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電機(jī)功率轉(zhuǎn)換的原理
更新時(shí)間:2010-12-24   點(diǎn)擊次數(shù):3010次

 

引言:
  電機(jī)調(diào)速實(shí)質(zhì)的探討,是關(guān)系到近代交流調(diào)速發(fā)展的重要理論問(wèn)題。隨著近代變頻調(diào)速矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制等調(diào)速控制理論的提出和實(shí)踐,很多有關(guān)文獻(xiàn)和論著都把調(diào)速的轉(zhuǎn)矩控制確認(rèn)為調(diào)速的普遍規(guī)律,并提出調(diào)速的實(shí)質(zhì)和關(guān)鍵在于電磁轉(zhuǎn)矩控制。然而,這種觀點(diǎn)尚缺乏理論和實(shí)踐的證明,值得商榷。
 本文根據(jù)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換的普遍原理,提出并證明恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于電機(jī)的軸功率控制,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是功率控制的響應(yīng),其關(guān)鍵為如何通過(guò)電功率控制軸功率。
一、功率控制與轉(zhuǎn)矩控制
 根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理,凡電動(dòng)機(jī)都可劃分為主磁極和電樞兩個(gè)功能部分。主磁極的作用是建立主磁場(chǎng),電樞則是與磁場(chǎng)相互作用將電磁功率轉(zhuǎn)換為軸功率。
 直流電動(dòng)機(jī)的主磁極和電樞不僅結(jié)構(gòu)鮮明,而且功能獨(dú)立,無(wú)疑符合以上定義。而交流(異步)電動(dòng)機(jī)通常以定子、轉(zhuǎn)子劃分構(gòu)成,需加說(shuō)明。
 根據(jù)所述電樞定義,異步機(jī)的軸功率產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子,因此,異步機(jī)真正的電樞是轉(zhuǎn)子。問(wèn)題在于定子,一方面定子勵(lì)磁產(chǎn)生主磁場(chǎng),故定子是主磁極。另一方面,定子又通過(guò)電磁感應(yīng)為電樞(轉(zhuǎn)子)輸送電磁功率,卻不產(chǎn)生軸功率,因此定子又具有電樞的部分特征,這里我們把它稱(chēng)為偽電樞。定子的這種復(fù)合功能,是異步機(jī)區(qū)別于直流機(jī)的主要特征。
 從電樞輸出角度觀察,電動(dòng)機(jī)的軸功率與電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)械轉(zhuǎn)速的關(guān)系為:
 ?。蠱=MΩ (1)
  或 Ω=PM/M (2)
 公式(2)除了給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速與軸功率和電磁轉(zhuǎn)矩間的量值關(guān)系以外,同時(shí)表明,電機(jī)轉(zhuǎn)速zui終只能通過(guò)軸功率或電磁轉(zhuǎn)矩兩種控制獲得調(diào)節(jié),前者簡(jiǎn)稱(chēng)功率控制,后者簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)矩控制。
 ?。? 功率控制
 功率控制是以軸功率PM為調(diào)速主控量, 作用對(duì)象必然是電樞或偽電樞。電磁轉(zhuǎn)矩在調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí),取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小。
 即 M=Mfz (3)
 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一經(jīng)為客觀工況所確定之后,電磁轉(zhuǎn)矩就*地被決定了,因此電磁轉(zhuǎn)矩不僅與調(diào)速控制無(wú)關(guān),而且不能隨意改變其量值。
 電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速的作用表現(xiàn)在調(diào)速的過(guò)渡過(guò)程,轉(zhuǎn)矩的變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后的結(jié)果,此時(shí),功率控制造成電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。
 設(shè)電機(jī)調(diào)速前的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω1,軸功率為PM1,調(diào)速后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω2,相應(yīng)的軸功率變?yōu)椋蠱2。 由于電磁轉(zhuǎn)矩:
 ?。停剑蠱/Ω (4)
  故調(diào)速時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)椋?
 ?。停剑蠱2/Ω
  由于受慣性的作用,在t=0的調(diào)速瞬時(shí)Ω=Ω1,故
 ?。停剑蠱2/Ω1
  t=0
 此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩將與原來(lái)的電磁轉(zhuǎn)矩M1=PM1/Ω1不等,轉(zhuǎn)矩平衡被破壞并產(chǎn)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩,電機(jī)轉(zhuǎn)速在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下開(kāi)始由Ω1向Ω2過(guò)渡,其變化規(guī)律為:
  Ω1=(Ω1-Ω2)e-t/T+Ω2 (5)
  電磁轉(zhuǎn)矩則為:M=PM2/(Ω1-Ω2)e-t/T+Ω2 
 隨著時(shí)間增大,動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩減小,直至電磁轉(zhuǎn)矩與新的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡,即:
  M=PM2/Ω2=Mfz,
 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在Ω2不變,電機(jī)調(diào)速結(jié)束。 上述的調(diào)速過(guò)程可以由圖1的框圖說(shuō)明。
 
 
                          
圖1 功率控制的調(diào)速流程
 功率控制作用的是電樞,主磁場(chǎng)或主磁通量保持不變,根據(jù)電機(jī)理論,電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩正比于主磁通量,受限于電樞的zui大載流量。因此功率控制調(diào)速時(shí),電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力不變,屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。
2. 轉(zhuǎn)矩控制
 根據(jù)公式(2),電機(jī)轉(zhuǎn)速在軸輸出功率不變的前提下,與電磁轉(zhuǎn)矩成反比。由于受電磁轉(zhuǎn)矩以額定轉(zhuǎn)矩為上限的約束,轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際上只能在額定轉(zhuǎn)矩以下實(shí)現(xiàn),因此屬于恒功率調(diào)速。
 電磁轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制方法主要依據(jù)轉(zhuǎn)矩公式:
  M=CMΦmIS (直流機(jī)) (6)
  或 M=CMΦmI2COSφ2 (交流機(jī)) (7)
 受控的物理量為主磁通Φm,由于主磁通量Φm產(chǎn)生于主磁極,因此轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際上是磁場(chǎng)控制,作用對(duì)象為主磁極。轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速同樣要保證穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡,即:
 ?。停剑蚮z
 由于調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生了變化,因此要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩適應(yīng)于電磁轉(zhuǎn)矩變化,即要求負(fù)載跟蹤電機(jī)。
 轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際是弱磁調(diào)速,主要用于額定轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速。鑒于本文重點(diǎn)討論的是功率控制,故不贅述。
二、功率控制的方法與性能
 電機(jī)調(diào)速的軸功率控制只能通過(guò)電功率間接控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。以異步機(jī)為例,圖2是其等效三端口網(wǎng)絡(luò)。

                              
圖2.異步機(jī)的等效網(wǎng)絡(luò)
 其中電樞(轉(zhuǎn)子)除產(chǎn)生軸功率輸出外,還產(chǎn)生以感應(yīng)電壓u2和電流i2為參量的電功率響應(yīng)。由于該功率與轉(zhuǎn)差率成正比,故稱(chēng)轉(zhuǎn)差功率,其端口簡(jiǎn)稱(chēng)Ps口。
 如果電機(jī)轉(zhuǎn)子為籠型,其繞組呈短路狀,Ps口為封閉不可控的。反之為繞線型,Ps口則是開(kāi)啟可控的, 轉(zhuǎn)子可以通過(guò)Ps口輸出或輸入電功率。由此可見(jiàn),異步機(jī)的功率控制調(diào)速有兩種方式,一種是通過(guò)偽電樞間接對(duì)電樞實(shí)現(xiàn)軸功率控制;另一種是通過(guò)Ps口直接控制電樞軸功率。 前者主要適用于籠型異步機(jī),后者則適用于繞線型異步機(jī)。
 ?。? 定子偽電樞功率控制。

                             
圖3.異步機(jī)定子功率控制調(diào)速
 作為偽電樞,定子向電樞(轉(zhuǎn)子)傳輸?shù)碾姶殴β剩?
Pem=P1-△P1 (8)
電樞的軸功率則為:
PM=Pem-△P2 (9)
故 PM=P1-(△P1+△P2) (10)
 可見(jiàn),控制偽電樞的輸入功率P1或增大其損耗△P1就可以控制電樞的軸功率,后者顯然是低效率、高損耗的調(diào)速,不宜推薦。
 控制P1調(diào)速的*方法是調(diào)壓━━變頻, 即所謂的變頻調(diào)速。由于:
P1=m1U1I1COSφ1 (11)
 故對(duì)于電壓源供電調(diào)節(jié)端電壓U1是控制功率P1的必須手段。問(wèn)題的關(guān)鍵是為什么不能單純調(diào)壓,而必須輔以變頻?這是定子除了偽電樞的功能之外,還同時(shí)兼主磁極之故。
  前已敘及,功率控制的要點(diǎn)有:
 ?、?保持主磁通量不變
 ?、?作用對(duì)象是電樞或偽電樞
 ?、?控制目標(biāo)是軸功率
 如果單純調(diào)壓而頻率不變,定子的主磁極功能就要受到嚴(yán)重影響。根據(jù)電機(jī)理論,做為主磁極,定子的主磁通量:
Φm=E/4.44W1kr1f1
=KE1/f1
≈KU1/f1 (12)
 恒頻調(diào)壓的結(jié)果,主磁通Φm將隨U1下降而減小,形成了前述的轉(zhuǎn)矩控制。更主要的是此時(shí)不但未能控制功率P1,反而增大了電機(jī)損耗,與目的絕然相悖。
 設(shè)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì),由轉(zhuǎn)矩平衡方程,電磁轉(zhuǎn)矩:
M=Mfz=const
又 M=CMΦmI1COSφ1
=CMΦmI2COSφ2 (13)
 設(shè)功率因數(shù)不變,定轉(zhuǎn)子電流I1、I2將隨主磁通Φm下降而正比增大,其結(jié)果功率P1不變,但定轉(zhuǎn)子損耗:
△P1=m1I 12 r1
△P2=m2I 222 r1
 將按電流的平方律增大。根據(jù)式(10),軸功率控制雖能實(shí)現(xiàn),卻屬低效率高損耗的調(diào)速。
 為此,異步機(jī)定子的功率控制調(diào)速,必須要將定子的主磁極和偽電樞兩種功能游離開(kāi)。針對(duì)同一定子繞組,一方面使主磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)保持穩(wěn)定,同時(shí)又要控制其向電樞傳遞的電磁功率。
 于是變頻調(diào)速建立了一條重要原則,就是調(diào)壓變頻,且保證V/F(壓頻比)為常數(shù),這樣就確保了上述控制要求的實(shí)現(xiàn)。順便指出,近代變頻調(diào)速的矢量控制,實(shí)際上就是遵循這一原理。矢量控制的核心思想,是把磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)矩游離開(kāi),分別加以控制,認(rèn)為調(diào)速的根本在于轉(zhuǎn)矩,而事實(shí)上游離的卻是磁場(chǎng)和電磁功率,雖然結(jié)果無(wú)誤,但理論上必須加以澄清。
2. 轉(zhuǎn)子功率控制
 對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī)的調(diào)速,可以利用轉(zhuǎn)差功率端口━Ps口直接控制軸功率。方法是由Ps口移出或注入轉(zhuǎn)差功率。需要指出:
 ?、?所述的轉(zhuǎn)差功率應(yīng)區(qū)別經(jīng)典電機(jī)學(xué)中的轉(zhuǎn)子損耗轉(zhuǎn)差功率,為此將后者稱(chēng)為轉(zhuǎn)子損耗功率,記以△P2。
 ?、?轉(zhuǎn)差功率有電能與熱能之分,分別記以Pes和Prs,兩者性質(zhì)不同,對(duì)調(diào)速的影響也不同。

圖4.異步機(jī)轉(zhuǎn)子功率控制調(diào)速
 當(dāng)在轉(zhuǎn)子的Ps口引入電轉(zhuǎn)差功率Pes時(shí),轉(zhuǎn)子的軸功率:
PM=(Pem±Pes)-△P2 (14)
 式中的Pem為定子向轉(zhuǎn)子傳輸?shù)碾姶殴β?,電轉(zhuǎn)差功率的負(fù)號(hào)表示從Ps口移出,正號(hào)表示從Ps口注入。Pes屬電功率,故與電磁功率相合成,結(jié)果使軸功率PM發(fā)生變化,電機(jī)轉(zhuǎn)速得到相應(yīng)調(diào)節(jié)。
 電轉(zhuǎn)差功率調(diào)速的典型實(shí)例是串級(jí)調(diào)速和雙饋調(diào)速,前者的電轉(zhuǎn)差功率為負(fù),流向?yàn)閺霓D(zhuǎn)子移出,故實(shí)現(xiàn)的是額定轉(zhuǎn)速以下的調(diào)速。后者的電轉(zhuǎn)差功率可以雙向流動(dòng),既可以移出,又可以注入,因此可以實(shí)現(xiàn)低同步和超同步兩種調(diào)速。
 當(dāng)Ps口引入的是熱轉(zhuǎn)差功率Prs時(shí), 轉(zhuǎn)子的軸功率則為:
PM=Pem-(△P2+Prs) (15)
 顯然熱轉(zhuǎn)差功率的引入,增大了電樞(轉(zhuǎn)子)的損耗,軸功率隨Prs的增大而減小,其典型例子是異步機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。
三、功率控制的理想空載轉(zhuǎn)速,效率與機(jī)械特性
 根據(jù)電機(jī)學(xué),電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速主要取決于電樞的電磁功率,因有:
Ω0=Pem/M (16)
 由于電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)載所決定,理想空載轉(zhuǎn)速Ω0就決定于某一負(fù)載條件下電磁功率的大小。
 功率控制調(diào)速的電樞功率可以綜合表達(dá)為:
PM=ΣPem-Σp2 (17)
 相應(yīng)的轉(zhuǎn)速:
PM/M=ΣPem/M-Σp2/M (18)
Ω=Ω0-△Ω (19)
 其中Ω0=ΣPem/M為功率控制調(diào)速的理想空載轉(zhuǎn)速,因此調(diào)節(jié)電樞的電磁功率可以改變電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速。換言之,電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速取決于電樞的電磁功率。又,△Ω=Σp2/M 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速降。由此表明增大電樞損耗,可以增加電機(jī)轉(zhuǎn)速降。
 電機(jī)調(diào)速的效率表達(dá)為:
η=PM/(P1-Σpi)
=PM/(Pem-△P2)
 因此,在一定的軸功率PM輸出條件下,控制電磁功率的調(diào)速是率的節(jié)能型調(diào)速,而控制損耗功率的調(diào)速必然是低效率的耗能型調(diào)速。
 公式(18)同時(shí)刻畫(huà)出了功率控制調(diào)速的機(jī)械特性,當(dāng)連續(xù)改變電磁功率ΣPem時(shí),如果損耗功率不變,電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速隨ΣPem連續(xù)變化,其機(jī)械特性為一族平行的曲線。而增大損耗,電磁功率不變時(shí),電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速不變,改變的只是轉(zhuǎn)速降,其機(jī)械特性為一族匯交型曲線。如圖5給出了兩種調(diào)速的定性曲線。

圖5 a.電磁功率調(diào)速特性                          b.轉(zhuǎn)速降調(diào)速特性
 綜上所述,可以得出以下結(jié)論:
 ?、?電磁功率控制調(diào)節(jié)的是理想空載轉(zhuǎn)速,損耗功率控制調(diào)節(jié)的是轉(zhuǎn)速降。
 ?、?電磁功率控制是率節(jié)能型的調(diào)速,其機(jī)械特性必為平行曲線族。損耗功率控制屬低效率耗能調(diào)速,其機(jī)械特性必為匯交型曲線族。
四、異步機(jī)調(diào)速的分類(lèi)與方法
 與按n= 60f1/p·(1-S)表達(dá)式不同,根據(jù)本文所述的電機(jī)調(diào)速功率控制理論,異步機(jī)調(diào)速可分類(lèi)表示如下:
 
            性質(zhì)/方案 控制點(diǎn)/變量 方法 要點(diǎn)
五、結(jié)論
  1. 電機(jī)調(diào)速的基本原理有兩種,一為軸功率控制,二是轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際是磁場(chǎng)控制,適于恒功率調(diào)整。
    2.軸功率控制的作用對(duì)象是電樞或偽電樞, 并zui終只能通過(guò)電功率控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中,電磁功率調(diào)節(jié)的是理想空載轉(zhuǎn)速,損耗功率改變的是轉(zhuǎn)速降。前者為節(jié)能型,后者為低效耗能型,兩者的機(jī)械特性亦由此決定。
    3. 軸功率控制的調(diào)速具有恒轉(zhuǎn)矩特性,電磁轉(zhuǎn)矩的變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后所造成的,調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩只決定于負(fù)載,與控制無(wú)關(guān)。
    4.變頻調(diào)速和電轉(zhuǎn)差功率控制調(diào)速同屬電磁功率控制調(diào)速,兩者性能一致,并無(wú)本質(zhì)差別。
 

 

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