交流調(diào)速的功率控制原理與斬波內(nèi)饋調(diào)速

0 引言

斬波內(nèi)饋調(diào)速是我國(guó)首創(chuàng)的一種新型交流調(diào)速技術(shù)，通過近20 年的實(shí)踐探索和理論研究，斬波內(nèi)饋調(diào)速取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，產(chǎn)品在發(fā)電、供水、冶金等領(lǐng)域獲得了推廣應(yīng)用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能都達(dá)到了較為理想的指標(biāo)。事實(shí)表明，斬波內(nèi)饋調(diào)速具有調(diào)速效率高，制造成本低，功率因數(shù)高，諧波分量小等一系列優(yōu)點(diǎn)，不僅為我國(guó)的風(fēng)機(jī)泵類節(jié)能提供了一種經(jīng)濟(jì)、高效的調(diào)速技術(shù)和產(chǎn)品，也為世界的交流調(diào)速填補(bǔ)了一項(xiàng)空白。

在從事交流調(diào)速的多年研發(fā)中，作者發(fā)現(xiàn)變頻調(diào)速與串級(jí)調(diào)速(包括雙饋調(diào)速及內(nèi)饋調(diào)速)具有極為相似的調(diào)速性能，例如調(diào)速效率、機(jī)械特性等都很一致，但按傳統(tǒng)理論串級(jí)調(diào)速屬于變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，被認(rèn)為與變頻調(diào)速有著本質(zhì)的區(qū)別。顯然，面對(duì)毋庸質(zhì)疑的客觀事實(shí)，傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)理論就值得探討了。

重新審視電機(jī)學(xué)的有關(guān)部分，發(fā)現(xiàn)被視為經(jīng)典的異步機(jī)轉(zhuǎn)速公式竟然是一個(gè)人為的定義式，根本無法成為交流調(diào)速的理論依據(jù)，自然，按該表達(dá)式劃分的調(diào)速種類和方法也是不科學(xué)的。電機(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì)究竟是什么，電機(jī)調(diào)速的統(tǒng)一理論是什么，這是目前交流調(diào)速亟待解決的理論問題。

為此本文從能量轉(zhuǎn)換守恒、牛頓力學(xué)定律、電磁感應(yīng)定律等最基本的物理法則出發(fā)，分析和探討電機(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì)及統(tǒng)一規(guī)律，提出了電機(jī)調(diào)速的功率控制原理———P理論。P理論表明，包括異步機(jī)在內(nèi)的所有電動(dòng)機(jī)，調(diào)速的實(shí)質(zhì)是功率控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速只能通過電磁功率或損耗功率的改變才能得到調(diào)節(jié)，所有的電機(jī)調(diào)速方法都是功率控制原理的具體實(shí)施。

1 異步機(jī)轉(zhuǎn)速公式的質(zhì)疑

公式是客觀規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，它只能產(chǎn)生于已有的定律、公式，而不能產(chǎn)生于人為的定義。

經(jīng)典電機(jī)學(xué)的異步機(jī)轉(zhuǎn)速公式是這樣建立的。

首先定義轉(zhuǎn)差率s，令

我們注意到，式(4)與式(2)沒有本質(zhì)變化，盡管式(3)是公式，但它僅僅起到參數(shù)變換作用，并沒有改變式(1)、(2)的定義式性質(zhì)。因此，我們認(rèn)為式(4)只不過是人為的定義式，在沒有經(jīng)過科學(xué)論證之前，是不能稱其為公式的。

2 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所示的四端網(wǎng)絡(luò)。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mfz是由負(fù)載決定的客觀存在，電磁轉(zhuǎn)矩則跟隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化而變化，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的每一次變化，都將引起電磁轉(zhuǎn)矩的變化，這一動(dòng)態(tài)變化過程及對(duì)轉(zhuǎn)速的影響如下。

可見，電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)，軸功率是主變控制量，電磁轉(zhuǎn)矩是因變量，調(diào)速的本質(zhì)在于功率控制。現(xiàn)在的問題是如何用電氣的方法控制軸功率PM。

式(16)是電動(dòng)機(jī)調(diào)速普遍規(guī)律的表達(dá)式。由此可見，電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原則有兩種：一是控制電磁功率，所改變的是理想空載轉(zhuǎn)速;二是增大損耗功率，以增大轉(zhuǎn)速降。

3 異步機(jī)模型與調(diào)速的功控原理

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所示的網(wǎng)絡(luò)模型，也稱為功率圓圖。

定子和轉(zhuǎn)子是構(gòu)成異步機(jī)的兩個(gè)重要部件，也是異步機(jī)能量傳輸和轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵單元。異步機(jī)的定子與電源相聯(lián)并吸收電功率P1，扣除損耗形成電磁功率Pem，定子通過旋轉(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)化為軸功率。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。

衡量磁場(chǎng)的主要物理量是主磁通椎m ，為了使電磁感應(yīng)通道暢通，不產(chǎn)生堵塞而造成損耗，根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，應(yīng)該使主磁通椎m保持恒定。這是調(diào)速時(shí)必須引起注意的。

異步機(jī)按轉(zhuǎn)子型式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)軸功率輸出端口;后者轉(zhuǎn)子是開啟的，因此具有軸功率和電功率兩個(gè)端口。轉(zhuǎn)子的電功率端口可以通過與外電路聯(lián)接進(jìn)行功率交換，由于轉(zhuǎn)子電壓較低，因此可以實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)低壓控制的調(diào)速，這是繞線異步機(jī)獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)。

異步機(jī)調(diào)速可以通過定子口或轉(zhuǎn)子口對(duì)電動(dòng)機(jī)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)速是高效率的，且機(jī)械特性為平行曲線;后者增大轉(zhuǎn)速降，調(diào)速是低效率的，機(jī)械特性為匯交曲線。電機(jī)調(diào)速的效率只取決于

功率控制的屬性，并不在于變頻還是變轉(zhuǎn)差率，因此，傳統(tǒng)理論把變頻調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速對(duì)立起來的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。

應(yīng)該注意同步轉(zhuǎn)速和理想空載轉(zhuǎn)速有本質(zhì)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n0是假定轉(zhuǎn)子全部電磁功率都轉(zhuǎn)換為軸功率的機(jī)械速度。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和調(diào)速效率只與n0密切相關(guān)，而與同步轉(zhuǎn)速?zèng)]有直接、必然的聯(lián)系。

4 變頻調(diào)速的功率控制原理

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。定子控制是間接控制轉(zhuǎn)子的調(diào)速，由于定、轉(zhuǎn)子電磁功率相等，而定子電磁功率

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，但決定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的是n0而不是n1，下面將會(huì)看到，即使n1不變，n0也可隨電磁功率改變。

根據(jù)上述分析，恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速時(shí)，其充分條件是調(diào)壓，必要條件是變頻，調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于對(duì)電磁功率控制。

5 轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速與內(nèi)饋調(diào)速

對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī)，可以對(duì)轉(zhuǎn)子直接實(shí)施電磁功率控制。方法是從轉(zhuǎn)子口移出或注入電功率，以改變轉(zhuǎn)子的凈電磁功率，使理想空載轉(zhuǎn)速得以調(diào)節(jié)。

轉(zhuǎn)子電磁功率控制有以下特點(diǎn)：

1)定子電壓、頻率不變，主磁通亦不變，因此調(diào)速是恒轉(zhuǎn)矩的;

2)同步轉(zhuǎn)速不變，理想空載轉(zhuǎn)速卻可變(n1 與n0無直接必然的聯(lián)系);

3)技術(shù)簡(jiǎn)單，效率高，經(jīng)濟(jì)性好。

對(duì)于圖3(b)的轉(zhuǎn)子電磁功率控制，當(dāng)在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率端口引入附加的電磁功率時(shí)，轉(zhuǎn)子的凈電磁功率

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