的变频器，精度有提高。但速度精度的植取决于本身的精度和变频器输出频率的分辨率。14、失速防止功能是什么意思？如果给定的加速时间过短，变频器的输出频率变化远远超过转速(电角频率)的变化，变频器将因流过过电流而跳闸，运转停止，这就叫作失速。为了防止失速使电机继续运转，就要检出电流的大小进行频率控制。当加速电流过大时适当放慢加速速率。减速时也是如此。两者结合起来就是失速功能15、有那些漏电流的形式？有2种：电机电缆对地漏电流和电缆16、为什么会有漏电流的问题？不使用变频器时，漏电流一般较小。使用变频器时，因为逆变器的功率模块高速开关，输出电流中有高次谐波的存在。有因为电缆对地、电缆之间存在电感，因此产生了较大的漏电流（可达不用变频器时的10倍）。17、漏电流和开关频率有和关系？开关频率越小，漏电流越小。18、漏电流和电机功率的关系？功率越大，漏电流越大。19、漏电流和接地的关系？无直接关系。但接地不好会增加触电的可能性。20、漏电流对策有那些？降低开关频率，是电缆之间，电缆和地的距离增加，增加开关的漏电流设定水平等。21、对变频器的漏电流水平可有什么规定?现在还没有。交流调速的功控原理与内馈调速屈维谦引言二十世纪九十年代以来，近代交流调速步入了以变频调速为主导的发展阶段。其间，由于各种新型电力电子器件的支持，使变频调速在低压（380V）、中小容量（200KW以下）方面取得了较大的进展。但是面对高压（6KV-10KV）中大容量领域，由于电力电子器件自身规律的限制，变频调速在技术上遇到了很大困难，无论是“高低” 、“高-低-高”以及“多电平串联”方案，都在实践中暴露出技术复杂、价格昂贵、效率降低、可靠性较差等缺点，从理论上看，高压变频所面临的问题是违反电力电子器件客观规律的结果，因为目前几乎所有的电力电子器件，其材料、工艺机理都决定了其属性是低压大电流的。尽管如此，高压变频的势头仍有增无减，除了客观市场需求的拉动以外（诸如高压中大容量的风机泵类节能），主要是“变频调速是唯一的最佳交流调速”理论导向的结果。变频调速果真是唯一的最佳交流调速吗？事实并非如此。例如串级调速不仅具有和变频调速几乎一致的调速机械特性，而且调速效率还略高于后者（参考文献2），当然串级调速存在一些缺点，但较比高压变频存在的问题还是容易解决的。根据传统电机学理论，交流调速被划分为变频、变极和变转差率三种方案，在缺乏科学分析的条件下，认定变转差率调速是低效率的，而变极调速又属于有级调速，因此惟有变频调速最佳。例如文献2提出：“变频调速方法与变转差调速方法有本质不同，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。可以认为，变频调速是交流电动机的一种比较合理和理想的调速方法。”这样，就把变频调速和变转差率调速对立起来，并且完全否定了变转差率调速，显然与事实不符。尽管很多文献试图从转差功率回收角度来解释串级调速，但在调速机理和特性等方面仍未得到科学、深入的解答。本文为此对交流调速的原理和方案进行了新的分析和研究，提出了功率控制调速原理，建立了调速公式，同时研究发明了一种新型交流调速内馈调速，实践证明，以上的理论和技术是符合客观科学规律的，希望引起有关各界的关注。1交流调速的功率控制原理P理论为了探求异步机调速的实质，以及便于深入分析，应首先建立异步机的物理模型。根据异步机的能量转换与传输原理，异步机等效于图1的功率圆模型。图1A鼠笼转子的异步机模型 图1B 绕线转子的异步机模型电动机是将电能转化为机械能的设备。异步机的定子与电源相联，从中吸收电功率P1，同时吸收感性无功功率建立旋转磁场。旋转磁场的功能是将定子的电磁功率传输给转子，转子则将电磁功率转化为机械功率，因此，旋转磁场等效于联接定转子的功率传输通道，为与电传导方式相区别，称为感应通道。主磁通是电磁感应中极为重要的参数，可以形象地认为是感应通道畅通与否的标志，为了保证感应通道畅通，应使主磁通为常量，否则将使功率传输的损耗增大，并且影响电机的转矩性能。定转子之间传输的电功率称为电磁功率，也是转化为机械功率的源泉。定子的电磁功率为， （1）即输入功率与损耗功率之差，转子的电磁功率则为， （2）意为机械功率与转子损耗功率之和。定、转子的电磁功率相等，只是表达形式不同。对于鼠笼型异步机，转子是短路封闭的，虽然转子中含有电压和电流，但却不能为外界所控制，因此，鼠笼型异步机转子只有一个机械输出端口。绕线型异步机的转子则是开启的，受外部控制才能形成电气回路，因此具有机械和电气两个输出端口。由于只有转子才能将电功率转换为机械功率，因此是调速分析的主要对象。根据力学原理，异步机的角速度， （3）其中：PM为异步机机械功率；T为输出转矩。根据异步机的能量转换与守恒，转子的功率方程为 （4）其中：Pem为异步机转子的电磁功率； 为转子的损耗功率。因此，异步机输出角速度表为。 （5）式中的 ， （6）称为理想空载角速度；， （7）称为角速度降。量纲变换后，有 ， （8）式中的 ， （9）即为理想空载转速；， （10）为转速降。应该注意，和直流电动机一样，异步机也具有机械运动的理想空载转速，与同步转速相比，两者的定义和属性都不同，前者属于机械运动，后者则是非机械的磁场变化。异步机转速只与理想空载转速密切相关，而与同步转速没有直接、必然的联系。异步机的理想空载转速表达为电磁功率与电磁转矩之比，其含义是：在假定转子无损耗的理想状态下，异步机的全部电磁功率都转化为机械功率所能获得的转速。由于这种假设只有在理想空载的条件下才能实现，故称理想空载转速。理想空载转速取决于电磁功率，是异步机调速非常重要的参量。转速降即为转速损失，取决于损耗功率。按照公式（3），转矩T似乎也应该成为调速的控制参量，实际上是不可能的。电机稳定运行必须遵循转矩平衡方程式，即电磁转矩与负载转矩相等。 （11）负载转矩是由机械负载本身的性质决定的，既不取决于电机性能也不取决于调速与否，电磁转矩只能服从客观存在的负载转矩，不能随意改变，否则，破坏了转矩平衡方程式，电机将无法稳定运行。 那么是否可以先改变电磁转矩，等到转速达到所需要的数值时，再调整电磁转矩，使之与实际的负载转矩平衡？这在工程上是无法实现的。设想在电磁转矩改变之后，为了转矩平衡，就要随时测量当前的负载转矩，其复杂性是可想而知的。更为困难的是要控制电磁转矩立即与当前的负载转矩相等，其快速性、精确性实际上无法实现，迄今为止，没有任何调速是如此控制的。因此电磁转矩不能成为调速的控制参量（详见论文交流调速的功率控制原理）。由此可见，交流调速的实质在于功率控制，即电磁功率控制和损耗功率控制两种原则。电磁功率控制改变的是理想空载转速，而损耗功率控制则是增大转速降，前者是高效率节能型调速，后者则是低效率的耗能型调速。调速性能取决于调速原理，高效率交流调速的关键在于如何控制电磁功率，至于选择定子控制还是转子控制，仅仅是对象的不同，并没有本质的区别。以上就是交流调速的功率控制原理，为了便于称谓，简称为P理论。机械特性是电机调速性能实质的表达，也是评价调速优劣的科学依据。电磁功率控制改变的是理想空载转速，不增大损耗和转速降，因此调速机械特性为平行曲线；损耗功率控制增大转速降，理想空载转速不变，因此机械特性为汇交曲线。附图 2 定性地给出了两种机械特性的曲线。分析表明，由机械特性判断调速性能的推论也是成立的，即：凡是机械特性为平行曲线的调速，都是高效率、电磁功率控制的调速；而凡是机械特性为汇交曲线的调速则是低效率、损耗功率控制的调速。图2 a. 电磁功率调速特性 b. 损耗功率调速特性2异步机的理想空载转速与调速功率控制原理虽然定性地说明了交流调速的机理，却不能直接用作定量分析。理由是功率本身是多元参数的合成，工程应用需要具体的物理量和数学关系。因此，分析导出异步机调速的数学模型是十分重要的。鉴于重要性和篇幅，对转速降分析从略，重点分析理想空载转速。根据电机学原理，异步机转子的电磁功率和电磁转矩方程为 ； （12） 。 （13） 其中，转矩系数 。 （14）根据功率控制原理所得出的公式（6），异步机的理想空载角速度为 ， （15）其中的电势系数： （16）换算成每分钟转速，同乘以，有 （17）其中的转子电势系数 （18）表明异步机的理想空载转速与转子开路电势E2成正比，与主磁通量成反比。至于电势系数，在电机设计制造时多已确定，不易改变，可以当作常量，改变理想空载转速可以通过 1) 恒磁调压方法。即，使主磁通不变，调节转子电压（电势）。2) 恒压弱磁方法。即，使转子电压不变，减小主磁通。公式（15）（17）物理意义鲜明，颇具应用价值，实际上高效率交流调都是依据该式实现的，包括变频调速、串级调速以及将介绍的内馈调速。3磁通、转矩与损耗主磁通是异步机中非常重要的物理量，直接影响异步机的性能指标。为了提高调速效率和不影响转矩输出能力，调速时应尽量使主磁通为常量，即恒转矩调速。如果破坏了这一条件，一方面将增大调速损耗，另一方面将减小输出转矩。由于磁饱和的约束，控制主磁通只能使之减小，因此所实现的是弱磁调速。弱磁的方法有恒频降压和恒压升频两种，前者的理想空载转速不变，后者的理想空载转速升高，共同的结果是导致同一负载转矩下的转子电流和损耗增大。设负载转矩不变，根据转矩平衡方程式，及 ，主磁通减小将导致定、转子电流增大，绕组的损耗将按电流的平方律剧增，其值为 （19） （20）从而导致电机的转速降增大，效率降低，异步机定子调压调速就是实例。弱磁调速同时导致电磁转矩减小，原因是要保证额定电磁转矩，在主磁通减小时，必须增大电流，然而受导线面积的限制，电流无法增大，否则将产生热损耗和温升，致使电机不能正常运行。因此，弱磁调速必须减小负载转矩，只能适用于高速轻载的工况。从转矩输出角度看，调速可划分为恒转矩和恒功率两种类型。前者是调速时的转矩输出能力不变，后者是调速时功率输出能力不变。工程上应用最多的是恒转矩调速，也是电机调速性能最理想的方式。下面根据功率控制原理和公式（15、17）分析交流调速的主要方案和典型方法。4转子直接控制的调速控制理想空载转速的方法之一是通过电传导直接控制转子的合电势，按照附图3 图3 转子串联附加电势的等效电路在转子回路中串联附加电势。此时转子的合电势为。 （21）其中的Ef为附加电势，当Ef与E2反极性串联时，符号取正，它将使转子的合电势增大，理想空载转速超过同步转速；而当同极性串联时，符号取负，它使转子的合电势减小，理想空载转速低于同步转速。结合（15）式，此时的理想空载角速度为 。 （22）其中为E2单独作用下的理想空载角速度，为Ef产生的附加理想空载角速度，实际理想空载角速度为两者的代数和。令 ， （23）称为电转差率（注意与传统的转差率相区别）。因此， （24） 量纲变换后的理想空载转速为 。 （25） 转子串联附加电势调速的特点是定子的原边电压和频率不变，主磁通自然恒定,因此调速如同直流机一样，只需要控制附加电势单一变量，系统得以简化。传统的串级调速、双馈调速以及我国首创的内馈调速就是基于上述原理。5.内馈调速的系统与原理内馈调速是我国首创的一种新型交流调速方法，其系统如附图4 所示图4 内馈调速系统原理与图5的串级调速相比，系统的主要特点是：电转差功率不是外馈电网而是回馈电机内部，目的是为了解决串级调速与双馈调速存在的问题和缺点。图5 串级调速系统原理串级调速以及双馈调速等外馈方式都存在电转差功率的无谓循环问题，这是由附加电源外置所决定的。根据前述的附加电势调速原理，从转子移出并反馈电源的电转差功率是由定子以电能的形式吸收进来的，结果又以同样的形式输出出去，没有产生能量转换，因此是无谓的。问题是这部分功率要在调速时不断地循环，定子除了供给必须的机械功率之外，还要供给电转差功率。这样就加重了定子的负担，特别在恒转矩负载时，表现为机械功率随调速而减小，但定子电流和有功功率却不变，电机运行恶化，因此多应用于风机水泵类负载，而很少在恒转矩负载上应用。此外，外馈系统还要设置变压器，一方面增加了系统成本，还造成损耗和对电源的谐波污染。l 内馈绕组内馈调速系统突出特征是将附加电源内置在异步机的内部，方法是在定子上与原绕组同槽嵌放一个内馈绕组。内馈绕组与原绕组只存在电磁感应，没有电传导的联系。附加电势由内馈绕组受感应而产生，在典型的低同步调速时，电转差功率Pes由转子引出，经控制装置传输给内馈绕组。此时，内馈绕组工作在发电状态，通过电磁感应抵消定子原边输入的多余电功率。电机调速时定子功率为 （26）式中的转子功率 （27）由于内馈绕组的发电功率（）与电转差功率近似相等，有 （28）因此 （29）定子主要供给机械功率，不含转差功率，从根本上克服了电转差功率无谓循环的缺点。l 性能与特点1) 回避了定子高电压问题功率较大的电机工作电压必然高，如果采用定子控制的调速方法，不可避免地要遇到高电压问题。内馈调速采用的是转子控制，有效利用了异步机的变压器机理，避开了高压问题，实现了高压电机低压控制，既降低了成本，又提高了可靠性。2) 无附加的变压器内馈调速合理利用了异步机的变压器原理，附加电势由定子感应产生，系统成本降低，效率提高，是目前所有高压交流调速效率最高的系统。3) 分布短距、电磁隔离有效抑制定子谐波电流调速装置绝大多数采用电力电子控制，由于电力电子器件的非线性，必然产生谐波，造成对电机和电源的不良影响。电机绕组的分布和短距，对谐波的抑制非常有效，事实上，异步机的绕组就是一个高效的滤波器，这是变压器的集中绕组望尘莫及的。附图6是文献2给出的串级调速转子和定子电流波形，并得出结论：“异步机转子电流中含有大量的谐波分量，但由于电动机定转子绕组的分布系数和短距系数之故，使得定子电流定子阻抗压降中的高次谐波分量都很小，转子电势的谐波分量也不大。”曲线1-转子电流 曲线2-定子电流图6 串级调速的定子和转子电流示波图有效抑制谐波的另外方法是电磁隔离，利用漏抗对谐波的高阻，可以减小谐波电流。内馈调速的控制装置分别与转子和内馈绕组联接，和定子没有电的直接联系，转子及内馈绕组与定子都存在较大的漏抗，因此对谐波产生较大的抑制作用。4) 调速范围与精度内馈调速有低同步和超同步两种调速方式，前者的内馈绕组工作于发电状态，后者则是电动状态。与变频调速的超同步状态不同的是，内馈调速的主磁通都不变，具有恒转矩调速特性。工程上应用较多的是低同步调速，因此重点讨论。内馈调速的下限转速取决于，即内馈绕组的电势与转子电势之比。当E3越接近于E2时，下限转速越低，特别是时，下限转速为零，调速范围无穷大，电机自起动就进入调速状态。扩大内馈调速的调速范围在技术上是没有困难的，但是必须虑及经济性。扩大调速范围必然增大经济成本，理由是内馈绕组电压的提高，导致内馈电机的制作成本加大，同时，必然引起电力电子控制器件耐压等级和其它性能的提高。目前，电力电子器件的工作电压在低于660V的区间较为经济可靠，超过这一区间，一方面成本加大，另一方面可靠性相应降低。因此不要盲目地提高调速范围，应根据工程应用的实际需要具体选择。对于风机水泵类负载，调速以节能为目标，通常转速下调（4050）%，电机功率降低为额定值的（2515）%，节能达到（7585）%，完全满足了需要，更没必要过分追求调速范围。调速精度主要取决于速度闭环调节性能的优劣，对于调速精度要求较高的场合，内馈调速可采取相应的速度闭环控制，以达到实际需求。6 定子间接控制的调速方法之二是通过电磁感应间接地控制转子电势，控制对象则选择为定子，由于转子电势是由定子电势感应产生，因此，可以通过控制定子电势，来改变转子电势。根据电机学，将转子电势折算的定子侧，有 ， （30） 故按式（15）的推导过程 。 （31）折算为每分钟转速，有 。 （32）新量纲下的电势系数 。 （33）变频调速实际遵循的是公式（32），而不是传统的转速表达式。为了与传统的变频原理相区别，现重新分析如下。对于附图7的变频调速系统图7 变频调速的功率控制原理变频器串联于电源和异步机之间，目的在于通过控制定子输入功率来达到控制定子的电磁功率，从而实现高效率的调速，这是调速的实质。变频调速有低同步和超同步两种状态，前者的主磁通不变，改变定子电压，属于恒转矩调速；后者的定子电压不变，改变磁通，属于恒功率的弱磁调速。对于低同步的恒转矩调速，根据公式(32)，通过调压改变定子电势E1是容易理解的，关键在于如何恒磁通。根据电机学，主磁通 （34）近似与电源电压成正比，与频率成反比。为此，在调压的同时正比地改变频率，即可保证主磁通恒定。工程上实际应用的变频调速就是这样控制的，并非单纯改变频率，否则电机将无法正常运行。对于恒功率的超同步调速，电源电压不变，单纯改变频率，根据式(34)，实际上是减小。弱磁的结果是转速升高，超过同步转速。但同时输出转矩减小，调速时只能保证输出功率能力不变。通过以上分析，为了实现恒磁通高效率的交流调速，典型方案是异步机的转子附加电势调速和定子的变压变频调速。前者采用电传导控制法，由于定子电压和频率不变，主磁通自然是恒定的。调速时只需独立地（即不改变定子电势E1）控制转子电势E2，因此具有技术简单，经济性好的优点。缺点是转子存在滑环和电刷；后者采用电磁感应控制法，由于主磁通受控于电源电压和频率，为了在调压时保持主磁通恒定，需要同时改变频率