交流调速的功控原理与内馈调速

1、 交流调速的功控原理与内馈调速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

2、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

3、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

4、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的功率园模型。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。通过电磁感应将定子的电磁功率传输给转子，是异步机最主要的特征，尽管旋转磁场的产生和分析较为复杂，但功能却是简单明了的。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，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

5、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

6、的主要对象。事实上，所有的异步机调速都是最终通过转子的功率控制才能完成的，转子功率控制是调速的必由途径。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

7、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

8、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，没有任何调速是这样控制的。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

9、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

10、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

11、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。6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

12、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激增，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

13、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。3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

14、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

15、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。4 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

16、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

17、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

18、目前所有高压交流调速效率最高的系统。3) 分布短距和电磁隔离有效地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。”图6 串级调速的定子和转子电流示波图曲线1-转子电流 曲线2-定子电流有效抑

19、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

20、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

21、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。5 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

22、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良种状态，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

23、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，使。该方案技术较为复杂，但转子可以为鼠笼型，避免了前者的缺点。特别应该引起注意的是，两种控制方案的控制机理是完全一致的，只是控制对象不同。传统电机学

24、认为两者分别属于变转差率和变频的不同调速原理，把两者截然区别开来的观点是错误的。7异步机的等效直流机模型直流电动机易于实现调速是其突出的优点，交流电动机的调速则要困难得多。实际上两者的调速原理和公式非常相似，并没有难易之分，问题主要是在技术上。异步机的理想空载转速公式（17）（28）与直流机的相应转速公式是基本一致的。同时注意到，在定子电压作用下，异步机定子产生主磁通为的旋转磁场，同时产生电磁功率，其方程分别为据此，异步机的定子可以等效成图8的直流并激电动机。其中，定子的激磁功能等效为直流机的主磁极；电磁功率传输功能等效为电枢。需要注意的是，定子的电磁功率并不直接转化成机械功率，而是通过电磁感

25、应传输给转子，然后由后者完成机械功率的转化，因此，如果把电枢定义为“将电磁功率转化为机械功率的部件”，转子才是真正的电枢，定子应该称为“伪电枢”。图8异步机的等效直流机 图9异步机恒磁通调速的等效直流机可见，在主磁通不变的条件下，可以通过控制定子电势来改变异步机的理想空载转速。问题在于E1与的耦合，单纯地改变E1必然导致m变化，为了不使受到影响，需要同时变频以解除两者的耦合，致使技术复杂化。对于图8的等效异步机，如果单纯的定子调压，电势和主磁通同比变化，理想空载转速不变，损耗和转速降反而增大。为了实现恒磁通的高效率调速，必须设法将图8的直流并激电动机改变为图9的直流他激电动机，显然，对于直流机是轻而易举的，而对于异步机则颇为困难，交流调速所以难于直流调速，恐怕原因就在于此。8交流调速的新分类交流调速的划分应该按照调速原理进行，由于调速原理发生变化，与传统电机学的调速分类自然就不尽相同。根据功率控制原理，交流调速的划分如下机理 控制对象 方式 特点 特性（n1以下）异步机调速