交流调速的功率控制分析

[摘 要] 电动机是最基本的电――机能量转换工具,对交流调速进行实质性的分析,并得出交流调速的实质是功率控制的结论。交流调速的所有方法都可归结为电磁功率和损耗功率两种控制方案,电磁功率控制改变的是理想空载转速,调速是高效的损耗功率增大是转速降,调速是低效率的。

[关键词] 交流调速 功率控制 效率

交流调速实质的讨论,是关系到近代交流调速发展的重要理论问题。尽管传统电机学对此做了较深入的分析,但所出的异步机转速表达式却是由转差率定义变换而产生的,即根据上述的转速定义式,异步机被传统理论人为划分为变频、变极和变转差率三种调速方案,汤蕴缪认为变频和变转差率调速有本质的不同,在缩有交流调速中,变频调速的效率最高,是最合理和理想的方法。这种观点即缺乏理论依据也与实践不符,例如串级、双馈调速和变频调速相比,机械特性和调速效率都很接近,并没有本质不同。鉴于此,本文根据电动机最基本的电机能量转换原来,所得出的功率控制理论虽然导由异步机,但结论基本适用于所有电动机。

一、电动机模型与功率控制调速原来

电动机是将电能转换成机械能的设备,因此可普遍表达为两端口网络。由电动机输出端口观察,根据动力学原理,电动机调速的方法有两种:一是控制电磁功率,所改变的是理想空载转速;二是增大损耗功率,以增大转速降。

二、异步电动机与功率控制调速原来

异步电动机是电动机的一种,其调速原理必然服从上述的普遍调速规律,根据能量转换原理,异步机也可等效为一个二端网络,异步机的定子在旋转磁场的作用下,将电磁功率传输给转子,因此旋转磁场可以等效为电磁功率的传输通道,在磁场的作用下,转子电磁功率除损耗外,转换为机械功率,这种电磁感应通道的特点是交流机与直流机的本质区别。

异步机按转子型式可分为鼠笼型和绕线型,前者转子是封闭短路的,因此只有一个机械功率输出端口,后者转子是开启的,因此具有机械功率和电功率两个端口,转子的电功率端口可以通过电传导与外电路进行功率交换。

异步机调速可以通过定子口或转子口实施功率控制调速,分别控制电磁功率或损耗功率,前者改变的是理想空载转速,调速效率低高,机械特性为平行曲线,后者增大转速降,调速效率较低,机械特性为交汇曲线。

应该注意同步转速和理想空载转速的区别,同步转速n1是旋转磁场的变化速度,理想空载转速n0是假定转子全部电磁功率都转换为机械功率的机械速度。电动机的速度显然与n0密切相关的,而与同步转速没有直接必然的联系。

三、恒转矩的电磁功率控制调速

所谓恒转矩调速,是指额定输出转矩能力不变的调速,特点是主磁通φm不变,恒转矩调速可以通过定子或转子的电磁功率控制实现,但在定子控制时,必须注意磁通φm的恒定。

四、定子电磁功率控制―变频调速的原理

从功率控制角度观察,变频调速是典型的定子电磁功率控制调速。由于转子电磁功率是由定子传输的,且定、转子电磁功率相等,因此控制定子电磁功率就可间接地控制转子电磁功率。定子电磁功率转矩平衡方程式约束,不能作为控制量。但单纯调压并不能实现定子电磁功率控制,因U1不但影响电磁功率,还作用于磁场。为了解决上述问题,在调压的同时正比地改变频率f1,使主磁通Φm保持不变,从而实现高效率的电磁功率控制调速。变频调速时,理想空载转速按n0随U1改变,此时同步转速n1 随f1而变,且有n0=n1,但决定电动机转速的是n0而不是n1,下面将会看到,即使n1不变,n0也可随电磁功率改变,可见n0与n1没有直接、必然的联系。

对于绕线式异步机调速,可以对转子直接进行电磁功率控制。方法是从转子口移出或注入电功率,以改变转子的净电磁功率。与定子电磁功率控制调速(即调压变频调速)相比,两者并无原理的区别。

五、转子电磁功率控制调速

由于转子电压的频率为变化的转差频率,因此必须要进行频率变换,以使转子和附加电源进行有功功率交换。能够连续地控制Pes的大小,以获得平滑的无级调速。尽量避免产生感性无功功率以提高功率因数,减小无功损耗。

上述的技术关键是设计调速控制装置应该注意的。转子电磁功率控制的系统构成要点是附加电源,它是Pes传输所必须的。传统的方法是外置,例如串级a、双馈等调速。外置电源将使系统复杂化,而且在低同步调速时造成 Pes从定子至外置电源之间的无谓循环,增大了定子损耗。

较好的方法是我国首创的斩波内馈调速。该系统突出特征是将附加电源设置在异步机自身的定子上,附加电势由电磁感应产生 ,在典型的低同步调速时,由转子引出,经交流控制装置传给定子附加的内馈绕组(以前亦称调节绕组)。内馈绕组处于发电状态,通过电磁感应抵消定子原边输入的多余电功率。斩波控制则是用以调节 Pes的大小实现转速的无级调节,克服有源逆变器移相控制所带来的功率因数低、谐波分量大等一系列缺点。

六、 结论

1.异步机调速的实质在于功率控制,控制原则有电磁功率控制和损耗功率控制,前者改变的是理想空载转速,后者增大转速降。

2.动态转矩是功率激励和转速响应的结果,并随转速响应自动减小,直至新的转矩平衡后为零,稳态电磁转矩只能服从客观负载转矩,调速的实质并非转矩控制。

3.调速效率和特性只决定于功率控制属性。转子电磁功率控制的调速与变频调压调速只有控制对象的不同,没有本质区别。

参考文献:

[1]汤蕴缪:电机学―机电能量转换[M]机械工业出版社,1986

[2](日)上山直彦编吴铁坚译:现代交流调速[M]. 水利电力出版社,1989.1～55

[3]佟纯厚:近代交流调速[M].冶金工业出版社,1985.5～125