0 引言

斬波內饋調速是我國首創(chuàng)的一種新型交流調速技術，通過近20 年的實踐探索和理論研究，斬波內饋調速取得了長足的進步，產品在發(fā)電、供水、冶金等領域獲得了推廣應用，技術經濟性能都達到了較為理想的指標。事實表明，斬波內饋調速具有調速效率高，制造成本低，功率因數高，諧波分量小等一系列優(yōu)點，不僅為我國的風機泵類節(jié)能提供了一種經濟、高效的調速技術和產品，也為世界的交流調速填補了一項空白。

在從事交流調速的多年研發(fā)中，作者發(fā)現變頻調速與串級調速(包括雙饋調速及內饋調速)具有極為相似的調速性能，例如調速效率、機械特性等都很一致，但按傳統(tǒng)理論串級調速屬于變轉差率調速，被認為與變頻調速有著本質的區(qū)別。顯然，面對毋庸質疑的客觀事實，傳統(tǒng)電機學理論就值得探討了。

重新審視電機學的有關部分，發(fā)現被視為經典的異步機轉速公式竟然是一個人為的定義式，根本無法成為交流調速的理論依據，自然，按該表達式劃分的調速種類和方法也是不科學的。電機調速的實質究竟是什么，電機調速的統(tǒng)一理論是什么，這是目前交流調速亟待解決的理論問題。

為此本文從能量轉換守恒、牛頓力學定律、電磁感應定律等最基本的物理法則出發(fā)，分析和探討電機調速的實質及統(tǒng)一規(guī)律，提出了電機調速的功率控制原理———P理論。P理論表明，包括異步機在內的所有電動機，調速的實質是功率控制，電機轉速只能通過電磁功率或損耗功率的改變才能得到調節(jié)，所有的電機調速方法都是功率控制原理的具體實施。

1 異步機轉速公式的質疑

公式是客觀規(guī)律的數學表達形式，它只能產生于已有的定律、公式，而不能產生于人為的定義。

經典電機學的異步機轉速公式是這樣建立的。

首先定義轉差率s，令

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

2 電動機模型與功率控制原理

電動機是將電能轉換成機械能的設備，因此可以普遍地表達為圖1所示的四端網絡。

負載轉矩Mfz是由負載決定的客觀存在，電磁轉矩則跟隨著負載轉矩的變化而變化，負載轉矩的每一次變化，都將引起電磁轉矩的變化，這一動態(tài)變化過程及對轉速的影響如下。

可見，電動機調速時，軸功率是主變控制量，電磁轉矩是因變量，調速的本質在于功率控制。現在的問題是如何用電氣的方法控制軸功率PM。

式(16)是電動機調速普遍規(guī)律的表達式。由此可見，電動機調速的原則有兩種：一是控制電磁功率，所改變的是理想空載轉速;二是增大損耗功率，以增大轉速降。

3 異步機模型與調速的功控原理

異步機是電動機的一種，其調速原理必然服從上述的普遍調速規(guī)律。根據能量轉換原理，異步機可以等效成圖3所示的網絡模型，也稱為功率圓圖。

定子和轉子是構成異步機的兩個重要部件，也是異步機能量傳輸和轉換的關鍵單元。異步機的定子與電源相聯并吸收電功率P1，扣除損耗形成電磁功率Pem，定子通過旋轉磁場的作用，將電磁功率傳輸給轉子，因此旋轉磁場可以等效為電磁功率的傳輸通道，即圖3 中的感應通道，在磁場的作用下，轉子電磁功率除損耗外轉化為軸功率。這種電磁感應通道的特點是交流機與直流機本質的區(qū)別。

衡量磁場的主要物理量是主磁通椎m ，為了使電磁感應通道暢通，不產生堵塞而造成損耗，根據電機學理論，應該使主磁通椎m保持恒定。這是調速時必須引起注意的。

異步機按轉子型式分為鼠籠型和繞線型，前者轉子是封閉短路的，因此只有一個軸功率輸出端口;后者轉子是開啟的，因此具有軸功率和電功率兩個端口。轉子的電功率端口可以通過與外電路聯接進行功率交換，由于轉子電壓較低，因此可以實現高壓電機低壓控制的調速，這是繞線異步機獨具的優(yōu)點。

異步機調速可以通過定子口或轉子口對電動機實施功率控制調速，分別控制電磁功率或損耗功率。

前者改變的是理想空載轉速，調速是高效率的，且機械特性為平行曲線;后者增大轉速降，調速是低效率的，機械特性為匯交曲線。電機調速的效率只取決于

功率控制的屬性，并不在于變頻還是變轉差率，因此，傳統(tǒng)理論把變頻調速和變轉差率調速對立起來的觀點是錯誤的。

應該注意同步轉速和理想空載轉速有本質的區(qū)別，同步轉速n1是旋轉磁場的變化速度，理想空載轉速n0是假定轉子全部電磁功率都轉換為軸功率的機械速度。電動機的轉速和調速效率只與n0密切相關，而與同步轉速沒有直接、必然的聯系。

4 變頻調速的功率控制原理

從功率控制角度觀察，變頻調速是典型的定子電磁功率控制調速。定子控制是間接控制轉子的調速，由于定、轉子電磁功率相等，而定子電磁功率

保持不變，從而實現高效率的電磁功率控制調速。變頻調速時，理想空載轉速n0隨U1改變，此時同步轉速n1隨f1而變，且有n0=n1，但決定電動機轉速的是n0而不是n1，下面將會看到，即使n1不變，n0也可隨電磁功率改變。

根據上述分析，恒轉矩變頻調速時，其充分條件是調壓，必要條件是變頻，調速的實質在于對電磁功率控制。

5 轉子電磁功率控制調速與內饋調速

對于繞線轉子異步機，可以對轉子直接實施電磁功率控制。方法是從轉子口移出或注入電功率，以改變轉子的凈電磁功率，使理想空載轉速得以調節(jié)。

轉子電磁功率控制有以下特點：

1)定子電壓、頻率不變，主磁通亦不變，因此調速是恒轉矩的;

2)同步轉速不變，理想空載轉速卻可變(n1 與n0無直接必然的聯系);

3)技術簡單，效率高，經濟性好。

對于圖3(b)的轉子電磁功率控制，當在轉子的轉差功率端口引入附加的電磁功率時，轉子的凈電磁功率

轉子電磁功率控制調速技術的關鍵為：

1)由于轉子電壓的頻率為變化的轉差頻率，因此必須要進行頻率變換，以使轉子和附加電源進行有功功率交換;

2)能夠連續(xù)地控制Pes的大小，以獲得平滑的無級調速。

另外，要合理確定Pes額定值，它將決定調速范圍。上述的技術要點是設計調速控制裝置應該注意的原則。

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

外部來提供，但外附電源使系統(tǒng)復雜化，而且在低同步調速時造成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)的斬波內饋調速，其原理如圖5所示。

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

P1K=P1-P3=PM+ΣP (25)

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

內饋調速的調速范圍取決于電轉差功率的大小，Pes越大調速下限越低，調速范圍越大;反之Pes越調速范圍越小。Pes的大小取決于內饋繞組的感應電勢E3的量值，當E3=E20(轉子開路電勢)時調速可以從零開始。但無謂地擴大調速范圍必須付出相應的技術、經濟代價，因此，對于像風機、泵類調速范圍不需要很大的負載，就沒有必要把調速范圍設計得很寬。

內饋調速是基于轉子的電磁功率控制調速，與串級調速相比，由于加強了電機調速的內因，所以內饋調速沒有外附的變壓器，而且定子不含無謂循環(huán)傳輸的電轉差功率，進一步減小了電損耗。因此，內饋調速具有結構簡單，調速效率高的明顯優(yōu)點，同目前的高壓變頻、串級等高效率調速相比，內饋調速是更高效、更經濟的調速。

6 內饋調速的斬波控制

6.1 問題的提出

前已敘及，調速控制時要盡量避免產生感性無功功率以提高功率因數，減小無功損耗。否則將使內饋調速電機的激磁電流和激磁功率劇烈增大，導致定子原繞組和內饋繞組無功損耗增大，嚴重影響電機的正常運行。

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

為了連續(xù)控制從轉子移出的功率即內饋繞組的功率，實現轉速的無級調節(jié)，傳統(tǒng)的方法是采用移相控制。由于內饋繞組的功率

這樣，當內饋調速電機的有功功率隨逆變角茁的增大而減小時，而無功功率卻在相應增大，從而使電機運行惡化。

另外，移相控制的缺點是可靠性差。眾所周知，有源逆變對觸發(fā)脈沖的要求是嚴格的，任何觸發(fā)失誤都將導致逆變顛覆造成短路，不僅嚴重影響運行的可靠性，而且檢修也困難(無法在故障狀態(tài)進行分析、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。觸發(fā)線路復雜而且要求具有快速響應性，觸發(fā)線路抗干擾能力就降低。因為抗干擾強的觸發(fā)電路必然具有大時間常數的慣性環(huán)節(jié)，這和快速響應是矛盾的。

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。實際上晶閘管有源逆變器的可靠性關鍵就在換相上，一旦換相失敗，逆變器就會發(fā)生短路故障，且無法自動恢復。

限于當時的技術水平，串級調速和第一、二代的內饋調速，采用的都是移相觸發(fā)控制，逆變器承擔著頻率變換和功率調節(jié)的雙重任務，怎樣改進都難免顧此失彼，多年的實踐證明，要從根本上解決問題只能另辟蹊徑。

6.2 斬波控制的調速原理

要克服移相控制的缺點，只有改為對逆變電流進行控制，簡單的方法是在直流回路實行斬波控制。圖6所示的斬波控制原理電路是在逆變器NB 兩端并聯一個斬波開關K。

斬波開關對功率的控制作用是通過對電流平均值的控制實現的，斬波開關通常以恒頻調寬方式工作，即工作頻率一定，而開關導通時間可調。這樣，當斬波開關導通時，轉子電流經K而成回路，電流不流過逆變器，逆變器輸出功率P3=0，轉子的電磁功率轉化為機械功率。

當開關K打開時，轉子電流被迫流入逆變器，電流所產生的功率轉化為反饋功率。

根據電機調速的功控原理，電機轉速決定于機械功率(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，因此，只要分析其中任意一個電流對功率的控制作用，就可以說明調速機理了。

斬波控制的電機調速等效電路如圖7所示。

分析可知，電機轉速正比于機械功率，而機械功率正比于斬波開關電流，因此，調速就成為單只改變斬波開關電流的問題了。

為了簡化分析，設負載轉矩不變，轉子直流電流為定值，即Id=C。斬波開關工作時，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現對反饋功率P3的控制，從而實現轉速控制。

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

7 新異步機調速分類與結論

電機調速P理論揭示了電機調速的實質，使調速原理和調速性能有機聯系起來，結束了傳統(tǒng)電機學調速分類缺乏科學性的歷史。根據P理論，新異步機調速分類如圖9所示。

8 結語

1)電機調速的實質是基于功率控制。功率控制原則有兩種，一種是電磁功率控制，所改變的是電機理想空載轉速，調速是高效率的節(jié)能型調速;另一種是損耗功率控制，增大電機轉速降，調速是低效率、耗能型調速。電機轉速普遍表達為理想空載轉速與轉速降之差，所有電機調速方法都歸結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)交流異步機調速的實質在于功率控制，電磁功率控制改變的是理想空載轉速，損耗功率控制增大轉速降。調速效率只取決于功率控制的屬性而與其它無關。

3)經典的調速理論按變f 、變s、及變P劃分調速方法缺乏科學性，電機學中的異步機轉速表達式是人為定義式而非公式，不能視為指導交流調速的理論依據。

4)內饋調速與變頻調速同屬電磁功率控制調速，只有作用對象區(qū)別，沒有本質區(qū)別。

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

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