引言
交流調(diào)速實(shí)質(zhì)的討論，是關(guān)系到近代交流調(diào)速發(fā)展的重要理論問(wèn)題。盡管傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)對(duì)此作了較深入的分析，但所給出的異步機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式卻是由轉(zhuǎn)差率定義式變換而產(chǎn)生的，即根據(jù)上述的轉(zhuǎn)速“定義式”，異步機(jī)被傳統(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還認(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)速效率都很接近，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，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導(dǎo)由異步機(jī)，但結(jié)論基本適用于所有電動(dòng)機(jī)。
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的兩端口網(wǎng)絡(luò)。
由電動(dòng)機(jī)輸出端口觀察，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理
(1)
式中: Pm為輸出機(jī)械功率
T為輸出轉(zhuǎn)矩即電磁轉(zhuǎn)矩
Ω為角速度 由此可見，電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有兩種: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。公式(6) 是電動(dòng)機(jī)調(diào)速普遍的表達(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2的網(wǎng)絡(luò)模型。異步機(jī)的定子通過(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2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，特點(diǎn)是主磁通Φm不變。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速可以通過(guò)定子或轉(zhuǎn)子的電磁功率控制實(shí)現(xiàn)，但在定子控制時(shí)，必須要注意主磁通Φm 的恒定。
3.1 定子電磁功率控制--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)模叶�、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。定子電磁功率轉(zhuǎn)矩平衡方程式約束，不能作為控制量。但單純調(diào)壓并不能實(shí)現(xiàn)定子電磁功率控制，因U1不但影響電磁功率，還作用于磁場(chǎng)。為了解決上述問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)式(9)，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，可見n0與n1沒(méi)有直接、必然的聯(lián)系。變頻調(diào)速的功率控制原理如圖3所示�？梢姾戕D(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)在于電磁功率控制。
3.2 轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速
對(duì)于繞線式異步機(jī)調(diào)速，可以對(duì)轉(zhuǎn)子直接進(jìn)行電磁功率控制。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。與定子電磁功率控制調(diào)速(即調(diào)壓變頻調(diào)速)相比，兩者并無(wú)原理的區(qū)別。 對(duì)于圖2(b)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: Pem1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
Pem2將隨Pes 的方向和大小而改變。注意不要把Pes 簡(jiǎn)單理解成轉(zhuǎn)差功率Ps ，應(yīng)該把Ps 中的電磁功率和損耗功率區(qū)別開來(lái)，對(duì)調(diào)速的影響也不同,Pes將改變異步機(jī)的理想空載轉(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
(14)
可見，-Pes控制得到的是低同步調(diào)速，而+Pes則是超同步調(diào)速。
轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速的技術(shù)關(guān)鍵為:
l 由于轉(zhuǎn)子電壓的頻率為變化的轉(zhuǎn)差頻率，因此必須要進(jìn)行頻率變換，以使轉(zhuǎn)子和附加電源進(jìn)行有功功率交換。
l 能夠連續(xù)地控制Pes 的大小，以獲得平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速。
l 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。轉(zhuǎn)子電磁功率控制的系統(tǒng)構(gòu)成要點(diǎn)是附加電源，它是Pes 傳輸所必須的。傳統(tǒng)的方法是外置，例如串級(jí)(cascade control)、雙饋double Feed)等調(diào)速。外置電源將使系統(tǒng)復(fù)雜化，而且在低同步調(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,是我國(guó)首創(chuàng)的斬波內(nèi)饋調(diào)速。如圖4示:該系統(tǒng)突出特征是將附加電源設(shè)置在異步機(jī)自身的定子上，附加電勢(shì)由電磁感應(yīng)產(chǎn)生 ，在典型的低同步調(diào)速時(shí)， 由轉(zhuǎn)子引出，經(jīng)交流控制裝置傳給定子附加的內(nèi)饋繞組(以前亦稱調(diào)節(jié)繞組)。內(nèi)饋繞組處于發(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。斬波控制,則是用以調(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 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。
(2) 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩是功率激勵(lì)和轉(zhuǎn)速響應(yīng)的結(jié)果，并隨轉(zhuǎn)速響應(yīng)自動(dòng)減小，直至新的轉(zhuǎn)矩平衡后為零，穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩只能服從客觀負(fù)載轉(zhuǎn)矩，調(diào)速的實(shí)質(zhì)并非轉(zhuǎn)矩控制。
(3) 調(diào)速效率和特性只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。
