電機調速的功率控制原理

圖１ 功率控制的調速流程

功率控制作用的是電樞，主磁場或主磁通量保持不變，根據電機理論，電機的額定電磁轉矩正比于主磁通量，受限于電樞的最大載流量。因此功率控制調速時，電機的額定電磁轉矩輸出能力不變，屬于恒轉矩調速。

２. 轉矩控制

根據公式（２），電機轉速在軸輸出功率不變的前提下，與電磁轉矩成反比。由于受電磁轉矩以額定轉矩為上限的約束，轉矩控制實際上只能在額定轉矩以下實現，因此屬于恒功率調速。

電磁轉矩的獨立控制方法主要依據轉矩公式：

Ｍ＝ＣMΦmＩS （直流機） (６)

或 Ｍ＝ＣMΦmＩ2COSφ2 （交流機） (７)

受控的物理量為主磁通Φm，由于主磁通量Φm產生于主磁極，因此轉矩控制實際上是磁場控制，作用對象為主磁極。轉矩控制調速同樣要保證穩態時的轉矩平衡，即：

Ｍ＝Ｍfz

由于調速穩態時，電磁轉矩發生了變化，因此要求負載轉矩適應于電磁轉矩變化，即要求負載跟蹤電機。

轉矩控制實際是弱磁調速，主要用于額定轉速以上的調速。鑒于本文重點討論的是功率控制，故不贅述。

二、功率控制的方法與性能

電機調速的軸功率控制只能通過電功率間接控制來實現。以異步機為例，圖２是其等效三端口網絡。

圖２.異步機的等效網絡

其中電樞（轉子）除產生軸功率輸出外，還產生以感應電壓ｕ2和電流ｉ2為參量的電功率響應。由于該功率與轉差率成正比，故稱轉差功率，其端口簡稱Ｐs口。

如果電機轉子為籠型，其繞組呈短路狀，Ｐs口為封閉不可控的。反之為繞線型，Ｐs口則是開啟可控的， 轉子可以通過Ｐs口輸出或輸入電功率。由此可見，異步機的功率控制調速有兩種方式，一種是通過偽電樞間接對電樞實現軸功率控制；另一種是通過Ｐs口直接控制電樞軸功率。 前者主要適用于籠型異步機，后者則適用于繞線型異步機。

１. 定子偽電樞功率控制。

圖３.異步機定子功率控制調速

作為偽電樞，定子向電樞（轉子）傳輸的電磁功率：

Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1 （８）

電樞的軸功率則為：

ＰM＝Ｐem－△Ｐ2 (９)

故 ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2） (10)

可見，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、高損耗的調速，不宜推薦。

控制Ｐ1調速的唯一方法是調壓━━變頻， 即所謂的變頻調速。由于：

Ｐ1＝ｍ1Ｕ1I1COSφ1 (11)

故對于電壓源供電調節端電壓Ｕ1是控制功率Ｐ1的必須手段。問題的關鍵是為什么不能單純調壓，而必須輔以變頻？這是定子除了偽電樞的功能之外，還同時兼主磁極之故。

前已敘及，功率控制的要點有：

① 保持主磁通量不變

② 作用對象是電樞或偽電樞

③ 控制目標是軸功率

如果單純調壓而頻率不變，定子的主磁極功能就要受到嚴重影響。根據電機理論，做為主磁極，定子的主磁通量：

Φm＝Ｅ／4.44Ｗ1ｋr1ｆ1

＝ＫＥ1／f1

≈ＫＵ1／f1 (12)

恒頻調壓的結果，主磁通Φm將隨Ｕ1下降而減小，形成了前述的轉矩控制。更主要的是此時不但未能控制功率Ｐ1，反而增大了電機損耗，與目的絕然相悖。

設負載為恒轉矩性質，由轉矩平衡方程，電磁轉矩：

Ｍ＝Ｍfz＝const

又 Ｍ＝ＣMΦmＩ1COSφ1

＝ＣMΦmＩ2COSφ2 (13)

設功率因數不變，定轉子電流Ｉ1、Ｉ2將隨主磁通Φm下降而正比增大，其結果功率Ｐ1不變，但定轉子損耗：

△Ｐ1＝ｍ1Ｉ 12 r1

△Ｐ2＝ｍ2Ｉ 222 r1

將按電流的平方律增大。根據式（１０），軸功率控制雖能實現，卻屬低效率高損耗的調速。

為此，異步機定子的功率控制調速，必須要將定子的主磁極和偽電樞兩種功能游離開。針對同一定子繞組，一方面使主磁極產生的磁場保持穩定，同時又要控制其向電樞傳遞的電磁功率。

于是變頻調速建立了一條重要原則，就是調壓變頻，且保證Ｖ／Ｆ（壓頻比）為常數，這樣就確保了上述控制要求的實現。順便指出，近代變頻調速的矢量控制，實際上就是遵循這一原理。矢量控制的核心思想，是把磁場與轉矩游離開，分別加以控制，認為調速的根本在于轉矩，而事實上游離的卻是磁場和電磁功率，雖然結果無誤，但理論上必須加以澄清。

２. 轉子功率控制

對于繞線轉子異步機的調速，可以利用轉差功率端口━Ｐs口直接控制軸功率。方法是由Ｐs口移出或注入轉差功率。需要指出：

① 所述的轉差功率應區別經典電機學中的轉子損耗轉差功率，為此將后者稱為轉子損耗功率，記以△Ｐ2。

② 轉差功率有電能與熱能之分，分別記以Ｐes和Ｐrs，兩者性質不同，對調速的影響也不同。

圖４.異步機轉子功率控制調速

當在轉子的Ｐs口引入電轉差功率Ｐes時，轉子的軸功率：

ＰM＝（Ｐem±Ｐes）－△Ｐ2 （１４）

式中的Pem為定子向轉子傳輸的電磁功率，電轉差功率的負號表示從Ｐs口移出，正號表示從Ｐs口注入。Ｐes屬電功率，故與電磁功率相合成，結果使軸功率ＰM發生變化，電機轉速得到相應調節。

電轉差功率調速的典型實例是串級調速和雙饋調速，前者的電轉差功率為負，流向為從轉子移出，故實現的是額定轉速以下的調速。后者的電轉差功率可以雙向流動，既可以移出，又可以注入，因此可以實現低同步和超同步兩種調速。

當Ｐs口引入的是熱轉差功率Ｐrs時， 轉子的軸功率則為：

ＰM＝Ｐem－（△Ｐ2＋Ｐrs） (１５)

顯然熱轉差功率的引入，增大了電樞（轉子）的損耗，軸功率隨Ｐrs的增大而減小，其典型例子是異步機轉子串電阻調速。

三、功率控制的理想空載轉速，效率與機械特性

根據電機學，電動機的理想空載轉速主要取決于電樞的電磁功率，因有：

Ω0＝Ｐem／Ｍ （１６）

由于電磁轉矩為負載所決定，理想空載轉速Ω0就決定于某一負載條件下電磁功率的大小。

功率控制調速的電樞功率可以綜合表達為：

ＰM＝ΣＰem－Σｐ2 （１７）

相應的轉速：

ＰM／Ｍ＝ΣＰem／Ｍ－Σｐ2／Ｍ （１８）

Ω＝Ω0－△Ω (１９)

其中Ω0＝ΣＰem／Ｍ為功率控制調速的理想空載轉速，因此調節電樞的電磁功率可以改變電機的理想空載轉速。換言之，電機的理想空載轉速取決于電樞的電磁功率。又，△Ω＝Σｐ2／Ｍ 為電機的轉速降。由此表明增大電樞損耗，可以增加電機轉速降。

電機調速的效率表達為：

η＝ＰM／（Ｐ1－Σｐi）

＝ＰM／（Ｐem－△Ｐ2)

因此，在一定的軸功率ＰM輸出條件下，控制電磁功率的調速是高效率的節能型調速，而控制損耗功率的調速必然是低效率的耗能型調速。

公式（１８）同時刻畫出了功率控制調速的機械特性，當連續改變電磁功率ΣＰem時，如果損耗功率不變，電機的理想空載轉速隨ΣＰem連續變化，其機械特性為一族平行的曲線。而增大損耗，電磁功率不變時，電機理想空載轉速不變，改變的只是轉速降，其機械特性為一族匯交型曲線。如圖５給出了兩種調速的定性曲線。

圖５ ａ.電磁功率調速特性 ｂ.轉速降調速特性

綜上所述，可以得出以下結論：

① 電磁功率控制調節的是理想空載轉速，損耗功率控制調節的是轉速降。

② 電磁功率控制是高效率節能型的調速，其機械特性必為平行曲線族。損耗功率控制屬低效率耗能調速，其機械特性必為匯交型曲線族。

四、異步機調速的分類與方法

與按n＝ 60f1/p·(1-S）表達式不同，根據本文所述的電機調速功率控制理論，異步機調速可分類表示如下：

　性質/方案 控制點/變量 方法 要點

五、結論

1. 電機調速的基本原理有兩種，一為軸功率控制，二是轉矩控制。轉矩控制實際是磁場控制，適于恒功率調整。

2. 軸功率控制的調速具有恒轉矩特性，電磁轉矩的變化是轉速響應滯后所造成的，調速穩態時，電磁轉矩只決定于負載，與控制無關。

3.軸功率控制的作用對象是電樞或偽電樞， 并最終只能通過電功率控制來實現。其中，電磁功率調節的是理想空載轉速，損耗功率改變的是轉速降。前者為高效節能型，后者為低效耗能型，兩者的機械特性亦由此決定。