0 引言

斬波內(nèi)饋調(diào)速是我國首創(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?，F(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)磁場的作用，將電磁功率傳輸給轉(zhuǎn)子，因此旋轉(zhuǎn)磁場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

對于繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī)，可以對轉(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)簡單，效率高，經(jīng)濟(jì)性好。

對于圖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

轉(zhuǎn)子電磁功率控制調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵為：

1)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;

2)能夠連續(xù)地控制Pes的大小，以獲得平滑的無級(jí)調(diào)速。

另外，要合理確定Pes額定值，它將決定調(diào)速范圍。上述的技術(shù)要點(diǎn)是設(shè)計(jì)調(diào)速控制裝置應(yīng)該注意的原則。

附加電源是轉(zhuǎn)子電磁功率控制的結(jié)構(gòu)要點(diǎn)，它是Pes傳輸所必須的。傳統(tǒng)的方法例如串級(jí)(Cascade Control)、雙饋(Double Feed)等調(diào)速的附加電源都由

外部來提供，但外附電源使系統(tǒng)復(fù)雜化，而且在低同步調(diào)速時(shí)造成Pes在定子至外附電源之間的無謂循環(huán)，增大了定子損耗。較好的方法是在我國首創(chuàng)的斬波內(nèi)饋調(diào)速，其原理如圖5所示。

該系統(tǒng)的突出特征是采用了內(nèi)饋調(diào)速的特殊異步機(jī)，在內(nèi)饋電機(jī)的定子槽中，與原邊繞組同槽嵌放一個(gè)內(nèi)饋繞組(前亦稱調(diào)節(jié)繞組)，內(nèi)饋繞組在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，感應(yīng)出電動(dòng)勢E3，其頻率為固定的電源工頻頻率。內(nèi)饋繞組與變流控制裝置的輸出端聯(lián)接，接受從轉(zhuǎn)子移出的電轉(zhuǎn)差功率P3，此時(shí)內(nèi)饋繞組處于發(fā)電狀態(tài)，并通過電磁感應(yīng)抵消定子原邊輸入的多余電功率。定子的有功功率由調(diào)速前的P1變?yōu)镻1-P3，此時(shí)的定子有功功率為

P1K=P1-P3=PM+ΣP (25)

分析表明，定子有功功率不含電轉(zhuǎn)差功率，只隨機(jī)械功率而變化，而且電機(jī)的損耗功率沒有增大。

內(nèi)饋調(diào)速的調(diào)速范圍取決于電轉(zhuǎn)差功率的大小，Pes越大調(diào)速下限越低，調(diào)速范圍越大;反之Pes越調(diào)速范圍越小。Pes的大小取決于內(nèi)饋繞組的感應(yīng)電勢E3的量值，當(dāng)E3=E20(轉(zhuǎn)子開路電勢)時(shí)調(diào)速可以從零開始。但無謂地?cái)U(kuò)大調(diào)速范圍必須付出相應(yīng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)代價(jià)，因此，對于像風(fēng)機(jī)、泵類調(diào)速范圍不需要很大的負(fù)載，就沒有必要把調(diào)速范圍設(shè)計(jì)得很寬。

內(nèi)饋調(diào)速是基于轉(zhuǎn)子的電磁功率控制調(diào)速，與串級(jí)調(diào)速相比，由于加強(qiáng)了電機(jī)調(diào)速的內(nèi)因，所以內(nèi)饋調(diào)速?zèng)]有外附的變壓器，而且定子不含無謂循環(huán)傳輸?shù)碾娹D(zhuǎn)差功率，進(jìn)一步減小了電損耗。因此，內(nèi)饋調(diào)速具有結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速效率高的明顯優(yōu)點(diǎn)，同目前的高壓變頻、串級(jí)等高效率調(diào)速相比，內(nèi)饋調(diào)速是更高效、更經(jīng)濟(jì)的調(diào)速。

6 內(nèi)饋調(diào)速的斬波控制

6.1 問題的提出

前已敘及，調(diào)速控制時(shí)要盡量避免產(chǎn)生感性無功功率以提高功率因數(shù)，減小無功損耗。否則將使內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)的激磁電流和激磁功率劇烈增大，導(dǎo)致定子原繞組和內(nèi)饋繞組無功損耗增大，嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行。

現(xiàn)在把注意力集中在調(diào)速控制的變流裝置上，問題出現(xiàn)在變流控制中有源逆變器的控制方式上。

為了連續(xù)控制從轉(zhuǎn)子移出的功率即內(nèi)饋繞組的功率，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級(jí)調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的方法是采用移相控制。由于內(nèi)饋繞組的功率

這樣，當(dāng)內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)的有功功率隨逆變角茁的增大而減小時(shí)，而無功功率卻在相應(yīng)增大，從而使電機(jī)運(yùn)行惡化。

另外，移相控制的缺點(diǎn)是可靠性差。眾所周知，有源逆變對觸發(fā)脈沖的要求是嚴(yán)格的，任何觸發(fā)失誤都將導(dǎo)致逆變顛覆造成短路，不僅嚴(yán)重影響運(yùn)行的可靠性，而且檢修也困難(無法在故障狀態(tài)進(jìn)行分析、查找)。造成移相控制可靠性低的原因是：

1)觸發(fā)脈沖的移動(dòng)。觸發(fā)線路復(fù)雜而且要求具有快速響應(yīng)性，觸發(fā)線路抗干擾能力就降低。因?yàn)榭垢蓴_強(qiáng)的觸發(fā)電路必然具有大時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，這和快速響應(yīng)是矛盾的。

2)逆變器的容量較大，換相困難。移相控制的全部受控功率都要經(jīng)過逆變器，逆變器的容量相對就要增大，致使換相矛盾突出，難度加大。實(shí)際上晶閘管有源逆變器的可靠性關(guān)鍵就在換相上，一旦換相失敗，逆變器就會(huì)發(fā)生短路故障，且無法自動(dòng)恢復(fù)。

限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，串級(jí)調(diào)速和第一、二代的內(nèi)饋調(diào)速，采用的都是移相觸發(fā)控制，逆變器承擔(dān)著頻率變換和功率調(diào)節(jié)的雙重任務(wù)，怎樣改進(jìn)都難免顧此失彼，多年的實(shí)踐證明，要從根本上解決問題只能另辟蹊徑。

6.2 斬波控制的調(diào)速原理

要克服移相控制的缺點(diǎn)，只有改為對逆變電流進(jìn)行控制，簡單的方法是在直流回路實(shí)行斬波控制。圖6所示的斬波控制原理電路是在逆變器NB 兩端并聯(lián)一個(gè)斬波開關(guān)K。

斬波開關(guān)對功率的控制作用是通過對電流平均值的控制實(shí)現(xiàn)的，斬波開關(guān)通常以恒頻調(diào)寬方式工作，即工作頻率一定，而開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間可調(diào)。這樣，當(dāng)斬波開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)子電流經(jīng)K而成回路，電流不流過逆變器，逆變器輸出功率P3=0，轉(zhuǎn)子的電磁功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率。

當(dāng)開關(guān)K打開時(shí)，轉(zhuǎn)子電流被迫流入逆變器，電流所產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)化為反饋功率。

根據(jù)電機(jī)調(diào)速的功控原理，電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于機(jī)械功率(或反饋功率)的大小，在電流連續(xù)條件下，斬波電流和反饋電流互補(bǔ)，因此，只要分析其中任意一個(gè)電流對功率的控制作用，就可以說明調(diào)速機(jī)理了。

斬波控制的電機(jī)調(diào)速等效電路如圖7所示。

分析可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速正比于機(jī)械功率，而機(jī)械功率正比于斬波開關(guān)電流，因此，調(diào)速就成為單只改變斬波開關(guān)電流的問題了。

為了簡化分析，設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，轉(zhuǎn)子直流電流為定值，即Id=C。斬波開關(guān)工作時(shí)，斬波電流iK和逆變閥端電流iN波形如圖8所示。

可見改變占空比即可實(shí)現(xiàn)對反饋功率P3的控制，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

斬波控制實(shí)際上是數(shù)字化的功率控制，它較好地克服了移相控制的缺點(diǎn)，目前已成為電力電子技術(shù)的發(fā)展方向。把斬波技術(shù)與內(nèi)饋調(diào)速有機(jī)結(jié)合所形成的斬波內(nèi)饋調(diào)速，具有功率因數(shù)高、諧波分量小、逆變器和內(nèi)饋繞組容量小、產(chǎn)品可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，使內(nèi)饋調(diào)速取得了質(zhì)的提高，也是第三代內(nèi)饋調(diào)速的典型特征。

7 新異步機(jī)調(diào)速分類與結(jié)論

電機(jī)調(diào)速P理論揭示了電機(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì)，使調(diào)速原理和調(diào)速性能有機(jī)聯(lián)系起來，結(jié)束了傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)調(diào)速分類缺乏科學(xué)性的歷史。根據(jù)P理論，新異步機(jī)調(diào)速分類如圖9所示。

8 結(jié)語

1)電機(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì)是基于功率控制。功率控制原則有兩種，一種是電磁功率控制，所改變的是電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速，調(diào)速是高效率的節(jié)能型調(diào)速;另一種是損耗功率控制，增大電機(jī)轉(zhuǎn)速降，調(diào)速是低效率、耗能型調(diào)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速普遍表達(dá)為理想空載轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速降之差，所有電機(jī)調(diào)速方法都?xì)w結(jié)于功率控制原理之中，或是從屬電磁功率控制原則，或是從屬損耗功率控制原則。

2)交流異步機(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于功率控制，電磁功率控制改變的是理想空載轉(zhuǎn)速，損耗功率控制增大轉(zhuǎn)速降。調(diào)速效率只取決于功率控制的屬性而與其它無關(guān)。

3)經(jīng)典的調(diào)速理論按變f 、變s、及變P劃分調(diào)速方法缺乏科學(xué)性，電機(jī)學(xué)中的異步機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式是人為定義式而非公式，不能視為指導(dǎo)交流調(diào)速的理論依據(jù)。

4)內(nèi)饋調(diào)速與變頻調(diào)速同屬電磁功率控制調(diào)速，只有作用對象區(qū)別，沒有本質(zhì)區(qū)別。

5)凡電磁功率控制的調(diào)速，無論是以定子還是轉(zhuǎn)子為控制對象，調(diào)速都是高效率的，機(jī)械特性為平行曲線;而增大損耗功率的調(diào)速，調(diào)速效率較低，機(jī)械特性為匯交曲線。兩種調(diào)速的機(jī)械特性曲線的區(qū)別如圖10所示。

反之，凡機(jī)械特性為平行曲線的調(diào)速必然是電磁功率控制的高效率調(diào)速;而機(jī)械特性為匯交曲線的調(diào)速必然是增大損耗功率的低效率調(diào)速。這種簡明的推論對交流調(diào)速的選擇、應(yīng)用具有十分簡便的指導(dǎo)意義。