电机调速P理论及变频与内馈调速的对比

1、电机调速P理论及变频与内馈调速的对比摘要： 电机调速的实质在于功率控制（P理论）。调速效率取决于受控功率的性质，受控电磁功率改变的是理想空载转速，调速是节能型高效率的。受控损耗功率改变的是转速降，调速是耗能型低效率的。 异步机的高效率调速有定子控制和转子控制两种，变频属定子控制，内馈是转子控制，两者技术性能相近，但在高压调速方面，内馈的经济性优于变频。 在调速理论方面，经典电机学存在不确之处，所依据的异步机转速表达式是定义式而非公式。要注意区分转差功率中电功率和损耗功率对调速效率和影响不同，转差功率应分为电转差功率和静差功率。一、前言 交流调速究竟何种方式最优？这不仅是亟待解决的工程问题，而且

2、也是交流调速理论的重大研究课题。 交流调速方案的评价依据于其技术、经济性能，其中技术性能当以调速效率和调速范围与平滑性为主。而经济性则在于其成本价格。显然，好的调速产品，不仅要具有良好的技术性能，而且还要具有低廉的经济性能。 变频调速是一种技术性能优良的调速方案，但在高压、大中容量应用上，经济性却显不足，某些文献认为变频是交流调速唯一最优的方案，应该说是个误解。事实上，异步机转子的附加电势调速，具有甚至比变频更高的调速效率及优良的平滑性，但是由于缺乏更深入的理论与实践研究，近期没有得到应有的重视。我国首创的“内馈”式附加电势调速经过多年的理论研究和实践探索，在高压交流调速领域取得了令人瞩目的进

3、展，为交流调速的发展提供了新的途径。 交流调速的评价必须凭借完善的调速理论，本文从电机调速的功率控制原理出发，分析对比变频和内馈两种调速方案的技术、经济性能。同时对经典电机学中的某些问题提出讨论，以期有助于交流调速的发展。二、电机调速 的P理论 电机调速的功率控制原理认为，电机调速的实质在于控制电机的轴功率。实现轴功率控制有电磁功率和损耗功率两种控制方法，前者改变的电机理想空载转速，属高效率调速，后者改变的是转速降，属低效率调速。上述原理简要证明如下。 由电机机械输出角度观察，有 即 =/M （1） 可见，电机转速受控于轴功率PM 及电磁转矩。由于电机稳态运行时必须满足转矩平衡方程 MMfz

4、（2） 即电磁转矩必须服从于负载转矩且与负载转矩相等，而负载转矩Mfz又是客观存在，它只决定于负载自身的属性，与调速无关。因此，电磁转矩是不能随意改变的，否则电机无法稳定运行，电磁转矩在调速过渡过程的变化，是电机功率变化和惯性定律作用的结果。（参见文献）。 由此可见，电机转速主要受控于轴功率PM。又，PM是一机械物理量，无法直接控制。故由PMPem-P2 (3)Pem：转子总电磁功率P2： 转子总损耗功率公式改写为=Pem/M-P2/M=0 - (4)其中0 =Pem/M=P2/M （5） 功控调速原理于是得到证明，详细论述请参见文献。根据上述理论可以说明： 电机调速的效率仅取决于受控功率的性

5、质，受控功率为电磁功率的调速是高效率的，而受控功率为损耗功率的调速是低效率的。 控制电磁功率改变的是理想空载转速，控制损耗功率改变的是转速降；前者的机械特性为平行曲线，后者则为汇交曲线。 由以上推论，凡是改变理想空载转速的调速都是高效率的，而凡是改变转速降的调速都是低效率的。三、变频调速的功控原理与特性.模型与原理根据异步机的原理，可用图模型分析其调速基理。图1 变频调速的模型分析其调速基理 变频器的控制对象是电机的定子，电机调速时，变频器通过对电压U1的控制，改变对定子的输入功率P1，从而改变转子的电磁功率和机械功率，转速于是得以调节。 问题的关键在于调压的同时为什么必须要变频？变频和功率控

6、制有什么联系？这就要对定子功能的双重性加以分析。 异步机的定子肩负功率传输和建立磁场两个使命。定子向转子的功率传输，是通过旋转磁场的电磁感应实现的。分析表明，维持高效率的功率传输，必须要保证主磁场不被破坏，即维持主磁通量为常量，否则将使转子产生大量的功率损耗，无法达到控制转子电磁功率的初衷，恒频调压就是实例。 鉴于定子的双重功能特点，如果单纯调压，必然破坏电机的主磁场，因为根据电机理论，主磁通m=k(U1/f1) 因此，调压的同时，为使主磁场不受破坏，必须正比地改变频率f1，使U1/f1为常量。 综上分析，变频调速的充分条件是调压，变频乃是必要条件。两者缺一不可，调速所依循的仍是功控原理。 应

7、该指出，目前的变频调速基理尚有待商榷，电机学的异步机转速公式 n=60 f1 /p(1-S)是由转差率S的定义式变换而得出的，不能当作公式作为调速的理论依据。文献1、2在这方面作了较详细的讨论，结论证明，变频调速的实质并不在于同步转速的改变，而是理想空载转速的改变，希望引起关注。2. 变频的特点与特性 变频调速的突出特点是定子控制，即把功率控制立足在定子上，通过对定子的电磁功率对转子的供给关系，间接实现对转子电磁功率控制。 变频调速的这种控制方式，突出的优点是避开转子运动给控制造成麻烦，故可适用于鼠笼型异步机。 由于变频调速控制的电磁功率，理想空载转速与同步转速同时改变，因此，调速效率较高，调

8、速范围较大且调节平滑。 变频调速的机械特性为改变理想空载转速点，转速降基本不变的平行曲线族。形如图2。图2 转速降基本不变的平行曲线族 变频调速的缺点主要表现在高压、大容量调速上，由于电源电压高（多为 610KV），变频装置受电力电子器件耐压能力限制，难以直接承受，被迫采用变压器降压，图1是常用的高低和高低高两种变频调速系统，显然，这两种系统增大了成本和损耗，致使系统复杂化。 另外，变频器与电机形成串联系统，变频器容量须大于电机容量，也是造成价格高昂的主要原因。 变频器的输出端通常具有PWM调制能力，一定程度上改善了对电机供电的谐波影响，但输入端却大多为普通移相整流，低频状态下波形畸变很大，这

9、将给电网造成较大的谐波污染，特别是在没有电磁隔离时，影响更为严重。四、斩波式内馈调速斩波式内馈调速是基于转子控制的功控方案。其系统如图3所示。图3 斩波式内反馈调速系统图.内馈调速的功控原理 在异步机的转子端口，通过电传导方式将部分转子电磁功率移出（亦可馈入），此时转子的机械输出功率为PM=（PemPes)-P2 (6)其中，Pes为移出（符号为负）或馈入（符号为正）的附加功率， 简称电转差功率。电机转速由力学方程表为=(PemPes)/M - P2/M (7)其中调速的理想空载转速n0k=(PemPes)/M (8)而转速降 = P2/M 基本不变。 定子传输给转子的电磁功率决定于客观负载，

10、可以视为不变量，改变电转差功率Pes即可获得不同的理想空载转速，其机械特性与变频同为平行曲线族。 电机的调速范围决定于Pes的控制范围和方向（符号），当Pes符号取负时， 表示功率方向为内部移出，反之为外部馈入。 对于Pes为负，转子的净电磁功率减小，调速为低同步速。而当Pes为正， 转子的净电磁功率增大，可以实现超同步调速。 由于电能无法存储，电转差功率的如何传输是至关重要的问题。内馈调速采取了最为合理的方案，就是将Pes回馈到电机内部，为此在调速电机定子上特殊设置了调节绕组（亦称反馈绕组），目的接收转子移出的电功率。 调节绕组在低同步调速时工作在发电状态，同时通过电磁感应与定子原边功率反向

11、合成，其方程为：P1=P1-Pes-P1 其中：P1棗定子自然运行时的输入功率P1棗定子的铜、铁损耗功率分析表明，调速时恒有P1PM 这样就可实现输入功率随转速正比变化，调速效率可高达99.5% 以上（不计电机固有损耗）。有关详细论述参见文献。2. 内馈调速的转差率与效率 目前交流调速界存在一种误识，认为改变转差率的调速在效率和性能方面肯定不如变频调速，这种观点不仅缺乏理论根据而且与事实也不相符。例如串级调速及内馈调速不仅调速效率很高，而且甚至超过变频，就是调速平滑及响应特性，如果控制得当也不比变频逊色。造成上述误解的根本原因是理论方面的不完善，其中除了文献1提出的调速实质问题之外，还有转差率

12、问题。经典电机学中的转差率定义为S=(n1-n)/n1转差功率则为P2=SPem系指电磁功率Pem与机械输出功率的差值，即P2=Pem-PM 表达式对转差功率的属性没有加以 区分和说明。但是，根据电机调速的P理论，转差功率中不同属性的功率对调速性能的影响是迥然不同的，其中的电功率影响的是理想空载转速，调速效率高属节能型调速；而其中的损耗功率影响的是转速降，调速效率低属耗能型调速。因此，笼统地用转差功率及转差率无法准确评价和说明调速性能。例如转子串电阻和转子串电势两种同属变转差率的调速，不仅调速效率不同，而且调速的机械特性也完全不同。 用传统的转差率概念是无法准确评价和衡量调速性能的，为此文献2

13、提出了电转差率SK和静差率j的概念。论述结果表明，电转差率定义为SK = (n1-n0k)/n1 与传统转差率不同的是式中nok为调速的理想空载转速而不是实际转速n，两者相差一个转速降n。 电转差率是附加电功率引起的，它所改变的理想空载转速而不是转速降。因此SK的改变丝毫不影响调速效率。静差率表达为j= (n0k-n)/ n0k 是调速转速降与调速理想空载转速之比，静差率实质是损耗功率引起的，可以证明，损耗功率正比于静差率j，因此增大静差率的调速肯定是低效率的。 同馈调速以及半级调速实质改变的是电转差率SK，静差率很小且变化不大，因此调速效率很高，与变频调速相比，应该相差无几。3. 斩波的作用

14、与意义 在内馈调速控制中，必须引起注意的是只有有功功率才起调速作用，因此要尽量避免和减小无功功率。特别是感性无功功率，不仅不起调速作用，反而引起电机无功损耗增大，功率因数降低，严重影响调速性能。 传统的串级调速多采用移相技术来控制附加功率的大小，根据公式Pes=m1 E3 I3 COS3 移相控制实质是利用逆变角3的功率因数法控制来改变Pes，与此同时必然产生与sin3成正比的感性无功功率。这些因移相而产生的无功或是馈入电网或是馈入电机，都将造成不良影响，因此必须加以限制。 根本的改善方法是采取斩波技术，即在传统的有源逆变器两端并联一斩波器，斩波器以开关状态工作，通过改变其占空比，改变流入逆变

15、器的电流，这样，逆变器的角就可以固定在最小值不变，流经逆变器的附加电功率可以通过I3的改变而控制。 采用斩波控制的变流主电路及电机等效电路如图4。图4 变流主电路及电机等效电路斩波控制实质是一种数字变流方式，它具有： 功率因数高，可以恒定在0.9左右不随转速而变。 谐波分量小，固逆变器的逆变角恒处于最小处不变。 可靠性高，即使斩波器出现故障也不会发生短路。 对于风机泵类负载，逆变器最大容量仅为4/27Pe（电机容量）一方面降低成本，更主要可以提高逆变器的工作可靠性。五、变频与内馈调速的对比及结论 变频与内馈同属电磁功率控制的高效率无级调速，调速所改变的都是电机的理想空载转速，其机械特性同为平行

16、曲线族，两者的调速技术性能没有明显差异。 变频与内馈最大的不同在于变频是立足于电机定子功率控制，而内馈则是立足于转子的功率控制。因此，变频最大的优势是适合于鼠笼型异步机，而内馈则必须是绕线式异步机。 由于后者存在滑环电刷，较鼠笼转子成本高，维护性差，这是转子控制方案难以避免的通病。 但是转子控制回避了定子控制的高压问题，对高压电机可以实现低压控制。而且控制装置与电机的轴输出口是并联联接，这样就可依工况需要而灵活选择调速范围，因而降低控制装置的容量，减小成本，转子控制的优势在高压、大中容量电机调速上得以明显表现，有时完全可以弥补其不足。 为了提高滑环、电刷的可靠性，内馈电机在材料、材质上做了革新

17、，同时采取了局部风冷措施，这样可使电刷寿命比普通绕线机提高一倍以上，特别是对于6极以上的低转速电机调速,由于线速度较低,滑环问题已不成为主要矛盾。 此外，转子控制由于电磁隔离作用，控制装置对电源的畸变影响有所减小，而变频的定子控制如与电网直接联接则影响较大，故谐波污染对于容量较大的电机调速是应该引起重视的。变频与内馈的详细对比见附表序变 频斩波内反馈1原 理附图1附图22效 率85%88%3COS0.6-0.90.7-0.94谐 波20%PePe10联接关系串 联并 联11与电网联接直 接间 接12价 格 （元/KW）1500-2000750-85013可靠性高压时较低高六、几点结论：1.电机调速的实质在于电机的功率控制。高效率的调速，控制的必须是电磁功率。2.转子的电磁功率决定了电机理想空载转速n0，n0与同步转速